Терең разряд дегеніміз не?

Терең разряд батарея зарядтау алдында жалпы сыйымдылығының 80% немесе одан да көп бөлігін пайдаланған кезде орын алады. Бұл батареялар әдетте сыйымдылығының 20-50% шамасында жұмыс істейтін қалыпты зарядсыздандыру үлгілерінен ерекшеленеді. Батареялар терең зарядсызданған кезде, олардың энергияны сақтау және жеткізу қабілетін біржола төмендететін қайтымсыз химиялық реакциялар басталады.

Зарядтау тереңдігі жалпы қол жетімді сыйымдылыққа қатысты пайдаланылған батарея сыйымдылығының пайызын өлшейді. 100 ам-сағат (Ач) батарея 80 Ah зарядсыздандырса, ол 80% DoD деңгейіне жетті.

Есеп қарапайым:

DoD (%)=(Қолданылатын қуат / Жалпы сыйымдылық) × 100

DoD заряд күйіне (SoC) тікелей қарсы тұрады. DoD 80% болғанда, SoC 20% болады. Бұл екі көрсеткіш батарея күйінің толық бейнесін беру үшін бірге жұмыс істейді-DoD сізге не пайдаланылғанын айтады, ал SoC қалғанын көрсетеді.

Батарея өндірушілері әртүрлі химиялық заттар үшін нақты DoD шектеулерін белгілейді. Қорғасын{1}}қышқылды батареялар қалыпты пайдалану үшін әдетте 50% DoD аспауы керек, ал литий{3}}иондық батареялар 80-90% DoD қауіпсіз өңдей алады. Бұл шектеулер бар, себебі тереңірек разрядтар ішкі компоненттердің тозуын тездетеді.

Deep Discharge

Батареялар терең зарядсызданған кезде, әртүрлі химиялық процестер батареяның химиясына байланысты тұрақты зақым келтіреді.

Қорғасын қышқылды батареяларда разряд процесі күкірт қышқылымен реакциялар арқылы қорғасын диоксиді мен губка қорғасынды қорғасын сульфатына айналдырады. Қалыпты разряд кезінде бұл қорғасын сульфаты кристалдары кішкентай болып қалады және қайта зарядтау кезінде оңай қайта айналады. Дегенмен, терең разряд қорғасын сульфатының шамадан тыс жиналуын тудырады.

Бұл сульфат кристалдары сульфаттану деп аталатын процесс арқылы қатайып, үлкейеді. Кристаллдар белгілі бір өлшемге жеткенде, олар қыңыр болып, қайта зарядтау кезінде белсенді материалға айналудан бас тартады. Midtronics зерттеулері жүктеме кезінде 10,5 вольттан төмен түсетін 12-вольтты қорғасын-қышқылды аккумулятордың сульфаттану тез жылдамдайтын терең разряд аймағына енетінін көрсетеді.

Батарея терең зарядсызданған күйде неғұрлым ұзақ отырса, бұл сульфат соғұрлым тұрақты болады. Ауыр жағдайларда белсенді материал бөліктері пластиналардан үзіледі, бұл қысқа тұйықталуға және батареяның толық істен шығуына әкеледі.

Литий{0}}иондық батареялар әртүрлі, бірақ бірдей маңызды мәселелерге тап болады. Қауіпсіз кернеу шегінен төмен разрядталған кезде (әдетте бір ұяшыққа 2,5 В), анодтың ток коллекторындағы мыс электролитке ери бастайды.

Кейінгі зарядтау кезінде бұл еріген мыс иондары анодқа қайтадан жиналып, батареяның ішінде өсетін дендрит-ұсақ металл мұртшаларды қалыптастырады. Scientific Reports журналындағы 2016 жылғы зерттеу зарядтың -12% күйінен асатын қатты шамадан тыс разряд осы мыс тұндыру механизмі арқылы ішкі қысқа тұйықталуларды тудыратынын анықтады.

