Наблюдения за поведением температуры при заряде и разряде Li-Ion аккумуляторов
Благодаря своей высокой удельной емкости, литий-ионные аккумуляторы постепенно вытесняют свинцовые (SLA) и никель-металл-гидридные (NiMH) из многих стационарных и портативных приложений. Но, по мере создания более мощных литиевых аккумуляторов, все острее встает вопрос управления потоками тепла при заряде и разряде.
Повышение температуры в литий-ионных аккумуляторах всегда было основной проблемой для конструкторов. Для большинства литий-ионных аккумуляторов предельная температура в режиме заряда установлена равной 45 °C, а в режиме разряда – 60 °C. Эти границы можно сдвинуть немого вверх, но ценой будет уменьшение срока службы аккумуляторов. А в худшем случае это может привести к повреждению, или даже воспламенению элементов аккумулятора. Новые аккумуляторы на основе LiFePO4 обещают расширить границы предельных температур заряда и разряда, но ограничения все равно останутся.
Вызывающая нагрев литий-ионных аккумуляторов энергия имеет несколько источников. Во время, как заряда, так и разряда, компоненты электронных схем, расположенные вблизи аккумулятора, отдают тепло в его элементы. Это особенно существенно во время заряда, так как заряд обычно осуществляется от импульсного источника питания с контроллером, который реализует алгоритм CC/CV (заряд постоянным током/постоянным напряжением). Не менее 10% энергии источника питания теряется в виде тепла, которое различными путями, в частности через выводы, передается в аккумулятор. В некоторых схемах заряда КПД не превышает 70%.
Другими источниками тепла являются схемы защиты аккумулятора и указателей уровня заряда. К таким источникам тепла относятся термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC), термопредохранители (TCO – thermal cutoff fuse), электронные предохранители, MOSFET первичной защиты и токовый шунт указателей уровня заряда (Рис. 1). При больших токах нельзя не учитывать и сопротивление никелевых полосок, соединяющих элементы аккумуляторной батареи.
 | |
| Рис. 1. | Источниками тепла внутри аккумулятора являются термистор и термовыключатель, электронный предохранитель, MOSFET в схеме первичной защиты, и токоизмерительный шунт в измерителе уровня заряда. |
| Надписи на рисунке | |
| Overcurrent | Перегрузка по току |
| Overtemperature | Перегрев |
| PTC | Термистор |
| TCO | Термовыключатель |
| Secondary safety | Вторичная защита |
| Non-resistable fuse | Нерезистивный предохранитель |
| Overvoltage protection | Защита от повышенного напряжения |
| Overvoltage | Повышенное напряжение |
| Undervoltage | Пониженное напряжение |
| Unbalance | Разбаланс |
| Protection MPSFETs | MOSFET транзисторы защиты |
| Balancing and primary safеty | Балансировка и первичная защита |
| Shunt | Шунт |
| Capacity and status | Емкость и статус |
| Gas gauge | Измеритель уровня заряда |
Большинство компонентов, через которые проходит ток, имеют резистивный характер. Выделяемое компонентом тепло пропорционально квадрату протекающего через него тока (P = R·I 2 ). При небольших (менее 1 А) токах заряда/разряда на сопротивлениях включенного защитного MOSFET транзистора и токового шунта тепла выделяется немного. Но при больших токах эти сопротивления становятся определяющими. Совсем нередко Li-Ion аккумуляторы отдают ток 10 А, а заряжаются током 5 А. При таких токах даже самое незначительное сопротивление может за несколько часов заряда или разряда внести существенный вклад в повышение температуры аккумулятора.
Взгляд на элементы аккумулятора
Источники тепла, не относящиеся к электронным компонентам, часто не принимают во внимание. Между тем, обладают сопротивлением внутреннее устройство защиты от перегрузки, анод и катод, и через них так же протекает ток, вызванный химическими реакциями в элементах батареи.
