Kas ir dziļā izlāde?

Dziļa izlāde notiek, ja akumulators pirms uzlādes izmanto 80% vai vairāk no kopējās jaudas. Tas atšķiras no parastajiem izlādes modeļiem, kad akumulatori parasti darbojas 20–50% no to jaudas. Kad akumulatori ir dziļi izlādējušies, sākas neatgriezeniskas ķīmiskas reakcijas, kas neatgriezeniski samazina to spēju uzkrāt un piegādāt enerģiju.

Izlādes dziļums mēra izmantotās akumulatora jaudas procentuālo daudzumu attiecībā pret kopējo pieejamo jaudu. Ja 100 amp -stundu (Ah) akumulators izlādē 80 Ah, tas ir sasniedzis 80% DoD.

Aprēķins ir vienkāršs:

DoD (%)=(izmantotā jauda / kopējā jauda) × 100

DoD tieši iebilst pret uzlādes stāvokli (SoC). Ja DoD ir 80%, SoC ir 20%. Šie divi rādītāji darbojas kopā, lai sniegtu pilnīgu priekšstatu par akumulatora stāvokli-DoD norāda, kas ir izmantots, savukārt SoC parāda, kas ir palicis.

Akumulatoru ražotāji nosaka konkrētus DoD ierobežojumus dažādām ķīmiskajām vielām. Svina-skābes akumulatori parasti nedrīkst pārsniegt 50% DoD regulārai lietošanai, savukārt litija-jonu akumulatori var droši apstrādāt 80–90% DoD. Šīs robežas pastāv, jo dziļākas izlādes paātrina iekšējo komponentu nodilumu.

Deep Discharge

Kad akumulatoriem tiek veikta dziļa izlāde, atšķirīgi ķīmiskie procesi izraisa neatgriezeniskus bojājumus atkarībā no akumulatora ķīmiskās sastāva.

Svina-skābes akumulatoros izlādes procesā svina dioksīds un sūkļa svins pārvēršas svina sulfātā, reaģējot ar sērskābi. Normālas izlādes laikā šie svina sulfāta kristāli paliek mazi un uzlādēšanas laikā viegli pārvēršas atpakaļ. Tomēr dziļa izlāde izraisa pārmērīgu svina sulfāta uzkrāšanos.

Šie sulfāta kristāli sacietē un kļūst lielāki, izmantojot procesu, ko sauc par sulfāciju. Kad kristāli sasniedz noteiktu izmēru, tie kļūst spītīgi un uzlādes laikā atsakās pārvērsties atpakaļ aktīvā materiālā. Uzņēmuma Midtronics pētījumi liecina, ka 12- voltu svina-skābes akumulators, kas zem slodzes nokrīt zem 10,5 voltiem, nonāk dziļās izlādes teritorijā, kur sulfācija strauji paātrinās.

Jo ilgāk akumulators atrodas dziļi izlādētā stāvoklī, jo pastāvīgāka kļūst šī sulfācija. Smagos gadījumos aktīvā materiāla gabali no plāksnēm atdalās procesā, ko sauc par plākšņu nobiršanu, izraisot īssavienojumus un pilnīgu akumulatora atteici.

Litija{0}}jonu akumulatori saskaras ar dažādām, taču vienlīdz nopietnām problēmām. Izlādējoties zem drošā sprieguma sliekšņa (parasti 2,5 V uz vienu elementu), varš no anoda strāvas kolektora sāk šķīst elektrolītā.

Turpmākās uzlādes laikā šie izšķīdušie vara joni var nogulsnēties atpakaļ uz anoda, veidojot dendrītus{0}}sīkas metāla ūsas, kas aug akumulatora iekšpusē. 2016. gada pētījums žurnālā Scientific Reports atklāja, ka nopietna pārlādēšana, kas pārsniedz -12% uzlādes stāvokļa, izraisa iekšējus īssavienojumus, izmantojot šo vara nogulsnēšanas mehānismu.

