Kuinka testata, onko akulla pitkä käyttöikä?

Pitkän syklin suorituskyvyn ymmärtäminen: määritelmä ja keskeiset mittarit

Mikä on pitkä sykliikä litium-ion-akussa?

Pitkä syklivertaus kuvailee perustavanlaatuisesti sitä, kuinka hyvin akku säilyttää käytettävissä olevan tehonsa satojen lataus- ja purkussyklien jälkeen. Kun puhutaan nimenomaisesti litiumioniakkuista, tarkoitetaan sillä täysiä latauksia (noin 80–100 %:sta), joita akku kestää ennen kuin sen kapasiteetti laskee alkuperäisestä arvostaan vain 80 prosenttiin – mikä useimpien alan ammattilaisten mukaan merkitsee pistettä, jossa akku alkaa olla liian epäluotettava (tämän ilmoitti Ponemon Institute vuonna 2023). Hyvä suorituskyky näissä sykleissä on erittäin tärkeää laitteille, jotka tarvitsevat kestävää virtaa ilman usein toistuvia vaihtoja. Ajattele sähköautoja, jotka jatkavat ajamista kymmenien tai satojen kilometrien matkoilla, tai valtavia akkupankkeja, joita käytetään uusiutuvan energian varastointiin koko sähköverkoissa.

Latauspurkussyklien ja kapasiteetin säilytyksen välinen suhde

Aina kun akkuja ladataan ja puristetaan, ne menettävät hitaasti kykynsä pitää sähköä kemiallisten muutosten vuoksi, jotka tapahtuvat elektrodeissa ja elektrolyytin materiaaleissa. Kun kuormitamme niitä voimakkaammin tyhjentämällä syvemmin jokaisella syklillä, tämä kulumisprosessi etenee paljon nopeammin. Tarkastele käytännön lukuja: akut, joita on käytetty 90 %:n kapasiteettiin saakka, yltävät tyypillisesti elinkaarensa loppuun noin 40 % nopeammin verrattuna niihin, joita on tyhjennetty vain 50 %:iin. Oikean tasapainon löytäminen siitä, kuinka syvälle puristamme akun ja kuinka kauan akku kestää, on erittäin tärkeää kaikille, jotka haluavat maksimaalista suorituskykyä pitkällä aikavälillä.

Teollisuuden standardi: 80 % kapasiteetti ikärajana

80 %:n kapasiteetin vertailukohta—jolloin akku säilyttää vain neljä viidesosaa alkuperäisestä energiamäärästään—on laajalti hyväksytty toiminnallinen päätepiste teollisuuden aloilla. Tutkimukset osoittavat, että suorituskyky ja luotettavuus heikkenevät jyrkästi tämän tason alapuolella, ja vikaantumisnopeus viisinkertaistuu (IEEE 2023). Tämä standardi vaikuttaa takuuehtoihin, kunnossapitoväleihin ja vaihtosuunnitteluun.

Standardoidut testausmenetelmät pitkän syklivertailun arviointiin

Akun sykliiän testausprotokollien yleiskatsaus

IEC 61960 -standardi tarjoaa menetelmiä akkujen suorituskyvyn arviointiin useiden syklivien aikana hallituissa testeissä, joissa niitä ladataan ja puristetaan toistuvasti. Laboratoriot suorittavat nämä testit nopeammin kuin normaalisti kiihdyttämällä vanhenemisprosessia, mikä mahdollistaa vuosien käytön jälkeisten ilmiöiden havaitsemisen vain muutamassa viikossa. Kun laitokset noudattavat kestvyystestauksen EN 45552:2020 -ohjeita, heidän ennusteensa akkujen käyttöiästä ovat yleensä melko tarkkoja, virhemarginaali tyypillisesti noin 2 %. Tämä osoittaa, kuinka tärkeää on noudattaa vakiintuneita standardeja luotettavan tiedon saamiseksi akkujen kestoisuuden testauksessa.

Lataus- ja purkussyklitys: CC-CV ja vakiovirtamenetelmät

Syklitestauksessa käytetään kahta päämenetelmää:

• Vakiovirta-vakiojännite (CC-CV) : Käytetään tasavirtaa, kunnes saavutetaan jänniteraja, jonka jälkeen jännite pidetään vakiona latauksen viimeistelyä varten. Tämä menetelmä tasapainottaa tehokkuutta ja solun terveyttä.
• Puhtaasti vakiovirta : Yksinkertaisempi, mutta voi aiheuttaa solujen ylikuormituksen huomioimatta jänniterajoja.

Tutkimukset osoittavat, että CC-CV parantaa syklisel survivalua 18 % verrattuna pelkkään vakiovirtaan, kun testataan 80 %:n kapasiteetin säilyttämiseen.

Jännitteen, virran ja sisäisen resistanssin seuranta testauksen aikana

Reaaliaikainen keskeisten parametrien seuranta mahdollistaa heikkenemismallien varhaisen tunnistamisen. Tärkeät mittarit sisältävät:

Automaattiset järjestelmät soveltavat ASTM F3283-17 -standardeja poikkeamien tunnistamiseen ja kapasiteetin heikkenemisen trendien havaitsemiseen pidennetyn testauksen aikana.

