Влияние температуры на производительность и безопасность литий-ионных аккумуляторов
- Лучшая температура для Li-ion аккумуляторов
- Использование литиевых АКБ на морозе
- Влияние высоких температур
- Контроль температуры
- Подведем итоги
Температура эксплуатации литий-ионных аккумуляторов допустима в диапазоне от -20 до +60 °С, а для элементов питания подвида LiFePO4 и других морозостойких моделей – от -30 или даже -40 до +55 °С. Но это не значит, что при всех значениях указанного в инструкции рабочего диапазона аккумуляторы будут работать одинаково. Эксплуатация Li-ion элементов при температурах, близких к граничным значениям, негативно отражается на основных характеристиках АКБ, таких как:
- стабильность напряжения;
- уровень рабочей емкости;
- способность запасать и отдавать энергию;
- время работы без подзарядки;
- циклический ресурс.
Систематическое использование в пограничных режимах приводит к ускоренному износу аккумуляторной батареи и ухудшению ее технических параметров. Выход за границы температурного диапазона недопустим, т.к. в лучшем случае приводит к быстрой деградации химических источников тока и делает эксплуатацию АКБ небезопасной.
Лучшая температура для Li-ion аккумуляторов
Идеальная температура для работы литий-ионных АКБ составляет около +20 °С, с возможным отклонением на 5–10 градусов в любую сторону. Для зарядки рекомендован диапазон от +5 до +20 °С, но можно расширить его – от +1 до +30 °С. Для хранения оптимально подходят более низкие значения – от 0 до +10 °С, причем лучше всего хранить Li-ion аккумуляторы частично заряженными, на 30–50%. Если хранить АКБ заряженными на 100%, это приведет к уменьшению восстанавливаемой емкости.
С другой стороны, хранение литиевых ХИТ в состоянии глубокого разряда еще опаснее. В таком случае в структуре химических источников тока происходят необратимые изменения, и восстановить литий-ионные АКБ, которые долго находились в разряженном состоянии, не получится. К тому же, такие попытки могут привести к внутреннему короткому замыканию, возгоранию и другим неприятностям, т.к. при хранении в глубоко разряженном состоянии литиевые аккумы склонны к росту дендритов и другим необратимым изменениям в структуре.
Использование литиевых АКБ на морозе
Большинство литий-ионных батарей на морозе теряют емкость. Также у них наблюдаются просадки напряжения, ухудшение токоотдачи, быстрая разрядка. Это связано с изменениями свойств электролита: снижение температуры негативно сказывается на подвижности ионов, скорости протекания химических реакций и производительности АКБ. Такие изменения носят временный характер и при повышении температурных значений исчезают.
Среди Li-ion элементов питания есть низкотемпературные аккумуляторы, способные эффективно работать при температуре от -40 до +50 °С. Их свойства обусловлены использованием особых электролитов, проводимость которых на морозе остается высокой. Для улучшения характеристик электролита на морозе производители используют специальные добавки, например, дифторфосфат лития LiPO2F2. К морозоустойчивым относятся также литий-титанатные и литий-железо-фосфатные АКБ.
Для остальных видов Li-ion батарей эффективное использование на холоде возможно при условии предварительного утепления корпуса теплоизоляционным материалом и использования системы подогрева с применением слаботоковых элементов. Такие меры минимизируют негативное влияние низких температур и позволяют полноценно использовать литий-ионные АКБ зимой. Также наличие системы подогрева позволяет заряжать литиевые батареи при отрицательной температуре окружающей среды.
Влияние высоких температур
Перегрев для Li-ion батарей так же нежелателен и вреден, как и переохлаждение. Но он еще более опасен, т.к. кроме сокращения срока службы АКБ и снижения рабочих характеристик сопряжен с риском возгорания источника питания. Поэтому аккумуляторные батареи нельзя оставлять рядом с источниками тепла и под воздействием прямых солнечных лучей, накрывать в процессе зарядки и использовать с превышением допустимых токов заряда или нагрузки.
В процессе работы литий-ионные АКБ выделяют тепло. Чем выше токи заряда или разряда и чем больше внутреннее сопротивление элементов, тем интенсивнее их нагрев. Если выделение тепла слишком высоко, да еще и вокруг жара, нагрев может оказаться критичным – с превышением максимального значения рабочего диапазона. В таком случае, как минимум, снижается производительность батареи, уменьшаются значения ее емкости и мощности. Емкость падает из-за потери лития и сокращения активных материалов, а мощность – из-за увеличения внутреннего сопротивления.
При критическом увеличении температуры может произойти тепловой разгон, самовозгорание или взрыв АКБ. Поэтому последствия перегрева еще более губительны, чем итоги переохлаждения. Как минимум, высокие температурные условия приводят к ускоренному старению и сокращению циклического ресурса батарей. Для защиты от перегрева важно не превышать допустимые токовые нагрузки для конкретного типа АКБ (для питания мощной техники – использовать высокотоковые элементы) и позаботиться о полноценном отводе тепла (обдуве АКБ, вентиляции).
Контроль температуры
Соблюдение оптимальных температурных условий при эксплуатации Li-ion элементов питания напрямую влияет на их производительность и безопасность использования. Контроль температуры – одно из важнейших условий для корректного применения литий-ионных АКБ и недопущения нештатных ситуаций.
Для мониторинга рабочих параметров и защиты аккумуляторных батарей от опасных состояний используют BMS платы. Именно эти электронные контроллеры следят, чтобы напряжение, температура, отдаваемые токи и другие параметры не выходили на установленные границы. В опасных ситуациях они просто отключают АКБ от нагрузки или зарядного устройства, не допуская повышения возникших рисков (перегрева, перезаряда, токовых перегрузок и т.д.).
Эффекты при перегреве гораздо сложнее и опаснее, чем при переохлаждении. Поэтому в большинстве БМС плат реализована защита от перегрева, а об утеплении и подогреве АКБ для зимнего использования нужно позаботиться дополнительно. Датчик температуры позволяет контролировать состояние батареи, включать подогрев при снижении значения ниже установленного минимума и отключать при достаточном нагреве.
Подведем итоги
Чтобы минимизировать низко- и высокотемпературные эффекты при эксплуатации Li-ion аккумуляторов, нужно поддерживать комфортные температуры при их работе, хранении и зарядке:
- в идеале – использовать примерно при +20 °С;
- заряжать при +5 … +20 °С;
- хранить при 0 … +10 °С.
Отклонения от идеальных значений допустимы, но только в пределах установленного рабочего диапазона и без критического приближения к граничным температурам. Иначе снижается производительность и безопасность использования аккумуляторов, происходят необратимые структурные изменения и ухудшаются рабочие характеристики. При правильном выборе и корректном использовании АКБ их тепловыделение невысоко, поэтому естественный отвод тепла становится достаточной защитой от перегрева. Дополнительный контроль рабочих параметров и многофункциональную защиту аккумуляторной батареи обеспечивает BMS плата.
При низких температурах замедляется протекание электрохимических реакций и диффузия ионов лития в электродах, снижается ионная проводимость электролитов, повышается их вязкость, увеличивается импеданс направленной миграции ионов лития, растет внутреннее сопротивление, и аккумуляторы временно становятся менее производительными. В плане безопасности минусовые температуры опасны, только если поставить АКБ заряжаться на морозе. Исключение – модели со встроенным предварительным подогревом. Их можно заряжать и при отрицательных температурах окружающей среды.
Ранее в блоге Virtustec.ru вышла статья о проблематике последовательного соединения нескольких Li-ion ячеек.
