Deşarj Döngüsü Nedir?

Geçen Salı günü ilk taşınabilir cihazını yapan bir girişimle görüştüm. PM bana kullanıcılarının pili kaç kez şarj edebileceğini soruyor. Buna bağlı dedim. Bir numara istedi. Ona 500'ün belki de mükemmel koşullar altında, sahada asla var olmayacağını söyledim.

Deşarj döngülerindeki sorun budur. Konsept son derece basittir ancak bunu gerçek ürünlere uygulamak hızla karmaşık hale gelir.

Piliniz eklentileri{0} saymaz. Kapasite verimini sayar. Etiket kapasitesinin %100'ünü boşaltın ve bu bir döngü demektir. Bunu tek seferde yapın veya bir haftalık kısmi deşarjlara yayın - aynı sonuç.

Şu anda el fenerinizde duran 18650, 47. döngüde veya 212. döngüde olabilir. Amp-saatleri düzenli olarak takip etmediğiniz sürece hiçbir fikriniz yok. Hücre kesinlikle bilmiyor. İçeride küçük bir tezgah yok. BMS'niz bunu coulomb sayımına ve coulomb sayımı sapmalarına dayanarak tahmin eder. Bildirilen döngü sayısının gerçek takvim eskimesine kıyasla %30 oranında eksik olduğu paketleri parçalara ayırdım.

Samsung SDI, 2019 yılında, standart test protokolü kapsamında 21.700 hücresinin 300. döngüde %83 kapasite tutma oranına ulaştığını gösteren bazı veriler yayınladı. Aynı döneme ait Panasonic NCR hücreleri 300 döngüde %78 civarındaydı. Bu sayılar, CC-CV'nin 0,5°C'de şarj edildiği ve 1°C ila 2,5V kesme noktasında deşarjın olduğu 23 derecelik iklim odalarından geldi. Kullanım durumunuz bir iklim odası olmadığı için kilometreniz değişecektir.

Bu sektördeki herkes deşarjın derinliğinden sanki bir çeşit sihirli kaldıraçmış gibi bahsediyor. Sığ döngüler ömrü uzatır, derin döngüler ise hücreleri daha hızlı öldürür. Yeterince doğru. Ancak ilişki çoğu insanın beklediği gibi değildir.

2021'de bir tıbbi cihaz müşterisi için bunu ölçmeye çalışan bir yan proje yürüttüm. Aynı üretim partisinden 200 hücre aldık, bunları gruplara ayırdık ve sekiz ay boyunca farklı Savunma Bakanlığı seviyelerinde döngüye soktuk. %100 DoD grubu 380. döngü etrafında krater oluşturdu. %60 DoD grubu hala 900 tam döngüye eşdeğer %88 kapasitedeydi. %30'luk Savunma Bakanlığı grubu bir yılın ardından neredeyse hiç bozulma göstermedi.

Ancak veri sayfalarının size söylemeyeceği şey şu. Takvim yaşlanması, bisiklet sürmeye bakılmaksızın tüm grupları kabaca aynı oranda tüketiyordu. Onuncu aya gelindiğinde, 25 derecelik bir odada %50 şarj durumunda dururken zar zor dokunduğumuz hücreler bile %4-5 kapasite kaybetmişti. Yoğun bir şekilde döngü yapan hücreler her iki yönden de darbe alıyordu; döngü yaşlanması artı takvim yaşlanması üst üste yığılıyordu.

Dolayısıyla müşteriniz iki-yıllık-eski cihazının "çok az kullanılmış olmasına" rağmen neden bu kadar uzun süre dayanmadığını sorduğunda - bu yüzdendir.

Discharge Cycle

Garajımda, Tucson'daki bir barakada üç yaz geçirmiş bir golf arabası aküsünden bir kutu hücre var. Sahibi, arabayı ayda yalnızca iki kez kullandığına yemin etti. Paket 2000 döngü için derecelendirilmiştir. 160 yaşında öldü. Hücreler dışarıdan iyi görünüyordu. Bir tanesi kırılmıştı ve jöle rulosunun ayırıcısında kahverengi lekeler vardı. Elektrolit kısmen ayrışmıştı.

Isı lityum hücrelerini öldürür. Kısa devre gibi hızlı değil. Yavaş, tereyağını tezgahın üzerinde bırakıyormuş gibi.

Arrhenius ilişkisi size 25 derecenin üzerindeki her 10 derece için kabaca 2 kat bozulma oranı verir. Ancak bu kimyalar genelinde bir ortalamadır. Test ettiğim NMC hücreleri daha hızlı düştü. LFP daha iyi dayandı. Giyilebilir cihazlar için kullandığımız kese hücreleri, aynı kimyaya sahip silindirik hücrelerden daha hassastır çünkü termal kütle daha düşüktür ve yük altında daha fazla ısınırlar.

Soğuk akıntı can sıkıcıdır ancak yıkıcı değildir. Kapasitenizi geçici olarak kaybedersiniz. Hücre ısınınca geri gelir. Nominal kapasitenin yalnızca %61'ini veren hücreleri -15 derecede boşalttım, ardından oda sıcaklığına kadar ısınmalarını sağladım ve bir sonraki deşarjda tam 3,2 Ah'yi elde ettim. Soğuk şarj öldürücüdür; anottaki lityum kaplama. Bu hasar kalıcıdır. Çoğu BMS, tam da bu nedenle 0 derecenin altında şarjı kilitler.