Laboratorio- vs. käyttöolosuhteet: simulointieroja on otettava huomioon

Laboratoriotestit suoritetaan yleensä ohjatuissa olosuhteissa noin 25 asteen Celsiuksen lämpötilassa, plus miinus aste, mutta oikeassa maailmassa akut kohtaavat kaikenlaisia lämpötilamuutoksia ja vaihtelevia kuormituksia. Ajattele vain, kuinka paljon nopeammin akun käyttöikä lyhenee äärioireissa kuumuudessa tai kylmässä. Vuonna 2023 julkaistun AAC-tutkimuksen mukaan pelkät lämpötilan vaihtelut voivat nopeuttaa akun kulumista jopa 35 prosenttia. Hyvä uutinen on, että nykyaikaiset testausmenetelmät kehittyvät. Monet laitokset käyttävät nykyisin ilmastointilavoja, joiden lämpötila vaihtelee miinus 20 asteesta plussa 60 asteeseen, sekä todellisia käyttömalleja teoreettisten mallien sijaan. Tämä menetelmä vähentää merkittävästi epätarkkoja simulointeja, ja virheprosentit ovat pudonneet suurimmassa osassa tapauksia noin 40 prosentista alle 12 prosenttiin.

Tarkan pitkän syklitestauksen keskeiset laitteet

Akun syklereiden ominaisuudet ja valintakriteerit

Akun kiertolaitteet ovat keskeisiä pitkissä kierrostesteissä, mahdollistaen tarkan lataus- ja purkukelojen toistamisen. Huippumallit tarjoavat ±0,05 %:n virran tarkkuuden ja ohjelmoitavan ympäristöohjauksen, kuten BTS-4000-tutkimuksessa on vahvistettu. Tärkeät valintakriteerit sisältävät:

• Monikanavaisen toiminnon rinnakkaista testausta varten
• Käyttölämpötila-alue -40 °C:sta +85 °C:een
• Yhteensopivuus turvallisuusstandardeihin UN 38.3 ja IEC 62133

Nämä ominaisuudet varmistavat luotettavan ja skaalautuvan arvioinnin litium-ion-akkujen kestävyydestä.

Jatkuvan suorituskyvyn seurantaan tarkoitetut tiedonkeruujärjestelmät

Nykyajan tiedonkeruujärjestelmät (DAQ) voivat seurata yhtä aikaa yli 15 parametria, mukaan lukien impedanssi (0,1 mΩ:n resoluutio) ja entropiakertoimet. Lämpöprofiilointityökalujen integrointi vähentää kapasiteetin heikkenemisen ennustevirheitä 22 % verrattuna pelkkään jännitemittaukseen. Olennaisia ominaisuuksia ovat:

• 24-bittiset ADC:t korkean tarkkojen mikrovolttimittausten mahdollistamiseksi
• Näytteenottotaajuudet, jotka ylittävät 1 kHz:n, transienttien ilmiöiden havaitsemiseksi
• Pilvipohjainen analytiikka reaaliaikaiseen rapautumisen seurantaan

Yhdessä akkusyklatoreiden kanssa DAQ-järjestelmät mahdollistavat kattavan arvioinnin energiatiheydestä (Wh/kg) ja tehon säilytyksestä (%) tuhansien syklien ajan.

Rapautumisen ja terveydentilan (SOH) arviointi pitkän sykliversion aikana

Pitkän syklin suorituskyvyn tehokas arviointi perustuu systemaattiseen rapautumisen seurantaan ja edistyneeseen terveydentilan (SOH) mallintamiseen.

Kapasiteetin heikkenemisen seuraaminen 80 %:iin laajennettujen lataus-purkussyklien aikana

Usein käytettynä litiumioniakkujen kapasiteetti laskee vuosittain noin 1–4 prosenttia, vaikka useat latausjaksot kiihdyttävät tätä kehitystä huomattavasti. Laboratoriot suorittavat standarditestejä, joissa ne mittaavat akun antamaa energiaa jokaisen täyden lataus/purkauksen jälkeen ja piirtävät tulokset kuvaajille, jotka osoittavat, miten lämpötilan muutokset ja purkautumissyvyys vaikuttavat akun elinikään. Teollisuudessa yleisesti hyväksytty konsensus on, että kun akun kapasiteetti on pudonnut noin 80 prosenttiin alkuperäisestä arvosta, on aika harkita sen vaihtamista useimpiin arkipäivän käyttötarkoituksiin, vaikka jotkin erikoislaitteet voisivat edelleen toimia tämän rajan alittuakin.

Terveydentilan arviointi syklin kestomallien avulla

SOH-mallit ovat nykyään melko kehittyneitä, yhdistäen todellista käyttösykliaineistoa sähkökemiallisia periaatteita hyödyntäen ennustaakseen, kuinka kauan akku kestää ennen vaihtotarvetta. Jotkin uudemmat hybridimenetelmät, jotka yhdistävät koneoppimistekniikoita ja todellisia kulumismalleja, ovat onnistuneet saavuttamaan kapasiteettien ennustustarkkuuden alle 3 %:n tarkkuudella jo 500 lataussyklin jälkeen. Näiden mallien tehokkuuden taustalla on kyky tarkastella asioita, kuten jännitteen heilahteluita ajan myötä, sisäisen vastuksen kasvua sekä lämpötilan muutoksia käytön aikana, mikä mahdollistaa pätevien arvioiden tekemisen akun kapasiteetista ilman jatkuvaa täydellistä kalibrointia.