Для большинства Li-Ion аккумуляторов производители указывают внутренне сопротивление в диапазоне от 80 до 100 мОм. Это сопротивление может быть серьезным источником тепла, когда заряд и разряд производятся максимальными токами. Сейчас на рынок поставляются аккумуляторы с максимальным током разряда 10C … 20C. (1C – ток, численно равный емкости аккумулятора в А·ч, например для аккумулятора 2400 мА·ч, 1C = 2.4 А). Конечно, тока 20C аккумулятор долго не выдержит, но и за короткое время его температура может повыситься очень сильно.
Почти полностью игнорируются химические реакции в элементах аккумуляторной батареи. Реакция, которая происходит во время заряда ячейки литий-ионной батареи, является эндотермической, т.е., она поглощает тепло. Но в термодинамике не бывает бесплатных обедов, и при разряде тепло выделяется. В 1995 году в Центральном научно-исследовательском институте электроэнергетики (CRIEPI) с помощью калориметра провели классические исследования химических реакций в Li-Ion аккумуляторах. Рисунок 2 взят из доклада, составленного по результатам этих исследований (см. http://criepi.denken.or.jp/en/e_publication/a1996/96seika29.html).
 | |
| Рис. 2. | Реакция, происходящая при заряде Li-Ion аккумуляторов, является эндотермической (A), а при разряде – экзотермической. Обратите внимание, что на последнем этапе разряда выделение температуры резко увеличивается, сигнализируя о быстром росте выходного сопротивления аккумулятора перед наступлением полного разряда. |
| Надписи на рисунке | |
| Charge | Заряд |
| Discharge | Разряд |
| Voltage (V) | Напряжение (В) |
| Cell voltage | Напряжение на ячейке аккумулятора |
| Heat flow (mW) | Тепловой поток (мВт) |
| Time (hours) | Время (час) |
На графике тепловые потоки показаны на фоне цикла заряда одиночного Li-Ion элемента, и следующего за ним цикла разряда. Обозначенный буквой «A», начальный участок графика иллюстрирует эндотермическую природу химической реакции заряда. Область разряда, отмеченная буквой «B», совершенно очевидно, имеет экзотермический характер. Но что интересно, вблизи конца области разряда скорость выделения тепла резко возрастает, что указывает на быстрое увеличение внутреннего сопротивления элемента перед полным разрядом. (Заметим, что заряд и разряд в этих экспериментах выполнялись постоянным током).
Эндотермическая составляющая происходящих в аккумуляторе химических процессов весьма незначительна по сравнению с остальными источниками тепла. В любом случае, преобладающим будет влияние элементов, выделяющих тепло, и температура аккумулятора при заряде будет повышаться.
Строго экзотермический характер химической реакции при разряде может вызвать сильный нагрев аккумулятора в конце разряда. Это усугубляется тем, что мощность, забираемая от аккумулятора, как правило, постоянна, и для поддержания постоянной мощности ток в конце разряда должен увеличиваться. При этом все резистивные составляющие элемента батареи начинают выделять еще больше тепла.
Аспекты конструирования
Надлежащим образом сконструированная аккумуляторная батарея должна содержать устройство защиты от перегрева. В большинстве схем первичной и вторичной защиты литий-ионных аккумуляторов содержатся MOSFET транзисторы, которые открываются, если температура становится слишком высокой (или, если нужно, слишком низкой). Как показано на Рис. 1, некоторые первичные и вторичные схемы защиты могут открывать электронные предохранители. Это происходит лишь в крайнем случае, так как подобные предохранители не могут самовосстанавливаться, и открывшись, отключают батарею аккумуляторов.
При конструировании литий ионных аккумуляторов для больших токов нагрузки необходимо принимать во внимание множество факторов. Следует предусмотреть отвод тепла от резистивных элементов электронной схемы, и от самих элементов батареи. При очень больших токах, характерных, например, для аккумуляторов транспортных средств, может потребоваться воздушное, а может быть, и жидкостное охлаждение аккумуляторов.
