Chu kỳ xả là gì?

Đã có cuộc gọi vào thứ Ba tuần trước với một công ty khởi nghiệp đang phát triển thiết bị cầm tay đầu tiên của họ. PM hỏi tôi người dùng của họ có thể sạc pin bao nhiêu lần. Tôi đã nói là còn tùy. Anh ấy muốn một con số. Tôi đã nói với anh ấy rằng có thể là 500, trong những điều kiện hoàn hảo sẽ không bao giờ tồn tại trên thực địa.

Đó là vấn đề với chu kỳ xả. Khái niệm này rất đơn giản nhưng việc áp dụng nó vào các sản phẩm thực tế sẽ nhanh chóng trở nên phức tạp.

Pin của bạn không tính-plugin. Nó đếm thông lượng công suất. Xả hết 100% dung lượng bảng tên và đó là một chu kỳ. Thực hiện một lần hoặc rải đều trong một tuần với mức phóng điện một phần - cho cùng một kết quả.

Con số 18650 nằm trong đèn pin của bạn lúc này có thể đang ở chu kỳ 47 hoặc chu kỳ 212. Trừ khi bạn theo dõi amp-giờ một cách cẩn thận, bạn không biết gì cả. Tế bào chắc chắn không biết. Không có quầy nhỏ bên trong. BMS của bạn ước tính nó dựa trên việc đếm coulomb và độ lệch đếm coulomb. Tôi đã tách các gói ra mà số chu kỳ được báo cáo giảm 30% so với độ tuổi thực tế của lịch.

Samsung SDI đã công bố một số dữ liệu vào năm 2019 cho thấy 21700 tế bào của họ đạt mức duy trì công suất 83% ở chu kỳ 300 theo giao thức thử nghiệm tiêu chuẩn của họ. Các tế bào NCR của Panasonic cùng thời kỳ đạt tỷ lệ 78% sau 300 chu kỳ. Những con số này đến từ các buồng khí hậu ở nhiệt độ 23 độ với CC-CV sạc ở 0,5C và phóng điện ở mức cắt 1C đến 2,5V. Số dặm của bạn sẽ thay đổi vì trường hợp sử dụng của bạn không phải là buồng khí hậu.

Mọi người trong ngành này đều nói về độ sâu phóng điện giống như một loại đòn bẩy ma thuật. Chu kỳ nông kéo dài tuổi thọ, chu kỳ sâu tiêu diệt tế bào nhanh hơn. Đúng đủ. Nhưng mối quan hệ không như hầu hết mọi người mong đợi.

Tôi đã thực hiện một dự án phụ vào năm 2021 để cố gắng định lượng điều này cho một khách hàng thiết bị y tế. Chúng tôi lấy 200 ô từ cùng một lô sản xuất, chia chúng thành các nhóm và luân chuyển chúng ở các cấp độ DoD khác nhau trong 8 tháng. Nhóm DoD 100% đạt được khoảng chu kỳ 380. Nhóm DoD 60% vẫn ở mức 88% công suất tương đương với 900 chu kỳ đầy đủ. Nhóm DoD 30% hầu như không có bất kỳ sự xuống cấp nào sau một năm.

Nhưng đây là những gì bảng dữ liệu sẽ không cho bạn biết. Sự lão hóa theo lịch đang tác động đến tất cả các nhóm với tốc độ gần như nhau bất kể việc đạp xe. Đến tháng thứ 10, ngay cả những tế bào mà chúng tôi hầu như không chạm vào cũng đã mất 4{6}}5% công suất khi chỉ nằm đó ở trạng thái sạc 50% trong một căn phòng 25 độ. Các tế bào hoạt động mạnh đã bị ảnh hưởng từ cả hai hướng - lão hóa theo chu kỳ cộng với lão hóa lịch xếp chồng lên nhau.

Vì vậy, khi khách hàng của bạn hỏi tại sao thiết bị-năm tuổi{1}}của họ không sử dụng được lâu mặc dù họ "hầu như không sử dụng" - đó là lý do.

