Што такое глыбокі разрад?

Глыбокі разрад адбываецца, калі акумулятар выкарыстоўвае 80% або больш сваёй агульнай ёмістасці перад падзарадкай. Гэта адрозніваецца ад звычайных мадэляў разраду, калі батарэі звычайна працуюць у межах 20-50% сваёй ёмістасці. Калі акумулятары глыбока разраджаны, пачынаюцца незваротныя хімічныя рэакцыі, якія незваротна зніжаюць іх здольнасць захоўваць і дастаўляць энергію.

Глыбіня разрадкі вымярае працэнт выкарыстанай ёмістасці батарэі адносна агульнай даступнай ёмістасці. Калі батарэя на 100 ампер-гадзін (Аг) разраджае 80 Аг, гэта дасягае 80% DoD.

Разлік просты:

DoD (%)=(Выкарыстаная ёмістасць / Агульная ёмістасць) × 100

Міністэрства абароны наўпрост выступае супраць State of Charge (SoC). Калі DoD складае 80%, SoC складае 20%. Гэтыя дзве метрыкі працуюць разам, каб даць поўную карціну стану батарэі-Міністэрства абароны паведамляе вам, што было выкарыстана, а SoC паказвае, што засталося.

Вытворцы батарэй усталёўваюць пэўныя абмежаванні Міністэрства абароны для розных хімічных рэчываў. Свінцова-кіслотныя акумулятары звычайна не павінны перавышаць 50% DoD пры рэгулярным выкарыстанні, у той час як літый-іённыя акумулятары могуць бяспечна вытрымаць 80-90% DoD. Гэтыя абмежаванні існуюць, таму што больш глыбокія разрады паскараюць знос унутраных кампанентаў.

Deep Discharge

Калі акумулятары глыбока разраджаюцца, розныя хімічныя працэсы выклікаюць незваротнае пашкоджанне ў залежнасці ад хімічнага складу акумулятара.

У свінцова{0}}кіслотных батарэях працэс разрадкі ператварае дыяксід свінцу і губчаты свінец у сульфат свінцу ў выніку рэакцыі з сернай кіслатой. Падчас звычайнай разрадкі гэтыя крышталі сульфату свінцу застаюцца маленькімі і лёгка ператвараюцца назад падчас падзарадкі. Аднак глыбокі разрад выклікае празмернае назапашванне сульфату свінцу.

Гэтыя крышталі сульфату цвярдзеюць і павялічваюцца ў працэсе, які называецца сульфатацыяй. Як толькі крышталі дасягаюць пэўнага памеру, яны становяцца ўпартымі і адмаўляюцца ператварацца назад у актыўны матэрыял падчас падзарадкі. Даследаванні Midtronics паказваюць, што свінцова-кіслотная батарэя 12-вольт, якая пад нагрузкай апускаецца ніжэй за 10,5 вольт, трапляе ў тэрыторыю глыбокага разраду, дзе сульфатацыя хутка паскараецца.

Чым даўжэй акумулятар знаходзіцца ў стане глыбока разраджанага, тым больш пастаянным становіцца гэта сульфатацыя. У цяжкіх выпадках кавалкі актыўнага матэрыялу адрываюцца ад пласцін у працэсе, які называецца адслойваннем пласціны, што прыводзіць да кароткага замыкання і поўнага выхаду батарэі з ладу.

Літый-іённыя батарэі сутыкаюцца з рознымі, але аднолькава сур'ёзнымі праблемамі. Пры разрадзе ніжэй бяспечнага парога напружання (звычайна 2,5 В на элемент) медзь з токапрыёмніка анода пачынае растварацца ў электраліце.

Падчас наступнай зарадкі гэтыя раствораныя іёны медзі могуць адкладацца назад на анод, утвараючы дендрыты-малюсенькія металічныя вусы, якія растуць у акумулятары. Даследаванне, праведзенае ў 2016 годзе ў Scientific Reports, паказала, што сур'ёзны празмерны разрад, які перавышае -12% стану зарада, выклікае ўнутранае кароткае замыканне праз гэты механізм адкладу медзі.