Для уменьшения разогрева самих аккумуляторов, разработчики соединяют в батарею несколько элементов параллельно, снижая, таким образом, ток через каждый элемент. Но это порождает и проблему, связанную с разбросом параметров элементов, из-за чего ток может течь из одного элемента в другой. Проблема решается установкой в батарею дополнительных PTC термисторов, что усложняет и удорожает аккумулятор.
Литий-ионные аккумуляторы становятся все мощнее и занимают ниши, в которых раньше доминировали свинцовые и никелевые аккумуляторы. Это требует все более серьезного отношения разработчиков аккумуляторов к вопросам выделения тепла. Следствием игнорирования этих вопросов будет, как минимум, плохая батарея, а в худшем случае, небезопасная и ненадежная.
Литература
- Use Cell Balancing To Enable Large-Scale Li-ion Batteries (Использование балансировки элементов в мощных Li-Ion аккумуляторах)
- Changes To IEEE 1625 Establish A High Bar For Battery Design (Изменения в стандарте IEEE 1625 поднимают планку проектирования аккумуляторов)
- Mind Your Thermal Management To Improve Reliability (Для повышения надежности не забывайте о контроле температуры)
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Источник
Допустимые диапазоны температур при заряде и разряде литий-ионных аккумуляторов
По многочисленным просьбам в дополнение к пункту 5 нашей статьи 5 практических советов по эксплуатации литий ионных аккумуляторов мы решили написать более детально о допустимых диапазонах заряда и разряда литий-ионных аккумуляторов.
Аккумуляторные батареи могут работать в достаточно широком диапазоне температур, но есть экстремумы, о которых стоит помнить все время, особенно в странах с часто меняющимся климатом и множеством часовых поясов, как, например, Россия.
Литий-ионные аккумуляторы достаточно хорошо заряжаются при низких плюсовых температурах, а также, могут быть поставлены на быстрый заряд (устройства быстрого заряда используются для заряда EV*) при диапазоне температур от 5 до 45°C. Процессы заряда и разряда хорошо протекают при высоких допустимых температурах (до 45°C), но при этом уменьшается срок жизни аккумулятора.
При температуре ниже 5°C ток зарядки необходимо понизить. Заряд недопустим при температуре ниже 0°C — при зарядке ниже 0 внешних изменений не наблюдается, но химические процессы необходимые для корректной работы аккумулятора будут нарушены, что может привести к перманентному повреждению аккумулятора.
Мы сделали визуальную шпаргалку для пользователей смартфонов с рекомендуемыми температурными диапазонами разряда и заряда при эксплуатации портативной техники, работающей на литий-ионных аккумуляторах. 
Источник
Литий ионные аккумуляторы греются
В общем еще одно мое наблюдения касаемо LI ION и LI PO аккумуляторов, а именно их нагрева в процессе разряда. Я знал и много слышал что разогрев лития имеет место быть. На бу разогрев этот был и при заряде и разряде, и когда я разобрался в данной причине было уже поздно я накупил около 400 штук бу аккумуляторов, в итоге это мертвые АКБ. Долго пытался предупредить людей, но как обычно они сами лучше всех все знают и поэтому так же как и я наступали на эти грабли.
Сегодня речь пойдет о новых или исправных батареях, которые при заряде не нагреваются. А вот при разряде если разряжать их неважно быстро либо медленно к концу емкости могут заметно нагреваться.
Исходя из личного опыта сразу скажу, что тепло в АКБ в любой форме это деградация анода и катода. А вот если мы с вами посмотрим на момент в какой аккумуляторы начинают разогреваться, то можно сразу ответить на вопрос почему аккумуляторы стоит разряжать не более 80%.
Все дело в том, что чем больше мы выжимаем с аккумулятора, тем сильнее он начинает разогреваться, а значит, деградируется анод и катод аккумулятора, а значит этот аккумулятор изнашивается сильнее, а это и влияет на уменьшение его циклов.