Tapaus: SOH:n ennustaminen sähköauton akussa yli 1 000 syklin jälkeen

Autoteollisuuden sovelluksissa alkuvaiheen data osoittautuu erittäin ennustusvoimakkaaksi pitkän aikavälin suorituskyvyn osalta. Vuoden 2024 tutkimus osoitti, että ensimmäisten 200 syklin käyttö mahdollisti tarkan kapasiteetin ennustamisen 1 000 syklin jälkeen, ja ennustevirheet olivat alle 5 %. Tämä korostaa jatkuvan seurannan ja datanohjattujen mallien arvoa luotettavuuden varmistamisessa vaativissa ympäristöissä.

Pitkään kestävään sykliin vaikuttavat keskeiset tekijät

Lämpötilan vaikutus akun vanhenemiseen ja sykliaikaan

Lämpötila vaikuttaa merkittävästi hajoamisnopeuteen noudattaen Arrheniuksen suhdetta. Akut, joita käytetään 45 °C:ssa, vanhenevat 2,3 kertaa nopeammin kuin ne, joita käytetään 25 °C:ssa (Battery Aging Study 2023), pääasiallisesti nopeutuneen elektrolyytin hajoamisen ja kiinteän elektrolyytin rajapintakerroksen (SEI) kasvun vuoksi. Optimaalisten lämpötilojen ylläpitäminen on ratkaisevan tärkeää sykliiän maksimoimiseksi.

Lataus-/purkusuhteen ja syvyyden (DoD) vaikutus

Korkeat lataus/purkautumisnopeudet (>1C) aiheuttavat mekaanista jännitettä, joka vahingoittaa elektrodirakenteita, kun taas syvät purkaukset (>80 % DoD) vähentävät aktiivisen litiumin määrää. Käytännön tiedot osoittavat selvän käänteisen suhteen DoD:n ja syklisäilyvyyden välillä:

DoD:n rajoittaminen alle 60 %:iin voi kaksinkertaistaa elinkaaren staattisissa varastointijärjestelmissä.

Suorituskyvyn ja pitkän sykliiän tasapainottaminen teollisuussovelluksissa

Sähköautojen markkina kuvastaa klassista tasapainoilua suorituskyvyn ja kestoisuuden välillä. Kun kuljettajat jarruttavat voimakkaasti, regeneratiivinen latausjärjestelmä lataa nopeammin, mutta voi ajan myötä aiheuttaa halkeamia akun anodeihin. Pitkät moottoritiekäynnit korkeilla nopeuksilla (noin nelinkertainen purkautumisnopeus verrattuna normaaliin) kuluttavat akkuja paljon nopeammin kuin kaupunkiliikenne, mikä tekee niistä noin 18 % nopeammin vanhenevia. Jotkut ihmiset saattavat miettiä, miksi yritykset käyttävät ylimääräisiä varoja lämpöhallintajärjestelmiin, jotka nostavat kustannuksia noin 9–12 %. Näiden järjestelmien ansiosta akut pysyvät kylmempiä käytön aikana, ja ne pystyvät jollain tavalla venyttämään akkujen elinikää jopa 40 %. Myös suuret autonvalmistajat ovat ottaneet tämän huomioon: he käyttävät koneoppimisalgoritmeja parantaakseen akkujen lataamisen ajankohdan ja tavan tarkkuutta. Nämä älykkäät latausmenetelmät vähentävät kalenteriikää noin 22 %, samalla kun ylläpidetään hyvää tehontuottoa kaupallisiin varastointisovelluksiin eri aloilla.

UKK

Mikä on merkitys pitkällä syklivyöhykkeellä litiumioniakkujen osalta?

Pitkä syklivyöhyke määrittää, kuinka tehokkaasti akku säilyttää käytettävissä olevan tehon laajojen latauspuristussyklien aikana, mikä on ratkaisevan tärkeää kestäviä virtalähteitä vaativissa sovelluksissa, kuten sähköajoneuvoissa ja suurissa energiavarastojärjestelmissä.

Miten lämpötila vaikuttaa akun elinikään?

Lämpötila vaikuttaa hajoamisnopeuteen merkittävästi. Akut hajoavat nopeammin ääriolosuhteissa, mikä voi kiihdyttää kulumisprosessia, joten optimaalisten lämpötilojen ylläpitäminen on keskeisen tärkeää sykliviimeksen maksimoimiseksi.

Mikä pidetään akun käyttöiän päättymisen rajana?

Käyttöiän päättymisen raja on yleensä silloin, kun akku säilyttää vain 80 % alkuperäisestä kapasiteetistaan, jonka jälkeen suorituskyky ja luotettavuus voivat heikentyä huomattavasti.