Напряжение зарядки литиевой батареи

Среди всех технических параметров литиевых батарей зарядное напряжение является одним из наиболее важных, ошибки в котором недопустимы. Зарядное напряжение напрямую определяет, могут ли ионы лития безопасно и эффективно интеркалироваться и деинтеркалироваться в материалах положительного и отрицательного электрода. Это не только влияет на эффективность каждого заряда, но также фундаментально влияет на срок службы батареи и безопасность. В этой статье систематически объясняются основные параметры напряжения литиевых батарей, включая номинальное напряжение, рабочее напряжение, напряжение отключения заряда и напряжение отключения разряда, а также подробно исследуются характеристики напряжения различных химических составов батарей, управление напряжением в многоэлементных аккумуляторных блоках, принципы работы систем управления батареями, а также диагностика и устранение аномалий напряжения, предоставляя читателям комплексную и профессиональную базу знаний о напряжении литиевых батарей.

1. Концепция основного напряжения для литиевых батарей.

Понимание зарядного напряжения литиевой батареи требует сначала разъяснения нескольких взаимосвязанных концепций напряжения. Эти концепции составляют основу знаний о напряжении литиевых батарей:

1.1 Номинальное напряжение

Номинальное напряжение — это стандартное эталонное значение, используемое для описания разрядной способности аккумулятора и представляющее собой среднее напряжение, поддерживаемое на протяжении большей части процесса разрядки. Для обычных литиевых батарей по химическому составу: оксид лития-кобальта (LCO) и тройной литий имеют номинальное напряжение примерно 3,6–3,7 В; литий-железофосфат (LFP) – 3,2 В; оксид лития-марганца (LMO) составляет примерно 3,8 В; а титанат лития (LTO) составляет примерно 2,4 В. Номинальное напряжение — это наиболее часто упоминаемый параметр напряжения в характеристиках батареи, а также значение напряжения, используемое при расчете энергии батареи (Втч = Ач × В).

1.2 Напряжение холостого хода (OCV)

Напряжение разомкнутой цепи — это разница напряжений между положительной и отрицательной клеммами, когда внешняя цепь не подключена (т. е. ток не течет). OCV имеет соответствующую связь с состоянием заряда аккумулятора (SOC) и является важной основой для оценки SOC. Однако зависимость OCV-SOC не является линейной и имеет разную чувствительность в разных диапазонах SOC. Для литий-железо-фосфатных батарей OCV меняется чрезвычайно медленно в диапазоне SOC 20–90%, что создает проблемы для оценки SOC. Тройной литий, напротив, демонстрирует более выраженное изменение OCV в зависимости от SOC.

1.3 Рабочее напряжение

Рабочее напряжение — это фактическое напряжение на клеммах аккумулятора при протекании тока. Из-за внутреннего сопротивления аккумулятора рабочее напряжение при разряде ниже, чем OCV (падение напряжения = ток × внутреннее сопротивление), а во время зарядки оно выше, чем OCV (рост напряжения = ток × внутреннее сопротивление). По мере старения батареи и увеличения внутреннего сопротивления рабочее напряжение более существенно отклоняется от OCV.

1.4 Напряжение отключения заряда

Напряжение отключения заряда — это максимальное напряжение, которого можно достичь во время зарядки, также называемое напряжение полного заряда . Продолжение зарядки сверх этого напряжения отключения приводит к перезарядке, что вызывает разложение материала и угрозу безопасности. Это самое строгое ограничение напряжения при управлении зарядкой.

1.5 Напряжение отключения разряда

Напряжение отключения разряда — это минимальное напряжение, допустимое во время разряда, также называемое напряжение защиты от переразряда . Продолжение разряда ниже этого напряжения отключения (чрезмерный разряд) приводит к растворению медного токосъемника на отрицательном электроде и необратимому повреждению структуры материала положительного электрода, что приводит к необратимой потере емкости.

В следующей таблице систематически сравниваются эти пять концепций напряжения ядра:

2. Подробное описание зарядного напряжения для литиевых батарей различного химического состава.