Turklāt dziļā izlāde bojā cieto elektrolītu starpfāzes (SEI) slāni, kas ir anoda aizsargplēve. Šis slānis parasti novērš nevēlamas ķīmiskas reakcijas. Kad akumulators ir bojāts, tam ir palielināta iekšējā pretestība un samazināta jauda. IEEE dati liecina, ka akumulatori, kas pakļauti regulāriem dziļas izlādes cikliem, zaudē kapacitāti par 40% ātrāk nekā tie, kas tiek turēti ieteiktajās robežās.

Dažādām akumulatoru ķīmiskajām vielām ir atšķirīgi sprieguma ierobežojumi, kas nosaka dziļu izlādi:

Svina{0}}skābes akumulatori:

Pilnībā uzlādēts: 12,6-12,8 V (12 V akumulatoram)

50% izlādējies: 12.2V

Dziļās izlādes slieksnis: 10,5V

Kritiskais bojājuma līmenis: zem 10,5 V

Litija{0}}jonu akumulatori:

Pilnībā uzlādēts: 4,2 V uz vienu šūnu

Normāls darbības diapazons: 3,7-4,0 V uz vienu šūnu

Dziļās izlādes slieksnis: 3,0 V uz vienu šūnu

Pastāvīgu bojājumu risks: zem 2,5 V uz vienu šūnu

LiFePO4 baterijas:

Pilnībā uzlādēts: 3,65 V uz vienu šūnu

Normāls darbības diapazons: 3,2-3,4 V uz vienu šūnu

Drošas izlādes grīda: 2,5 V uz vienu šūnu

Bojājuma slieksnis: zem 2,0 V uz vienu šūnu

Kad akumulatora spriegums nokrītas zem šiem sliekšņiem, iekšējā pretestība dramatiski palielinās. Tas apgrūtina uzlādi un ģenerē pārmērīgu karstumu uzlādes procesa laikā, pastiprinot bojājumus.

Saistība starp izlādes dziļumu un cikla ilgumu ir labi{0}}dokumentēta, taču bieži vien tiek pārprasta.

Svina-skābes akumulators, kas izlādējies līdz 50% DoD, var nodrošināt 800 ciklus, pirms tas sasniedz 80% no sākotnējās jaudas. Tas pats akumulators, kas izlādējies līdz 80% DoD, nodrošinās tikai aptuveni 350 ciklus. Matemātika šķiet pretrunīga,-vai dziļākai izlādei nevajadzētu iegūt vairāk enerģijas visā akumulatora darbības laikā?

Realitāte ir daudz niansētāka. Lai gan katrs dziļās izlādes cikls iegūst vairāk enerģijas, paātrinātā degradācija samazina kopējo enerģijas piegādi mūža garumā. Iepriekš minētajam svina-skābes piemēram:

50% DoD: 800 cikli × 50%=400 kopējie izlādes ekvivalenti

80% DoD: 350 cikli × 80%=280 kopējie izlādes ekvivalenti

Seklāks izlādes modelis nodrošina par 43% vairāk enerģijas visā akumulatora darbības laikā.

Litija{0}}jonu akumulatoriem ir labāka noturība. Kvalitatīvs LiFePO4 akumulators spēj izturēt 2,000+ ciklus ar 80% DoD, salīdzinot ar 200-300 svina- skābes cikliem tādā pašā dziļumā. Šī izcilā dziļās izlādes tolerance padara litija tehnoloģijas vēlamas lietojumiem, kuros nepieciešama bieža dziļa ciklēšana.

Deep Discharge

Sekla izlāde ietver tikai 10-30% no akumulatora jaudas pirms uzlādēšanas. Šī pieeja ievērojami samazina akumulatora komponentu slodzi.

Vairāku akumulatoru ražotāju pētījumi apstiprina, ka sekla cikliskums ar zemu uzlādes ātrumu rada minimālu izmērāmu degradāciju. Pētījumā par LiFePO4 akumulatoriem tika atklāts, ka 50% uzlādes stāvoklī un 25 grādu uzglabāšanas temperatūrā akumulatori saglabāja aptuveni 80% kapacitāti 23,8 gadus,{6}}kas ievērojami pārsniedz parastās garantijas.

