Kodėl jūsų ličio baterija blogai veikia žiemą? Išsami-šalto oro įtakos ličio baterijos veikimui analizė.

Atėjus žiemai daugelis žmonių pastebi, kad telefonų baterijos išsikrauna dvigubai greičiau nei įprastai, įjungus šildytuvą drastiškai sumažėja elektromobilių atstumas, o lauko energijos kaupimo įrenginiai tampa mažiau efektyvūs. Taip yra ne todėl, kad jūsų įrenginiai sugedę; veikiau visa tai valdo aiškus elektrocheminis principas.

Įdomu tai, kad daugelio naudotojų pirmoji reakcija yra „baterija sena“,-tačiau tai nebūtinai tiesa. Didžioji dalis talpos praradimo esant žemai temperatūrai yra laikini ir grįžtami. Kai suprasite principą, sprendimas iš tikrųjų nėra sudėtingas.

Šiame straipsnyje bus sistemingai išardomi pagrindiniai mechanizmai, kuriais šaltas oras veikia ličio baterijų veikimą, pateikiami kiekybiniai duomenys ir horizontalūs skirtingų cheminių sistemų palyginimai bei pateikiami praktiniai pasiūlymai naudotojams ir dizaineriams.

1. Šalto oro įtaka ličio baterijoms: kas atsitiko?

Pirmiausia apibūdinkite reiškinį, tada paaiškinkite priežastis.

Žemoje -temperatūros aplinkoje tipiškiausi ličio-jonų baterijų poveikiai yra šie: sumažėjusi talpa, žymiai padidėjęs vidinis pasipriešinimas ir mažesnis įkrovimo bei iškrovimo efektyvumas. Tiksliau, iš naudotojo perspektyvos tai pasireiškia taip: sparčiai krenta akumuliatoriaus dalis (nuo 50 % iki 20 %), įrenginiai staiga išsijungia, bet rodo maitinimą, kai jie prijungti, ir nepakankama įtampa naudojant daug{5}}galios.

Palyginti su švino -rūgštiniais akumuliatoriais, ličio-jonų akumuliatoriai turi santykinį pranašumą esant žemai temperatūrai-švino-rūgščių baterijų veikimas smarkiai pablogėja esant dideliam šalčiui, o tai dažnai lydi nuolatinio eksploatavimo trukmės sumažėjimas. Tačiau „santykinai geriau“ nereiškia, kad „nėra problemų“, todėl negalima ignoruoti iššūkių, su kuriais susiduria pačios ličio baterijos esant žemai temperatūrai.

Pagrindinius pakeitimus galima apibendrinti trimis punktais:

Iškrovimo metu faktiškai naudojama energija sumažėja.

Įkrovimo metu akumuliatoriaus efektyvumas priimant elektros energiją mažėja.

Naudojant didelę srovę, įtampa krenta greičiau, todėl įrangai lengviau išjungti apsaugą.

Geros naujienos yra tai, kad dauguma šių pakeitimų yra grįžtami. Kai temperatūra pakyla, talpa paprastai gerokai atsistato-, jei nepriverčiate-įkrauti žemoje temperatūroje.

2. Kodėl žiemą sumažėja ličio baterijos talpa? Mokslinis paaiškinimas.

Žemos temperatūros poveikis persmelkia visą ličio -jonų akumuliatorių elektrocheminės reakcijos grandinę. Išskaidykime jį sluoksnis po sluoksnio:

① Ličio jonai „nebegali judėti“ - elektrolito klampumas didėja

Ličio akumuliatoriaus viduje ličio jonai turi judėti pirmyn ir atgal skystame elektrolite, kad perneštų energiją iš teigiamo elektrodo į neigiamą elektrodą (įkrovimas) arba atvirkščiai (išsikrovimas). Esant žemesnei temperatūrai, elektrolitas tampa tirštesnis, todėl ličio jonų difuzijos greitis žymiai sumažėja. Galite galvoti apie tai kaip plaukimą sirupe, o ne vandenyje – efektyvumas natūraliai daug mažesnis.

Kuo lėčiau jonai pasiekia elektrodo paviršių, tuo labiau „užstringa“ visa elektrocheminė reakcija.

② Elektrodo medžiagos „nenori judėti“-reakcijos kinetika pablogėja.