Параметры зарядного напряжения литиевых аккумуляторов существенно различаются в зависимости от материала катода. Ниже приводится подробное объяснение основных систем материалов для литиевых батарей, доступных на рынке:

2.1 Оксид лития-кобальта (LiCoO₂, LCO) — «рабочая лошадка» бытовой электроники

Оксид лития-кобальта был первым коммерческим катодным материалом для литиевых батарей, который в основном использовался в смартфонах, планшетах и ноутбуках. Его кристаллическая структура представляет собой слоистую структуру каменной соли с обратимой емкостью примерно 140–150 мАч/г. Напряжение отключения заряда для стандартных одиночных элементов LCO составляет 4,20 В , значение, подтвержденное многолетней инженерной практикой как хороший баланс между плотностью энергии и сроком службы. В последние годы высоковольтные LCO увеличили напряжение отсечки заряда до 4,35 В или даже 4,45 В для дальнейшего улучшения плотности энергии, но это налагает более строгие требования к электролиту и BMS.

2.2 Литий-железо-фосфат (LiFePO₄, LFP) — лучший в своем классе уровень безопасности

LFP имеет катодный материал со структурой оливина. По сравнению с материалами со слоистой структурой, прочная ковалентная связь фосфатной группы (PO₄³⁻) значительно улучшает термическую стабильность в условиях высокой температуры и перезаряда — даже при высоких температурах кислород вряд ли будет высвобождаться из кристаллической решетки, что существенно снижает риск термического выхода из-под контроля. Напряжение отсечки заряда для LFP составляет 3,65 В — гораздо ниже, чем у тройного лития и LCO, что напрямую отражает его превосходную безопасность. Плато напряжения для LFP составляет примерно 3,2–3,3 В, напряжение отсечки разряда – примерно 2,5 В, а окно рабочего напряжения – примерно 1,15 В (2,5–3,65 В), что немного уже, чем у тройного лития.

2.3 Тройной литий (NCM/NCA) — представитель высокой плотности энергии

Тройной литий включает два основных подряда: никель-кобальт-марганцевый (NCM) и никель-кобальт-алюминиевый (NCA). Материал катода также представляет собой слоистую структуру, аналогичную LCO, но обеспечивает лучший баланс между плотностью энергии, сроком службы и стоимостью за счет синергетического эффекта нескольких переходных металлов. Стандартные элементы NCM (такие как NCM111 и NCM523) обычно имеют напряжение отключения заряда 4,20 В , в то время как версии с высокой плотностью энергии (такие как NCM622 и NCM811) могут достигать 4,30–4,35 В. Элементы NCA (в основном используемые в высокопроизводительных электромобилях) обычно имеют напряжение отсечки заряда около 4,20 В. Номинальное напряжение тройного лития составляет 3,6–3,7 В, а напряжение отсечки разряда обычно составляет 2,75–3,0 В.

2.4 Оксид лития и марганца (LiMn₂O₄, LMO)

В оксиде лития-марганца используется структура шпинели с трехмерными литий-ионными каналами проводимости, что обеспечивает превосходную скорость зарядки (способность к сильноточному заряду/разряду) и более низкую стоимость. Напряжение отключения заряда для одного элемента LMO составляет примерно 4,20 В, с номинальным напряжением примерно 3,8 В и напряжением отключения разряда примерно 3,0 В. Основным недостатком LMO является плохая производительность высокотемпературного цикла (из-за растворения марганца), поэтому системы с чистым LMO обычно налагают более строгие ограничения на рабочую температуру и напряжение отключения заряда.

2.5 Титанат лития (Li₄Ti₅O₁₂, LTO) — замена графита в качестве анода

Титанат лития представляет собой специальную систему, в которой титанат лития заменяет традиционный графит в качестве материала анода в сочетании с различными катодами (такими как LFP или LMO). Поскольку потенциал интеркаляции лития в LTO-аноде составляет примерно 1,55 В (по сравнению с Li/Li⁺) — намного выше, чем у графита 0,1 В — образование литиевых дендритов полностью исключено, а объемные изменения минимальны, что обеспечивает срок службы в десятки тысяч циклов. Напряжение на клеммах элементов на основе LTO ниже: номинальное напряжение составляет примерно 2,4 В, а напряжение отсечки заряда — примерно 2,85 В.

