Допустимые диапазоны температур при заряде и разряде литий ионных аккумуляторов

Наблюдения за поведением температуры при заряде и разряде Li-Ion аккумуляторов

Благодаря своей высокой удельной емкости, литий-ионные аккумуляторы постепенно вытесняют свинцовые (SLA) и никель-металл-гидридные (NiMH) из многих стационарных и портативных приложений. Но, по мере создания более мощных литиевых аккумуляторов, все острее встает вопрос управления потоками тепла при заряде и разряде.

Повышение температуры в литий-ионных аккумуляторах всегда было основной проблемой для конструкторов. Для большинства литий-ионных аккумуляторов предельная температура в режиме заряда установлена равной 45 °C, а в режиме разряда – 60 °C. Эти границы можно сдвинуть немого вверх, но ценой будет уменьшение срока службы аккумуляторов. А в худшем случае это может привести к повреждению, или даже воспламенению элементов аккумулятора. Новые аккумуляторы на основе LiFePO₄ обещают расширить границы предельных температур заряда и разряда, но ограничения все равно останутся.

Вызывающая нагрев литий-ионных аккумуляторов энергия имеет несколько источников. Во время, как заряда, так и разряда, компоненты электронных схем, расположенные вблизи аккумулятора, отдают тепло в его элементы. Это особенно существенно во время заряда, так как заряд обычно осуществляется от импульсного источника питания с контроллером, который реализует алгоритм CC/CV (заряд постоянным током/постоянным напряжением). Не менее 10% энергии источника питания теряется в виде тепла, которое различными путями, в частности через выводы, передается в аккумулятор. В некоторых схемах заряда КПД не превышает 70%.

Другими источниками тепла являются схемы защиты аккумулятора и указателей уровня заряда. К таким источникам тепла относятся термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC), термопредохранители (TCO – thermal cutoff fuse), электронные предохранители, MOSFET первичной защиты и токовый шунт указателей уровня заряда (Рис. 1). При больших токах нельзя не учитывать и сопротивление никелевых полосок, соединяющих элементы аккумуляторной батареи.


Рис. 1.	Источниками тепла внутри аккумулятора являются термистор и термовыключатель, электронный предохранитель, MOSFET в схеме первичной защиты, и токоизмерительный шунт в измерителе уровня заряда.

Надписи на рисунке
Overcurrent	Перегрузка по току
Overtemperature	Перегрев
PTC	Термистор
TCO	Термовыключатель
Secondary safety	Вторичная защита
Non-resistable fuse	Нерезистивный предохранитель
Overvoltage protection	Защита от повышенного напряжения
Overvoltage	Повышенное напряжение
Undervoltage	Пониженное напряжение
Unbalance	Разбаланс
Protection MPSFETs	MOSFET транзисторы защиты
Balancing and primary safеty	Балансировка и первичная защита
Shunt	Шунт
Capacity and status	Емкость и статус
Gas gauge	Измеритель уровня заряда

Большинство компонентов, через которые проходит ток, имеют резистивный характер. Выделяемое компонентом тепло пропорционально квадрату протекающего через него тока (P = R·I 2 ). При небольших (менее 1 А) токах заряда/разряда на сопротивлениях включенного защитного MOSFET транзистора и токового шунта тепла выделяется немного. Но при больших токах эти сопротивления становятся определяющими. Совсем нередко Li-Ion аккумуляторы отдают ток 10 А, а заряжаются током 5 А. При таких токах даже самое незначительное сопротивление может за несколько часов заряда или разряда внести существенный вклад в повышение температуры аккумулятора.

Взгляд на элементы аккумулятора

Источники тепла, не относящиеся к электронным компонентам, часто не принимают во внимание. Между тем, обладают сопротивлением внутреннее устройство защиты от перегрузки, анод и катод, и через них так же протекает ток, вызванный химическими реакциями в элементах батареи.

Для большинства Li-Ion аккумуляторов производители указывают внутренне сопротивление в диапазоне от 80 до 100 мОм. Это сопротивление может быть серьезным источником тепла, когда заряд и разряд производятся максимальными токами. Сейчас на рынок поставляются аккумуляторы с максимальным током разряда 10C … 20C. (1C – ток, численно равный емкости аккумулятора в А·ч, например для аккумулятора 2400 мА·ч, 1C = 2.4 А). Конечно, тока 20C аккумулятор долго не выдержит, но и за короткое время его температура может повыситься очень сильно.

Почти полностью игнорируются химические реакции в элементах аккумуляторной батареи. Реакция, которая происходит во время заряда ячейки литий-ионной батареи, является эндотермической, т.е., она поглощает тепло. Но в термодинамике не бывает бесплатных обедов, и при разряде тепло выделяется. В 1995 году в Центральном научно-исследовательском институте электроэнергетики (CRIEPI) с помощью калориметра провели классические исследования химических реакций в Li-Ion аккумуляторах. Рисунок 2 взят из доклада, составленного по результатам этих исследований (см. http://criepi.denken.or.jp/en/e_publication/a1996/96seika29.html).

Рис. 2.

Реакция, происходящая при заряде Li-Ion аккумуляторов, является эндотермической (A), а при разряде – экзотермической. Обратите внимание, что на последнем этапе разряда выделение температуры резко увеличивается, сигнализируя о быстром росте выходного сопротивления аккумулятора перед наступлением полного разряда.

