Miks teie liitiumaku talvel halvasti töötab? -Külma ilma mõju liitiumaku jõudlusele sügav analüüs.

Talve saabudes avastavad paljud, et nende telefoniakud tühjenevad tavapärasest kaks korda kiiremini, elektrisõidukite sõiduulatus väheneb drastiliselt, kui kütteseade on sisse lülitatud, ning välistingimustes kasutatavad energiasalvestid muutuvad vähem tõhusaks. See ei tulene sellest, et teie seadmed on katki; pigem juhib seda kõike selge elektrokeemiline põhimõte.

Huvitaval kombel on paljude kasutajate esimene reaktsioon "aku on vana",-kuid see ei pruugi olla tõsi. Valdav osa võimsuse kadudest madalatel temperatuuridel on ajutine ja pöörduv. Kui olete põhimõttest aru saanud, pole lahendus tegelikult keeruline.

See artikkel purustab süstemaatiliselt põhimehhanismid, mille kaudu külm ilm mõjutab liitiumakude jõudlust, pakub kvantitatiivseid andmeid ja erinevate keemiliste süsteemide horisontaalseid võrdlusi ning pakub kasutajatele ja disaineritele praktilisi soovitusi.

1. Külma ilma mõju liitiumakudele: mis juhtus?

Kõigepealt kirjeldage nähtust, seejärel selgitage põhjuseid.

Madala-temperatuuriga keskkondades on liitium-ioonakude kõige tüüpilisemad tagajärjed järgmised: vähenenud kasutatav võimsus, oluliselt suurenenud sisetakistus ning väiksem laadimise ja tühjenemise efektiivsus. Täpsemalt, kasutaja vaatenurgast väljendub see järgmiselt: aku osakaal langeb kiiresti (50%-lt 20%-le), seadmed lülituvad ootamatult välja, kuid näitavad vooluvõrku ühendamisel, ja ebapiisav pinge{5}}suure energiakasutuse ajal.

Võrreldes plii-happeakudega on liitium-ioonakudel madalatel temperatuuridel suhteline eelis, -plii-happeakudel on äärmusliku külma käes suurem jõudluse langus, millega sageli kaasneb püsiv eluea kaotus. Kuid "suhteliselt parem" ei tähenda "probleemide puudumist" ja väljakutseid, millega liitiumakud ise madalal temperatuuril kokku puutuvad, ei saa eirata.

Põhilised muudatused võib kokku võtta kolme punktiga:

Tühjenemise ajal tegelik kasutatav energia väheneb.

Laadimise ajal väheneb aku kasutegur elektrienergia vastuvõtmisel.

Kõrge voolu kasutamisel langeb pinge kiiremini, mistõttu on seadmetel lihtsam kaitse väljalülitamist käivitada.

Hea uudis on see, et enamik neist muudatustest on pöörduvad. Kui temperatuur tõuseb, taastub võimsus tavaliselt märkimisväärselt-, eeldusel, et te ei sunni-laadinud seda madalal temperatuuril.

2. Miks liitiumaku võimsus talvel väheneb? Teaduslik seletus.

Madala temperatuuri mõjud läbivad liitium-ioonakude kogu elektrokeemilise reaktsiooniahela. Jaotame selle kihtide kaupa:

① Liitiumioonid "ei saa enam liikuda" - elektrolüüdi viskoossus suureneb

Liitiumaku sees peavad liitiumioonid liikuma vedelas elektrolüüdis edasi-tagasi, et transportida energiat positiivselt elektroodilt negatiivsele elektroodile (laadimine) või vastupidi (tühjenemine). Madalamatel temperatuuridel muutub elektrolüüt paksemaks, vähendades oluliselt liitiumioonide difusioonikiirust. Seda võib mõelda nagu vee asemel siirupis ujumist – kasutegur on loomulikult palju väiksem.

Mida aeglasemalt ioonid elektroodi pinnale jõuavad, seda enam kogu elektrokeemiline reaktsioon "kinni jääb".