В следующей таблице представлено всестороннее сравнение параметров напряжения для пяти основных систем материалов литиевых батарей:

3. Расчет зарядного напряжения аккумуляторной батареи

В практических приложениях отдельные ячейки редко используются отдельно. Несколько ячеек обычно соединяются последовательно (или последовательно-параллельно), образуя аккумуляторную батарею. Понимание расчетов напряжения аккумуляторной батареи необходимо для выбора правильного зарядного устройства и точной интерпретации состояния зарядки.

3.1 Последовательное соединение

При последовательном соединении напряжения отдельных ячеек суммируются. Общее напряжение равно напряжению одной ячейки, умноженному на количество ячеек последовательно (S), при этом общая емкость (Ач) остается неизменной. Например, 3 троичных литиевых элемента с номинальным напряжением 3,7 В, соединенные последовательно, образуют аккумуляторный блок с номинальным напряжением 11,1 В (3С), напряжением отсечки заряда 12,6 В (4,2 В × 3) и напряжением отсечки разряда примерно 8,25 В (2,75 В × 3). Обычные конфигурации серий варьируются от 2С (например, в аккумуляторах некоторых дронов) до сотен S (например, в аккумуляторных блоках электромобилей).

3.2 Параллельное соединение

При параллельном соединении емкости (Ач) отдельных ячеек суммируются. Общая емкость равна емкости одной ячейки, умноженной на количество параллельных ячеек (P), при этом общее напряжение остается неизменным. Например, 2 элемента по 3 Ач каждый, соединенные параллельно, образуют аккумулятор общей емкостью 6 Ач при одинаковом напряжении. Параллельные соединения в основном используются для увеличения емкости и продолжительного тока разряда при сохранении того же напряжения.

3.3 Последовательно-параллельная комбинация

В практических аккумуляторных блоках обычно используются последовательно-параллельные комбинации (например, 4С2P), что означает, что 4 группы параллельных элементов соединены последовательно. Общее напряжение равно напряжению одной ячейки × количество последовательных ячеек, а общая емкость равна емкости одной ячейки × количество параллельных ячеек.

В следующей таблице показаны общие параметры зарядного напряжения конфигурации серии аккумуляторных блоков (в качестве примера используется тройная литиевая батарея с отключением одной ячейки 4,20 В):

4. Влияние напряжения отключения заряда на срок службы батареи

Напряжение отключения заряда не только влияет на емкость каждого заряда, но также оказывает глубокое влияние на срок службы батареи. Это важная тема, которую стоит изучить подробно, поскольку она напрямую связана с тем, как пользователи могут найти компромисс между емкостью и долговечностью.

Исследования показывают, что снижение напряжения отключения заряда является одним из наиболее эффективных способов продлить срок службы литиевых батарей. На примере тройного лития (NCM, напряжение отключения одной ячейки 4,20 В): уменьшение напряжения отключения заряда с 4,20 В до 4,10 В снижает емкость примерно на 5–8%, но продлевает срок службы примерно на 30–50%; дальнейшее его снижение до 4,00 В снижает мощность примерно на 15%, но может увеличить срок службы цикла в 2–3 раза. Это связано с тем, что при высоком SOC (т. е. высоком напряжении) концентрация ионов лития в кристаллической решетке катодного материала чрезвычайно низка — материал находится в состоянии крайнего разрушения, когда структурное напряжение является наибольшим и наиболее вероятны необратимые фазовые переходы и распространение микротрещин.

Основываясь на этом принципе, многие производители электромобилей и профессиональные пользователи устанавливают верхний предел заряда аккумулятора на уровне 80–90 % (что соответствует примерно 4,0–4,1 В) и нижний предел разряда на уровне 20–30 %, что значительно продлевает срок службы аккумуляторной батареи. Эта стратегия называется Цикл частичного состояния заряда (PSOC) и широко применяется в системах хранения энергии и электротранспорте.

В следующей таблице показана взаимосвязь между напряжением отключения заряда, емкостью и сроком службы троичных литиевых батарей (NCM):

5. Система управления батареями (BMS) и контроль напряжения.