Надписи на рисунке
Charge	Заряд
Discharge	Разряд
Voltage (V)	Напряжение (В)
Cell voltage	Напряжение на ячейке аккумулятора
Heat flow (mW)	Тепловой поток (мВт)
Time (hours)	Время (час)

На графике тепловые потоки показаны на фоне цикла заряда одиночного Li-Ion элемента, и следующего за ним цикла разряда. Обозначенный буквой «A», начальный участок графика иллюстрирует эндотермическую природу химической реакции заряда. Область разряда, отмеченная буквой «B», совершенно очевидно, имеет экзотермический характер. Но что интересно, вблизи конца области разряда скорость выделения тепла резко возрастает, что указывает на быстрое увеличение внутреннего сопротивления элемента перед полным разрядом. (Заметим, что заряд и разряд в этих экспериментах выполнялись постоянным током).

Эндотермическая составляющая происходящих в аккумуляторе химических процессов весьма незначительна по сравнению с остальными источниками тепла. В любом случае, преобладающим будет влияние элементов, выделяющих тепло, и температура аккумулятора при заряде будет повышаться.

Строго экзотермический характер химической реакции при разряде может вызвать сильный нагрев аккумулятора в конце разряда. Это усугубляется тем, что мощность, забираемая от аккумулятора, как правило, постоянна, и для поддержания постоянной мощности ток в конце разряда должен увеличиваться. При этом все резистивные составляющие элемента батареи начинают выделять еще больше тепла.

Аспекты конструирования

Надлежащим образом сконструированная аккумуляторная батарея должна содержать устройство защиты от перегрева. В большинстве схем первичной и вторичной защиты литий-ионных аккумуляторов содержатся MOSFET транзисторы, которые открываются, если температура становится слишком высокой (или, если нужно, слишком низкой). Как показано на Рис. 1, некоторые первичные и вторичные схемы защиты могут открывать электронные предохранители. Это происходит лишь в крайнем случае, так как подобные предохранители не могут самовосстанавливаться, и открывшись, отключают батарею аккумуляторов.

При конструировании литий ионных аккумуляторов для больших токов нагрузки необходимо принимать во внимание множество факторов. Следует предусмотреть отвод тепла от резистивных элементов электронной схемы, и от самих элементов батареи. При очень больших токах, характерных, например, для аккумуляторов транспортных средств, может потребоваться воздушное, а может быть, и жидкостное охлаждение аккумуляторов.

Для уменьшения разогрева самих аккумуляторов, разработчики соединяют в батарею несколько элементов параллельно, снижая, таким образом, ток через каждый элемент. Но это порождает и проблему, связанную с разбросом параметров элементов, из-за чего ток может течь из одного элемента в другой. Проблема решается установкой в батарею дополнительных PTC термисторов, что усложняет и удорожает аккумулятор.

Литий-ионные аккумуляторы становятся все мощнее и занимают ниши, в которых раньше доминировали свинцовые и никелевые аккумуляторы. Это требует все более серьезного отношения разработчиков аккумуляторов к вопросам выделения тепла. Следствием игнорирования этих вопросов будет, как минимум, плохая батарея, а в худшем случае, небезопасная и ненадежная.

Литература

Use Cell Balancing To Enable Large-Scale Li-ion Batteries (Использование балансировки элементов в мощных Li-Ion аккумуляторах)
Changes To IEEE 1625 Establish A High Bar For Battery Design (Изменения в стандарте IEEE 1625 поднимают планку проектирования аккумуляторов)
Mind Your Thermal Management To Improve Reliability (Для повышения надежности не забывайте о контроле температуры)

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Допустимые диапазоны температур при заряде и разряде литий-ионных аккумуляторов

По многочисленным просьбам в дополнение к пункту 5 нашей статьи 5 практических советов по эксплуатации литий ионных аккумуляторов мы решили написать более детально о допустимых диапазонах заряда и разряда литий-ионных аккумуляторов.

Аккумуляторные батареи могут работать в достаточно широком диапазоне температур, но есть экстремумы, о которых стоит помнить все время, особенно в странах с часто меняющимся климатом и множеством часовых поясов, как, например, Россия.

Литий-ионные аккумуляторы достаточно хорошо заряжаются при низких плюсовых температурах, а также, могут быть поставлены на быстрый заряд (устройства быстрого заряда используются для заряда EV*) при диапазоне температур от 5 до 45°C. Процессы заряда и разряда хорошо протекают при высоких допустимых температурах (до 45°C), но при этом уменьшается срок жизни аккумулятора.

При температуре ниже 5°C ток зарядки необходимо понизить. Заряд недопустим при температуре ниже 0°C — при зарядке ниже 0 внешних изменений не наблюдается, но химические процессы необходимые для корректной работы аккумулятора будут нарушены, что может привести к перманентному повреждению аккумулятора.

Мы сделали визуальную шпаргалку для пользователей смартфонов с рекомендуемыми температурными диапазонами разряда и заряда при эксплуатации портативной техники, работающей на литий-ионных аккумуляторах.

Источник

Литий-ионный аккумулятор — типы и характеристики, принцип работы

Блоки питания

Всё, что нужно знать о литий-ионных аккумуляторах

Литий-ионный аккумулятор – описание, история создания

Литий-ионный аккумулятор – источник тока, основанный на преобразовании химических реакций, происходящих внутри источника, в электрическую энергию. Данный тип батареи наиболее распространён в современной жизни, в большинстве своём из-за повсеместного использования в электронике: сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах, ноутбуках и так далее. Кроме этого, литиевые аккумуляторы ставят в электромобили.

