วงจรการคายประจุคืออะไร?

มีการโทรเมื่อวันอังคารที่ผ่านมาโดยมีสตาร์ทอัพทำอุปกรณ์พกพาเครื่องแรก PM ถามฉันว่าผู้ใช้สามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้กี่ครั้ง ฉันบอกว่ามันขึ้นอยู่กับ เขาต้องการหมายเลข ฉันบอกเขาไป 500 บางทีภายใต้สภาพที่สมบูรณ์แบบที่ไม่มีอยู่ในสนาม

นั่นคือปัญหาของวงจรการคายประจุ แนวคิดนี้เรียบง่ายมาก แต่การนำไปใช้กับผลิตภัณฑ์จริงจะซับซ้อนอย่างรวดเร็ว

แบตเตอรี่ของคุณไม่นับรวมปลั๊กอิน- โดยจะนับปริมาณงานของความจุ ระบายความจุแผ่นป้ายชื่อ 100% และนั่นคือหนึ่งรอบ ทำในครั้งเดียวหรือกระจายไปเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์โดยมีการปล่อยบางส่วน - ผลลัพธ์เดียวกัน

18650 ที่อยู่ในไฟฉายของคุณตอนนี้อาจจะอยู่ที่รอบ 47 หรือ 212 เว้นแต่ว่าคุณได้ติดตามแอมป์-ชั่วโมงอย่างเคร่งครัด คุณไม่มีทางทราบเลย เซลล์คงไม่รู้ ไม่มีเคาน์เตอร์เล็กๆอยู่ข้างใน BMS ของคุณจะประมาณการตามการนับคูลอมบ์ และการดริฟท์ของการนับคูลอมบ์ ฉันแยกแพ็คออกจากกันโดยที่จำนวนรอบที่รายงานลดลง 30% เมื่อเทียบกับอายุปฏิทินจริง

Samsung SDI เผยแพร่ข้อมูลบางส่วนย้อนกลับไปในปี 2019 ซึ่งแสดงเซลล์ 21700 เซลล์ที่มีการรักษาความจุ 83% ที่รอบ 300 ภายใต้โปรโตคอลการทดสอบมาตรฐาน เซลล์ Panasonic NCR จากยุคเดียวกันมีจำนวนมากกว่า 78% ที่ 300 รอบ ตัวเลขเหล่านี้มาจากห้องควบคุมอุณหภูมิที่อุณหภูมิ 23 องศา โดยมี CC- CV ชาร์จที่ 0.5C และคายประจุที่ 1C ถึง 2.5V จุดตัด ระยะทางของคุณจะแตกต่างกันไปเนื่องจากกรณีการใช้งานของคุณไม่ใช่ห้องควบคุมสภาพอากาศ

ทุกคนในอุตสาหกรรมนี้พูดถึงความลึกของการปลดปล่อยเหมือนเป็นคันโยกวิเศษ วงจรตื้นช่วยยืดอายุ วงจรลึกฆ่าเซลล์ได้เร็วขึ้น จริงพอแล้ว. แต่ความสัมพันธ์ไม่ใช่สิ่งที่คนส่วนใหญ่คาดหวัง

ฉันดำเนินโครงการเสริมในปี 2021 โดยพยายามหาปริมาณนี้สำหรับลูกค้าอุปกรณ์ทางการแพทย์ เรานำเซลล์ 200 เซลล์จากล็อตการผลิตเดียวกัน แบ่งเซลล์ออกเป็นกลุ่ม และปั่นจักรยานในระดับ DoD ที่แตกต่างกันเป็นเวลาแปดเดือน กลุ่ม DoD 100% มีหลุมอยู่รอบรอบ 380 กลุ่ม DoD 60% ยังคงอยู่ที่ความจุ 88% เทียบเท่ากับ 900 รอบเต็ม กลุ่มกระทรวงกลาโหม 30% แทบไม่แสดงการเสื่อมสภาพใดๆ เลยหลังจากผ่านไปหนึ่งปี