② Elektroodi materjali "ei taha liikuda"-reaktsioonikineetika halveneb.

Madalatel temperatuuridel aeglustub liitium-ioonide sisestamise ja ekstraheerimise kineetika katoodmaterjalides (nagu NMC kolmekomponentne liitium või LFP liitiumraudfosfaat) ja anoodimaterjalides (tavaliselt grafiit) märkimisväärselt. Lihtsamalt öeldes on elektroodide materjalid madalatel temperatuuridel "loiud", vähendades liitiumioonide arvu, mis võivad osaleda tõhusates keemilistes reaktsioonides, vabastades seega vähem energiat.

③ Sisetakistus "kõrgeneb" - kolmekordne takistus

Madalad temperatuurid suurendavad samaaegselt kolme tüüpi takistust:

Elektrolüüdi juhtivus väheneb (selle juhtivus halveneb).

Suurenenud liidese laengu ülekandetakistus (muutes liitiumioonidel raskemaks "ronida" elektroodi pinnale)

SEI-kile (tahke elektrolüüdi liideskile) impedants suureneb (negatiivse elektroodi kaitsekihi ioonide -juhtivus väheneb madalatel temperatuuridel).

Nende kolme takistuse koosmõju toob kaasa aku sisemise takistuse olulise suurenemise. Suurem sisetakistus põhjustab tühjenemise ajal väiksema efektiivse pinge, põhjustades energiakadude hajumist soojusena, vähendades veelgi tegelikku kasutatavat energiat.

④ Kõige ohtlikum olukord – liitiumi sadestumine madalal{0}}temperatuuri laadimisel

See on kõige murettekitavam aspekt. Madala -temperatuuri laadimise ajal ei saa liitiumioone õigel ajal grafiidianoodi sisestada ja need sadestuvad anoodi pinnale metallilise liitiumi kujul, moodustades liitiumkatte, mis rasketel juhtudel võib areneda liitiumdendriitideks.

Liitiumdendriitide ohud on: pöördumatu võimsuse kaotus; sisemise takistuse edasine suurenemine; kõige raskematel juhtudel võivad dendriidid separaatorisse läbi tungida, põhjustades lühiseid või isegi termilist äravoolu.

Seetõttu on alla 0 kraadi laadimine eranditult täiesti keelatud.

3. Kui palju võimsust kaotavad liitiumakud talvel?

Mahutavuskaotuse suurus sõltub temperatuurist, tühjendusvoolust, aku keemiast ja aku vananemisseisundist. Järgmised andmed põhinevad NREL-i katsearuannetel ja AAA elektrisõidukite talvise sõiduulatuse uuringul:

Elektrisõidukite puhul näitab AAA 2023. aasta talvine katsearuanne, et -7 kraadises keskkonnas väheneb keskmine sõiduulatus (ilma kütteta) umbes 12%, samas kui kütte sisselülitamisel tõuseb langus umbes 41%ni. See näitab, et kuigi aku mahu vähenemise põhjuseks on osaliselt aku ise, on talvel sõiduulatuse olulise vähenemise peamised põhjused täiendavad koormused, nagu küte, sulatus ja salongi soojendus.

Kaks olulist meeldetuletust:

Seadme kuvatav aku protsent on sageli madalatel temperatuuridel täis pumbatud ja tegelik kasutatav energia on kuvatavast väärtusest madalam. Põhjus on selles, et BMS (Battery Management System) ei suuda pärast toatemperatuuril kalibreerimist täpselt kajastada madalat{1}}temperatuuri.

Madala{0}}temperatuuri tühjenemisest põhjustatud võimsuskadu saab tavaliselt pärast temperatuuri tõusu taastada; siiski on liitiumi sadestumise põhjustatud kahjustused madalal -temperatuuril laadimisest püsivad.