Акрамя таго, глыбокі разрад пашкоджвае межфазны пласт цвёрдага электраліта (SEI), ахоўную плёнку на анодзе. Гэты пласт звычайна прадухіляе непажаданыя хімічныя рэакцыі. Пасля пашкоджання акумулятар павышае ўнутраны супраціў і памяншае ёмістасць. Дадзеныя IEEE паказваюць, што батарэі, якія падвяргаюцца рэгулярным цыклам глыбокага разраду, губляюць ёмістасць на 40% хутчэй, чым батарэі, якія захоўваюцца ў рэкамендаваных межах.

Розныя хімічныя склады акумулятараў маюць розныя адсечкі напружання, якія вызначаюць глыбокі разрад:

Свінцова-кіслотныя батарэі:

Поўная зарадка: 12,6-12,8 В (для батарэі 12 В)

50% разрад: 12,2 В

Парог глыбокага разраду: 10,5В

Узровень крытычнага пашкоджання: ніжэй за 10,5 В

Літый-{0}}іённыя батарэі:

Поўная зарадка: 4,2 В на элемент

Нармальны працоўны дыяпазон: 3,7-4,0 В на элемент

Парог глыбокага разраду: 3,0 В на элемент

Рызыка пастаяннага пашкоджання: ніжэй за 2,5 В на клетку

Батарэі LiFePO4:

Поўная зарадка: 3,65 В на элемент

Нармальны працоўны дыяпазон: 3,2-3,4 В на элемент

Падлога бяспечнага разраду: 2,5 В на клетку

Парог пашкоджання: ніжэй за 2,0 В на клетку

Калі напружанне батарэі апускаецца ніжэй гэтых парогаў, унутраны супраціў рэзка ўзрастае. Гэта ўскладняе перазарадку і выпрацоўвае празмернае цяпло ў працэсе зарадкі, што ўскладняе шкоду.

Узаемасувязь паміж глыбінёй разраду і жыццёвым цыклам добра-задакументавана, але часта няправільна разумеецца.

Свінцова-кіслотная батарэя, разраджаная да 50% DoD, можа вытрымаць 800 цыклаў, перш чым дасягнуць 80% першапачатковай ёмістасці. Тая ж батарэя, разраджаная да 80% DoD, забяспечыць толькі прыблізна 350 цыклаў. Матэматыка здаецца неразумнай-ці больш глыбокі разрад не павінен даваць большую агульную энергію на працягу ўсяго тэрміну службы батарэі?

Рэальнасць больш нюансіраваная. У той час як кожны цыкл глыбокага разраду здабывае больш энергіі, паскораная дэградацыя памяншае агульную падачу энергіі на працягу ўсяго жыцця. Прыклад свінцовай-кіслоты вышэй:

50% DoD: 800 цыклаў × 50%=400 агульных эквівалентаў разраду

80% DoD: 350 цыклаў × 80%=280 агульных эквівалентаў разраду

Больш дробная схема разраду забяспечвае на 43% больш агульнай энергіі на працягу ўсяго тэрміну службы батарэі.

Літый{0}}іённыя акумулятары паказваюць лепшую ўстойлівасць. Якасная батарэя LiFePO4 можа вытрымаць 2000+ цыклы пры 80% DoD у параўнанні з 200-300 цыкламі для свінцова-кіслотнай батарэі на такой жа глыбіні. Гэтая найвышэйшая ўстойлівасць да глыбокага разраду робіць літыевыя тэхналогіі пераважнымі для прыкладанняў, якія патрабуюць частых глыбокіх цыклаў.

Deep Discharge

Неглыбокі разрад прадугледжвае выкарыстанне толькі 10-30% ёмістасці батарэі перад падзарадкай. Такі падыход значна зніжае нагрузку на кампаненты батарэі.

Даследаванні, праведзеныя рознымі вытворцамі акумулятараў, пацвярджаюць, што невялікая цыклічнасць пры нізкай хуткасці зарадкі прыводзіць да мінімальнай вымернай дэградацыі. Даследаванне батарэй LiFePO4 паказала, што пры 50% зарада і тэмпературы захоўвання 25 градусаў батарэі захоўвалі прыблізна 80% ёмістасці на працягу 23,8 гадоў-, што значна перавышае стандартныя гарантыі.

