Как да се провери дали една батерия има дълго циклично работно време?

Разбиране на дългата циклична производителност: определение и ключови метрики

Какво е дълъг цикличен живот при литиев-йонните батерии?

Терминът дълъг живот на цикъла по същество описва колко добре батерията запазва полезната си мощност след стотици цикли на зареждане и разреждане. Когато говорим конкретно за литиево-йонни батерии, ние разглеждаме колко пълни заряди (от около 80 до 100%) могат да издържат, преди капацитетът им да спадне до 80% от първоначалния – което повечето хора в индустрията считат за момент, в който батерията започва да става недостатъчно надеждна (както е отбелязано от Института Понеман през 2023 г.). Доброто представяне при тези цикли е от голямо значение за устройства, които се нуждаят от продължителна енергия без чести подмяны. Помислете за електрически автомобили, които изминават миля след миля, или за онези масивни батерийни блокове, използвани за съхранение на възобновяема енергия в мащаба на цели електрически мрежи.

Връзката между циклите на зареждане-разреждане и запазването на капацитета

Всеки път, когато батериите преминават през зареждане и разреждане, те постепенно губят способността си да съхраняват енергия поради химични промени в електродите и електролитните материали. Когато ги натоварваме по-силно, като ги изтощаваме по-дълбоко при всеки цикъл, този износ се ускорява значително. Вижте реални данни: батериите, които се използват до 90% от капацитета си, обикновено достигат крайната си точка около 40% по-рано в сравнение с тези, които се изтощават само до 50%. Намирането на правилния баланс между дълбочината на разреждане и продължителността на живота на батериите е от решаващо значение за всеки, който търси максимална производителност в дългосрочен план.

Индустриален стандарт: 80% капацитет като праг за край на живота

Прагът от 80% капацитет — при който батерията запазва само четири пети от първоначалната си енергия — е широко приет като функционален край на живота ѝ в различните индустрии. Проучвания показват, че производителността и надеждността рязко намаляват под този праг, като честотата на повреди нараства пет пъти (IEEE 2023). Този стандарт влияе върху гаранционните условия, графиките за поддръжка и планирането на подмяна.

Стандартизирани методи за тестване за оценка на дългата циклична устойчивост

Преглед на протоколите за тестване на цикличния живот на батерии

Стандартът IEC 61960 предлага методи за оценка на поведението на батериите при много цикли чрез контролирани тестове, при които те се зареждат и разреждат многократно. Лабораториите провеждат тези тестове по-бързо от нормалното, като ускоряват процеса на стареене, което им позволява да видят какво се случва след години употреба само за няколко седмици. Когато изследователските центрове следват насоките от EN 45552:2020 за изпитване на дълготрайност, техните прогнози за живота на батериите обикновено са доста точни – най-често с грешка около 2%. Това показва колко важно е да се спазват установените стандарти, за да се получават надеждни данни при тестване на продължителността на живота на батериите.

Циклиране на заряд-разряд: CC-CV и методи с постоянен ток

Използват се два основни метода при цикличното тестване:

• Постоянен ток - Постоянно напрежение (CC-CV) : Прилага се постоянен ток, докато се достигне гранично напрежение, след което напрежението се поддържа постоянно, за да се завърши зареждането. Този метод осигурява баланс между ефективност и здравето на клетката.
• Чист постоянен ток : По-прост, но може да претовари клетките, като игнорира ограниченията по напрежение.

Проучвания показват, че CC-CV подобрява цикличния живот с 18% в сравнение със само постоянен ток при тестване до запазване на 80% от капацитета.

Наблюдение на напрежението, тока и вътрешното съпротивление по време на тестване

Наблюдението в реално време на ключови параметри позволява ранно откриване на модели на деградация. Критични метрики включват:

Автоматизирани системи прилагат стандарта ASTM F3283-17 за маркиране на аномалии и идентифициране на тенденции в намаляване на капацитета по време на продължително тестване.