4. Millist tüüpi liitiumaku töötab külma ilmaga paremini?

See probleem on tööstuses tegelikult üsna vastuoluline ja pole lihtsat "mis on kindlasti parem". Madalatel temperatuuridel toimivust mõjutavad liiga palju muutujaid ja keemilised nimetused on ainult üks aspekt.

NMC kolmekomponentne liitium vs LFP liitiumraudfosfaat

Tööstuses levinud seisukoht nende kahe võrdlemise kohta madalatel temperatuuridel on järgmine:

NMC (kolmekomponentne liitium): Mõõdukalt madalatel temperatuuridel (umbes -10 kraadi) on sellel suhteliselt hea energiatihedus ja mahutavuse säilivus, mis on üks põhjusi, miks enamik tarbeelektroonikat ja varasemaid elektrisõidukeid valis NMC.

LFP (liitiumraudfosfaat) : sellel on parem tsükkel ja ohutus toatemperatuuril, kuid standardsete koostiste mahu vähenemine võib olla olulisem äärmiselt madalatel temperatuuridel (alla -20 kraadi). Viimastel aastatel on tootjad, nagu BYD ja CATL, teinud LFP madala temperatuuri jõudluse jaoks palju koostise optimeerimisi ja vahe väheneb.

Väärib märkimist, et samas keemilises süsteemis võivad eri tootjate koostiste erinevused olla palju suuremad kui erinevate keemiliste süsteemide erinevused. Ostmisel vaadake esmajärjekorras tootja avaldatud madala-temperatuuri tühjenemiskõverat (tühjenemisvõimsuse säilivuskiirus –20 kraadi juures) ja minimaalset laadimistemperatuuri piirangut, mis on väärtuslikum kui lihtsalt "NMC või LFP" vaatamine.

Madalale-temperatuurile optimeeritud koostis: tõeline eristaja

Mõned madala temperatuuriga{0}}rakendustele keskenduvad akutootjad võtavad kasutusele:

Madala-viskoossusega orgaaniliste lahustite elektrolüüdid (nt eeterlahusteid sisaldavad preparaadid).

Spetsiaalsed SEI-kilet{0}}moodustavad lisandid parandavad liidese omadusi madalal{1}}temperatuuril

Õhem elektroodi kate lühendab liitiumioonide{0}}difusiooniteed.

Need koostise täiustused on eriti tõhusad ülikülmades tingimustes (alla -30 kraadi), kuid sageli tuleb selle hinnaga ohverdada teatud toatemperatuuri energiatihedus.

Sisseehitatud{0}}soojendusega akud: kõige vahetum efekt.

Olenemata keemilisest koostisest toimivad integreeritud eelsoojenduse ja heade soojusisolatsioonistruktuuridega akud külmas keskkonnas palju paremini kui tühjad akud. See on praegu elektrisõidukite ja välistingimustes kasutatavate energiasalvestite talvise jõudluse erinevuse osas kõige otsustavam tegur, millest räägitakse üksikasjalikumalt hiljem disainiosas.

5. Kuidas parandada liitiumakude jõudlust talvel?

Järgmised soovitused on loetletud aku tervise seisukohalt olulise tähtsuse järjekorras. Kaks esimest on alumised-põhimõtted ja viimased on mõeldud toimivuse optimeerimiseks.

Esimene reegel: ärge kunagi laadige alla 0 kraadi

See ei ole soovitus, vaid põhimõte. Madala-temperatuuri laadimine on liitiumi sadestumise otsene põhjus ja sellest tulenev kahju on pöördumatu. Kui teie seadme toide saab madalal-temperatuuril väliskeskkonnas tühjaks, soojendage see enne laadimiseks ühendamist vähemalt 30 minutiks toatemperatuurile.

Teine punkt: eelsoojendage enne kasutamist, säilitage soojus pärast kasutamist

Eelsoojendust toetavad seadmed (enamikul tänapäevastel elektrisõidukitel on see funktsioon): aku eelsoojendamine siseruumides või rakenduse kaudu enne teele asumist võimaldab sellel enne kasutamist kõrgemat temperatuuri saavutada, mis võib oluliselt parandada tühjenemisvõimet ja laadimisvõimet.