Глыбокі разрад забяспечвае больш высокую карысную ёмістасць, але паскарае старэнне. Механічнае ўздзеянне на актыўныя матэрыялы падчас цыклаў глыбокага разраду павялічвае хуткасць згасання ёмістасці. Для электрамабіляў і партатыўнай электронікі неглыбокія схемы разраду звычайна забяспечваюць лепшую доўгатэрміновую-каштоўнасць, нягледзячы на тое, што патрабуецца больш частая зарадка.

Аднак кантэкст мае значэнне. Сістэмы захоўвання сонечнай энергіі часта патрабуюць магчымасці глыбокага разраду для максімальнай даступнасці энергіі на працягу ночы, калі сонца не свеціць. У гэтых праграмах магчымасць доступу да 80-90% ёмістасці акумулятара апраўдвае крыху скарочаны тэрмін службы.

Сучасныя акумулятарныя блокі ўключаюць сістэмы кіравання батарэямі (BMS), спецыяльна распрацаваныя для прадухілення пашкоджання ад глыбокага разраду.

BMS пастаянна кантралюе некалькі важных параметраў:

Маніторынг напружання:BMS адсочвае напружанне асобных элементаў і адключае нагрузку, калі любая з элементаў набліжаецца да гранічнага напружання. Для літый-іённых батарэй гэта звычайна адбываецца пры 2,5-3,0 В на элемент. Сістэма прадухіляе разрад акумулятара звыш бяспечных межаў, нават калі прылада працягвае спробы атрымаць энергію.

Абмежаванне току:Высокія токі разраду паскараюць падзенне напружання і павялічваюць вылучэнне цяпла. BMS абмяжоўвае ток разраду да бяспечнага ўзроўню ў залежнасці ад тэмпературы батарэі і стану зарада.

Кіраванне тэмпературай:Глыбокі разрад вылучае больш цяпла з-за павелічэння ўнутранага супраціву. BMS кантралюе тэмпературу і памяншае або спыняе разрад, калі цеплавыя межы перавышаны.

Балансіроўка клетак:У шмат-элементных пакетах элементы разраджаюцца нераўнамерна. Без балансіроўкі адна ячэйка можа глыбока разрадзіцца, а іншыя захоўваюць зарад. BMS забяспечвае раўнамерны разрад усіх элементаў, не даючы асобным элементам трапіць у небяспечныя дыяпазоны напружання.

Якасцьзарадная прылада для літый-іённага акумулятарапрацуе ў тандэме з BMS, вымяраючы напружанне элемента перад пачаткам зарадкі. Калі напружанне апускаецца ніжэй за 2,5 В на элемент, сучасныя зарадныя прылады рэалізуюць рэжым "ўзмацнення" або кропельнай зарадкі, ужываючы мінімальны ток (звычайна 0,05C) для мяккага павышэння напружання да бяспечнага ўзроўню зарадкі. Гэта прадухіляе ўтварэнне дендрытаў, якое магло б узнікнуць, калі б ток поўнай зарадкі быў падведзены да глыбока разраджанага элемента.

Згодна з Battery University, зарадныя прылады без гэтай функцыі абароны проста адкідаюць моцна разраджаныя акумулятары як "непрыдатныя для абслугоўвання", нават калі асцярожнае аднаўленне магчыма з дапамогай адпаведнага абсталявання.

Поспех аднаўлення ў значнай ступені залежыць ад таго, як доўга акумулятар знаходзіўся ў стане глыбока разраджанага, і ад сур'ёзнасці хімічнага пашкоджання.