Esant žemai temperatūrai, ličio -jonų įterpimo ir ištraukimo katodinėse medžiagose (pvz., NMC trinaris ličio arba LFP ličio geležies fosfato) ir anodo medžiagose (dažniausiai grafite) kinetika labai sulėtėja. Paprasčiau tariant, elektrodų medžiagos yra „vangios“ esant žemai temperatūrai, todėl sumažėja ličio jonų, galinčių dalyvauti efektyviose cheminėse reakcijose, skaičius, todėl išskiriama mažiau energijos.

③ Vidinis pasipriešinimas „pakyla“ - trigubas pasipriešinimas

Žema temperatūra vienu metu padidina trijų tipų atsparumą:

Elektrolito laidumas mažėja (blogėja jo laidumas).

Padidėjęs sąsajos krūvio perdavimo pasipriešinimas (todėl ličio jonams sunkiau „lipti“ ant elektrodo paviršiaus)

Padidėja SEI plėvelės (kietojo elektrolito sąsajos plėvelės) varža (žemoje temperatūroje mažėja neigiamo elektrodo apsauginio sluoksnio jonų-laidumas).

Dėl šių trijų varžų bendro poveikio žymiai padidėja akumuliatoriaus vidinė varža. Didesnė vidinė varža lemia mažesnę efektyviąją įtampą iškrovimo metu, todėl energijos nuostoliai išsisklaido kaip šiluma, o tai dar labiau sumažina faktiškai naudojamą energiją.

④ Pavojingiausia situacija – ličio nusėdimas dėl žemos{0}}temperatūros įkrovimo

Tai labiausiai nerimą keliantis aspektas. Įkraunant žemoje -temperatūroje, ličio jonai negali būti laiku įterpti į grafito anodą ir nusėda ant anodo paviršiaus metalinio ličio pavidalu, sudarydami ličio dangą, kuri sunkiais atvejais gali išsivystyti į ličio dendritus.

Ličio dendritų keliami pavojai yra šie: negrįžtamas pajėgumų praradimas; tolesnis vidinio pasipriešinimo padidėjimas; Sunkiausiais atvejais dendritai gali prasiskverbti į separatorių, sukeldami trumpąjį jungimą ar net šiluminį pabėgimą.

Todėl krovimas žemiau 0 laipsnių yra visiškai draudžiamas be išimties.

3. Kiek talpos ličio baterijos praranda žiemą?

Talpos praradimo dydis priklauso nuo temperatūros, iškrovos srovės, akumuliatoriaus cheminės sudėties ir akumuliatoriaus senėjimo būklės. Šie duomenys pagrįsti NREL bandymų ataskaitomis ir AAA atliktu elektrinių transporto priemonių žiemos nuotolio tyrimu:

AAA 2023 m. žiemos bandymų ataskaita rodo, kad esant -7 laipsnių aplinkai vidutinis važiavimo atstumas (be šildymo) sumažėja apie 12%, o įjungus šildymą sumažėja iki maždaug 41%. Tai rodo, kad nors akumuliatoriaus talpa iš dalies prarandama dėl paties akumuliatoriaus, papildomos apkrovos, tokios kaip šildymas, atitirpinimas ir salono šildymas, yra pagrindinės priežastys, dėl kurių žiemą labai sumažėja važiavimo atstumas.

Du svarbūs priminimai:

Įrenginio rodomas akumuliatoriaus procentas dažnai būna pripūstas esant žemai temperatūrai, o faktinė naudojama energija yra mažesnė nei rodoma vertė. Taip yra todėl, kad BMS (baterijos valdymo sistema) negali tiksliai atspindėti žemos{1}}temperatūros būsenos, kai kalibruojama kambario temperatūroje.

Talpos praradimą, kurį sukelia žemos{0}}temperatūros iškrovimas, paprastai galima susigrąžinti pakilus temperatūrai; tačiau žala, kurią sukelia ličio nusėdimas dėl žemos temperatūros{1}}įkrovimo, yra nuolatinė.

4. Kurio tipo ličio baterija veikia geriau šaltu oru?

Ši problema iš tikrųjų yra gana prieštaringa pramonėje, ir nėra paprasto „kas tikrai geriau“. Yra per daug kintamųjų, turinčių įtakos našumui žemoje temperatūroje{1}}, o cheminiai pavadinimai yra tik vienas aspektas.