Eelsoojendusfunktsioonita seadmete puhul (mobiiltelefonid, taskulambid, droonid jne): soojendage neid enne kasutamist sisetaskus või isoleeritud kotis; mõju on kohe näha.

Artikkel 3: suure-voolu tühjenemise juhtimine äärmiselt külmas keskkonnas

Suur-vool (nt elektrisõidukite kiire kiirendamine või droonide õhkutõus) põhjustab madalatel temperatuuridel sisemise takistuse tõttu tugevamat pingelangust, mille tulemuseks ei ole mitte ainult madal efektiivsus, vaid ka võimalus käivitada üle-tühjenemise kaitse. Talvel õrn sõitmine parandab aku jõudlust.

Artikkel 4: Nõuetekohane ladustamine

Patareid, mida pole pikka aega kasutatud (üle 2 nädala):

Säilitamistemperatuur: 10-25 kraadi, kuiv ja valguse eest kaitstud.

Järelejäänud laeng: hoidke seda vahemikus 30% kuni 60% (et vältida positiivse klemmi kahjustamist, jättes selle osaliselt laetuks, ja et vältida negatiivse klemmi kahjustamist, jättes selle alalaadimata).

Kontrollige aku olekut iga 1–2 kuu tagant ja täiendage seda ülaltoodud vahemikuni.

Artikkel 5: Nõuanded elektrisõidukite energiatarbimise haldamiseks talvel

Talvel sõitmise põhidilemma on see, et küttekeha tarbib liiga palju elektrit, kuid ilma selleta on liiga külm. Siin on mõned kompromissid:

Eelistage istmete ja roolisoojenduse kasutamist; need lokaalsed küttesüsteemid vajavad vaid paarsada vatti, mis on palju tõhusam kui kliimaseadme küte.

Eelsoojendage kelku, kui see on ühendatud vooluvõrku (kütetakse välise toiteallikaga, ilma patareisid kulutamata).

Parkimisel proovige valida varjatud või siseparklad, et vähendada aku soojuskadu.

6. Kuidas me kavandame liitiumakusid külma ilmaga-

Järgmine sisu põhineb meie meeskonna praktilisel projekteerimiskogemusel krüogeense energiasalvestuse ja elektriliste erisõidukite akuprojektide alal ning on rakendatav professionaalsete stsenaariumide jaoks, mis nõuavad stabiilset tööd temperatuuril -20 kraadi kuni -40 kraadi.

Soojusjuhtimissüsteem (TMS): krüogeense disaini tuum

Äärmiselt külmade töötingimuste jaoks mõeldud akude puhul ei ole soojusjuhtimine "valikuline", vaid "standardfunktsioon". Meie tüüpilised lahendused hõlmavad järgmist:

PTC isereguleeruv -küttekile : võimsustihedus ligikaudu 150–300 W/m², eeliste hulka kuuluvad isereguleeruvad omadused ohutuse ja töökindluse tagamiseks ning mõõdukad kulud; sobib eelsoojenduseks -20 kraadist kuni 0 kraadini.

Vedeljahutus + vedelikküte integreeritud süsteem : Sama vedelikukontuuri kasutatakse kütmiseks talvel ja jahutamiseks suvel. Süsteemil on kõrge integreeritusaste, kuid ka maksumus ja kaal on suuremad; sobib autotööstuse-klassi projektidele, millel on ranged jõudlusnõuded kogu temperatuurivahemikus.

Soojusisolatsioonimaterjalid ja külmasilla juhtimine : väliskest on valmistatud madala soojusjuhtivusega materjalidest või on lisatud isolatsioonikiht (näiteks aerogeelvilt, mille soojusjuhtivus on nii madal kui 0,015 W/(m·K)). Konstruktsiooniprojektis välditakse metallosade otse läbi jooksmist seest ja väljast, et vältida külmasilla mõjusid, mis põhjustavad lokaalseid madalaid temperatuure.