Проще говоря, пластины деформируются сильнее, и чем больше проходит времени тем шанс, что получатся микро трещины, разрывы, становится выше, а это приводить либо к их осыпанию, либо более быстрому истощению медной пластины, либо даже в плоть до короткого замыкания.
Иными словами 1000 -3000 циклов уже точно при постоянном разряде в ноль литиевых аккумуляторов вряд ле будет возможность получить.
Но отталкиваясь этих данных, мы можем с вами знать наверняка, что если АКБ разряжать не более чем 70% от емкости, и не перегревать АКБ, то литиевые АКБ прослужат близкий к своему сроку службы или более срока службы.
Опять таки, вы должны понимать, что количество циклов, это примерное значение, и при разных условиях, оно может быть как выше, и если убивать АКБ с полным 100% разрядом, можно даже половины минимальных циклов не получить. Ибо тут есть факторы которые так же влияют на эти результаты.
Более подробно я описывать не буду, ибо той информации что я дал, хватит тем кто понимает смысл, а для тех кто не понимает, эта информация будет просто бесполезна.
Автор Н Дмитрий
Источник
Li-Ion аккумуляторы — правда и мифы.
2.5 В Li-Ion аккумулятор начинает очень быстро деградировать, и даже одна такая разрядка может существенно (до 10%!) уменьшить его емкость. К тому же при разряде до такого напряжение штатным зарядником зарядить его уже не получится — при падении напряжения ячейки аккумулятора ниже
3 В «умный» контроллер отключит ее как поврежденную, а если такие ячейки все — аккумулятор можно нести на помойку.
Но тут есть одно очень важное но, о котором все забывают: в телефонах, планшетах и других мобильных устройствах рабочий диапазон напряжений на аккумуляторе это 3.5-4.2 В. При опускании напряжения ниже 3.5 В индикатор показывает ноль процентов заряда и аппарат выключается, но до «критических» 2.5 В еще очень далеко. Это подтверждается тем что если подсоединить к такому «разряженному» аккумулятору светодиод то он может гореть еще долгое время (может кто-то помнит что раньше продавались телефоны с фонариками, которые включались кнопкой независимо от системы. Так вот там лампочка продолжала гореть и после разрядки и выключения телефона). То есть как видно при штатном использовании разрядки до 2.5 В не происходит, а значит разряжать акум до нуля процентов вполне можно.
Миф второй. При повреждении Li-Ion аккумуляторы взрываются.
Все мы помним «взрывной» Samsung Galaxy Note 7. Однако это скорее исключение из правил — да, литий очень активный металл, и взорвать его в воздухе нетрудно ( а в воде он и сам очень ярко горит). Однако в современных аккумуляторах используется не литий, а его ионы, которые куда менее активны. Так что чтобы произошел взрыв нужно сильно постараться — или повредить заряжающийся аккумулятор физически (устроить короткое замыкание), или заряжать очень высоким напряжением (тогда он сам повредится, однако скорее всего контроллер банально сгорит сам и не даст заряжать аккумулятор). Поэтому если у вас вдруг в руках оказался поврежденный или дымящийся аккумулятор — не стоит бросать его на стол и убегать из комнаты с криками «мы все умрем» — просто положите его в металлическую тару и вынесите на балкон (чтобы не дышать химией) — аккумулятор будет тлеть какое-то время и потом потухнет. Главное — не заливать водой, ионы конечно менее активные чем литий, но все же какое-то количество водорода при реакции с водой так же выделится (а он любит взрываться).
Миф третий. При достижении на Li-Ion аккумуляторе 300(500/700/1000/100500) циклов он становится небезопасен и его нужно срочно менять.
Миф, к счастью все меньше и меньше гуляющий по форумам и не имеющий под собой вообще никакого физического или химического объяснения. Да, во время эксплуатации электроды окисляются и коррозируют, что уменьшает емкость аккумулятора, но ничем кроме меньшего времени автономной работы и нестабильного поведения на 10-20% заряда это вам не грозит.