Discharge Cycle

Tôi có một hộp pin trong gara của mình lấy từ bộ pin xe chơi gôn đã trải qua ba mùa hè trong một nhà kho ở Tucson. Chủ sở hữu thề rằng anh ta chỉ sử dụng xe đẩy có thể hai lần một tháng. Gói được đánh giá cho 2000 chu kỳ. Nó chết ở 160. Các tế bào nhìn bên ngoài vẫn ổn. Bị nứt một miếng và cuộn thạch có đốm nâu trên dải phân cách. Chất điện phân đã bị phân hủy một phần.

Nhiệt giết chết các tế bào lithium. Không nhanh như chết ngắn. Chậm rãi, giống như để bơ trên quầy.

Mối quan hệ Arrhenius mang lại cho bạn tốc độ suy giảm khoảng 2 lần cho mỗi 10 độ trên 25 độ. Nhưng đó là mức trung bình của các ngành hóa học. Tế bào NMC mà tôi đã thử nghiệm rơi ra nhanh hơn. LFP giữ vững tốt hơn. Các tế bào dạng túi mà chúng tôi sử dụng cho thiết bị đeo có độ nhạy cao hơn các tế bào hình trụ có cùng thành phần hóa học vì khối lượng nhiệt thấp hơn và chúng nóng hơn khi chịu tải.

Xả lạnh gây khó chịu nhưng không phá hủy. Bạn mất năng lực tạm thời. Nó quay trở lại khi tế bào ấm lên. Tôi đã xả pin ở nhiệt độ -15 độ mà chỉ đạt 61% công suất định mức, sau đó để chúng ấm lên ở nhiệt độ phòng và nhận đủ 3,2Ah trong lần xả tiếp theo. Sạc lạnh là kẻ giết người - mạ lithium trên cực dương. Thiệt hại đó là vĩnh viễn. Hầu hết BMS đều khóa sạc dưới 0 độ vì lý do chính xác này.

Mỗi lần phóng điện sẽ di chuyển các ion lithium từ cực dương than chì sang cực âm. Mỗi lần sạc đều đẩy chúng trở lại. Làm điều này đủ lần và mọi thứ bắt đầu tan vỡ.

Lớp SEI trên cực dương dày lên. Lớp đó được cho là ở đó - nó bảo vệ than chì khỏi chất điện phân. Nhưng nó phát triển theo mỗi chu kỳ và sự tăng trưởng có nghĩa là nó tiêu thụ lithium mà lẽ ra có thể dự trữ năng lượng. Đây là lý do tại sao năng lực giảm dần ngay cả khi không có gì đáng kể xảy ra.

Các hạt catot bị nứt. Cực âm NMC và NCA có cấu trúc tinh thể giãn nở và co lại khi lithium di chuyển vào và ra. Dạng vết nứt vi mô. Diện tích bề mặt tăng lên. Phản ứng phụ tăng tốc. Tôi đã nhìn thấy-các mặt cắt ngang của các hạt cực âm từ các tế bào có chu kỳ-cao trông giống như thủy tinh vỡ dưới kính hiển vi so với các tế bào mới trong cùng một lô.

Chất điện phân bị phá vỡ. Dấu vết nước gây ra vấn đề. Điện áp cao làm tăng tốc quá trình oxy hóa. Bạn kết thúc bằng việc tạo ra khí, tăng trở kháng và cuối cùng tế bào phồng lên hoặc lỗ thông hơi.

Không có điều nào trong số này xảy ra đồng đều. Các ô trong chuỗi chuỗi của bạn chạy nóng hơn hoặc bắt đầu với dung lượng thấp hơn một chút sẽ già đi nhanh hơn. Sau một hoặc hai năm, gói "khớp" của bạn sẽ không còn khớp nữa. Tế bào yếu giới hạn toàn bộ chuỗi khi phóng điện và phải làm việc quá sức để cố gắng theo kịp. Vòng xoáy tử thần từ đó.