BMS-i madala temperatuuriga kaitsestrateegia: esiteks kõva loogika

Akuhaldussüsteem (BMS) peab madalatel temperatuuridel toimima järgmiselt.

Madala-temperatuuri laadimine keelatud : kui elemendi temperatuur on alla 5 kraadi, on laadimiskäsud täielikult keelatud (konfigureeritav lävi sõltub elemendi spetsifikatsioonidest).

Madala -temperatuuri voolu-piiratud tühjenemine: kui temperatuur on vahemikus -10 kraadi kuni 5 kraadi, on maksimaalne tühjendusvool piiratud 30–50% nimiväärtusest, et vältida pingelanguse kaitse sagedast käivitumist liigse sisemise takistuse tõttu.

Reaalajas temperatuuri jälgimine: iga pakend on varustatud vähemalt mitme temperatuurianduriga, et tagada ühtlane temperatuuriproovide võtmine ja vältida lokaalse ülejahutuse varjamist keskmise väärtusega.

Lahtri valik ja kontrollimine

Projekti alguses nõuame, et elementide tarnijad esitaksid võimsuse säilitamise kõverad 0,2 C tühjenemiseks temperatuuril -20 kraadi, samuti katsearuande laengu vastuvõtmise võime kohta -10 kraadi juures. Tarnijad, kes suudavad esitada täielikke madala temperatuuriga katseandmeid, on koostise ja tootmise järjepidevuse osas üldiselt usaldusväärsemad.

Ekstreemsete stsenaariumide puhul, mille temperatuur on alla -30 kraadi (nt polaaruurimisseadmed ja kõrgmäestiku-droonid), ei piisa enam standardsest liitiumi-süsteemist. Hindame esilekerkivaid tehnoloogiateid, nagu liitiummetallpatareid või tahkispatareid, kuid need lahendused on veel masstootmise läbimurde staadiumis.

Süsteemi{0}}tasandi koostöö: akud ei ole isoleeritud saared

Akuploki soojusjuhtimine peab olema kavandatud koos kogu süsteemi/sõiduki süsteemiga. Levinud viga on see, et aku soojusjuhtimine on hästi kavandatud, kuid aku on kohe pärast süsteemi sisselülitamist täiskoormuse all. Aku "harjatakse" suure vooluga enne, kui see on täielikult soojenenud, muutes soojusjuhtimise ebaefektiivseks.

Meie kogemus näitab, et "külmkäivituse võimsuse suurendamise" loogika seadistamine süsteemi püsivara tasemel-, mis piirab automaatselt algset väljundvõimsust vastavalt elemendi temperatuurile- pärast sisselülitamist ja järk-järgult täieliku võimsuse vabastamist temperatuuri tõustes-, on kasutajale peaaegu märkamatu, kuid sellel on väga oluline mõju aku tööea kaitsmisele.

7. Korduma kippuvad küsimused (KKK)

K1: Kas liitiumakusid saab tühjendada ja kasutada temperatuuril alla null kraadi?

Jah, kuid jõudlus väheneb. Tühjenemine ise ei põhjusta liitiumi sadestumist, vaid vähendab kasutatavat mahtu ja nõrgestab väljundvõimsust. Laadimine on aga absoluutselt keelatud -isegi -1 kraadi juures, on liitiumi sadestumise oht. Kohtuotsuse põhimõte on lihtne: tühjendamine on vastuvõetav, laadimine peaks ootama temperatuuri taastumist.

K2: Miks mu elektriauto sõiduulatus talvel nii palju väheneb?

Aku mahu vähenemine on vaid osa põhjusest, mis põhjustab tavaliselt 10–20% vahemiku kadu. Suurem süüdlane on küttesüsteem – AAA testide järgi võib küttekeha sisselülitamine kaasa tuua üle 40% tööulatuse kaotuse. Teised tegurid hõlmavad suurenenud veeretakistust madalama rehvirõhu tõttu madalatel temperatuuridel ja mootori efektiivsuse vähenemist madalatel temperatuuridel. Sõiduki keskküttesüsteemi asemel on soovitatav eelistada istmesoojendusi, kuna energiasääst on märkimisväärne.