Dziļā izlāde nodrošina lielāku tūlītēju izmantojamo jaudu, bet paātrina novecošanos. Aktīvo materiālu mehāniskā spriedze dziļās izlādes ciklu laikā palielina jaudas izbalēšanas ātrumu. Elektriskajiem transportlīdzekļiem un pārnēsājamām elektronikas ierīcēm sekla izlādes shēma parasti nodrošina labāku ilgtermiņa vērtību, lai gan nepieciešama biežāka uzlāde.

Tomēr kontekstam ir nozīme. Saules enerģijas uzglabāšanas sistēmām bieži ir nepieciešama dziļas izlādes iespēja, lai maksimāli palielinātu enerģijas pieejamību naktī, kad saule nespīd. Šajās lietojumprogrammās iespēja piekļūt 80–90% akumulatora jaudas attaisno nedaudz samazinātu cikla kalpošanas laiku.

Mūsdienu akumulatoru komplekti ietver akumulatoru pārvaldības sistēmas (BMS), kas īpaši izstrādātas, lai novērstu dziļas izlādes bojājumus.

BMS nepārtraukti uzrauga vairākus kritiskos parametrus:

Sprieguma uzraudzība:BMS izseko atsevišķu elementu spriegumu un atvieno slodzi, kad jebkura šūna tuvojas izslēgšanas spriegumam. Litija -jonu akumulatoriem tas parasti notiek ar 2,5–3,0 V uz vienu elementu. Sistēma neļauj akumulatoram izlādēties, pārsniedzot drošās robežas, pat ja ierīce turpina mēģināt lietot strāvu.

Pašreizējais ierobežojums:Lielas izlādes strāvas paātrina sprieguma kritumu un palielina siltuma veidošanos. BMS ierobežo izlādes strāvu līdz drošam līmenim, pamatojoties uz akumulatora temperatūru un uzlādes stāvokli.

Temperatūras vadība:Dziļā izlāde rada vairāk siltuma, jo palielinās iekšējā pretestība. BMS uzrauga temperatūru un samazina vai aptur izlādi, ja tiek pārsniegtas termiskās robežas.

Šūnu balansēšana:Vairāku{0}}šūnu komplektos šūnas izlādējas nevienmērīgi. Bez balansēšanas viena šūna var dziļi izlādēties, bet citas saglabāt lādiņu. BMS nodrošina visu elementu vienmērīgu izlādi, neļaujot atsevišķām šūnām iekļūt bīstamos sprieguma diapazonos.

Kvalitātelitija jonu akumulatoru lādētājsdarbojas tandēmā ar BMS, mērot elementa spriegumu pirms uzlādes uzsākšanas. Ja spriegums nokrītas zem 2,5 V uz vienu elementu, modernie lādētāji ievieš "pastiprināšanas" vai plūstošās uzlādes režīmu, pielietojot minimālu strāvu (parasti 0,05 C), lai viegli paaugstinātu spriegumu līdz drošam uzlādes līmenim. Tas novērš dendrītu veidošanos, kas varētu rasties, ja pilna uzlādes strāva tiktu pievadīta dziļi izlādētai šūnai.

Saskaņā ar Battery University teikto, lādētāji bez šīs aizsardzības funkcijas vienkārši noraidīs dziļi izlādētus akumulatorus kā "nederīgus lietošanai", lai gan ar atbilstošu aprīkojumu var būt iespējama rūpīga atkopšana.

Atkopšanas panākumi lielā mērā ir atkarīgi no tā, cik ilgi akumulators bija dziļi izlādējies, un no ķīmisko bojājumu smaguma pakāpes.

