Напряжение и емкость литиевых батарей: в чем разница

В GEB мы каждый день создаем литиевые батареи для реальных-применений. Клиенты часто спрашивают нас, почему батарея в какой-то момент показывает напряжение 3,8 В и быстро падает под нагрузкой, хотя заряда у нее еще достаточно. Путаница почти всегда сводится к одному и тому же: путатьнапряжение и емкость.

Эти два числа описывают совершенно разные вещи, но вместе они определяют, какую работу на самом деле может выполнить ваша батарея. Давайте разберем это четко, чтобы вы могли принять более обоснованные решения при выборе или использовании литиевых батарей.

Что на самом деле означают напряжение и емкость

Напряжение– это разница электрического давления между положительным и отрицательным полюсами элемента. Он показывает, насколько сильно батарея может проталкивать электроны через цепь. На практике мы говорим о трёх важных значениях напряжения:

• Номинальное напряжение(среднее рабочее напряжение, например 3,2 В для LiFePO4 или 3,7 В для NMC)
• Напряжение отключения-отключения заряда(обычно 4,2 В для большинства литий-ионных элементов)
• Напряжение отключения-разряда(обычно 3,0 В или 2,5 В в зависимости от химического состава)

Емкость, с другой стороны, измеряет общий объем заряда, который может передать аккумулятор, и выражается в ампер-часах (Ач) или миллиамперах-часах (мАч). Аккумулятор емкостью 100 Ач теоретически может обеспечивать ток 100 ампер в течение одного часа или 10 ампер в течение десяти часов, прежде чем он разрядится.

Реальная доступная энергия получается в результате объединения обоих:

Энергия (Втч)=Напряжение × Емкость

Например, аккумуляторная батарея напряжением 48 В и емкостью 100 Ач хранит 4,8 кВтч энергии. Это число, которое на самом деле говорит вам, как долго может работать ваша солнечная система, вилочный погрузчик или электроинструмент.

Многие люди смотрят только на напряжение на мультиметре и думают, что батарея почти разряжена, когда оно падает ниже 3,7 В. На самом деле это значение часто означает, что в аккумуляторе еще осталось 40-60% емкости, в зависимости от нагрузки и химического состава.

Как напряжение и емкость связаны друг с другом

Напряжение и емкостьне являются независимыми. Измеряемое вами напряжение меняется по мере того, как батарея высвобождает накопленный заряд. Эта связь обусловлена ​​движением ионов лития между электродами и возникающим в результате химическим потенциалом.

Проще говоря, когда аккумулятор разряжается, ионы лития покидают анод и движутся к катоду. Измеримоенапряжение разомкнутой-цепи (OCV)представляет собой разность потенциалов на двух электродах. По мере изменения концентрации ионов лития напряжение постепенно падает.

Однако это падение редко бывает линейным. Большая часть мощностей поставляется в течение относительно стабильного периода времени.платформа напряжения. Как только платформа заканчивается, напряжение резко падает в сторону точки отсечки.-Выключение. Именно такое нелинейное поведение-и является причиной того, что следует полагаться натолько напряжениеоценка оставшегося времени выполнения приводит к ошибкам.

В GEB мы видим это каждый раз, когда тестируем пакеты. Элемент может комфортно находиться при напряжении 3,65 В в течение длительного времени, сохраняя при этом большую часть номинального напряжения.емкость.

Понимание кривой разряда

кривая разрядапоказывает, как именно ведет себя напряжение по мере использования емкости. Типичная кривая литиевой батареи имеет три отдельные фазы:

Первоначальное падение напряжения при полной зарядке

Длинная, относительно плоская платформа, на которой реализуется большая часть мощности.

Острый колено на конце, поскольку напряжение быстро падает и-отключается.

Вот практическоеТаблица зависимости напряжения от SOCдля стандартной ячейки NMC в различных условиях (измерено при 25 градусах):

Обратите внимание, что напряжение под нагрузкой всегда ниже напряжения разомкнутой-цепи. Более высокий ток разряда вызывает большее падение напряжения из-за внутреннего сопротивления и эффектов поляризации.