Первое упоминание современных литиевых аккумуляторных батарей относится к 70-м годам XX века и связано с именем Майкла Стэнли Уиттингема. Будучи химиком в нефтяной компании «Exon», он создал источник тока, в котором в качестве анода использовался сульфид титана, а катод был литиевым. Первая батарея обладала напряжением 2,3 Вольт и способностью перезаряжаться, однако была пожароопасной и ядовитой. При взрыве, который мог случиться внезапно, литий вступал в контакт с воздухом и горел, а дисфульд титана выделял сероводород, вдыхание которого как минимум неприятно. Помимо этого, титан обладает и всегда обладал высокой стоимостью, и из-за всех этих факторов проект Уиттенгема был закрыт.

Литий-ионная батарея, несмотря на свои недостатки, казалась достаточно привлекательной для продолжения развития, однако требовалась замена анодного материала, чем в 1978 году занялся Джон Гуденаф. Спустя некоторое время он обнаружил, что кобальтит лития (оксид лития-кобальта) обладает лучшими характеристиками, касающимися безопасности использования, а также напряжением, достигающим 4 Вольта. Однако использование лития в качестве катодного материала становилось причиной короткого замыкания аккумулятора. В 1980 году Рашид Язами указал на графит и назвал его наиболее подходящим в качестве анода материалом.

Однако потребовалось ещё одиннадцать лет, чтобы созданная и усовершенствованная батарея появилась в продаже под брендом компании «Sony».

СПРАВКА: Разработчик коммерческой версии аккумулятора Акиро Ёсино, а также Уиттенгем и Гуденаф в 2019 году получили Нобелевскую премию в области химии за равноценный вклад в создание литиево ионных аккумуляторов.

Принцип действия

Работа литионных аккумуляторов основана на электрохимическом потенциале, суть которого заключается в способности металлов отдавать отрицательные заряды. При подключении электрической цепи на аноде источника тока происходит химическая реакция, сопровождаемая образованием на его поверхности свободных электронов. По законам физики освобождённые электроны стремятся к положительной стороне – катоду, чтобы восстановить баланс, однако от движения их удерживает электролит, находящийся между анодом и катодом. Тем самым отрицательные заряды вынуждены двигаться к положительным «в обход» – через всю электрическую цепь, создавая ток.

Положительные ионы, образовавшиеся на стороне анода после «побега» электронов, проходят через электролит к катоду, чтобы удовлетворить потребность в отрицательных зарядах. В момент, когда все электроны переместятся на отрицательный электрод, аккумулятор будет разряжен.

Процесс зарядки запускает электрическую энергию в цепь, тем самым запуская в батарее обратную реакцию – скопление электронов на аноде. После полного перезаряда батарейки её можно заново подключать к цепи.

ВНИМАНИЕ: даже находясь в режиме ожидания, аккумуляторы теряют часть заряда. При этом они обладают такой характеристикой как старение – постепенно приходящая неспособность удерживать первоначальное количество заряда.

Устройство li-ion аккумулятора

В li-ion аккумуляторах в качестве отрицательного электрода служит алюминиевая фольга с нанесённым поверх слоем оксида лития. Анодом выступает медная фольга, и на её поверхность наносится графит. Между электродами располагается пористый разделитель, пропитанный электролитом. Все компоненты ради уменьшения занимаемого ими объёма сворачиваются в цилиндр или в пакет и помещаются в полностью герметичный корпус. При этом анод и катод присоединяются к токоснимающим клеммам. Герметичность конструкции обуславливается недопустимостью вытекания электролита. Кроме этого нельзя, чтобы внутрь батареи попали пары воды или кислорода, иначе произойдёт реакция между попавшим веществом и электролитом или электродами, и аккумулятор выйдет из строя.

В батарейку в соображениях безопасности могут быть включены специальные элементы. Например, устройство, которое увеличит сопротивление аккумулятора при положительном температурном коэффициенте. А также устройство, которое в случае превышения давления газа допустимых значений разорвёт связь между катодом и положительной клеммой. Иногда корпус батареи может быть оснащён клапаном предохранения, основной задачей которого является сброс внутреннего давления в случае аварийной ситуации или нарушения эксплуатационных условий.

Некоторые особо важные источники таки могут обладать внешней электронной защитой, которая не позволяет перегреть или перезарядить батарейку, а также исключает возможность короткого замыкания.

По форме корпуса li-ion аккумуляторы делятся на цилиндрические и призматические, первые из которых изготавливаются путём сворачивания слоёв, из которых состоит батарея. Призматический тип аккумулятора li-ion, численно превосходящий из-за применения в ноутбуках и мобильных телефонах, создаётся путём плотного складывания пластин друг на друга.

Характеристики литиевых аккумуляторов

ИНТЕРЕСНО: собственные удельные характеристики обеспечили описываемым батареям лидирующие позиции среди всех выпускаемых химических источников тока.

Рабочее напряжение

Минимальное значение напряжения составляет 2,2-2,5 Вольт, а максимальное не превышает 4,25-4,35 Вольт. На данную характеристику в значительной степени влияет материал, используемый для электродов.