Svina-skābes akumulatoriem, kas noķerti dažu dienu laikā pēc dziļas izlādes, atgūšanas rādītāji sasniedz 70% AGM tipa akumulatoriem un 30% appludinātiem akumulatoriem. Process prasa pacietību:

Izmantojiet viedo lādētāju ar desulfācijas režīmu

Pielietojiet zemu strāvu (0,1 C vai mazāku) 24–48 stundas

Uzraugiet sprieguma pieaugumu,{0}}tam vajadzētu pakāpeniski palielināties līdz 12,6 V

Ja pēc 48 stundām spriegums nokrītas zem 12 V, ir radies neatgriezenisks bojājums

Speciālie lādētāji, piemēram, NOCO Genius sērija, ietver desulfācijas algoritmus, kas izmanto impulsu uzlādi, lai sadalītu sacietējušos sulfāta kristālus. Tomēr, ja akumulators ir bijis dziļi izlādējies vairākas nedēļas vai mēnešus, sulfācija parasti kļūst neatgriezeniska.

Litija{0}}jonu atgūšana ir riskantāka un prasa lielāku piesardzību. Nekad nemēģiniet atgūt litija akumulatorus, kuru spriegums vienā šūnā ir bijis mazāks par 1,5 V ilgāk par nedēļu.{3}}Drošākā iespēja ir izmest.

Nesen izlādētiem litija akumulatoriem (spriegums no 2,0 līdz 2,5 V uz vienu elementu):

Pieslēdziet 0,05 C uzlādes strāvu, līdz spriegums sasniedz 3,0 V

Nepārtraukti uzraugiet temperatūru{0}}pārtrauciet darbību, ja akumulators sasilst

Kad spriegums stabilizējas virs 3,0 V, pārslēdzieties uz parasto uzlādes protokolu

Veiciet vairākus pilnus uzlādes/izlādes ciklus, lai atjaunotu jaudu

Pētījumi par LiFePO4 akumulatora atjaunošanu liecina, ka pareizi veiktas atjaunošanas procedūras var atjaunot līdz pat 70% no nominālās jaudas, lai gan veiktspēja nekad pilnībā neatgriežas atbilstoši jaunām akumulatora specifikācijām.

Litija atgūšanas risks ir dendrīta veidošanās. Ja no dziļās izlādes jau ir bojātas vara vai litija struktūras, lādēšanas strāvas izmantošana var pagarināt šos dendritus, līdz tie savieno separatoru un izraisa iekšējus īssavienojumus. Tāpēc daudzi eksperti iesaka neveikt atkopšanas mēģinājumus, kad spriegums nokrītas zem 2,0 V uz vienu elementu.

Izpratne par to, kā akumulatori sasniedz dziļu izlādi, palīdz to novērst.

Parazītu slodzes:Mūsdienu transportlīdzekļi un ierīces patērē strāvu pat tad, ja tie ir izslēgti. Drošības sistēmas, pulksteņi un datoru atmiņas sistēmas rada pastāvīgu aizplūšanu. Veselīgs akumulators iztur šīs slodzes, taču ilgstoša nelietošana-īpaši aukstā laikā-var izraisīt dziļu izlādi. Dati no automobiļu servisa centriem liecina, ka 3–4 nedēļas nelietotiem transportlīdzekļiem parasti rodas dziļi izlādējušies akumulatori.

Ģeneratora vai uzlādes sistēmas kļūme:Ja transportlīdzekļa ģenerators sabojājas, akumulatoram ir jābaro visas elektriskās sistēmas bez uzlādēšanas. Lielākā daļa autovadītāju uzreiz neatpazīst ģeneratora kļūmi, turpina darbināt transportlīdzekli, līdz akumulators ir pilnībā izlādējies. Testēšana liecina, ka tipisks automašīnas akumulators, kas darbina transportlīdzekļa elektrisko sistēmu bez ģeneratora atbalsta, dziļi izlādēsies 30–90 minūšu laikā pēc braukšanas.