แต่นี่คือสิ่งที่เอกสารข้อมูลสินค้าจะไม่บอกคุณ การแก่ชราของปฏิทินกินทุกกลุ่มในอัตราเดียวกันโดยประมาณโดยไม่คำนึงถึงการปั่นจักรยาน เมื่อถึงเดือนที่ 10 แม้แต่เซลล์ที่เราแทบจะไม่แตะต้องก็สูญเสียความจุไป 4-5% แค่นั่งอยู่ตรงนั้นที่ประจุ 50% ในห้องที่มีอุณหภูมิ 25 องศา เซลล์ที่ถูกกรณือย่างหนักถูกโจมตีจากทั้งสองทิศทาง - การแก่ของวงจรบวกกับอายุของปฏิทินที่ซ้อนกันซ้อนกัน

ดังนั้น เมื่อลูกค้าของคุณถามว่าทำไมอุปกรณ์-ปี-ของพวกเขาถึงใช้งานได้ไม่นานแม้ว่าพวกเขาจะ "ใช้งานน้อยมาก" - นั่นเป็นเหตุผลนั้น

Discharge Cycle

ฉันมีกล่องเซลล์อยู่ในโรงรถ ซึ่งทำจากชุดแบตเตอรี่รถกอล์ฟที่ใช้เวลาสามฤดูร้อนในโรงเก็บของในทูซอน เจ้าของสาบานว่าเขาใช้รถเข็นเพียงเดือนละสองครั้ง Pack ได้รับการจัดอันดับสำหรับ 2000 รอบ มันเสียชีวิตเมื่ออายุ 160 ปี ภายนอกเซลล์ดูดี เปิดอันหนึ่งแตกและเยลลี่โรลมีจุดสีน้ำตาลบนตัวคั่น อิเล็กโทรไลต์สลายไปบางส่วน

ความร้อนฆ่าเซลล์ลิเธียม ไม่เร็วเหมือนขาดใจตาย ช้าๆ เหมือนทิ้งเนยไว้บนเคาน์เตอร์

ความสัมพันธ์ของอาร์เรเนียสให้อัตราการย่อยสลายประมาณ 2 เท่าทุกๆ 10 องศาเหนือระดับ 25 องศา แต่นั่นเป็นค่าเฉลี่ยของเคมีทั้งหมด เซลล์ NMC ที่ฉันทดสอบหลุดออกเร็วขึ้น LFP ดีขึ้นแล้ว เซลล์กระเป๋าที่เราใช้กับอุปกรณ์สวมใส่จะมีความไวมากกว่าเซลล์ทรงกระบอกที่มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน เนื่องจากมีมวลความร้อนต่ำกว่าและจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วภายใต้ภาระ

การปล่อยความเย็นสร้างความรำคาญแต่ไม่ได้ทำลายล้าง คุณสูญเสียความจุชั่วคราว มันจะกลับมาเมื่อเซลล์อุ่นขึ้น ฉันได้คายประจุเซลล์ที่อุณหภูมิ -15 องศา ซึ่งให้ความจุพิกัดเพียง 61% เท่านั้น จากนั้นปล่อยให้เซลล์อุ่นจนถึงอุณหภูมิห้อง และได้ประจุเต็ม 3.2Ah ในการคายประจุครั้งต่อไป การชาร์จด้วยความเย็นเป็นตัวฆ่า - การชุบลิเธียมบนขั้วบวก ความเสียหายนั้นจะถาวร BMS ส่วนใหญ่จะล็อคการชาร์จที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาด้วยเหตุผลนี้

การปล่อยประจุทุกครั้งจะย้ายลิเธียมไอออนจากกราไฟท์แอโนดไปยังแคโทด ทุกการโจมตีจะผลักพวกเขากลับไป ทำสิ่งนี้ให้มากพอแล้วสิ่งต่างๆ จะเริ่มพังทลาย