Лабораторни срещу реални условия: Отстраняване на несъответствията при симулацията

Лабораторните тестове обикновено се провеждат в контролирани условия при температура около 25 градуса по Целзий, плюс-минус един градус, но в реалния свят батериите се изправят пред най-различни температурни промени и променливи натоварвания. Помислете само колко по-бързо намалява животът на батерията при екстремна топлина или студ. Според проучване, публикувано от AAC през 2023 г., само тези температурни колебания могат да ускорят износването на батериите с до 35%. Добрата новина е, че съвременните методи за тестване стават все по-интелигентни. Много лаборатории вече използват климатични камери, работещи в диапазона от минус 20 до плюс 60 градуса по Целзий, както и реални модели на употреба, вместо само теоретични модели. Този подход значително намалява неточностите при симулациите, като в повечето случаи редуцира грешките от около 40% на под 12%.

Основно оборудване за точни тестове с дълги цикли

Батерийни циклиращи устройства: характеристики и критерии за избор

Батерийните циклични уреди са от централно значение за дългото циклично тестване, като осигуряват точно възпроизвеждане на последователности за зареждане и разреждане. Моделите от висок клас предлагат точност на тока ±0,05% и програмируем контрол на околната среда, както е потвърдено в изследването BTS-4000. Основни фактори при избора включват:

• Мултиканална функционалност за паралелно тестване
• Работен температурен диапазон от -40°C до +85°C
• Съответствие със стандарти за безопасност UN 38.3 и IEC 62133

Тези характеристики гарантират надеждно и мащабируемо оценяване на продължителността на литиево-йонните батерии.

Системи за събиране на данни за непрекъснато наблюдение на производителността

Съвременните системи за събиране на данни (DAQ) следят едновременно повече от 15 параметра, включително импеданс (с резолюция до 0,1 mΩ) и коефициенти на ентропия. Интегрирането на инструменти за термално профилиране намалява грешките при прогнозиране на намаляване на капацитета с 22% в сравнение с мониторинг само по напрежение. Съществени възможности включват:

• 24-битови АЦП за високоточни измервания в микроволтове
• Честоти на дискретизация над 1 kHz за засичане на преходни събития
• Облачен анализ за проследяване в реално време на деградацията

Заедно с циклични устройства за батерии, системите DAQ осигуряват изчерпателна оценка на плътността на енергията (Wh/kg) и запазването на мощността (%) след хиляди цикъла.

Оценка на деградацията и състоянието на здраве (SOH) при продължителен живот на цикъла

Ефективната оценка на производителността при дълъг цикъл разчита на систематично наблюдение на деградацията и напреднало моделиране на състоянието на здраве (SOH).

Проследяване на намаляването на капацитета до 80% при продължителни цикли на зареждане-разреждане

Повечето литиев-йонни батерии обикновено губят около 1-4% от капацитета си всяка година при нормална употреба, макар че честото преминаване през цикли на зареждане значително да ускорява процеса. В лаборатории се провеждат стандартни тестове, при които се измерва количеството енергия, което се освобождава след всеки пълен цикъл на зареждане/разреждане, а резултатите се нанасят на графики, показващи как температурните промени и дълбочината на разреждане влияят върху продължителността на живота на батерията. Специалистите в индустрията обикновено смятат, че когато батерията достигне около 80% от първоначалния си капацитет, е време да се замени за повечето ежедневни приложения, въпреки че някои специализирани устройства могат да продължат да работят и след този праг.

Оценка на състоянието на здраве чрез модели на цикличен живот

Моделите за състояние на здравето (SOH) днес стават доста напреднали, като комбинират реални данни от циклиране с електрохимични принципи, за да предскажат колко дълго ще издържи една батерия, преди да се наложи подмяната ѝ. Някои по-нови хибридни подходи, които обединяват методи за машинно обучение с реални модели на износване, успяват да постигнат точност на прогнозиране на капацитета под 3%, дори и след 500 цикъла на зареждане. Това, което прави тези модели толкова ефективни, е способността им да анализират неща като промени в напрежението във времето, нарастващо вътрешно съпротивление и температурни промени по време на работа, което им позволява да правят обосновани предположения за капацитета на батерията, без да се налага постоянна пълна рекалибриране.