Система управления батареями (BMS) является основной гарантией безопасной и эффективной эксплуатации литиевых батарей. Функция управления напряжением BMS является одной из наиболее важных частей всей системы:

5.1 Мониторинг напряжения отдельных ячеек

BMS использует выделенные схемы измерения напряжения ячеек (аналоговый входной каскад, AFE) для мониторинга напряжения каждой отдельной последовательно соединенной ячейки в режиме реального времени. Частота дискретизации обычно составляет 1–100 Гц с требованием точности в пределах ±5 мВ (высокоточная система BMS может достигать ±1 мВ). Мониторинг напряжения отдельных ячеек является основой для реализации защиты от перезаряда, защиты от чрезмерной разрядки и управления балансировкой ячеек.

5.2 Защита от перенапряжения (OVP)

Когда напряжение любого отдельного элемента достигает установленного порога защиты от перенапряжения, BMS немедленно запускает защитное действие — отключение цепи зарядки (путем управления зарядным МОП-транзистором или реле), чтобы предотвратить дальнейшую зарядку, которая может привести к перезарядке. Порог OVP обычно устанавливается немного выше напряжения отсечки заряда. Например, для тройного литиевого элемента с отсечкой 4,20 В OVP можно установить на уровне 4,25–4,30 В, оставив некоторый запас, чтобы избежать ложного срабатывания из-за кратковременных колебаний напряжения.

5.3 Защита от пониженного напряжения (УВП)

В соответствии с защитой от перенапряжения, когда напряжение элемента падает до порога защиты от пониженного напряжения, BMS отключает цепь разряда, чтобы предотвратить чрезмерную разрядку. Для тройного лития порог UVP обычно составляет 2,80–3,00 В; для литий-железо-фосфата оно обычно составляет 2,50–2,80 В.

5.4 Балансировка ячеек

В многоячеечных аккумуляторных батареях различия в производственных допусках и скорости старения приводят к постепенному изменению емкости и скорости саморазряда отдельных элементов. Без балансировки элемент с наименьшей емкостью первым достигает напряжения отсечки заряда (или напряжения отсечки разряда), что ограничивает полезную емкость всей батареи. BMS использует балансировочные схемы для выравнивания напряжения отдельных ячеек, в основном двумя методами:

• Пассивная балансировка: Рассеивает энергию от высоковольтных элементов в виде тепла через резисторы.
• Активная балансировка: Переносит энергию от ячеек с более высоким напряжением к ячейкам с более низким напряжением.

В следующей таблице сравниваются характеристики пассивной и активной балансировки:

6. Характеристики зарядного напряжения для обычных устройств

Понимание характеристик зарядного напряжения конкретных устройств помогает пользователям принимать правильные решения при выборе зарядных устройств и интерпретации состояния зарядки:

6.1 Смартфоны

В большинстве смартфонов используются литиевые оксидно-кобальтовые или тройные литиевые батареи. Напряжение отключения заряда одной ячейки обычно составляет 4,40–4,45 В (версия с оптимизированной высокой плотностью энергии) или стандартное 4,20 В. Выходное напряжение зарядного устройства для смартфона обычно составляет 5 В (стандартная зарядка), 9 В, 12 В или 20 В (быстрая зарядка). Однако выходное напряжение зарядного устройства понижается и точно контролируется внутренней микросхемой управления зарядом телефона (PMIC) до напряжения, необходимого для аккумулятора (4,20–4,45 В). Выходное напряжение зарядного устройства и напряжение зарядки аккумулятора не совпадают.

6.2 Ноутбуки

В ноутбуках обычно используются литиевые аккумуляторы с несколькими ячейками. Распространенные конфигурации: 2S (номинальное 7,2–7,4 В, полный заряд 8,4 В), 3S (номинальное 10,8–11,1 В, полный заряд 12,6 В) или 4S (номинальное 14,4–14,8 В, полный заряд 16,8 В). Выходное напряжение адаптера (например, 19 В) преобразуется с помощью внутреннего преобразователя постоянного тока в постоянный, чтобы соответствовать напряжению зарядки аккумуляторной батареи.