Несколько факторов смещают эту кривую при ежедневном использовании:

• Более высокая скорость C- → более раннее и более глубокое падение напряжения
• Более низкая температура → пониженное напряжение и доступностьемкость
• Больше циклов зарядки-разрядки → платформа постепенно опускается и меньше выравнивается

Вот почему батарея, которая однажды проработала 8 часов при том же напряжении, может прослужить только 6 часов после 500 циклов.

LiFePO4 против NMC: очень разные характеристики напряжения и емкости

Химия, которую вы выбираете, меняетсоотношение напряжения-емкостирезко.

ЛиФеПО4 (ЛФП)Ячейки работают при номинальном напряжении 3,2 В с чрезвычайно ровным напряжением.разгрузочная платформа. Напряжение остается удивительно стабильным между примерно 3,3 В и 3,0 В для большей части емкости. Такая неравномерность обеспечивает более предсказуемое время выполнения и лучшую полезную емкость в реальных приложениях. LFP является предпочтительным выбором для хранения солнечной энергии, морских систем и везде, где наибольшее значение имеют длительный срок службы и безопасность.

НМЦЯчейки работают при номинальном напряжении 3,6–3,7 В и обеспечивают более высокую плотность энергии. Ихкривая разрядаимеет заметный наклон, что означает, что напряжение падает более плавно по мере использования мощности. Это делает NMC более подходящим для приложений, требующих высокой выходной мощности или компактных размеров, таких какэлектроинструментs, дроны и некоторые комплекты электромобилей.

Вот параллельное--сравнение:

В компании GEB мы производим оба типа химикатов и часто рекомендуем LFP, когда клиентам требуется надежная-энергия с длительным сроком службы, а также предлагаем аккумуляторы на основе NMC-, когда вес и удельная мощность являются главными приоритетами.

Практические последствия для реального использования

Напряжениепровисание под нагрузкой, температурные воздействия и старение — все это влияет на то, какую мощность вы действительно можете извлечь.

A система 48 Вимеет явное преимущество перед напряжением 24 В или 12 В при той же выходной мощности. Поскольку ток уменьшается вдвое, потери I²R значительно снижаются -, часто на 30–40 %. Зарядка также завершается быстрее, а провод может быть тоньше. Для увеличения запаса энергии или движущей силы переход на более высокое напряжение почти всегда повышает эффективность.

Условия хранения тоже имеют значение. Мы советуем держать литиевые батареи на уровне 40-60%.СОЦдля долгосрочного-хранения. Большинство ячеек GEB поставляются с заряженностью около 50 %, поскольку этот уровень лучше всего подходит для минимизации календарного старения, сохраняя при этом уровень восстановления выше 98 % даже по истечении полного года.

Никогда не оценивайте оставшуюся емкость только по напряжению под нагрузкой. Всегда оставляйте аккумулятор на несколько минут и измеряйте напряжение OCV, если вам нужна приблизительная оценка. СовременныйБлоки BMSобъединить данные по напряжению, току (подсчет кулонов) и температуре для гораздо более точных результатов.СОЦчтения.

Заключительные мысли

Напряжениеговорит вам силу.Емкостьсообщает вам общую доступную плату. Реальная производительность зависит от того, как эти два компонента взаимодействуют при конкретной нагрузке, температуре и рабочем цикле.

Добиться правильного баланса междуплатформа напряжения, общая мощностьхимия – это то, что отличает хорошую батарею от плохо работающей в полевых условиях. В GEB мы уделяем значительное время оптимизации соотношения электродов, окон напряжения и выбора материалов, чтобы наши элементы обеспечивали стабильное поведение по напряжению и надежную емкость в течение сотен или тысяч циклов.

Если вы разрабатываете новую систему или оцениваете варианты аккумуляторов, обращайтесь. Сообщите нам ваши требования к напряжению, ожидаемое время работы и условия эксплуатации. Мы можем порекомендовать правильный химический состав и конфигурацию упаковки, которые действительно соответствуют вашему применению, а не просто соответствуют заявленным спецификациям.