Ёмкость

На свойство батареи хранить заряд непосредственно влияет ток и температура, которая возникает при разряде. Вообще максимальная ёмкость аккумуляторов варьируется в широком диапазоне и зависит от типоразмера. Например, в наиболее распространённой батарее 18650 ёмкость обычно находится в пределах от 1000 до 3600 миллиампер-час.

СПРАВКА: 14500 аккумулятор, размеры которого сопоставимы с пальчиковой батарейкой (АА), также популярен среди пользователей и обладает номинальной ёмкостью 900 микроампер-час.

В общем, под ёмкостью подразумевается количество ионов лития, способных достигнуть анода или катода. Со временем после многочисленных зарядок электроды теряют свои свойства и могут вместить всё меньшее число зарядов, а аккумулятор тем временем не способен удерживать прежнее их количество. В результате батарея устаревает и постепенно утрачивает основополагающую функцию.

Li-ion

Рабочая температура

Предельные значения температуры находятся в диапазоне от -20°С до +50°С, однако работать в пограничных режимах аккумулятор долго не сможет, это скажется на его способности запасать энергию. Оптимальная температура для функционирования составляет примерно 20°С, а лучшие значения для хранения – от 0 до 10°С. При этом уровень заряда 30-50% считается наиболее щадящим для ёмкости при длительном хранении.

ВНИМАНИЕ: если температура упадёт до +4°С объём вырабатываемой батареей энергии уменьшится на 5-7% в соответствии с максимальным значением. Более низкие значения приведут к потери 40-50% ёмкости и преждевременному исчерпанию ресурса.

Саморазряд

Данная характеристика варьируется от 6% до 10% в год.

Количество циклов заряд-разряд

Батарея литиевая не имеет эффекта памяти, а срок её годности рассчитан в зависимости от количества циклов полной разрядки.

Процент оставшегося заряда, %	Количество циклов зарядки
500
50	1500
75	2500
90	4700

Так, для увеличения срока службы аккумулятора стоит чаще его заряжать.

Разновидности аккумуляторов

Наиболее распространены следующие виды литий-ионных батарей:

Литий-кобальтовая. Популярный тип в ноутбуках, смартфонах и цифровых камерах. В состав входит катод из кобальтового оксида и графитовый анод. К преимуществам относят высокий показатель удельной энергоёмкости, а к недостаткам: низкий срок годности, ограниченную нагрузку и невысокую термическую стабильность.
Литий-маргенцевая. Основная область применения – электроинструменты, медицинское оборудование и электрические силовые устройства. Катод представляет собой литий-марганцевую шпинель, обеспечивающей низкое сопротивление.
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидная. Сочетание металлов, входящих в состав, позволяет использовать сильные стороны каждого элемента. Применяется как в частных областях, так и в более крупных – промышленных, например, в системах безопасности и аварийного освещения.
Литий-железно-фосфатная. Популярный вариант для стационарных специализированных устройств. К преимуществам относят стойкость к неправильным условиям эксплуатации, высокую безопасность и термическую стабильность, а к минусам причисляют малое значение ёмкости.
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидная. Дороговизна оправдывается долговечностью и хорошими показателями энергоёмкости. Используют в промышленных целях и медицинском оборудовании.
Литий-титановая. Можно встретить в сфере уличного освещения и автомобильных агрегатах. Дорогие и обладают низкой удельной энергоёмкостью, однако имеют долгий срок годности, работают в широком температурном диапазоне, производительны и безопасны.

Особенности хранения и утилизации

Хранить li-ion аккумуляторы необходимо в следующих условиях:

Место хранения должно быть сухим и прохладным, причём батарейку следует предварительно извлечь из оборудования.
Оптимальная температура должна находиться в диапазоне от +1°С до +25°С. При этом допускается хранение в холодильнике, но сначала аккумулятор нужно обернуть непромокаемым и не пропускающим влагу материалом.
Заряд батарейки следует сохранить в районе 40%, это позволит избежать падения напряжения при саморазряде ниже допустимого.

После окончания срока годности использованный аккумулятор нужно сдать на переработку или утилизацию, причём этими вопросами занимаются специализированные службы, занимающиеся приёмом батарей.

Обычно процедура переработки включает в себя несколько этапов:

Разбор корпуса.
Избавление от электролита путём слива.
Очищение электродов.
Переработка корпуса и переплавление металлов.

ВАЖНО: литиевые батареи нельзя выбрасывать, как обычный мусор! Для их утилизации необходимо обращаться в специальные пункты сдачи.

Существует несколько способов для определения мест сбора использованных источников тока:

Проект RecycleMap от «Гринпис», позволяющий после выбора и объекта утилизации города найти пункты приёма.
Городской сайт администрации. На случай, если регион тщательно следит за подобным процессом.
Сайты с объявлениями. Частные организации и подрядчики выкладывают в интернет информацию о сборе батарей.
Магазины бытовой техники или крупные гипермаркеты. В последнее время в подобных местах стали появляться специальные контейнеры, куда можно выбросить неработающие батарейки.

Отличие аккумуляторов Li-ion от Ni-Cd аккумуляторов

Ёмкость литий-ионных источников тока значительно выше, чем тот же показатель у никель-кадмиевых аккумуляторов, вследствие чего требуется много меньшая по весу и габаритам батарея, чтобы обеспечить одно и то же время работы.