6.3 Электрические велосипеды

Аккумуляторы для электрических велосипедов имеют стандартное номинальное напряжение 24 В, 36 В или 48 В, что соответствует различным конфигурациям серий LFP или тройных литиевых элементов. Соответствующие выходные напряжения зарядного устройства обычно составляют 29,4 В (тройная литиевая схема 36 В), 42 В (LFP 36 В), 54,6 В (тройная литиевая схема 48 В) и аналогичные значения.

В следующей таблице приведены характеристики зарядного напряжения для распространенных устройств:

7. Диагностика и устранение аномалий напряжения.

При ежедневном использовании литиевых батарей аномалии напряжения являются наиболее прямыми и важными показателями здоровья. Понимание типов, причин и методов устранения аномалий напряжения имеет решающее значение для обеспечения безопасности и производительности аккумулятора:

7.1 Низкое напряжение (пониженное напряжение)

Напряжение аккумулятора в состоянии покоя ниже нижней границы номинального диапазона может быть вызвано: глубоким разрядом (особенно длительным хранением без своевременного пополнения заряда); растворение медного токосъемника отрицательного электрода (необратимое повреждение от сильного переразряда); внутренние микрокороткие замыкания; или значительное снижение емкости после длительного использования. Для элементов, напряжение которых упало ниже напряжения отключения разряда, сначала попытайтесь выполнить предварительную зарядку при чрезвычайно малом токе (ниже 0,05C). Если напряжение может восстановиться до нормального диапазона в течение 30 минут, можно продолжить нормальную зарядку. Если восстановление невозможно, значит, ячейка получила необратимые повреждения, и рекомендуется заменить ее.

7.2 Высокое напряжение (перенапряжение)

Напряжение аккумулятора, которое значительно превышает напряжение отключения при полной зарядке после зарядки или после некоторого периода покоя, является чрезвычайно опасным признаком перезарядки. Перезаряженная батарея подвергается ряду опасных реакций: разложению материала катода, окислению электролита и интенсивному выделению газов, что приводит к набуханию батареи или даже к выходу из строя. При обнаружении ячейки перенапряжения немедленно прекратите зарядку, поместите устройство в изолированное, свободное от воспламеняющихся материалов открытое пространство и обратитесь к профессиональным техническим специалистам для обращения с ним. Никогда не продолжайте использовать устройство.

7.3 Чрезмерный дисбаланс напряжений между элементами в пакете

В нормальных условиях разница напряжений между последовательно соединенными элементами не должна превышать 50 мВ в конце заряда или 100 мВ в конце разряда. Если дисбаланс превышает этот диапазон, это указывает на значительную несогласованность емкости между элементами — возможности балансировки BMS больше не могут поддерживать эффективный баланс, а полезная емкость и срок службы всего аккумуляторного блока будут ограничены. В этой ситуации обычно требуется профессиональная проверка аккумуляторной батареи, чтобы оценить необходимость замены элементов с чрезмерным дисбалансом напряжения.

В следующей таблице приведены рекомендации по диагностике и устранению распространенных аномалий напряжения:

8. Тенденции развития технологии высоковольтных литиевых батарей.

Учитывая продолжающийся спрос на более высокую плотность энергии со стороны бытовой электроники и электротранспорта, технология высоковольтных литиевых батарей становится важным направлением исследований и разработок в отрасли.

Напряжение отключения заряда для обычных тройных литиевых батарей в настоящее время составляет 4,20–4,35 В. Исследователи изучают технические пути повышения этого напряжения до 4,50 В или выше. Увеличение напряжения отсечки означает, что больше ионов лития может деинтеркалироваться с катода, что теоретически повышает емкость на 20–30%. Однако высокое напряжение создает серьезные проблемы для стабильности электролита — обычные электролиты на основе карбонатов подвергаются быстрому окислительному разложению при напряжении выше 4,5 В, выделяя газ и повреждая поверхности электродов. Для решения этой проблемы исследователи разрабатывают:

• Присадки к высоковольтным электролитам (такие как фторированные эфиры и растворители сульфонового класса)
• Покрытия поверхности высоковольтных катодов (для предотвращения прямого контакта электролита с катодом)
• Твердотельные электролиты (фундаментальное решение проблем стабильности жидких электролитов)