Для свінцова{0}}кіслотных акумулятараў, якія застаюцца на працягу некалькіх дзён пасля глыбокага разраду, каэфіцыент аднаўлення дасягае 70% для тыпаў AGM і 30% для залітых акумулятараў. Працэс патрабуе цярпення:

Выкарыстоўвайце разумнае зарадная прылада з рэжымам десульфатации

Прымяняйце слабы ток (0,1C або менш) на працягу 24-48 гадзін

Сачыце за павышэннем напружання-яно павінна паступова павялічвацца да 12,6 В

Калі плато напружання ніжэй за 12 В праз 48 гадзін, адбылося незваротнае пашкоджанне

Спецыялізаваныя зарадныя прылады, такія як серыя NOCO Genius, уключаюць алгарытмы дэсульфацыі, якія прымяняюць імпульсную зарадку для разбурэння зацвярдзелых крышталяў сульфату. Аднак, калі батарэя сядзела глыбока разраджана на працягу некалькіх тыдняў ці месяцаў, сульфатацыя звычайна становіцца незваротнай.

Аднаўленне літый-іёнаў больш рызыкоўнае і патрабуе большай асцярожнасці. Ніколі не спрабуйце аднавіць літыевыя батарэі, напруга якіх была ніжэй за 1,5 В на элемент больш за тыдзень-утылізацыя - больш бяспечны варыянт.

Для нядаўна разраджаных літыевых батарэй (напружанне 2,0-2,5 В на элемент):

Прымяняйце зарадны ток 0,05C, пакуль напружанне не дасягне 3,0V

Пастаянна кантраляваць тэмпературу-спыніцца, калі батарэя нагрэецца

Як толькі напружанне стабілізуецца вышэй за 3,0 В, пераключыцеся на звычайны пратакол зарадкі

Выканайце некалькі поўных цыклаў зарадкі/разрадкі, каб аднавіць ёмістасць

Даследаванні па аднаўленні батарэі LiFePO4 паказваюць, што правільна выкананыя працэдуры аднаўлення могуць аднавіць да 70% намінальнай ёмістасці, хоць прадукцыйнасць ніколі цалкам не вяртаецца да новых характарыстык батарэі.

Рызыка пры аднаўленні літыя заключаецца ў адукацыі дендрытаў. Калі ў выніку глыбокага разраду ўжо існуюць пашкоджаныя медныя або літыевыя структуры, прымяненне зараднага току можа павялічыць гэтыя дендрыты, пакуль яны не перакрыюць сепаратар і не прывядуць да ўнутраных кароткіх замыканняў. Вось чаму многія эксперты рэкамендуюць адмовіцца ад спроб аднаўлення, калі напружанне ўпадзе ніжэй за 2,0 В на элемент.

Разуменне таго, як акумулятары дасягаюць глыбокага разраду, дапамагае прадухіліць гэта.

Паразітарныя нагрузкі:Сучасныя транспартныя сродкі і прылады спажываюць энергію нават у выключаным стане. Сістэмы бяспекі, гадзіннікі і камп'ютэрныя сістэмы памяці ствараюць пастаянную ўцечку. Здаровы акумулятар вытрымлівае гэтыя нагрузкі, але працяглыя перыяды без выкарыстання-асабліва ў халоднае надвор'е-могуць прывесці да глыбокага разраду. Дадзеныя аўтасэрвісных цэнтраў паказваюць, што акумулятары, якія не выкарыстоўваюцца на працягу 3-4 тыдняў, звычайна моцна разраджаюцца.

Няспраўнасць генератара або сістэмы зарадкі:Калі генератар аўтамабіля выходзіць з ладу, акумулятар павінен забяспечваць харчаванне ўсіх электрычных сістэм без падзарадкі. Большасць кіроўцаў не адразу распазнаюць няспраўнасць генератара, працягваючы кіраваць аўтамабілем, пакуль акумулятар цалкам не разрадзіцца. Тэставанне паказвае, што звычайны аўтамабільны акумулятар, які сілкуе электрычную сістэму аўтамабіля без падтрымкі генератара, глыбока разраджаецца на працягу 30-90 хвілін язды.

Захоўванне без абслугоўвання:Батарэі сама-разряжаются нават без падключанай нагрузкі. Свінцова-кіслотныя батарэі губляюць 3-20% зараду штомесяц у залежнасці ад тэмпературы. Літый-іённыя батарэі самаразраджаюцца павольней (1-5% у месяц), але па-ранейшаму патрабуюць перыядычнай зарадкі падчас захоўвання. Батарэі, якія захоўваюцца 6-12 месяцаў без абслугоўвання, звычайна моцна разраджаюцца.