Кейс Стади: Прогнозиране на SOH в батерии на ЕП след 1000+ цикъла

В автомобилните приложения ранните данни са силно предсказващи дългосрочната производителност. Проучване от 2024 г. установи, че използването на първите 200 цикъла позволява точни прогнози за капацитета при 1000 цикъла, като грешката в прогнозирането е под 5%. Това подчертава значението на непрекъснатия мониторинг и моделите, базирани на данни, за осигуряване на надеждност в среди с високи изисквания.

Ключови фактори, влияещи върху дългия цикъл на работа

Ефектът на температурата върху стареенето на батериите и продължителността на цикъла

Температурата оказва значително влияние върху скоростта на деградация, следвайки зависимостта по Арениус. Батериите, работещи при 45°C, се разграждат 2,3 пъти по-бързо в сравнение с тези при 25°C (Проучване на стареенето на батерии, 2023 г.), основно поради ускорено разграждане на електролита и нарастване на слоя на твърдия електролитен интерфаз (SEI). Задържането на оптимални топлинни условия е от решаващо значение за максимизиране на продължителността на цикъла.

Влияние на скоростите на зареждане/разреждане и дълбочината на разряд (DoD)

Високите скорости на зареждане/разреждане (>1C) предизвикват механично напрежение, което поврежда структурите на електродите, докато дълбокото разреждане (>80% DoD) изчерпва активния литий. Полевите данни показват ясна обратна зависимост между DoD и броя цикли:

Ограничаването на DoD под 60% може да удвои живота на системите за стационарно съхранение.

Съчетаване на висока производителност и дълъг живот при промишлени приложения

Пазарът на електрически превозни средства ни показва класическото балансиране между това колко добре те работят и колко дълго траят. Когато шофьорите рязко натиснат спирачките, системата за рекуперативно зареждане зарежда по-бързо, но с времето може всъщност да причини пукнатини в анодите на батериите. А онези дълги пътувания по магистрали с висока скорост (около 4 пъти нормалната скорост на разряд) износват батериите много по-бързо в сравнение с градското движение с често спиране и тръгване, като ги ускоряват деградацията с около 18%. Някои хора може да се чудят защо компаниите харчат допълнителни пари за термални системи за управление, които увеличават разходите с около 9 до 12%. Е, тези системи поддържат батериите по-студени по време на работа и по някакъв начин успяват да удължат живота им с до 40%. Големите производители на автомобили стават все по-умни и по този въпрос. Те прилагат алгоритми за машинно обучение, за да прецизно настрояват кога и как батериите се зареждат. Тези интелигентни методи за зареждане намаляват календарното стареене с около 22%, като едновременно запазват добър изходен мощностен показател за комерсиални приложения за съхранение в различни индустрии.

ЧЗВ

Какво е значението на дългият цикличен живот при литиево-йонните батерии?

Дългият цикличен живот определя колко ефективно батерията може да запази използваемата си мощност при многобройни цикли на зареждане и разреждане, което е от решаващо значение за приложения, изискващи устойчиви източници на енергия, като електрически превозни средства и големи системи за съхранение на енергия.

Как температурата влияе на живота на батерията?

Температурата оказва значително въздействие върху скоростта на деградация. Батериите се износват по-бързо при екстремни температури, което може да ускори процеса на износване; затова поддържането на оптимални топлинни условия е от съществено значение за максимизиране на цикличния живот.

Какво се счита за праг на края на живота на батерия?

Прагът на края на живота обикновено се достига, когато батерията запази само 80% от първоначалния си капацитет, след което производителността и надеждността рязко намаляват.