Uzglabāšana bez apkopes:Akumulatori pašizlādējas{0}}pat tad, ja nav pievienota slodze. Svina-skābes akumulatori zaudē 3-20% uzlādes mēnesī atkarībā no temperatūras. Litija-jonu akumulatori pašizlādei ir lēnāki (1–5% mēnesī), taču uzglabāšanas laikā tie joprojām ir periodiski jāuzlādē. Akumulatori, kas glabāti 6–12 mēnešus bez apkopes uzlādes, parasti izlādējas dziļi.

Pārmērīga izmantošana starp uzlādēm:Elektriskie transportlīdzekļi, kas tiek braukti ārpus to nominālā diapazona, saules bateriju bankas, kas atbalsta slodzi ilgstošā mākoņainā periodā, vai pārnēsājama elektronika, kas tiek izmantota nepārtraukti, neuzlādējot visu iespējamo dziļo izlādi. Galvenais risks rodas, ja lietotāji ignorē brīdinājumus par zemu{1}}akumulatoru un turpina darbību.

Dažām lietojumprogrammām īpaši ir nepieciešami akumulatori, kas var izturēt regulāru dziļo riteņbraukšanu.

Saules enerģijas uzglabāšana:Izslēgtām-tīkla saules baterijām ir jānodrošina strāva visu nakti, izmantojot dienā savākto enerģiju. Tam ir nepieciešama dziļas izlādes spēja. Kvalitatīvas saules bateriju bankas izmanto vai nu pārpludinātas svina-skābes dziļa- cikla akumulatorus (novērtēts 50% DoD) vai LiFePO4 akumulatorus (novērtēts 80–90% DoD). Tipiska dzīvojamo māju saules sistēma katru nakti var sasniegt 60–80% akumulatora jaudas.

Jūras lietojumprogrammas:Laivām ir nepieciešama uzticama papildu jauda navigācijai, apgaismojumam un sakaru aprīkojumam. Jūras dziļā{1}}cikla akumulatori iztur atkārtotus izlādes ciklus no ikdienas lietošanas un nakts viesnīcām. AGM kuģu akumulatori piedāvā noslēgtas konstrukcijas priekšrocības (nav izšļakstīšanās nelīdzenā jūrā), vienlaikus regulāri apstrādājot 50–60% DoD.

Atpūtas transportlīdzekļi:RV māju akumulatoru bankas nodrošina elektroierīces, apgaismojumu un elektroniku, ja tie nav pievienoti krasta strāvas padevei. Tāpat kā jūras lietojumos, RV ir nepieciešamas baterijas, kas spēj dziļi izlādēties. Mūsdienu RV arvien vairāk izmanto litija akumulatoru bankas, īpaši to izcilās dziļās-izlādes panesamības un ilgāka cikla mūža dēļ.

Elektriskie transportlīdzekļi:EV parasti izlādē 20-80% no akumulatora jaudas normālu braukšanas ciklu laikā. Tas parāda salīdzinoši dziļu izlādi, salīdzinot ar dzinēja -iedarbināšanas akumulatoriem, kas patērē tikai 2–5% vienā palaišanas reizē. EV akumulatori izmanto litija jonu ķīmiju (parasti NMC vai NCA) ar sarežģītām BMS sistēmām, lai pārvaldītu šos izlādes modeļus, vienlaikus maksimāli palielinot kalpošanas laiku.

Rezerves barošanas sistēmas:Nepārtrauktās barošanas avota (UPS) vienības aizsargā kritiskās iekārtas strāvas padeves pārtraukumu laikā. Akumulatori lielāko daļu laika paliek pilnībā uzlādēti, taču ilgstošu pārtraukumu laikā tiem ir jānodrošina pilna jauda. Komerciālās UPS sistēmās parasti tiek izmantoti ar vārstu -regulējami svina- (VRLA) akumulatori, kas paredzēti ik pa laikam dziļai izlādei bez tūlītējas kļūmes.