NMC trijų dalių ličio ir LFP ličio geležies fosfatas

Pramonėje įprastas požiūris į dviejų palyginimą žemoje temperatūroje yra toks:

NMC (trečias litis) : esant vidutinei žemai temperatūrai (apie -10 laipsnių), jis turi gana gerą energijos tankį ir talpos išsaugojimą, o tai yra viena iš priežasčių, kodėl dauguma buitinės elektronikos ir ankstyvųjų elektrinių transporto priemonių pasirinko NMC.

LFP (ličio geležies fosfatas) : jo ciklas yra geresnis ir saugesnis kambario temperatūroje, tačiau standartinių preparatų talpos sumažėjimas gali būti didesnis esant ypač žemai temperatūrai (žemiau -20 laipsnių). Tačiau pastaraisiais metais gamintojai, tokie kaip BYD ir CATL, daug optimizavo formules, kad LFP veiktų žemoje temperatūroje, ir skirtumas mažėja.

Verta paminėti, kad toje pačioje cheminėje sistemoje skirtingų gamintojų formulių skirtumai gali būti daug didesni nei skirtingų cheminių sistemų skirtumai. Pirkdami pirmenybę teikite gamintojo paskelbtai žemos -temperatūros iškrovimo kreivei (iškrovos pajėgumo išlaikymo rodiklis esant -20 laipsnių) ir minimaliai įkrovimo temperatūros ribai, kuri yra vertingesnė, nei tiesiog pažvelgti į „NMC arba LFP“.

Žemai{0}}temperatūrai optimizuota formulė: tikrasis skirtumas

Kai kurie akumuliatorių gamintojai, orientuojantys į žemos temperatūros{0}}programas, taikys:

Mažo-klampumo organinių tirpiklių elektrolitai (pvz., preparatai, kurių sudėtyje yra eterio tirpiklių).

Specialūs SEI plėvelę{0}}formuojantys priedai pagerina žemos temperatūros sąsajos savybes

Plonesnė elektrodo danga sutrumpina ličio{0}}jonų difuzijos kelią.

Šie formulės patobulinimai yra ypač veiksmingi ypač šaltomis sąlygomis (žemiau -30 laipsnių), tačiau dažnai dėl to reikia paaukoti tam tikrą kambario temperatūros energijos tankį.

Akumuliatorių paketai su įmontuotu{0}}šildymu: greitiausias efektas.

Nepriklausomai nuo cheminės sudėties, akumuliatoriai su integruotu išankstiniu pašildymu ir geromis termoizoliacinėmis konstrukcijomis veikia daug geriau nei pliki elementai šaltoje aplinkoje. Tai šiuo metu yra labiausiai lemiamas veiksnys, lemiantis elektrinių transporto priemonių ir lauko energijos kaupimo įrenginių žiemos eksploatacinių savybių skirtumą, kuris bus išsamiai aptartas dizaino skyriuje vėliau.

5. Kaip pagerinti ličio baterijų veikimą žiemą?

Toliau pateiktos rekomendacijos išvardytos pagal svarbą akumuliatoriaus sveikatai. Pirmieji du yra pagrindiniai-eilutės principai, o antrieji skirti našumui optimizuoti:

Pirma taisyklė: niekada nekraukite žemesnėje nei 0 laipsnių temperatūroje

Tai ne pasiūlymas, o principas. Įkrovimas žemoje-temperatūroje yra tiesioginė ličio nusėdimo priežastis, todėl žala yra negrįžtama. Jei įrenginio maitinimas išsenka esant žemai -temperatūrai lauke, prieš prijungdami prie įkrovimo pašildykite jį iki kambario temperatūros bent 30 minučių.

Antras punktas: prieš naudojimą pašildykite, po naudojimo išlaikykite šilumą

Įrenginiai, palaikantys išankstinį pašildymą (dauguma šiuolaikinių elektromobilių turi šią funkciją): akumuliatoriaus pašildymas patalpose arba naudojant programėlę prieš išvažiuojant leidžia pasiekti aukštesnę temperatūrą prieš naudojant, o tai gali žymiai pagerinti iškrovimo pajėgumą ir įkrovimo priimtinumą.