Также в процессе хранения ввиду низкой скорости саморазряда li-ion аккумуляторы разряжаются меньше, чем другие типы, и они более терпимы к постоянной зарядке, даже если заряд батареи не обнулён.

В плане экологичности рассматриваемые батарейки меньше вредят окружающей среде, чем никель-кадмиевые, как при изготовлении, так и в использовании материалов.

Однако по отношению к Ni-Cd аккумуляторами в литий-ионных используют более дорогостоящие технологии.

Источник

Допустимые диапазоны температур при заряде и разряде литий-ионных аккумуляторов

Источник

Допустимые диапазоны температур при заряде и разряде литий ионных аккумуляторов

Допустимые диапазоны температур при заряде и разряде литий-ионных аккумуляторов

Источник

Рабочий диапазон температур зарядного устройства

Аккумуляторные батареи могут эксплуатироваться в довольно широком диапазоне температур, но их зарядка является несколько более деликатным процессом и требует особых условий и внимания. Крайне холодная или наоборот жаркая температура уменьшают способность к зарядке, следовательно, важным аспектом эффективности зарядного процесса является обеспечение умеренной температуры аккумулятора и окружающего пространства.

Такие электрохимические системы, как свинцово-кислотная и никель-кадмиевая, имеют более высокие допуски зарядки в сравнении с новыми системами. Это позволяет производить их зарядку даже при температуре ниже точки замерзания воды, но в таком случае требуется снизить скорость заряда (использовать меньший С-рейтинг). К слову, никель-кадмиевые аккумуляторы более устойчивые к холодной зарядке в сравнении с родственными никель-металл-гидридными.

В таблице 1 приведены допустимые температуры для зарядных и разрядных процессов обычных аккумуляторных батарей. В таблице не учтены специальные аккумуляторы, оптимизированные под эксплуатацию вне стандартного диапазона температур.

Тип аккумулятора	Допустимая температура для зарядных процессов	Допустимая температура для разрядных процессов	Нюансы зарядных процессов
Свинцово-кислотный	от -20°С до 50°С	от -20°С до 50°С	При отрицательных температурах используйте скорость зарядки 0,3С. Понижайте зарядное напряжение на 5 мВ каждый градус при жаркой температуре.
NiCd, NiMH	от 0°С до 45°С	от -20°С до 65°С	В диапазоне от -18°С до 0°С используйте скорость зарядки 0,1С. От 0°С до 5°С — 0,3. КПД зарядки при 45°С составляет 70 %, при 65°С — 45%.
Li-ion	от 0°С до 45°С	от -20°С до 60°С	Зарядка при отрицательных температурах не допускается. При более высоких температурах демонстрируется лучшая производительность зарядки/разрядки, но, с другой стороны, это приводит к уменьшению срока службы.

Таблица 1: Допустимые пределы температур различных электрохимических систем аккумуляторов. Аккумуляторы могут эксплуатироваться в довольно широком диапазоне температур, но для зарядных процессов этот диапазон меньше. Для достижения наилучшей производительности во время зарядки используют диапазон от 10°С до 30°С. В случае зарядки при холодных температурах зарядный ток следует уменьшить.

1. Зарядка аккумулятора при низких температурах

Возможность быстрой зарядки для большинства аккумуляторов ограничена диапазоном от 5°С до 45°С. Лучшие же показатели достигаются в диапазоне от 10°С до 30°С, так как в аккумуляторах на основе никеля при температуре ниже 5°С теряется способность к рекомбинации водорода и кислорода. И если заряжать большой силой тока аккумулятор при такой температуре, то будет возрастать внутреннее давление, что в конечном итоге может привести к истощению электролита или даже повреждению аккумулятора. Поэтому следует уменьшать скорость зарядки всех аккумуляторов на основе никеля до 0,1С при отрицательных температурах.

Blue Power IP20	Blue Power IP65	Blue Power IP67

12/24В, 15-40А	12/24В, 5-40А	12/24В, 5-15А
Профессиональные портативные зарядные устройства для транспорта и энергетики с интеллектуальным адаптивным алгоритмом заряда. Также могут применяться как источники питания.

Зарядное устройство для аккумуляторов на основе никеля, включающее функцию обнаружения полного заряда, по изменению напряжения может предлагать некоторую защиту при “холодной” зарядке — поведение аккумулятора при холодной температуре напоминает поведение полностью заряженного. Это отчасти вызвано повышением внутреннего давления из-за угнетения способности к рекомбинации газов. Повышение давления и падение напряжения при полном заряде по сути являются одним и тем же сигналом для такого зарядного устройства.

Для доступности быстрой зарядки независимо от окружающей температуры, в некоторых промышленных образцах аккумуляторов используется специальное термическое “одеяло”, которое нагревает аккумулятор до приемлемой температуры; в других случаях, зарядные устройства дополняются специальной функцией, которая анализирует температурные показатели и выбирает необходимую зарядную силу тока. Обычным пользователям такие возможности, к сожалению, недоступны, поэтому очень строго рекомендуется проводить зарядку только при комнатной температуре.

Свинцово-кислотные аккумуляторы довольно простительно относятся к экстремальным температурам зарядки, примером такого отношения может служить эксплуатация автомобиля, оборудованного стартерным аккумулятором. Такая простительность отчасти объясняется природным вялотекущем поведением этой электрохимической системы. Рекомендуемая скорость “холодной” зарядки составляет 0,3С, что практически идентично скорости при нормальных условиях. При умеренной температуре 20°С газообразование начинается при достижении напряжения 2,415 В на элемент, а при -20°С это пороговое напряжение возрастает до 2,97 В на элемент.