ชั้น SEI บนขั้วบวกจะหนาขึ้น ชั้นนั้นควรจะอยู่ที่นั่น - ซึ่งจะปกป้องกราไฟท์จากอิเล็กโทรไลต์ แต่มันเติบโตในทุก ๆ วงจร และการเติบโตหมายความว่ามันต้องใช้ลิเธียมซึ่งอาจกักเก็บพลังงานได้ นี่คือสาเหตุที่ความจุลดลงแม้ว่าจะไม่มีอะไรเกิดขึ้นก็ตาม

อนุภาคแคโทดแตก แคโทดของ NMC และ NCA มีโครงสร้างผลึกที่ขยายและหดตัวเมื่อลิเธียมเคลื่อนที่เข้าและออก รอยแตกขนาดเล็ก- พื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาข้างเคียงเร่งขึ้น ฉันเคยเห็นภาพตัดขวาง-ส่วนของอนุภาคแคโทดจากเซลล์ที่มีวัฏจักรสูง-ซึ่งดูเหมือนกระจกที่แตกละเอียดเมื่อดูจากกล้องจุลทรรศน์ เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์ใหม่จากชุดเดียวกัน

อิเล็กโทรไลต์แตกตัว ติดตามน้ำทำให้เกิดปัญหา ไฟฟ้าแรงสูงเร่งการเกิดออกซิเดชัน คุณจะจบลงด้วยการสร้างก๊าซ ความต้านทานที่เพิ่มขึ้น และในที่สุดเซลล์จะพองหรือช่องระบายอากาศ

ไม่มีสิ่งใดเกิดขึ้นอย่างเท่าเทียมกัน เซลล์ในสตริงอนุกรมของคุณที่ทำงานร้อนขึ้นหรือเริ่มต้นด้วยความจุที่ต่ำกว่าเล็กน้อยจะอายุเร็วขึ้น หลังจากผ่านไปหนึ่งหรือสองปี ชุด "ที่ตรงกัน" ของคุณจะไม่ตรงกันอีกต่อไป เซลล์ที่อ่อนแอจะจำกัดการปล่อยประจุทั้งหมดและทำงานหนักเกินไปเพื่อพยายามตามให้ทัน เกลียวแห่งความตายจากที่นั่น

IEC 62660 และมาตรฐาน UL ต่างๆ ถือเป็นพื้นฐานสำหรับคุณ ผ่านสิ่งเหล่านั้นและคุณสามารถจัดส่งสินค้าได้ แต่ฉันได้ดูการทดสอบการรับรองเซลล์เอซ แล้วก็ปรากฏตัวในภาคสนามอีกครั้งในหกเดือนต่อมาพร้อมกับถุงที่บวม

การทดสอบเพื่อการรับรองได้รับการออกแบบมาให้ทำซ้ำได้ทั่วทั้งห้องปฏิบัติการ ไม่ใช่เพื่อจำลองการใช้งานจริง ไม่มีใครใช้โทรศัพท์ของตนที่อุณหภูมิกระแสคงที่ 0.5C พอดี ไม่มีใครชาร์จเครื่องมือไฟฟ้าของตนด้วยโปรไฟล์ CC- CV ที่สมบูรณ์แบบที่ 25 องศา

หากคุณจริงจังกับการทำความเข้าใจว่าแพ็กของคุณจะทำงานอย่างไร คุณต้องสร้างโปรโตคอลทดสอบที่ตรงกับผู้ใช้จริงของคุณ โปรไฟล์กระแสการคายประจุที่คาดหวังของคุณ รวมช่วงที่เหลือด้วย ตั้งอุณหภูมิให้สูงที่สุดที่ผลิตภัณฑ์ของคุณจะเห็น เรียกใช้เซลล์ให้เพียงพอเพื่อให้ได้ความเชื่อมั่นทางสถิติ - และนั่นหมายความว่าอย่างน้อย 15-20 ต่อเงื่อนไขการทดสอบ ไม่ใช่ 3-5 ที่สตาร์ทอัพส่วนใหญ่พยายามหลีกเลี่ยง