Her deşarj, lityum iyonlarını grafit anottan katoda taşır. Her saldırı onları geri itiyor. Bunu yeterince kez yaparsanız işler bozulmaya başlar.

Anot üzerindeki SEI tabakası kalınlaşır. O katmanın orada olması gerekiyor -, grafiti elektrolitten koruyor. Ancak her döngüde büyüyor ve büyüme, normalde enerji depolayabilecek lityum tüketmesi anlamına geliyor. Dramatik hiçbir şey olmasa bile kapasitenin azalmasının nedeni budur.

Katot parçacıkları çatlar. NMC ve NCA katotları, lityum içeri ve dışarı hareket ettikçe genişleyen ve daralan bir kristal yapıya sahiptir. Mikro-çatlaklar oluşur. Yüzey alanı artar. Yan reaksiyonlar hızlanır. Aynı gruptan alınan taze hücrelerle karşılaştırıldığında, mikroskop altında parçalanmış cam gibi görünen, yüksek-döngülü hücrelere ait katot parçacıklarının-kesitlerini gördüm.

Elektrolit parçalanır. İz suyu sorunlara neden olur. Yüksek voltaj oksidasyonu hızlandırır. Sonunda gaz üretimi, artan empedans ve sonunda hücre şişer veya havalanır.

Bunların hiçbiri eşit şekilde olmuyor. Seri dizinizdeki daha sıcak çalışan veya biraz daha düşük kapasiteyle başlayan hücreler daha hızlı yaşlanır. Bir veya iki yıl sonra "eşleşen" paketiniz artık eşleşmez. Zayıf hücre, deşarj sırasında tüm diziyi sınırlar ve buna ayak uydurmaya çalışırken aşırı çalışır. Oradan ölüm sarmalı.

IEC 62660 ve çeşitli UL standartları size bir temel sağlar. Bunları geçin ve ürünü gönderebilirsiniz. Ancak Cells Ace sertifikasyon testlerini izledim ve altı ay sonra şişmiş keselerle sahaya geri döndüğümde ortaya çıktım.

Sertifika testleri, gerçek kullanımı simüle etmek için değil, laboratuvarlar arasında tekrarlanabilir olacak şekilde tasarlanmıştır. Kimse telefonunu tam olarak 0,5C sabit akımda kullanmıyor. Hiç kimse elektrikli aletini 25 derecede mükemmel bir CC-CV profilinde şarj etmez.

Paketinizin nasıl performans göstereceğini anlamak konusunda ciddiyseniz, gerçek kullanıcınızla eşleşen bir test protokolü oluşturmanız gerekir. Beklenen deşarj akımınızın profilini çıkarın. Dinlenme sürelerini dahil edin. Ürününüzün göreceği aşırı sıcaklıklara ulaşın. İstatistiksel güven elde etmek için yeterli sayıda hücre çalıştırın - ve bu, çoğu startup'ın kaçmaya çalıştığı 3-5 değil, test koşulu başına en az 15-20 anlamına gelir.

Yaşam testlerinin erken dönemlerinde başarısız olan hücrelerde neredeyse her zaman üretim kusurları vardı. Elektrotta çapak var, kirlenme var, tırnaklarda kötü kaynak var. Bunlar ilk 50 döngüde ortaya çıkacak. Geç - başarısız olan hücreler, tasarımınız hakkında size bir şeyler söyleyen hücrelerdir.

Kullanıcı profilinizi biliyorsanız beklenen çevrim ömrünü hesaplayabilirsiniz. Günlük olarak şarj edilen bir telefonun şarjı, fişe takılmadan önce ortalama %20'ye kadar boşalabilir -, bu da günde yaklaşık 0,8 döngü anlamına gelir. İki-yıllık beklenen ömür boyunca 580 döngüye bakıyorsunuz. Hücreleriniz 500 döngüden %80 kapasiteye kadar derecelendirilmişse, 18. ay civarında şikayetler görmeye başlayacaksınız.

Bu nedenle Apple ve Samsung, reklamı yapılan kapasiteye göre paketlerini daha büyük boyutlandırıyor. Telefonunuzda gördüğünüz "%100", hücrelerin gerçekte taşıyabildiğinin %100'ü değildir. Hücrelerdeki stresi azaltmak için üstte ve altta bir tampon tutarlar. Telefonunuzun 4500 mAh fiziksel kapasitesi olabilir ancak yazılım bunun yalnızca 4000 mAh'ını kullanmanıza izin verir.

Aynı fikir herhangi bir pil ürünü için de geçerlidir. Döngü ömrü hedefinize daha iyi hücrelerle -, bu da daha pahalıya mal olur - ya da ekstra kapasite koyarak ve hücreleri daha kolay çalıştırarak ulaşabilirsiniz. İkinci seçenek, garanti rezervlerini hesaba kattığınızda genellikle toplam maliyet üzerinden kazanır.

Discharge Cycle

Deşarj döngüsü sadece aşınmayı ölçmenin bir yoludur. Arabadaki kilometre sayacı milleri gibi, ancak mil ile kalan ömür arasındaki ilişki daha yumuşaktır. 300 döngüdeki iki paketin kalan kapasitesi, oraya nasıl ulaştıklarına bağlı olarak tamamen farklı olabilir.

Hücre üreticileri size numaralarını verecektir. İşiniz, bu sayıların belirli ürününüze ve belirli kullanıcılarınıza nasıl yansıdığını bulmaktır. Bunun bir formülü yok. Test edersiniz, gönderirsiniz, saha verilerini izlersiniz ve ayarlarsınız.