Замерзание свинцово-кислотного аккумулятора приводит к необратимым последствиям. Всегда храните аккумуляторы полностью заряженными, так как в разряженном состоянии в электролите больше воды, и, следовательно, он раньше замерзнет. Для сравнения, температура замерзания электролита с удельной плотностью 1,15 составляет -15°С, а 1,265 (что соответствует полностью заряженному состоянию) ― -55°С. Затопленные аккумуляторы после замерзания, как правило, имеют повреждения корпуса и протекают, а герметичные, хоть корпус и цел, настолько теряют в характеристиках, что их хватает только на несколько циклов.

Литий-ионные аккумуляторы имеют довольно неплохие зарядные характеристики при прохладных температурах, и диапазон температур, годящихся для быстрой зарядки, составляет от 5°С до 45°С. При температуре ниже 5°С ток зарядки должен быть уменьшен, а при температуре ниже нуля никакая зарядка уже не допускается. Во время зарядных процессов внутреннее сопротивление может вызывать некоторое повышение температуры, которое, в свою очередь, может компенсировать часть низкой окружающей температуры. Повышение внутреннего сопротивления при холоде присуще всем электрическим батареям.

Phoenix Charger	Skylla-i	Skylla-TG

12/24В, 16-200А	24В, 80-500А	24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

Многие потребители не знают, что стандартные литий-ионные аккумуляторы не могут заряжаться при температуре ниже 0°С. Дело в том, что в таких условиях возможно необратимое оседание металлического лития на аноде. Аккумулятор с таким “наследством” станет крайне чувствителен к вибрации и другим механическим воздействиям. Продвинутые зарядные устройства имеют функцию ограничения зарядки исходя из температурных условий.

Проводятся исследования в сфере “холодной” зарядки литий-ионных аккумуляторов. Доподлинно стало известно, что зарядку все-таки можно проводить, но крайне малыми значениями зарядного тока. Безопасная скорость зарядки при -30°С составляет 0,02С, и чтобы полностью зарядить аккумулятор потребуется около 50 часов. Несколько непрактично, не правда ли? Существуют также и специальные литий-ионный аккумуляторы, оптимизированные под “холодную” зарядку и имеющие приемлемую скорость.

2. Зарядка аккумулятора при высоких температурах

Перегрев является злейшим врагом всех электрических батарей, в том числе и свинцово-кислотных. Есть информация, что использование зарядного устройства с функцией корректировки температурных колебаний позволяет увеличить срок службы свинцово-кислотного аккумулятора на 15 процентов. Рекомендуемым изменением напряжения является снижение на 3 мВ за каждый градус превышения нормальной температуры. Если напряжение подзарядки установлено на 2,30 В при 25°С, то при 35°С оно должно составлять уже 2,27 В. Тот же принцип действует и при понижении температуры, следовательно, при 15°С рекомендуемое напряжение подзарядки будет 2,33 В. Шаг в 10°С подразумевает изменение напряжения в 30 мВ.

В таблице 2 показаны оптимальные пиковые значения напряжения при различных температурах для свинцово-кислотных аккумуляторов. Также в таблице указывается рекомендуемые значения напряжения поддержания заряда.

Режим зарядки	-40°С	-20°С	0°С	25°С	40°С
Предельное напряжение зарядки	2,85 В на элемент	2,70 В на элемент	2,55 В на элемент	2,45 В на элемент	2,35 В на элемент
Предельное напряжение поддержания заряда	2,55 В на элемент	2,45 В на элемент	2,35 В на элемент	2,30 В на элемент	2,25 В на элемент

Таблица 2: Рекомендуемые пределы напряжения при режимах зарядки и поддержания заряда свинцово-кислотных аккумуляторов. Указанный механизм компенсации напряжения позволяет продлить срок службы аккумулятора при экстремальных температурах.

Зарядка аккумуляторов на основе никеля при высоких температурах вызывает снижение генерации кислорода, что уменьшает способность к приему заряда. Также излишнее тепло сбивает с толку зарядное устройство, которое фиксирует несуществующий полный заряд.

На рисунке 3 показано довольно сильное снижение эффективности зарядки при 30°С относительно “линии 100-процентного КПД”. При 45°С аккумулятор может поглотить только 70 процентов энергии, а при 60°С — уже только 45 процентов. Методы обнаружения полного заряда, основанные на фиксации изменений напряжения, при высоких температурах становятся ненадежными.

Рисунок 3: Эффективность приема заряда никель-кадмиевыми аккумуляторами в зависимости от температуры окружающей среды. Высокая температура уменьшает эффективность зарядки, это можно увидеть по отклонению от “линии 100- процентного КПД”. При 55°С потребительский NiMH аккумулятор имеет эффективность зарядки на уровне 35-40 процентов; более продвинутые промышленные версии могут достигать 75-80 процентов.

Литий-ионные аккумуляторы показывают неплохую производительность при повышенных температурах, но длительное воздействие такого фактора может привести к снижению долговечности. Условия эксплуатации некоторых аккумуляторов на основе лития могут предполагать постоянное или частичное соприкосновение с высокими температурами. Это может относиться к аккумуляторам различных хирургических устройств, которые нуждаются в 20-минутной стерилизации при температуре 137°С. Такие же условия могут возникать в сфере добычи и производства газа и нефти, где также широко используется аккумуляторная техника.