Įrenginiams be išankstinio pašildymo funkcijos (mobiliesiems telefonams, žibintuvėliams, dronams ir kt.): prieš naudojimą pašildykite juos vidinėje kišenėje arba izoliuotame maišelyje; poveikis bus matomas iš karto.

3 straipsnis: didelės-srovės iškrovos kontrolė itin šaltoje aplinkoje

Didelė{0}}srovė (pvz., greitas elektrinių transporto priemonių įsibėgėjimas ar dronų kilimas) esant žemai temperatūrai sukelia didesnį įtampos kritimą dėl vidinės varžos, todėl ne tik sumažėja efektyvumas, bet ir gali suveikti per didelės iškrovos apsauga. Žiemą važiuojant švelniai pagerės akumuliatoriaus veikimas.

4 straipsnis. Tinkamas laikymas

Baterijos, kurios nebuvo naudojamos ilgą laiką (daugiau nei 2 savaites):

Laikymo temperatūra: 10–25 laipsnių, sausai ir apsaugotoje nuo šviesos.

Likęs įkrovimas: laikykite jį nuo 30% iki 60% (kad nepažeistumėte teigiamo gnybto, palikdami jį iš dalies įkrautą, ir kad nepažeistumėte neigiamo gnybto, palikdami jį nepakankamai įkrautą).

Patikrinkite baterijos būseną kas 1–2 mėnesius ir papildykite ją iki aukščiau nurodyto diapazono.

5 straipsnis. Patarimai, kaip valdyti elektromobilių energijos suvartojimą žiemą

Pagrindinė vairavimo žiemą dilema yra ta, kad šildytuvas sunaudoja per daug elektros energijos, bet be jo per šalta. Štai keletas kompromisų:

Pirmenybė teikiama šildomoms sėdynėms ir vairui; šioms vietinėms šildymo sistemoms reikia tik kelių šimtų vatų, o tai yra daug efektyviau nei oro kondicionieriaus šildymas.

Įkaitinkite vežimėlį, kai jis prijungtas (šildomas išoriniu maitinimo šaltiniu, nenaudojant baterijų).

Statydami automobilį stenkitės pasirinkti dengtas arba uždaras automobilių stovėjimo aikšteles, kad sumažintumėte akumuliatoriaus šilumos nuostolius.

6. Kaip kuriame ličio baterijų paketus, skirtus naudoti šaltu{1}}oru

Šis turinys yra pagrįstas mūsų komandos praktine projektavimo patirtimi kriogeninės energijos kaupimo ir elektrinių specialių transporto priemonių akumuliatorių paketų projektuose ir yra taikomas profesionaliems scenarijams, kuriems reikalingas stabilus veikimas nuo -20 laipsnių iki -40 laipsnių.

Šilumos valdymo sistema (TMS): kriogeninio dizaino pagrindas

Akumuliatorių, skirtų ypač šaltoms darbo sąlygoms, šilumos valdymas yra ne „pasirenkama“, o „standartinė funkcija“. Mūsų tipiniai sprendimai apima:

PTC savaime{0}}reguliuojanti šildymo plėvelė: galios tankis maždaug 150–300 W/m², privalumai yra savaime-reguliuojančios saugos ir patikimumo charakteristikos bei nedidelė kaina; tinka pašildyti nuo -20 laipsnių iki 0 laipsnių.

Skysčio aušinimo + skysčio šildymo integruota sistema : šildymui žiemą ir vėsinimui vasarą naudojama ta pati skysčio grandinė. Sistema turi aukštą integracijos laipsnį, tačiau kaina ir svoris taip pat yra didesni; tinka automobilių-klasės projektams, kuriems taikomi griežti veikimo reikalavimai visame temperatūros diapazone.

Šilumos izoliacinės medžiagos ir šalčio tiltelio valdymas: išorinis apvalkalas pagamintas iš mažo šilumos laidumo medžiagų arba pridėtas izoliacinis sluoksnis (pvz., aerogelio veltinis, kurio šilumos laidumas yra tik 0,015 W/(m·K)). Konstrukcijoje vengiama, kad metalinės dalys bėgtų tiesiai per vidų ir išorę, kad būtų išvengta šalčio tilto efektų, sukeliančių vietinę žemą temperatūrą.