Сонымен қатар, терең разряд анодтағы қорғаныш пленка болып табылатын қатты электролит интерфазасының (SEI) қабатын зақымдайды. Бұл қабат әдетте қажетсіз химиялық реакциялардың алдын алады. Зақымданғаннан кейін батареяның ішкі кедергісі артып, сыйымдылығы төмендейді. IEEE деректері тұрақты терең разряд циклдарына ұшыраған батареялар ұсынылған шектерде ұсталғандарға қарағанда сыйымдылығын 40% жылдам жоғалтатынын көрсетеді.

Әртүрлі аккумуляторлық химияларда терең разрядты анықтайтын нақты кернеу үзілістері бар:

Қорғасын{0}}қышқылды батареялар:

Толық зарядталған: 12,6-12,8 В (12 В батарея үшін)

50% разрядталған: 12,2 В

Терең разряд шегі: 10,5 В

Сыни зақымдану деңгейі: 10,5 В төмен

Литий{0}}иондық батареялар:

Толық зарядталған: бір ұяшыққа 4,2 В

Қалыпты жұмыс диапазоны: бір ұяшыққа 3,7-4,0 В

Терең разряд шегі: бір ұяшыққа 3,0 В

Тұрақты зақымдану қаупі: бір ұяшыққа 2,5 В төмен

LiFePO4 батареялары:

Толық зарядталған: бір ұяшыққа 3,65 В

Қалыпты жұмыс диапазоны: бір ұяшыққа 3,2-3,4 В

Қауіпсіз разряд қабаты: бір ұяшыққа 2,5 В

Зақымдану шегі: әрбір ұяшыққа 2,0 В төмен

Батареяның кернеуі осы шектерден төмен түссе, ішкі кедергі күрт артады. Бұл қайта зарядтауды қиындатады және зарядтау процесінде шамадан тыс қызуды тудырады, бұл зақымдануды күшейтеді.

Шығару тереңдігі мен циклдің қызмет ету мерзімі арасындағы байланыс жақсы құжатталған{0}}бірақ жиі дұрыс түсінілмейді.

50% DoD деңгейіне дейін зарядталған қорғасын{0}}қышқылды аккумулятор бастапқы сыйымдылықтың 80% жеткенше 800 цикл өткізуі мүмкін. 80% DoD деңгейіне дейін зарядсызданған сол батарея шамамен 350 циклды қамтамасыз етеді. Математика түсініксіз болып көрінеді-терең разряд батареяның қызмет ету мерзімінде көбірек энергия беруі керек емес пе?

Шындық әлдеқайда нюансты. Әрбір терең разряд циклі көбірек энергия шығарғанымен, жеделдетілген деградация жалпы өмірлік энергияның жеткізілуін азайтады. Жоғарыдағы қорғасын{2}}қышқыл мысалы үшін:

50% DoD: 800 цикл × 50%=400 жалпы разряд эквиваленттері

80% DoD: 350 цикл × 80%=280 жалпы разряд эквиваленттері

Таяз разряд үлгісі батареяның қызмет ету мерзімі ішінде жалпы энергияны 43%-ға көп береді.

Литий{0}}иондық батареялар жақсы төзімділік көрсетеді. Сапалы LiFePO4 аккумуляторы бірдей тереңдіктегі қорғасын қышқылы үшін 200-300 циклмен салыстырғанда, 80% DoD кезінде 2000+ циклды орындай алады. Бұл терең разрядқа жоғары төзімділік литий технологияларын жиі терең циклді қажет ететін қолданбалар үшін қолайлы етеді.

Deep Discharge

Таяз разряд зарядтау алдында батарея сыйымдылығының тек 10-30%-ын пайдалануды қамтиды. Бұл тәсіл батарея құрамдастарының кернеуін айтарлықтай төмендетеді.

Көптеген аккумулятор өндірушілерінің зерттеулері төмен зарядтау жылдамдығымен таяз велосипедпен жүрудің ең аз өлшенетін деградацияға әкелетінін растайды. LiFePO4 батареяларына жүргізілген зерттеу 50% зарядталған күйде және 25 градус сақтау температурасында батареялар 23,8 жыл бойы -әдеттегі кепілдіктерден әлдеқайда жоғары 80% сыйымдылықты сақтайтынын көрсетті.