Потери емкости при повышенных температурах находятся в прямой связи с используемой степенью заряда. На рисунке 4 показано поведение литий-кобальтового (LiCoO2) аккумулятора, к которому применялось обыкновенная зарядка при стандартных температурах и 90-минутная зарядка при 130°С до степени заряда в 20, 50 и 100 процентов. Как видим, при стандартных температурах потери емкости несущественны. При высокотемпературной же эксплуатации, 20-процентная степень заряда обеспечит небольшую потерю емкости после 10 циклов. Эти потери заметно больше при 50-процентной степени заряда, а при 100-процентной имеют разрушительный характер.

Рисунок 4: Потери емкости при комнатной температуре и при 130°С. Стерилизация хирургических приспособлений, имеющих аккумулятор, должна проводиться при их низкой степени заряженности.

Внимание! В случае попадания электролита на кожу немедленно промойте место поражения водой. При попадание в глаза следует промывать их в течение минимум 15 минут и после обратиться к врачу.

Источник

Температура аккумулятора при зарядке

Многим интересно — при какой температуре заряжать аккумулятор? Ведь наверняка многие слышали истории о том,

как при очень низких и очень высоких температурах аккумуляторы начинали вести себя странно — очень долго заряжались, быстро разряжались либо даже вовсе переставали работать.

Оплавленная аккумуляторная батарея телефона после неправильной зарядки

Ниже мы рассмотрим особенности зарядки аккумулятора, а также рассмотрим несколько рекомендаций, придерживаясь которых ваше устройство прослужит долгую службу.

Типы аккумуляторов и рекомендуемый температурный режим

Большинство современных аккумуляторов могут работать в широком температурном диапазоне. Однако при очень низких и очень высоких температурах может меняется химическая структура аккумулятора, а это может привести к большому количеству проблем.

Чтобы избежать проблем, производители советуют перед зарядкой поместить аккумулятор в приемлемые для него температурные условия.

Оптимальная температура заряда для продолжительной жизни аккумуляторной батареи

Оптимальной температурой для зарядки считается диапазон от +10 до +30 градусов, однако заряжать аккумуляторы можно и при других температурах:

Если аккумулятор свинцово-кислотный, то заряжать его нужно при температуре от -20 до +50 градусов. Если зарядка происходит при отрицательных температурах, то ток следует понизить до 0,3С и ниже.
Если аккумулятор никель-кадмиевый или никель-металлогидридный, то заряжать его нужно при температуре от 0 до +45 градусов. При зарядке в пределах от 0 до 5 градусов следует понизить ток до 0,3С. При нарушении температурного режима серьезно снижается КПД устройства.
Если аккумулятор литий-ионный, то заряжать его нужно при температуре от 0 до +45 градусов. Заряжать аккумулятор при отрицательных температурах запрещено, чтобы не повредить его.

Особенности зарядки при низких температурах

Существуют следующие рекомендации относительно зарядки батарей при низких температурах:

самыми неприхотливыми являются батареи из никеля. Их можно заряжать даже при отрицательных температурах, однако, при зарядке при температуре ниже +5 градусов замедляется рекомбинация газов в случае перезарядки. Это не только ведет к быстрому износу батареи, но и значительно повышает вероятность взрыва. Поэтому при температурах ниже +5 градусов следует снижать заряжающий ток до 0,1С;
в промышленности часто используют аккумуляторы с так называемыми тепловыми одеялами. Они подогревают батареи и не дают им промерзнуть. К сожалению, эти одеяла значительно повышают стоимость прибора, поэтому бытовые аккумуляторы этими одеялами оснащаются довольно редко;
нельзя замораживать свинцовые батареи, а хранить их нужно полностью заряженными. Ведь в разряженных батареях сердцевина становится более водянистой. Если свинцовые батареи долго держать на морозе, в корпусе могут появиться трещины, из-за которых устройство будет быстрее разряжаться, а сама батарея быстро придет в негодность;
во время зарядки литий-ионных батарей при отрицательных температурах металлические частички могут попасть на электрод, что приведет к образованию тонкого металлического покрытия. Из-за этого значительно снижается отказоустойчивость, а при сильных вибрациях аккумулятор может и вовсе сломаться;
существуют экспериментальные литий-ионные батареи, которые могут работать при температуре -10 градусов. Однако они используют очень низкий ток зарядки, поэтому заряжаются эти батареи достаточно долго; также они обычно имеют пониженный срок годности.