เซลล์ที่ล้มเหลวในการทดสอบตั้งแต่อายุยังน้อยมักมีข้อบกพร่องจากการผลิตอยู่เสมอ รอยขรุขระบนอิเล็กโทรด การปนเปื้อน รอยเชื่อมที่ไม่ดีบนแท็บ สิ่งเหล่านั้นจะปรากฏใน 50 รอบแรก เซลล์ที่ล้มเหลวล่าช้า - เซลล์เหล่านี้คือเซลล์ที่บอกคุณบางอย่างเกี่ยวกับการออกแบบของคุณ

คุณสามารถคำนวณอายุการใช้งานที่คาดหวังได้หากคุณทราบโปรไฟล์ผู้ใช้ของคุณ โทรศัพท์ที่มีการชาร์จทุกวัน อาจจะสิ้นเปลืองโดยเฉลี่ยถึง 20% ก่อนที่จะเสียบปลั๊ก - ซึ่งก็คือประมาณ 0.8 รอบต่อวัน อายุการใช้งานที่คาดหวังในช่วงสองปี- คุณจะดูที่ 580 รอบ หากเซลล์ของคุณได้รับการจัดอันดับสำหรับ 500 รอบถึงความจุ 80% คุณจะเริ่มเห็นข้อร้องเรียนประมาณเดือนที่ 18

นี่คือสาเหตุที่ Apple และ Samsung มีขนาดใหญ่เกินไปเมื่อเทียบกับความจุที่โฆษณาไว้ "100%" ที่คุณเห็นบนโทรศัพท์ไม่ใช่ 100% ของจำนวนเซลล์ที่สามารถเก็บได้จริง พวกเขาเก็บบัฟเฟอร์ไว้ที่ด้านบนและด้านล่างเพื่อลดความเครียดในเซลล์ โทรศัพท์ของคุณอาจมีความจุทางกายภาพ 4500mAh แต่ซอฟต์แวร์ให้คุณใช้งานได้เพียง 4000mAh เท่านั้น

แนวคิดเดียวกันนี้ใช้ได้กับผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ทุกชนิด คุณสามารถบรรลุเป้าหมายวงจรชีวิตของคุณด้วยเซลล์ที่ดีกว่า - ซึ่งมีต้นทุนมากกว่า - หรือคุณสามารถบรรลุเป้าหมายโดยการเพิ่มกำลังการผลิตพิเศษและทำให้เซลล์ทำงานได้ง่ายขึ้น ตัวเลือกที่สองมักจะชนะด้วยต้นทุนทั้งหมดเมื่อคุณคำนึงถึงเงินสำรองการรับประกัน

Discharge Cycle

รอบการคายประจุเป็นเพียงวิธีหนึ่งในการวัดปริมาณการสึกหรอ เช่นเดียวกับมาตรวัดระยะทางบนรถยนต์ แต่ความสัมพันธ์ระหว่างไมล์กับอายุการใช้งานที่เหลือนั้นค่อนข้างเบาบางกว่า บรรจุภัณฑ์สองชิ้นที่ 300 รอบอาจมีความจุคงเหลือที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ขึ้นอยู่กับว่าได้มาอย่างไร

ผู้ผลิตเซลล์จะให้หมายเลขแก่คุณ งานของคุณคือการหาคำตอบว่าตัวเลขเหล่านั้นส่งผลต่อผลิตภัณฑ์เฉพาะของคุณและผู้ใช้เฉพาะของคุณอย่างไร ไม่มีสูตรสำหรับสิ่งนั้น คุณทดสอบ คุณจัดส่ง คุณดูข้อมูลภาคสนาม และคุณปรับเปลี่ยน