Ano ang Discharge Cycle?

Tumawag noong nakaraang Martes sa isang startup na gumagawa ng kanilang unang handheld device. Tinatanong ako ng PM kung ilang beses makakapagcharge ng baterya ang mga user nila. sabi ko depende. Gusto niya ng numero. Sinabi ko sa kanya na 500, marahil, sa ilalim ng perpektong mga kondisyon na hindi kailanman iiral sa larangan.

Yan ang problema sa discharge cycles. Ang konsepto ay napakasimple ngunit ang paglalapat nito sa mga tunay na produkto ay nagiging kumplikado nang mabilis.

Ang iyong baterya ay hindi nagbibilang ng mga plug-in. Binibilang nito ang capacity throughput. Alisan ng tubig ang 100% ng kapasidad ng nameplate at iyon ay isang ikot. Gawin ito sa isang shot o ikalat ito sa isang linggo ng mga partial discharges - parehong resulta.

Ang 18650 na nasa iyong flashlight ngayon ay maaaring nasa cycle 47 o cycle 212. Maliban kung sinusubaybayan mo ang mga amp-oras sa relihiyon, wala kang ideya. Siguradong hindi alam ng cell. Walang maliit na counter sa loob. Tinatantya ito ng iyong BMS batay sa pagbibilang ng coulomb, at mga drift ng pagbilang ng coulomb. Pinaghiwalay ko ang mga pack kung saan ang naiulat na bilang ng cycle ay bumaba ng 30% kumpara sa aktwal na pagtanda ng kalendaryo.

Nag-publish ang Samsung SDI ng ilang data noong 2019 na nagpapakita ng kanilang 21700 na mga cell na umabot sa 83% na pagpapanatili ng kapasidad sa cycle 300 sa ilalim ng kanilang karaniwang test protocol. Ang mga cell ng Panasonic NCR mula sa parehong panahon ay mas katulad ng 78% sa 300 na mga cycle. Ang mga numerong ito ay nagmula sa mga climate chamber sa 23℃na may CC-CV na nagcha-charge sa 0.5C at naglalabas sa 1C hanggang 2.5V na cutoff. Mag-iiba ang iyong mileage dahil ang iyong use case ay hindi isang climate chamber.

Ang bawat isa sa industriyang ito ay nagsasalita tungkol sa lalim ng discharge na parang ito ay isang uri ng magic lever. Ang mga mababaw na siklo ay nagpapahaba ng buhay, ang mga malalim na siklo ay pumapatay ng mga selula nang mas mabilis. Tama na. Ngunit ang relasyon ay hindi ang inaasahan ng karamihan.

Nagpatakbo ako ng side project noong 2021 sinusubukang i-quantify ito para sa isang customer ng medical device. Kumuha kami ng 200 cell mula sa parehong lote ng produksyon, hinati ang mga ito sa mga grupo, at inikot ang mga ito sa iba't ibang antas ng DoD sa loob ng walong buwan. Ang 100% DoD group ay bumagsak sa paligid ng cycle 380. Ang 60% DoD group ay nasa 88% na kapasidad pa rin sa katumbas ng 900 buong cycle. Ang 30% DoD group ay halos hindi nagpakita ng anumang pagkasira pagkatapos ng isang taon.

Ngunit narito ang hindi sasabihin sa iyo ng mga datasheet. Ang pagtanda ng kalendaryo ay kumakain sa lahat ng mga grupo sa halos parehong rate anuman ang pagbibisikleta. Sa ika-sampung buwan, kahit na ang mga cell na halos hindi namin nahawakan ay nawalan ng 4-5% na kapasidad na nakaupo lang doon sa 50% na estado ng pag-charge sa isang 25℃na silid. Ang mga cell na umiikot nang husto ay tinatamaan mula sa magkabilang direksyon - pag-iipon ng ikot at pagtanda ng kalendaryo sa ibabaw ng bawat isa.

Kaya kapag tinanong ng iyong customer kung bakit hindi nagtatagal ang kanilang dalawang-taong-na device kahit na "halos hindi nila ito ginagamit" - kaya naman.