IEC 62660 và các tiêu chuẩn UL khác nhau cung cấp cho bạn cơ sở. Vượt qua những điều đó và bạn có thể vận chuyển sản phẩm. Nhưng tôi đã theo dõi quá trình kiểm tra chứng nhận ace của tế bào và sau đó xuất hiện trên thực địa sáu tháng sau với các túi sưng tấy.

Các bài kiểm tra chứng nhận được thiết kế để có thể lặp lại giữa các phòng thí nghiệm chứ không phải để mô phỏng việc sử dụng thực tế. Không ai sử dụng điện thoại của họ ở dòng điện không đổi chính xác 0,5C. Không ai sạc dụng cụ điện của mình ở cấu hình CC-CV hoàn hảo ở 25 độ .

Nếu bạn nghiêm túc muốn hiểu gói của mình sẽ hoạt động như thế nào, bạn cần xây dựng một giao thức thử nghiệm phù hợp với người dùng thực tế của mình. Hồ sơ hiện tại xả dự kiến của bạn. Bao gồm các khoảng thời gian nghỉ ngơi. Đạt đến nhiệt độ cực cao mà sản phẩm của bạn sẽ thấy. Chạy đủ ô để có độ tin cậy thống kê - và điều đó có nghĩa là ít nhất 15-20 cho mỗi điều kiện thử nghiệm, không phải 3-5 mà hầu hết các công ty khởi nghiệp đều cố gắng đạt được.

Những tế bào thất bại sớm trong quá trình thử nghiệm vòng đời hầu như luôn có lỗi trong quá trình sản xuất. Có gờ trên điện cực, nhiễm bẩn, mối hàn xấu trên các tab. Những điều đó sẽ xuất hiện trong 50 chu kỳ đầu tiên. Những ô không thành công muộn - đó là những ô cho bạn biết điều gì đó về thiết kế của bạn.

Bạn có thể tính toán vòng đời dự kiến nếu bạn biết hồ sơ người dùng của mình. Một chiếc điện thoại được sạc hàng ngày có thể tiêu hao trung bình tới 20% trước khi cắm vào -, tức là khoảng 0,8 chu kỳ mỗi ngày. Trong vòng đời dự kiến là hai{5}}năm, bạn đang xem xét 580 chu kỳ. Nếu tế bào của bạn được xếp hạng từ 500 chu kỳ đến 80% công suất, bạn sẽ bắt đầu thấy có khiếu nại vào khoảng tháng thứ 18.

Đây là lý do tại sao Apple và Samsung lại tăng kích thước gói của họ so với dung lượng được quảng cáo. "100%" bạn nhìn thấy trên điện thoại không phải là 100% những gì tế bào thực sự có thể chứa được. Họ giữ một bộ đệm ở trên và dưới để giảm căng thẳng cho các tế bào. Điện thoại của bạn có thể có dung lượng vật lý 4500mAh nhưng phần mềm chỉ cho phép bạn sử dụng 4000mAh.

Ý tưởng tương tự cũng áp dụng được cho bất kỳ sản phẩm pin nào. Bạn có thể đạt được mục tiêu về vòng đời của mình bằng các ô tốt hơn - có giá cao hơn - hoặc bạn có thể đạt được mục tiêu đó bằng cách tăng thêm dung lượng và chạy các ô dễ dàng hơn. Tùy chọn thứ hai thường thắng về tổng chi phí khi bạn tính đến khoản dự trữ bảo hành.

Discharge Cycle

Chu kỳ phóng điện chỉ là một cách để định lượng độ hao mòn. Giống như đồng hồ đo quãng đường trên một chiếc ô tô, nhưng mối quan hệ giữa quãng đường và quãng đường còn lại thì mỏng manh hơn. Hai gói ở 300 chu kỳ có thể có dung lượng còn lại hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào cách chúng đạt được điều đó.

Các nhà sản xuất tế bào sẽ cung cấp cho bạn số của họ. Công việc của bạn là tìm hiểu xem những con số đó chuyển thành sản phẩm cụ thể và người dùng cụ thể của bạn như thế nào. Không có công thức cho điều đó. Bạn kiểm tra, giao hàng, xem dữ liệu hiện trường và điều chỉnh.