Празмернае выкарыстанне паміж зарадамі:Электрычныя транспартныя сродкі, якія ездзяць за межы намінальнага дыяпазону, батарэі сонечных батарэй, якія вытрымліваюць нагрузку ў працяглыя перыяды воблачнасці, або партатыўная электроніка, якая выкарыстоўваецца бесперапынна без падзарадкі, рызыкуюць глыбока разрадзіцца. Асноўная рызыка ўзнікае, калі карыстальнікі ігнаруюць-папярэджанні пра нізкі зарад батарэі і працягваюць працу.

Для некаторых прыкладанняў асабліва патрэбны акумулятары, якія вытрымліваюць рэгулярныя глыбокія зарадкі.

Назапашванне сонечнай энергіі:Не-сеткавыя сонечныя сістэмы павінны забяспечваць электраэнергію ўсю ноч, выкарыстоўваючы энергію, сабраную днём. Гэта па сваёй сутнасці патрабуе магчымасці глыбокага разраду. У якасных банках сонечных батарэй выкарыстоўваюцца свінцова-кіслотныя акумулятары глыбокага-цыкла (разліковы на 50% DoD) або батарэі LiFePO4 (налічаны на 80-90% DoD). Тыповая жылая сонечная сістэма можа зараджаць 60-80% ёмістасці батарэі штоночы.

Марскія прыкладання:Лодкам патрабуецца надзейнае дапаможнае сілкаванне для навігацыі, асвятлення і абсталявання сувязі. Марскія акумулятары глыбокага-цыкла вытрымліваюць шматразовыя цыклы разрадкі ў выніку штодзённага выкарыстання і начных нагрузак у гасцініцах. Марскія акумулятары AGM забяспечваюць перавагу герметычнай канструкцыі (адсутнасць разліву ў бурным моры) пры рэгулярнай апрацоўцы 50-60% DoD.

Транспартныя сродкі для адпачынку:Акумулятарныя батарэі для аўтафургонаў сілкуюць прыборы, асвятленне і электроніку, калі яны не падключаны да берагавой сеткі. Як і для марскіх прымянення, аўтафургоны маюць патрэбу ў батарэях з глыбокім разрадам. Сучасныя аўтафургоны ўсё часцей прымяняюць літыевыя акумулятарныя батарэі спецыяльна для іх найлепшага-допуску да глыбокага разраду і больш доўгага тэрміну службы.

Электрычныя транспартныя сродкі:Электромабілі рэгулярна разраджаюць 20-80% ёмістасці акумулятара падчас звычайных цыклаў язды. Гэта ўяўляе сабой адносна глыбокі разрад у параўнанні з акумулятарамі-запуску рухавіка, якія спажываюць толькі 2-5% за адзін запуск. У акумулятарных батарэях для электрамабіляў выкарыстоўваюцца літый-іённыя хімікаты (звычайна NMC або NCA) са складанымі сістэмамі BMS для кіравання гэтымі мадэлямі разраду пры максімальнай працягласці жыцця.

Сістэмы рэзервовага сілкавання:Блокі бесперабойнага сілкавання (КБС) абараняюць важнае абсталяванне падчас адключэння электрычнасці. Батарэі большую частку часу застаюцца цалкам зараджанымі, але падчас працяглых адключэнняў яны павінны забяспечваць поўную ёмістасць. У камерцыйных сістэмах КБС звычайна выкарыстоўваюцца свінцова-рэгуляваныя клапанам (VRLA) акумулятары, прызначаныя для вытрымкі перыядычнага глыбокага разраду без неадкладнага выхаду з ладу.