Discharge Cycle

Mayroon akong isang kahon ng mga cell sa aking garahe mula sa isang pack ng baterya ng golf cart na gumugol ng tatlong tag-araw sa isang shed sa Tucson. Ang may-ari ay sumumpa na siya lamang ang gumamit ng cart marahil dalawang beses sa isang buwan. Na-rate ang pack para sa 2000 cycle. Namatay ito sa 160. Ang mga cell ay mukhang maayos sa labas. Nabasag ang isa at may mga brown spot ang jelly roll sa separator. Bahagyang nabulok ang electrolyte.

Pinapatay ng init ang mga selulang lithium. Hindi mabilis na parang patay na short. Mabagal, parang nag-iiwan ng mantikilya sa counter.

Ang relasyong Arrhenius ay nagbibigay sa iyo ng humigit-kumulang 2x na rate ng pagkasira para sa bawat 10℃sa itaas 25℃. Ngunit iyon ay isang average sa buong chemistries. Ang mga cell ng NMC na nasubukan ko ay mas mabilis na nahulog. Mas lumakas ang LFP. Ang mga pouch cell na ginagamit namin para sa mga naisusuot ay mas sensitibo kaysa sa mga cylindrical na cell na may parehong chemistry dahil mas mababa ang thermal mass at mas mainit ang mga ito sa ilalim ng pagkarga.

Ang malamig na discharge ay nakakainis ngunit hindi nakakasira. Pansamantala kang nawalan ng kapasidad. Bumabalik ito kapag uminit ang cell. Nag-discharge ako ng mga cell sa -15℃na nagbigay lamang ng 61% ng na-rate na kapasidad, pagkatapos ay hayaan silang magpainit hanggang sa temperatura ng kuwarto at makuha ang buong 3.2Ah sa susunod na pag-discharge. Ang malamig na pagsingil ay ang pamatay - lithium plating sa anode. Ang pinsala ay permanente. Karamihan sa BMS ay nag-lock out sa pagsingil sa ibaba 0℃para sa eksaktong kadahilanang ito.

Ang bawat discharge ay naglilipat ng mga lithium ions mula sa graphite anode patungo sa cathode. Bawat singil ay nagtutulak sa kanila pabalik. Gawin ito ng sapat na oras at magsisimulang masira ang mga bagay.

Ang layer ng SEI sa anode ay lumapot. Ang layer na iyon ay dapat na naroon - pinoprotektahan nito ang graphite mula sa electrolyte. Ngunit ito ay lumalaki sa bawat cycle, at ang paglaki ay nangangahulugan na ito ay kumakain ng lithium na maaaring mag-imbak ng enerhiya. Ito ang dahilan kung bakit ang kapasidad ay kumukupas kahit na walang dramatikong nangyayari.

Ang mga particle ng cathode ay pumutok. Ang NMC at NCA cathodes ay may kristal na istraktura na lumalawak at kumukunot habang ang lithium ay gumagalaw papasok at palabas. Nabubuo ang micro-cracks. Tumataas ang lugar sa ibabaw. Bumibilis ang mga side reaction. Nakakita ako ng mga cross-section ng cathode particle mula sa matataas-cycle na mga cell na mukhang basag na salamin sa ilalim ng mikroskopyo kumpara sa mga sariwang cell mula sa parehong batch.

Nasira ang electrolyte. Ang trace water ay nagdudulot ng mga problema. Ang mataas na boltahe ay nagpapabilis ng oksihenasyon. Napupunta ka sa pagbuo ng gas, tumaas na impedance, at kalaunan ay bumukol o bumubuhos ang cell.

Wala sa mga ito ang nangyayari nang pantay-pantay. Ang mga cell sa iyong string ng serye na tumatakbo nang mas mainit o nagsimula sa bahagyang mas mababang kapasidad sa edad na mas mabilis. Pagkatapos ng isang taon o dalawa, ang iyong "matched" pack ay hindi na tugma. Nililimitahan ng mahinang cell ang buong string sa paglabas at nagiging sobrang trabaho sa pagsisikap na makasabay. Death spiral mula doon.