Терең разряд жоғары бірден пайдалануға болатын сыйымдылықты ұсынады, бірақ қартаюды тездетеді. Терең разряд циклдері кезінде белсенді материалдарға механикалық кернеу сыйымдылықтың төмендеуін арттырады. Электрлік көліктер мен портативті электроника үшін таяз разряд үлгілері жиірек зарядтауды қажет ететініне қарамастан, әдетте жақсырақ ұзақ{2}}мән береді.

Дегенмен, контекст маңызды. Күн энергиясын сақтау жүйелері күн жарқырамаған кезде түнгі қуат қолжетімділігін арттыру үшін жиі терең разряд мүмкіндігін қажет етеді. Бұл қолданбаларда батарея сыйымдылығының 80-90% қол жеткізу мүмкіндігі циклдің сәл қысқартылған қызмет мерзімін ақтайды.

Заманауи аккумулятор жинақтарына терең разрядтың зақымдалуын болдырмау үшін арнайы әзірленген Батареяны басқару жүйелері (BMS) кіреді.

BMS бірнеше маңызды параметрлерді үздіксіз бақылайды:

Кернеуді бақылау:BMS жеке ұяшық кернеулерін қадағалайды және кез келген ұяшық өзінің шекті кернеуіне жақындаған кезде жүктемені ажыратады. Литий{1}}ионды батареялар үшін бұл әдетте бір ұяшыққа 2,5-3,0 В шамасында болады. Жүйе тіпті құрылғы қуат алуды жалғастыра берсе де, батареяның қауіпсіз шектен тыс зарядсыздануына жол бермейді.

Ағымдағы шектеу:Жоғары разрядтық токтар кернеудің төмендеуін жылдамдатады және жылудың пайда болуын арттырады. BMS батарея температурасы мен заряд күйіне негізделген разряд тогын қауіпсіз деңгейге шектейді.

Температураны басқару:Терең разряд ішкі кедергінің жоғарылауына байланысты көбірек жылу шығарады. BMS температураны бақылайды және термиялық шектеулерден асып кетсе, разрядты азайтады немесе тоқтатады.

Жасуша теңгерімі:Көп жасушалық пакеттерде жасушалар біркелкі зарядсызданады. Теңгерімсіз бір ұяшық терең зарядсыздануы мүмкін, ал басқалары зарядты сақтайды. BMS жеке ұяшықтардың қауіпті кернеу диапазондарына енуіне жол бермей, барлық ұяшықтардың біркелкі разрядталуын қамтамасыз етеді.

Сапалитий-иондық аккумуляторды зарядтау құрылғысызарядтауды бастамас бұрын ұяшық кернеуін өлшеу арқылы BMS-пен тандемде жұмыс істейді. Егер кернеу бір ұяшыққа 2,5 В-тан төмен түссе, заманауи зарядтағыштар кернеуді қауіпсіз зарядтау деңгейіне дейін ақырын көтеру үшін минималды токты (әдетте 0,05С) қолданып, «күшейткіш» немесе ағынды зарядтау режимін жүзеге асырады. Бұл терең зарядталған ұяшыққа толық зарядтау тогы қолданылғанда пайда болатын дендриттердің пайда болуына жол бермейді.

Батарея университетінің мәліметі бойынша, мұндай қорғаныс мүмкіндігі жоқ зарядтағыштар өте зарядталған батареяларды «жұмысқа жарамсыз» деп қабылдамайды, дегенмен тиісті жабдықпен мұқият қалпына келтіруге болады.

Қалпына келтірудің сәттілігі батареяның терең зарядсызданған күйде қанша уақыт тұрғанына және химиялық зақымданудың ауырлығына байланысты.