Deep Discharge

Часам, але не заўсёды. Для свінцова-кіслотных акумулятараў, калі напружанне застаецца вышэй за 10,5 В, аднаўленне часта магчыма з дапамогай павольнай зарадкі на працягу 24-48 гадзін. Паказчыкі поспеху значна зніжаюцца, калі акумулятар прастаяў разраджаным больш за некалькі дзён. Літый-іённыя акумулятары з напругай ніжэй за 2,5 В на элемент часам можна аднавіць з дапамогай спецыяльнай павышанай зарадкі, але рызыка адукацыі дендрытаў робіць гэта небяспечным. Сучасныя зарадныя прылады часта адхіляюць акумулятары з напругай ніжэйшай за пэўныя парогі ў якасці меры бяспекі.

Гэта цалкам залежыць ад хімічнага складу батарэі. Літый-іённыя акумулятары ніколі не патрабуюць наўмыснага глыбокага разраду-гэта міф, пераняты са старой нікель-кадміевай тэхналогіі. Свінцова-кіслотныя акумулятары атрымліваюць карысць ад выпадковых глыбокіх цыклаў (адзін раз у 3-6 месяцаў), каб прадухіліць распластоўванне і сульфатацыю, але рэгулярны глыбокі разрад па-ранейшаму памяншае тэрмін службы. Лепшая практыка - па магчымасці пазбягаць глыбокага разраду.

У батарэях з глыбокім-цыклам выкарыстоўваюцца больш тоўстыя пласціны з больш шчыльным актыўным матэрыялам, якія вытрымліваюць шматразовы разрад да 50% і ніжэй. Стартавыя акумулятары маюць больш тонкія пласціны, аптымізаваныя для забеспячэння моцных парываў току, але лёгка пашкоджваюцца пры глыбокім разрадзе. Розніца ў канструкцыі азначае, што акумулятары з глыбокім{4}}цыклам вытрымліваюць рэгулярныя цыклы, у той час як пускавыя акумулятары забяспечваюць сотні ампер-запуску, але менш за 50 цыклаў глыбокага разраду.

Безумоўна. Нізкія тэмпературы зніжаюць даступную ёмістасць акумулятара-акумулятар пры тэмпературы 0 градусаў F можа забяспечваць толькі 50% сваёй намінальнай ёмістасці. Гэта азначае, што акумулятар дасягае напружання глыбокага разраду значна раней у халоднае надвор'е нават пры звычайным выкарыстанні. Высокія тэмпературы паскараюць хуткасць сама-разрадкі, у выніку чаго захаваныя батарэі глыбока разраджаюцца хутчэй. Абедзве крайнасці павялічваюць рызыку глыбокага разраду і патрабуюць карэкціроўкі метадаў тэхнічнага абслугоўвання.

Глыбокі разрад - адно з самых шкодных умоў, з якімі сутыкаюцца батарэі. Хімічныя змены, якія адбываюцца-сульфатаванне ў свінцова-кіслотных батарэях і растварэнне медзі ў літый-іённых элементах-становяцца ўсё больш незваротнымі, чым даўжэй батарэі застаюцца глыбока разраджанымі. У той час як аднаўленне часам магчыма, прафілактыка шляхам належнага кіравання батарэяй застаецца значна больш эфектыўнай.

Сучасныя сістэмы кіравання акумулятарамі забяспечваюць выдатную абарону пры правільным укараненні, кантралюючы напружанне, сілу току і тэмпературу, каб прадухіліць пашкоджанне ад глыбокага разраду. Пры выбары акумулятараў для прыкладанняў, якія патрабуюць рэгулярнага глыбокага цыклу, выбар хімікатаў, прызначаных для гэтай мэты (напрыклад, LiFePO4), а не спроба прымусова выкарыстоўваць стандартныя батарэі ў глыбокім-цыклічным абслугоўванні, забяспечыць лепшую прадукцыйнасць і даўгавечнасць.

Для карыстальнікаў любога абсталявання, якое працуе ад-акумулятараў, простая практыка падзарадкі адразу пасля выкарыстання-да таго, як напружанне ўпадзе ніжэй за 50% для свінцова-кіслотнага або 20% для літый-іоннага-рэзка падоўжыць тэрмін службы батарэі і пазбегнуць ускладненняў, звязаных з аднаўленнем глыбокага разраду.