K3: Milline on optimaalne temperatuur ja laetuse tase liitiumakude hoidmiseks talvel?

Soovitatav temperatuur: 10-25 kraadi kuivas ja pimedas keskkonnas. Soovitatav tasu: 30–60%. Ärge hoidke täislaadimisel (see koormab positiivset klemmi) ega hoidke madalal laadimisel (see võib põhjustada üle-tühjenemiskahjustusi). Kontrollige ja laadige ülaltoodud vahemikku iga 1–2 kuu järel.

K4: Kas akude madalal temperatuuril kasutamisest põhjustatud kahju on püsiv?

Oleneb olukorrast. Lihtsa madala{1}temperatuuri tühjenemise tõttu vähene võimsus on enamasti ajutine ja taastub temperatuuri tõustes. Madalal-temperatuuril laadimise põhjustatud liitiumi sadestumine on püsiv kahjustus ja sadestumise kuhjudes aku rikneb, mis kujutab endast ohtu. Seetõttu sõltub vastus sellele küsimusele sellest, kas olete kunagi akut madalal temperatuuril laadinud.

K5: Minu telefon lülitub ootamatult madalal temperatuuril välja. Kas aku on vigane?

Tõenäoliselt pole see katki. Madalatel temperatuuridel võib aku pinge langeda telefoni BMS-i (Battery Management System) kaitseläveni varem, kuigi laetust võib veel olla. Soojemasse keskkonda jõudes lülitub telefon tavaliselt automaatselt sisse ja kuvab järelejäänud aku taset. See on tavaline elektrokeemiline nähtus, mitte rike. Kui aga seda juhtub sageli isegi toatemperatuuril, tuleks kaaluda aku vananemist.

K6: Kas on mingeid liitiumakusid, mida soovitatakse kasutada väga külmas väliskeskkonnas?

toote spetsifikatsioonides toodud minimaalne töötemperatuur ja madalal{0}}temperatuuri väljalaske säilivusmäär, selle asemel, et vaadata lihtsalt brändi või keemilise nimetust. Praegu on mõned turul olevad akud optimeeritud madala-temperatuuri stsenaariumide jaoks ja määravad spetsifikatsioonides võimsuse säilituskiiruse andmed -20 kraadi või -30 kraadi juures (näiteks saavutades rohkem kui 80% nimivõimsusest). Need tooted annavad usaldusväärsema aluse valiku tegemiseks.

Kokkuvõte

Külm ilm põhjustab liitiumakude "riknemist", mis on kolme füüsikalis-keemilise mehhanismi koosmõju tagajärg: elektrolüüdi paksenemine, elektroodide kineetika aeglustumine ja suurenenud sisetakistus. Enamasti on see halvenemine ajutine ja pöörduv,{1}}kui te neid madalatel temperatuuridel ei laadi.

Tavakasutajate jaoks on kaks kõige olulisemat asja: ärge laadige alla 0 kraadi ja soojendage akut enne kasutamist nii palju kui võimalik. Professionaalsete rakenduste jaoks, mis nõuavad stabiilset töötamist äärmiselt külmas keskkonnas, on soojusjuhtimissüsteemi disainikvaliteet ja BMS-i madala-temperatuuri kaitsestrateegia tõeline veelahk, mis määrab aku toimivuse.

Madalale -temperatuurile optimeeritud elektrolüüditehnoloogia valmimise ja tahkis{1}}akude järkjärgulise kasutuselevõtuga on liitiumakude jõudluses äärmiselt külmas keskkonnas veel palju arenguruumi. Seni jääb aga põhimõtete mõistmine ja õige kasutamine kõige säästlikumaks ja efektiivsemaks lahenduseks.