Терең разрядтан кейін бірнеше күн ішінде ұсталған қорғасын{0}}қышқылды батареялар үшін қалпына келтіру жылдамдығы AGM түрлері үшін 70%-ға және су басқан батареялар үшін 30%-ға жетеді. Процесс шыдамдылықты қажет етеді:

Десулфация режимі бар смарт зарядтағышты пайдаланыңыз

Төмен токты (0,1С немесе одан аз) 24-48 сағат бойы қолданыңыз

Кернеудің жоғарылауын бақылаңыз{0}}ол бірте-бірте 12,6 В дейін көтерілуі керек

48 сағаттан кейін кернеу үстірттері 12 В төмен болса, тұрақты зақым орын алды

NOCO Genius сериясы сияқты мамандандырылған зарядтағыштар шыңдалған сульфат кристалдарын ыдырату үшін импульстік зарядтауды қолданатын күкіртті жою алгоритмдерін қамтиды. Алайда, егер батарея апталар немесе айлар бойы қатты зарядсыз қалса, сульфаттану әдетте қайтымсыз болады.

Литий{0}}ионын қалпына келтіру қауіптірек және аса сақтықты қажет етеді. Бір аптадан астам уақыт бойы әрбір ұяшықта 1,5 В төмен тұрған литий батареяларын қалпына келтіруге әрекет жасамаңыз-қоқысқа тастау - қауіпсіз әдіс.

Жақында зарядсызданған литий батареялары үшін (әр ұяшыққа 2,0-2,5 В арасындағы кернеу):

Кернеу 3,0 В жеткенше 0,05С зарядтау тогын қолданыңыз

Батарея қызып кетсе, температураны үздіксіз-қадағалаңыз

Кернеу 3,0 В-тан жоғары тұрақтанғаннан кейін қалыпты зарядтау протоколына ауысыңыз

Сыйымдылықты қалпына келтіру үшін бірнеше толық зарядтау/разряд циклін орындаңыз

LiFePO4 батареясын қалпына келтіру бойынша зерттеулер көрсеткендей, дұрыс орындалған қалпына келтіру процедуралары номиналды сыйымдылықтың 70% дейін қалпына келтіре алады, дегенмен өнімділік ешқашан батареяның жаңа сипаттамаларына толығымен оралмайды.

Литийді қалпына келтіру қаупі - дендриттің пайда болуы. Зақымдалған мыс немесе литий құрылымдары терең разрядтан әлдеқашан бар болса, зарядтау тогын қолдану бұл дендриттерді сепараторды қиып алғанша ұзартуы және ішкі қысқа тұйықталуларды тудыруы мүмкін. Сондықтан көптеген сарапшылар кернеу бір ұяшыққа 2,0 В-тан төмен түссе, қалпына келтіру әрекеттерін жасамауға кеңес береді.

Батареялардың терең разрядқа қалай жететінін түсіну оның алдын алуға көмектеседі.

Паразиттік жүктемелер:Заманауи көліктер мен құрылғылар «өшірулі» болса да қуат алады. Қауіпсіздік жүйелері, сағаттар және компьютердің жады жүйелері тұрақты ағынды жасайды. Салауатты батарея бұл жүктемелерге шыдайды, бірақ ұзақ уақыт пайдаланбай, -әсіресе суық ауа райында- терең разрядқа әкелуі мүмкін. Автокөліктерге қызмет көрсету орталықтарының деректері 3-4 апта бойы пайдаланылмай отырған көліктерде әдетте терең зарядсызданған аккумуляторлар пайда болатынын көрсетеді.

Генератор немесе зарядтау жүйесінің ақауы:Көліктің генераторы істен шыққан кезде, аккумулятор барлық электр жүйелерін қайта зарядтаусыз қуаттандыруы керек. Көптеген жүргізушілер генератордың істен шыққанын бірден байқамайды, батарея толығымен таусылғанша көлікті пайдалануды жалғастырады. Тестілеу генератордың қолдауынсыз көліктің электр жүйесін қуаттандыратын әдеттегі автомобиль аккумуляторы жүргізу кезінде 30-90 минут ішінде терең разрядталатынын көрсетеді.