Миф четвертый. С Li-Ion аккумуляторами нельзя работать на морозе.
Это скорее рекомендация, чем запрет. Многие производители запрещают использовать телефоны при отрицательное температуре, да и многие сталкивались с быстрым разрядом и вообще отключением телефонов на холоде. Объяснение этому очень простое: электролит — это водосодержащий гель, а что происходит с водой при отрицательных температурах все знают (да, она замерзает если что), тем самым выводя некоторую область аккумулятора из работы. Это приводит к падениею напряжения, а контроллер начинает считать это разрядкой. Аккумулятору это не полезно, но и не смертельно (после нагрева емкость вернется), так что если вам позарез нужно пользоваться телефоном в мороз (именно пользоваться — достать из теплого кармана, посмотреть время и спрятать назад не считается) то лучше зарядите его на 100% и включите любой процесс, нагружающий процессор — так охлаждение будет происходить медленнее.
Миф пятый. Вздувшийся Li-Ion аккумулятор опасен, его нужно срочно выкинуть.
Это не совсем миф, скорее предосторожность — вздувшийся аккумулятор может банально лопнуть. С химической точки зрения все просто: при процессе интеркаляции происходит разложение электродов и электролита, в результате чего выделяется газ(так же он может выделяться и при перезарядке, но об этом чуть ниже). Но его выделяется крайне мало, и чтобы аккумулятор казался вздутым должно пройти несколько тсотен (если не тысяч) циклов перезарядки (если конечно он не бракованный). Проблем избавиться от газа нет — достаточно проткнуть клапан (в некоторых аккумуляторах он сам открывается при избыточном давлении) и стравить его (дышать им не рекомендую), после чего можно замазать дырку эпоксидной смолой. Конечно былую емкость это аккумулятору не вернет, но хотя бы теперь он точно не лопнет.
Миф шестой. Li-Ion аккумуляторам вреден перезаряд.
А вот это уже не миф, а суровая реальность — при перезарядке велик шанс что аккумулятор вздуется, лопнет и загорится — поверьте, мало удовольствия быть забрызганным кипящим электролитом. Поэтому во всех аккумуляторах стоят контроллеры, банально не дающие зарядить аккумулятор выше определенного напряжения. Но тут надо быть крайне осторожным в выборе аккумулятора — контроллеры китайских поделок зачастую могут сбоить, а фейерверк из телефона в 3 часа ночи думаю вас не обрадует. Разумеется, такая же проблема есть и в брендовых аккумуляторах, но во-первых там такое случается гораздо реже, а во-вторых вам по гарантии поменяют весь телефон. Обычно этот миф порождает следующий:
Миф седьмой. При достижении 100% нужно снимать телефон с зарядки.
Из шестого мифа это кажется разумным, но на деле нет смысла вставать посреди ночи и снимать устройство с зарядки: во-первых сбои контроллера крайне редки, а во-вторых даже при достижении 100% на индикаторе аккумулятор еще некоторое время дозаряжается до самого-самого максимума низкими токами, что добавляет еще 1-3% емкости. Так что на деле не стоит так сильно перестраховываться.
Миф имеет место быть по причине некачественности китайских зарядников — при нормальном напряжении в 5 +- 5% вольт они могут выдавать и 6, и 7 — контроллер, конечно, какое-то время будет сглаживать такое напряжение, однако в будущем оно в лучшем случае приведет к сгоранию контроллера, в худшем — к взрыву и (или) выходу из строя материнской платы. Бывает и обратное — под нагрузкой китайский зарядник выдает 3-4 вольта: это приведет к тому что аккумулятор не сможет зарядиться полностью.
Как видно из целой кучи заблуждений далеко не все имеют под собой научное объяснение, и еще меньше реально ухудшают характеристики аккумуляторов. Но это не значит что после прочтения моей статьи нужно бежать сломя голову и покупать дешевые китайские аккумуляторы за пару баксов — все-же для долговечности лучше взять или оригинальные, или качественные копии оригинальных.
Источник