Зависимость плотности электролита от температуры окружающей среды

Особенности зарядки при высоких температурах

Существуют следующие рекомендации относительно зарядки батарей при высоких температурах:

Высокие температуры представляют серьезную опасность для свинцовых батарей, поэтому многие аккумуляторы такого типа снаряжаются специальными устройствами, которые позволяют продлить жизнь батареи на 10-15%. Также рекомендуется менять предел напряжения: при температуре 0-25 градусов предел напряжения составляет 2,4 — 2,5 вольт, при температуре 25-40 — 2,3 — 2,4 вольт, при температуре 40-50 градусов — 2,2 — 2,3 вольт. Если же же происходит капельная зарядка, то следует снизить напряжение еще на 0,2 пункта).
Никель-кадмиевые батареи при повышенной температуре окражующей среды практически невозможно зарядить полностью. Ведь в таких условиях снижается выработка кислорода, из-за чего батарея постепенно теряет возможность накапливать электричество. Например, при температуре 45-50 градусов батарея может зарядиться лишь на 70%, тогда как при температуре 60 градусов КПД составит не более 45%. Впрочем, у новых никель-металлогидридных батарей КПД выше, чем у старых никель-кадмиевых аккумуляторов. Однако они пока что очень плохо изучены, поэтому делать выводы преждевременно.
Литий-ионные аккумуляторы хорошо переносят высокие температуры, а их КПД составляет порядка 98%. Однако длительное воздействие высоких температур плохо влияет на здоровье батареи. Это не только снижает срок службы, но и заметно повышает вероятность взрыва.

Советы

Опытные инженеры советуют при зарядке аккумуляторов придерживаться следующих рекомендаций:

Многие батареи не имеют датчика температур. Если у вас именно такой аккумулятор, следует своевременно компенсировать влияние температуры окружающей среды. Сделать это можно при помощи изменения тока зарядки. При температуре 20-25 градусов можно заряжать аккумулятор по стандартной схеме, а при отклонении от этих параметров следует повышать (если температура ниже 20 градусов) либо повышать (если температура выше 25 градусов) напряжение на 0.03 В на каждый градус (однако, помните, что при понижении температуры ниже 5 градусов в ряде случаев может потребоваться снижение входного напряжения).
Существует заблуждение, что при отрицательных температурах все АКБ сильно разогреваются — это не совсем верно. Действительно, если напряжение будет очень высоким, то разогревание аккумулятора возможно, однако, такие высокие токи очень редко используются, поэтому при отрицательных температурах батареи практически не разогреваются.
Некоторые свинцовые аккумуляторы имеют кальциевое легирование. Если у вас такая батарея, помните, что следует избегать разряда батареи ниже 10,8 В. Следует периодически подзаряжать кальциевый аккумулятор, чтобы избежать полной разрядки.
Если вы используете аккумулятор в качестве источника питания для автомобиля, то следует помнить несколько важных моментов. Во-первых, если вы заряжаете устройство прямо в автомобиле, нужно обязательно учитывать температуру подкапотного пространства (а она может быть выше температуры окружающей среды, если вы недавно ездили куда-либо на этом автомобиле). Во-вторых, если вы принесли в помещение холодный аккумулятор, то ему понадобится время, чтобы нагреться (обычно порядка 5-7 часов); не верьте температурному датчику — он может показывать температуру окружающей среды, а не аккумулятора. В-третьих, в зимний период желательно прогревать двигатель перед поездкой — в таком случае температура подкапотного пространства вырастет, а АКБ будет лучше воспринимать заряд.

Заключение

Подведем итоги. Заряжать аккумуляторы имеет смысл при температуре 0-45 градусов, однако лучше всего это делать при 10-30 градусах. Не нужно заряжать аккумуляторы при отрицательных температурах, поскольку энергия будет плохо накапливаться.

Это правило не касается свинцовых аккумуляторов — их можно заряжать при температуре не ниже -20 градусов, хотя инженеры все же не рекомендуют это делать, поскольку при длительном воздействии отрицательных температурах возможно растрескивание батареи, что снижает срок эксплуатации и повышает вероятность взрыва. Также следует менять напряжение зарядки в зависимости от температуры окружающей среды, чтобы полностью зарядить батареи.

Источник

Зарядка аккумуляторных батарей в условиях низких и высоких температур

Тип аккумулятора	Допустимая температура для зарядных процессов	Допустимая температура для разрядных процессов	Нюансы зарядных процессов
Свинцово-кислотный	от -20°С до 50°С	от -20°С до 50°С	При отрицательных температурах используйте скорость зарядки 0,3С. Понижайте зарядное напряжение на 5 мВ каждый градус при жаркой температуре.
NiCd, NiMH	от 0°С до 45°С	от -20°С до 65°С	В диапазоне от -18°С до 0°С используйте скорость зарядки 0,1С. От 0°С до 5°С — 0,3. КПД зарядки при 45°С составляет 70 %, при 65°С — 45%.
Li-ion	от 0°С до 45°С	от -20°С до 60°С	Зарядка при отрицательных температурах не допускается. При более высоких температурах демонстрируется лучшая производительность зарядки/разрядки, но, с другой стороны, это приводит к уменьшению срока службы.

1. Зарядка аккумулятора при низких температурах

Blue Power IP20	Blue Power IP65	Blue Power IP67

12/24В, 15-40А	12/24В, 5-40А	12/24В, 5-15А
Профессиональные портативные зарядные устройства для транспорта и энергетики с интеллектуальным адаптивным алгоритмом заряда. Также могут применяться как источники питания.

Phoenix Charger	Skylla-i	Skylla-TG

12/24В, 16-200А	24В, 80-500А	24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

2. Зарядка аккумулятора при высоких температурах

Режим зарядки	-40°С	-20°С	0°С	25°С	40°С
Предельное напряжение зарядки	2,85 В на элемент	2,70 В на элемент	2,55 В на элемент	2,45 В на элемент	2,35 В на элемент
Предельное напряжение поддержания заряда	2,55 В на элемент	2,45 В на элемент	2,35 В на элемент	2,30 В на элемент	2,25 В на элемент

Источник