Техникалық қызмет көрсетусіз сақтау:Батареялар қосылмаса да{0}}өздігінен зарядсызданады. Қорғасын{2}}қышқылды батареялар температураға байланысты ай сайын 3-20% зарядын жоғалтады. Литий-иондық батареялар өздігінен разрядталуы баяу (ай сайын 1-5%), бірақ сақтау кезінде мерзімді зарядтауды қажет етеді. Техникалық қызмет көрсетусіз зарядтаусыз 6-12 ай сақталған аккумуляторлар әдетте терең разрядқа түседі.

Төлемдер арасындағы артық пайдалану:Белгіленген диапазоннан тыс қозғалатын электрлік көліктер, ұзақ бұлтты кезеңдердегі жүктемелерді қолдайтын күн батареялары немесе барлық қауіпті терең разрядты қайта зарядтаусыз үздіксіз пайдаланылатын портативті электроника. Негізгі қауіп пайдаланушылар батареяның аздығы туралы ескертулерді елемеу-және жұмысын жалғастырған кезде орын алады.

Кейбір қолданбаларға кәдімгі терең велосипедпен жұмыс істей алатын батареялар қажет.

Күн энергиясын сақтау:Тордан тыс{0}}күн жүйелері күндіз жиналған энергияны пайдаланып түні бойы қуат беруі керек. Бұл терең разряд мүмкіндігін қажет етеді. Сапалы күн батареялары су басқан қорғасын{3}}қышқылды{4}}циклді (50% DoD үшін бағаланған) немесе LiFePO4 батареяларын (80-90% DoD үшін бағаланған) пайдаланады. Әдеттегі тұрғын үй күн жүйесі түнде батарея сыйымдылығының 60-80% айналуы мүмкін.

Теңіз қолданбалары:Қайықтар навигация, жарықтандыру және байланыс жабдықтары үшін сенімді қосалқы қуатты қажет етеді. Теңіздегі терең цикл{1}}батареялар күнделікті пайдаланудан және түнгі қонақүй жүктемелерінен қайталанатын разряд циклдарына шыдайды. AGM теңіз аккумуляторлары 50-60% DoD тұрақты жұмыс істей отырып, тығыздалған құрылыстың артықшылығын ұсынады (теңіздерде төгілмейді).

Рекреациялық көліктер:RV үйінің аккумуляторы жағалаудағы қуатқа қосылмаған кезде электр құрылғыларын, жарықтандыруды және электрониканы сақтайды. Теңіз қолданбалары сияқты, RVs терең зарядсыздандыратын батареяларды қажет етеді. Заманауи RV-лар литий батареяларының қорларын жоғары-разрядтауға төзімділігі мен ұзақ циклдің қызмет ету мерзімі үшін көбірек қолданады.

Электрлік көліктер:Электрлік көліктер қалыпты жүргізу циклдері кезінде батарея сыйымдылығының 20-80% зарядсызданады. Бұл бір іске қосу үшін небәрі 2-5% пайдаланатын қозғалтқыш{5}}батареяларымен салыстырғанда салыстырмалы түрде терең разрядты білдіреді. Электр батареяларының жинақтары қызмет ету мерзімін ұзарта отырып, осы разряд үлгілерін басқару үшін күрделі BMS жүйелерімен литий-ионды химияларды (әдетте NMC немесе NCA) пайдаланады.

Сақтық қуат жүйелері:Үздіксіз қуат көзі (UPS) қондырғылары электр қуатының үзілуі кезінде маңызды жабдықты қорғайды. Батареялар көп жағдайда толық зарядталған күйінде қалады, бірақ ұзақ уақыт үзіліс кезінде толық сыйымдылығын жеткізуі керек. Коммерциялық UPS жүйелері әдетте ақаусыз кездейсоқ терең разрядты өңдеуге арналған клапан{2}}реттелетін қорғасын қышқылды (VRLA) батареяларын пайдаланады.