Ang IEC 62660 at ang iba't ibang pamantayan ng UL ay nagbibigay sa iyo ng baseline. Ipasa ang mga iyon at maaari kang magpadala ng produkto. Ngunit napanood ko ang mga cell na sumusubok sa sertipikasyon at pagkatapos ay lumabas sa field returns pagkalipas ng anim na buwan na may mga namamagang supot.

Ang mga pagsubok sa sertipikasyon ay idinisenyo upang maulit sa lahat ng mga lab, hindi upang gayahin ang tunay na paggamit. Walang gumagamit ng kanilang telepono sa eksaktong 0.5C constant current. Walang nagsisingil ng kanilang power tool sa perpektong CC-CV profile sa 25℃.

Kung seryoso ka sa pag-unawa kung paano gaganap ang iyong pack, kailangan mong bumuo ng test protocol na tumutugma sa iyong aktwal na user. I-profile ang iyong inaasahang kasalukuyang discharge. Isama ang mga panahon ng pahinga. Pindutin ang labis na temperatura na makikita ng iyong produkto. Magpatakbo ng sapat na mga cell upang makakuha ng kumpiyansa sa istatistika - at nangangahulugan iyon ng hindi bababa sa 15-20 bawat kondisyon ng pagsubok, hindi ang 3-5 na sinusubukang makawala ng karamihan sa mga startup.

Ang mga cell na nabigo sa maagang pagsubok sa buhay ay halos palaging may mga depekto sa pagmamanupaktura. Burrs sa elektrod, kontaminasyon, masamang welds sa mga tab. Lalabas ang mga iyon sa unang 50 cycle. Ang mga cell na late na nabigo - ang mga iyon ang nagsasabi sa iyo ng isang bagay tungkol sa iyong disenyo.

Maaari mong kalkulahin ang inaasahang cycle ng buhay kung alam mo ang iyong profile ng user. Ang isang teleponong sinisingil araw-araw, maaaring umabot sa 20% sa average bago isaksak ang - na humigit-kumulang 0.8 cycle bawat araw. Sa loob ng dalawang-taon na inaasahang buhay, tumitingin ka sa 580 cycle. Kung na-rate ang iyong mga cell para sa 500 cycle hanggang 80% na kapasidad, magsisimula kang makakita ng mga reklamo sa ika-18 ng buwan.

Ito ang dahilan kung bakit pinalalaki ng Apple at Samsung ang kanilang mga pack kumpara sa na-advertise na kapasidad. Ang "100%" na nakikita mo sa iyong telepono ay hindi 100% ng kung ano talaga ang kayang hawakan ng mga cell. Nagtataglay sila ng buffer sa itaas at ibaba upang mabawasan ang stress sa mga selula. Maaaring may 4500mAh na pisikal na kapasidad ang iyong telepono ngunit hinahayaan ka lang ng software na gamitin ang 4000mAh nito.

Gumagana ang parehong ideya para sa anumang produkto ng baterya. Maaari mong maabot ang iyong target sa buhay ng cycle ng mas mahusay na mga cell - na nagkakahalaga ng mas - o maaari mo itong maabot sa pamamagitan ng paglalagay ng karagdagang kapasidad at pagpapatakbo ng mga cell nang mas madali. Ang pangalawang opsyon ay karaniwang nananalo sa kabuuang halaga kapag nagsasaalang-alang ka sa mga reserbang warranty.

Discharge Cycle

Ang ikot ng paglabas ay isang paraan lamang upang mabilang ang pagsusuot. Tulad ng odometer milya sa isang kotse, ngunit ang relasyon sa pagitan ng milya at natitirang buhay ay squishier. Dalawang pack sa 300 cycle ay maaaring magkaroon ng ganap na magkaibang natitirang kapasidad depende sa kung paano sila nakarating doon.

Ibibigay sa iyo ng mga tagagawa ng cell ang kanilang mga numero. Ang iyong trabaho ay ang pag-alam kung paano isinasalin ang mga numerong iyon sa iyong partikular na produkto at sa iyong mga partikular na user. Walang formula para diyan. Sinusubukan mo, nagpapadala ka, pinapanood mo ang data ng field, at nag-adjust ka.