Deep Discharge

Dažreiz, bet ne vienmēr. Svina-skābes akumulatoriem, ja spriegums paliek virs 10,5 V, atgūšana bieži vien ir iespējama, izmantojot lēnu uzlādi 24-48 stundu laikā. Panākumu rādītāji ievērojami samazinās, ja akumulators ir izlādējies ilgāk par dažām dienām. Litija jonu akumulatorus, kuru spriegums ir mazāks par 2,5 V uz vienu elementu, dažkārt var atjaunot, izmantojot specializētu uzlādi, taču dendrīta veidošanās risks to padara bīstamu. Mūsdienu lādētāji drošības nolūkos bieži noraida akumulatorus, kuru sprieguma slieksnis ir zemāks par noteiktu.

Tas ir pilnībā atkarīgs no akumulatora ķīmijas. Litija-jonu akumulatoriem nekad nav nepieciešama apzināta dziļa izlāde-šis ir mīts, kas pārņemts no vecākās niķeļa-kadmija tehnoloģijas. Svina-skābes akumulatori gūst labumu no neregulāriem dziļiem cikliem (reizi 3–6 mēnešos), lai novērstu noslāņošanos un sulfāciju, taču regulāra dziļa izlāde joprojām samazina kalpošanas laiku. Labākā prakse ir izvairīties no dziļas izlādes, kad vien iespējams.

Dziļā{0}}cikla akumulatoros tiek izmantotas biezākas plāksnes ar blīvāku aktīvo materiālu, kas izstrādāts tā, lai izturētu atkārtotu izlādi līdz 50% vai mazāk. Iedarbināšanas akumulatoriem ir plānākas plāksnes, kas optimizētas lielas strāvas pārrāvumiem, taču tās viegli sabojājas, ja tās ir dziļi izlādējušās. Konstrukcijas atšķirības nozīmē, ka dziļā-cikla akumulatori spēj regulāri pārvietoties, savukārt palaišanas akumulatori izceļas ar simtiem aukstas-pagrieziena ampēru, bet mazāk par 50 dziļās izlādes cikliem.

Pilnīgi noteikti. Aukstā temperatūra samazina pieejamo akumulatora jaudu-akumulators 0 °F temperatūrā var nodrošināt tikai 50% no tā nominālās jaudas. Tas nozīmē, ka aukstā laikā akumulators sasniedz dziļās izlādes spriegumu daudz ātrāk, pat normāli lietojot. Karsta temperatūra paātrina pašizlādes ātrumu{6}}, izraisot akumulatoru ātrāku dziļu izlādi. Abas galējības palielina dziļas izlādes risku un prasa pielāgotas apkopes metodes.

Dziļa izlāde ir viens no kaitīgākajiem apstākļiem, ar kuriem saskaras akumulators. Ķīmiskās izmaiņas, kas rodas-sulfatēšanās svina-skābes akumulatoros un vara šķīdināšana litija-jonu šūnās-, kļūst arvien neatgriezeniskākas, jo ilgāk baterijas ir dziļi izlādējušās. Lai gan dažreiz ir iespējama atkopšana, profilakse, izmantojot pareizu akumulatora pārvaldību, joprojām ir daudz efektīvāka.

Mūsdienu akumulatoru pārvaldības sistēmas nodrošina lielisku aizsardzību, ja tās ir pareizi ieviestas, uzraugot spriegumu, strāvu un temperatūru, lai novērstu dziļas izlādes bojājumus. Izvēloties akumulatorus lietojumprogrammām, kurām nepieciešama regulāra dziļa cikla darbība, izvēloties šim nolūkam paredzētas ķīmiskās vielas (piemēram, LiFePO4), nevis mēģinot piespiest standarta akumulatorus izmantot dziļā cikla pakalpojumu, nodrošinās labāku veiktspēju un ilgmūžību.

Jebkuru akumulatoru-darbināmu iekārtu lietotājiem vienkārša uzlāde pēc lietošanas,-pirms spriegums nokrītas zem 50% svina-skābei vai 20% litija-jonam-, ievērojami pagarinās akumulatora darbības laiku un izvairīsies no dziļas izlādes atjaunošanas sarežģījumiem.