Deep Discharge

Кейде, бірақ әрқашан емес. Қорғасын{1}}қышқылды батареялар үшін кернеу 10,5 В-тан жоғары болса, 24-48 сағат бойы баяу зарядтау арқылы қалпына келтіруге болады. Батарея бірнеше күннен артық зарядсыз қалса, табыс деңгейі айтарлықтай төмендейді. Бір ұяшыққа 2,5 В-тан төмен литий-ионды батареяларды кейде мамандандырылған күшейткіш зарядтау арқылы қалпына келтіруге болады, бірақ дендрит пайда болу қаупі мұны қауіпті етеді. Заманауи зарядтағыштар қауіпсіздік шарасы ретінде белгілі бір кернеу шегінен төмен батареяларды жиі қабылдамайды.

Бұл толығымен батареяның химиясына байланысты. Литий{1}}иондық батареялар ешқашан әдейі терең разрядты қажет етпейді-бұл ескі никель-кадмий технологиясынан қалған миф. Қорғасын қышқылды батареялар стратификация мен сульфаттанудың алдын алу үшін кездейсоқ терең циклдардан (3-6 айда бір рет) пайда көреді, бірақ тұрақты терең разряд әлі де қызмет ету мерзімін қысқартады. Ең жақсы тәжірибе мүмкіндігінше терең разрядты болдырмау болып табылады.

Терең цикл{0}}батареялар 50% немесе одан төмен қайталанатын разрядқа төтеп беруге арналған тығызырақ белсенді материалы бар қалың тақталарды пайдаланады. Іске қосу батареяларында жоғары ток жарылыстарын беру үшін оңтайландырылған жұқа пластиналар бар, бірақ терең зарядсызданғанда оңай зақымдалады. Құрылыстағы айырмашылық терең циклды батареялар қалыпты циклді орындай алады, ал іске қосу батареялары жүздеген салқын күшейткіш-болады, бірақ терең разрядтың 50 циклінен аз.

Мүлдем. Суық температура қол жетімді батарея сыйымдылығын төмендетеді-0 градус F температурада батарея номиналды сыйымдылығының тек 50%-ын ғана жеткізе алады. Бұл қалыпты пайдалану кезінде де салқын ауа райында батареяның терең разряд кернеуіне тезірек жетеді дегенді білдіреді. Ыстық температура өздігінен зарядсыздану жылдамдығын-тездетеді, бұл сақталған батареялардың тереңірек разрядталуына әкеледі. Екі экстремалды жағдай да терең ағызу қаупін арттырады және түзетілген техникалық қызмет көрсету тәжірибесін қажет етеді.

Терең разряд батареялардың ең зиянды жағдайларының бірі болып табылады. Қорғасын қышқылды аккумуляторлардағы-сульфаттану-болатын химиялық өзгерістер және литий-иондық жасушаларда-мыстың еруі ұзаққа созылатын батареялар терең зарядсызданған сайын қайтымсыз болып келеді. Қалпына келтіру кейде мүмкін болғанымен, батареяны дұрыс басқару арқылы алдын алу әлдеқайда тиімді болып қала береді.

Батареяны басқарудың заманауи жүйелері дұрыс іске қосылғанда тамаша қорғанысты қамтамасыз етеді, кернеуді, токты және температураны бақылайды, терең разрядтың зақымдалуын болдырмайды. Тұрақты терең циклді қажет ететін қолданбалар үшін батареяларды таңдағанда, стандартты батареяларды терең цикл қызметіне мәжбүрлеу әрекетінен гөрі, осы мақсатқа арналған химиялық заттарды (мысалы, LiFePO4) таңдау жақсы өнімділік пен ұзақ қызмет көрсетеді.

Кез келген аккумулятормен жұмыс істейтін жабдықты пайдаланушылар үшін-қорғасын қышқылы үшін кернеу 50% немесе литий-ионы үшін 20%-төменге-пайдаланғаннан кейін бірден зарядтаудың қарапайым тәжірибесі батареяның қызмет ету мерзімін күрт ұзартады және терең разрядты қалпына келтіру қиындықтарын болдырмайды.