Внедрение твердотельные электролиты считается окончательным решением проблемы преодоления высоковольтного барьера. Напряжение окислительного разложения твердотельных электролитов намного выше, чем напряжение жидких электролитов, что теоретически поддерживает напряжение отключения заряда 5 В или более, а также принципиально устраняет риски безопасности, связанные с утечкой жидкого электролита. В настоящее время полностью твердотельные литиевые батареи все еще находятся на стадии исследований и мелкосерийного опытного производства; Стоимость производства и ионная проводимость остаются основными техническими узкими местами, которые необходимо преодолеть.

9. Инструменты и методы измерения напряжения.

Для пользователей, которым необходимо самостоятельно измерить напряжение литиевой батареи (например, при ремонте электронных устройств или проверке исправности запасных батарей), не менее важны правильные методы измерения.

Самый простой измерительный инструмент – это цифровой мультиметр (DMM) с типичной точностью ±0,5%–±1%, что достаточно для оценки приблизительного состояния напряжения батареи. Для измерения: установите мультиметр на напряжение постоянного тока (DC V) в соответствующем диапазоне (обычно выбирают ближайший диапазон выше измеряемого напряжения), подключите красный щуп к положительной клемме аккумулятора, а черный щуп к отрицательной клемме и считайте напряжение. Обратите внимание, что мультиметр измеряет напряжение холостого хода батареи (OCV) — батарее следует дать отдохнуть не менее 30 минут (а батареям большой емкости — 1 час или более) перед измерением, чтобы убедиться, что напряжение стабилизировалось вблизи своего истинного значения термодинамического равновесия.

Для пользователей, которым необходимо измерить отдельные напряжения нескольких последовательно соединенных элементов, имеется специальный проверка напряжения ячейки можно использовать. Эти инструменты могут одновременно отображать индивидуальное напряжение каждой ячейки, быстро выявляя проблемные ячейки с чрезмерным дисбалансом напряжения.

10. Краткое содержание: Основные принципы управления зарядным напряжением литиевых батарей.

Объединив все вышеизложенное, основные принципы управления зарядным напряжением литиевых батарей можно резюмировать следующим образом:

• Строго соблюдайте напряжение отключения. Никогда не превышайте номинальное напряжение отключения при полной зарядке во время зарядки. Это абсолютный базовый уровень безопасной зарядки, и от него никогда не следует отказываться в погоне за большей емкостью.
• Знайте химический состав вашей батареи. Изучите систему материалов, используемых в вашем устройстве, и соответствующие им параметры напряжения, чтобы вы могли судить, подходит ли зарядное устройство и нормально ли состояние батареи.
• По возможности применяйте циклическое циклическое состояние частичного заряда. Установка нижнего верхнего предела заряда (например, 80%) и более высокого нижнего предела разряда (например, 20%) может значительно продлить срок службы аккумулятора.
• Доверьтесь встроенной BMS. Постоянно обновляйте программное обеспечение и встроенное ПО устройства, чтобы гарантировать, что BMS всегда работает с самой последней и самой безопасной конфигурацией параметров.
• Немедленно действуйте при аномалиях напряжения. Если обнаружено ненормальное поведение напряжения аккумулятора (например, значительно более низкое или более высокое напряжение, чем ожидалось после полной зарядки), немедленно выясните и устраните проблему. Не рискуйте и продолжайте использовать аккумулятор, так как риски безопасности могут перерасти в инциденты.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1. Почему выходное напряжение зарядного устройства (например, 5 В или 9 В) отличается от напряжения зарядки литиевой батареи (например, 4,2 В)?

Выходное напряжение зарядного устройства — это его номинальное выходное напряжение наружу, используемое для подачи питания на устройство через зарядный кабель. Внутри устройства имеется специальная микросхема управления зарядом (PMIC или Charge IC), которая снижает выходное напряжение зарядного устройства и точно контролирует его в пределах диапазона, необходимого аккумулятору (например, 4,20 В). Поэтому пользователям не нужно беспокоиться о том, что зарядное устройство на 5 В или 9 В повредит батарею — если зарядное устройство соответствует спецификациям устройства, внутренняя управляющая микросхема автоматически выполняет преобразование напряжения и управление зарядкой. Для голых элементов без внутренней микросхемы управления зарядом (например, модельных аккумуляторов или самодельных накопителей энергии) требуется специальный зарядное устройство для литиевой батареи должен использоваться для соответствия напряжению отключения заряда элемента.