BMS apsaugos nuo žemos temperatūros strategija: pirmiausia kieta logika

Akumuliatoriaus valdymo sistema (BMS) turi atlikti šiuos veiksmus esant žemai temperatūrai:

Žemos-temperatūros įkrovimas draudžiamas : kai elemento temperatūra yra žemesnė nei 5 laipsniai , įkrovimo komandos visiškai draudžiamos (konfigūruojamas slenkstis priklauso nuo elemento specifikacijų).

Žemos-temperatūrinės srovės-ribotas iškrovimas : kai temperatūra yra nuo -10 laipsnių iki 5 laipsnių, maksimali iškrovimo srovė ribojama iki 30–50 % vardinės vertės, kad būtų išvengta dažno įtampos kritimo apsaugos suveikimo dėl per didelės vidinės varžos.

Temperatūros stebėjimas realiuoju laiku: kiekviename pakete yra bent keli temperatūros jutikliai, užtikrinantys vienodą temperatūros mėginių ėmimą ir neleisti vietiniam peršalimui užmaskuoti vidutinės vertės.

Ląstelių pasirinkimas ir patikrinimas

Projekto pradžioje reikalaujame, kad elementų tiekėjai pateiktų talpos išlaikymo kreives esant 0,2C iškrovai esant -20 laipsnių, taip pat bandymo ataskaitą apie įkrovos priėmimo pajėgumą esant -10 laipsnių. Tiekėjai, galintys pateikti išsamius žemos temperatūros bandymų duomenis, paprastai yra patikimesni formulės ir gamybos nuoseklumo požiūriu.

Ekstremaliems scenarijams, esant žemesnei nei -30 laipsnių (pvz., poliarinių tyrimų įranga ir didelio-aukščio dronai), standartinės ličio-jonų sistemos nebepakanka. Įvertinsime naujas technologijas, tokias kaip ličio metalo ar kietojo kūno akumuliatoriai, tačiau šie sprendimai vis dar yra masinės gamybos proveržio stadijoje.

Bendradarbiavimas sistemos{0}} lygiu: baterijos nėra izoliuotos salos

Akumuliatoriaus šiluminis valdymas turi būti suprojektuotas kartu su visa sistema/transporto priemonės sistema. Dažna klaida yra ta, kad akumuliatoriaus šilumos valdymas yra suprojektuotas gerai, tačiau įjungus sistemą, akumuliatorius iš karto yra visiškai apkraunamas. Akumuliatorius yra „apvalomas“ didele srove, kol jis visiškai neįkaista, todėl šilumos valdymas tampa neveiksmingas.

Mūsų patirtis rodo, kad sistemos programinės aparatinės įrangos lygiu nustatyti „šalto paleidimo maitinimo rampos{0}}didinimo“ logiką-automatiškai apriboti pradinę galią pagal elemento temperatūrą po įjungimo-ir palaipsniui išleidžiant visą galią kylant temperatūrai-, vartotojas beveik nepastebi, bet turi labai didelį poveikį akumuliatoriaus veikimo trukmei.

7. Dažnai užduodami klausimai (DUK)

1 klausimas: ar ličio baterijas galima iškrauti ir naudoti žemesnėje nei nulio laipsnių Celsijaus temperatūroje?

Taip, bet našumas sumažės. Pats iškrovimas nesukelia ličio nusėdimo, tik sumažina naudingą pajėgumą ir susilpnina išėjimo galią. Tačiau įkrauti visiškai neleidžiama -net esant -1 laipsniui, kyla ličio nusėdimo pavojus. Sprendimo principas yra paprastas: iškrovimas yra priimtinas, įkrovimas turėtų palaukti, kol temperatūra atsigaus.

2 klausimas: kodėl mano elektromobilio atstumas žiemą taip sumažėja?

Akumuliatoriaus talpos sumažėjimas yra tik dalis priežasties, paprastai 10–20 % sumažinantis atstumą. Didesnis kaltininkas yra šildymo sistema – pagal AAA testus, įjungus šildytuvą, bendras diapazono praradimas gali viršyti 40%. Kiti veiksniai – padidėjęs pasipriešinimas riedėjimui dėl mažesnio slėgio padangose ​​esant žemai temperatūrai ir sumažėjęs variklio efektyvumas esant žemai temperatūrai. Rekomenduojama pirmenybę teikti sėdynių šildymui, o ne transporto priemonės centrinio šildymo sistemai, nes sutaupoma daug energijos.