Вопрос 2. Почему зарядное напряжение аккумуляторов LFP намного ниже, чем у тройных литиевых батарей?

Это определяется разными электрохимическими интеркаляционными потенциалами двух материалов — внутренним физико-химическим свойством, а не произвольной спецификацией. Окислительно-восстановительная пара Fe²⁺/Fe³⁺ в LFP соответствует интеркаляционному потенциалу примерно 3,45 В (по сравнению с Li/Li⁺), тогда как LCO и тройной литий имеют соответствующие потенциалы в диапазоне 3,6–3,8 В. Вот почему две системы имеют принципиально разные плато рабочего напряжения и напряжения отсечки полного заряда. Именно этот более низкий рабочий потенциал делает LFP термодинамически более стабильным в полностью заряженном состоянии, что является одной из фундаментальных причин его преимущества в безопасности перед тройным литием.

Вопрос 3: Существует ли прямая связь между измерением напряжения батареи и фактической емкостью?

Определенная зависимость существует, но она не является простой линейной и существенно различается по химическому составу. Напряжение холостого хода тройного лития и LCO относительно заметно меняется в зависимости от SOC (кривая напряжение-SOC имеет больший наклон), что позволяет относительно интуитивно оценить остаточную емкость по напряжению. LFP, однако, имеет почти горизонтальное «плато» на кривой напряжение-SOC в диапазоне 20–90% SOC, оставаясь примерно в диапазоне 3,2–3,3 В практически без изменений, что означает, что даже когда заряд истощается с 90% до 20%, OCV почти не меняется. Полагаясь только на напряжение, невозможно точно определить оставшуюся емкость LFP; для оценки SOC необходимы такие методы, как подсчет кулонов.

Вопрос 4. Какое напряжение является нормальным, когда устройство сообщает о 100 % заряде (полностью заряжено)?

Это зависит от химического состава батареи, используемой в устройстве, и стратегии управления зарядом BMS. Для стандартного тройного лития (отсечка 4,20 В) напряжение OCV после полного заряда обычно составляет 4,15–4,20 В. Для высоковольтного тройного лития (отсечение 4,35 В) напряжение OCV в состоянии покоя обычно составляет 4,30–4,35 В. Для LFP (отсечение 3,65 В) напряжение OCV в состоянии покоя обычно составляет 3,60–3,65 В. Обратите внимание, что отображается процентное значение. устройством является результатом расчета BMS и оптимизации программного обеспечения и не соответствует напрямую значениям напряжения. Сравнение процентных показателей между устройствами бессмысленно; В качестве эталона следует использовать заявленные производителем нормальные параметры.

В5: Нормально ли падение напряжения аккумулятора после отдыха? Какое падение считается ненормальным?

Да, некоторое падение напряжения литиевой батареи после завершения зарядки — это совершенно нормально. Эта капля состоит из двух компонентов:

• Рассеяние напряжения поляризации: После окончания зарядки градиентам концентрации (поляризация концентрации) и разнице скоростей реакций (поляризация активации) внутри клетки требуется время для релаксации. Это падение напряжения обычно заканчивается в течение нескольких минут или часов после зарядки.
• Естественный саморазряд: Медленное, постепенное падение напряжения, вызванное естественным саморазрядом аккумулятора. Это долгосрочное явление (от нескольких дней до недель).

Как правило, для троичных литиевых элементов, находящихся в состоянии покоя в течение 24 часов после полной зарядки, падение напряжения не более 20–30 мВ находится в пределах нормы. Если напряжение падает более чем на 100 мВ в течение 24 часов после покоя или напряжение покоя значительно ниже ожидаемого значения полной зарядки, это может указывать на аномально высокую скорость саморазряда или внутреннее микрокороткое замыкание, и рекомендуется профессиональное тестирование.