3 klausimas: kokia yra optimali temperatūra ir įkrovimo lygis laikant ličio baterijas žiemą?

Rekomenduojama temperatūra: 10–25 laipsnių, sausoje, tamsioje aplinkoje. Rekomenduojamas mokestis: 30–60 %. Nelaikykite pilnai įkrautos (tai apkrauna teigiamą gnybtą) ir nelaikykite žemo įkrovimo (tai gali sukelti per-iškrovimo žalą). Patikrinkite ir įkraukite iki aukščiau nurodyto diapazono kas 1–2 mėnesius.

4 klausimas: ar žala, kurią sukelia baterijų naudojimas žemoje temperatūroje, yra nuolatinė?

Tai priklauso nuo situacijos. Talpos praradimas dėl paprasto žemos temperatūros{1}}iškrovimo dažniausiai yra laikinas ir atsistato kylant temperatūrai. Ličio nusėdimas, atsirandantis dėl žemos-temperatūros įkrovimo, yra negrįžtama žala, o kai nuosėdos kaupiasi, akumuliatorius blogėja, o tai kelia pavojų saugumui. Todėl atsakymas į šį klausimą priklauso nuo to, ar kada nors įkrovėte akumuliatorių esant žemai temperatūrai.

5 klausimas: mano telefonas staiga išsijungia esant žemai temperatūrai. Ar akumuliatorius sugedęs?

Greičiausiai jis nesulaužytas. Esant žemai temperatūrai, baterijos įtampa gali nukristi iki telefono BMS (akumuliatoriaus valdymo sistemos) apsaugos slenksčio anksčiau, nors vis tiek gali likti įkrovos. Grįžęs į šiltesnę aplinką, telefonas paprastai įsijungia automatiškai ir rodo likusį akumuliatoriaus lygį. Tai normalus elektrocheminis reiškinys, o ne gedimas. Tačiau jei taip nutinka dažnai net kambario temperatūroje, reikėtų pagalvoti apie baterijos senėjimą.

6 klausimas: ar yra kokių nors ličio baterijų, rekomenduojamų naudoti ypač šaltoje lauko aplinkoje?

produkto specifikacijose nurodytą minimalią darbinę temperatūrą ir žemą{0}}temperatūros iškrovos išlaikymo rodiklį, o ne tiesiog žiūrėti į prekės ženklą ar cheminį pavadinimą. Šiuo metu kai kurios rinkoje esančios baterijos yra optimizuotos pagal žemos-temperatūros scenarijus ir specifikacijose nurodys talpos išlaikymo greičio duomenis esant -20 laipsnių arba -30 laipsnių (pvz., pasiekiant daugiau nei 80 % vardinės talpos). Šie gaminiai yra patikimesnis atrankos pagrindas.

Santrauka

Šaltas oras priverčia ličio baterijas „pablogėti“ – tai yra trijų fizikinių ir cheminių mechanizmų bendro poveikio rezultatas: elektrolito sutirštėjimas, elektrodų kinetikos sulėtėjimas ir padidėjęs vidinis pasipriešinimas. Daugeliu atvejų šis pablogėjimas yra laikinas ir grįžtamas,{1}}jei jų neįkraunate žemoje temperatūroje.

Paprastiems vartotojams svarbiausi du dalykai yra šie: neįkraukite žemesnės nei 0 laipsnių ir prieš naudodami kiek įmanoma pašildykite akumuliatorių. Profesionalioms programoms, kurioms reikalingas stabilus veikimas itin šaltoje aplinkoje, šilumos valdymo sistemos projektavimo kokybė ir BMS apsaugos nuo žemos-temperatūros strategija yra tikrasis taškas, lemiantis akumuliatoriaus našumą.

Tobulėjant žemai -temperatūrai optimizuotai elektrolitų technologijai ir laipsniškai diegiant kietojo kūno-baterijoms, dar yra daug galimybių pagerinti ličio baterijų veikimą ypač šaltoje aplinkoje. Tačiau iki tol principų supratimas ir teisingas jų naudojimas išlieka ekonomiškiausias ir efektyviausias sprendimas.