Работа Li-Pol аккумуляторов при -20 ℃

Известный факт — аккумуляторы «мерзнут» на морозе, теряют значительную часть емкости или вовсе не работоспособны. На самом деле не совсем так.

Собрал испытательный стенд и провел ряд экспериментов, чтобы проверить, как Li-Pol аккумуляторы на самом деле работают на морозе. Заодно протестировал Li-Pol аккумулятор от российского производителя.

Содержание

• Как это сделано

• Тест током 1 А

• Тест током 2,5 А

• Тест током 5 А и «эффект саморазогрева»

• Математика нагрева. Как предсказать взрыв Li-Pol аккумулятора.

• Что в итоге

Как это сделано

В качестве образца для испытаний выбран Li-Pol аккумулятор LP105080-5000 от российского производителя НЭТЕР, производство которого расположено в Казани.

Параметры аккумулятора из официальной документации:

• емкость 5000мАч

• напряжение разряда 2,5 В, заряда 4,2 В

• ток заряда стандартный 1 А, быстрый 2,5 А

• ток разряда стандартный 1 А, быстрый 2,5 А

• сопротивление ≤ 40 мОм

• температура разряда -40 ℃ до +65 ℃

• размеры 10 x 50 x 80 мм

• вес 99 г

Касательно заявленного максимального тока разряда и внутреннего сопротивления есть сомнения. Но об этом позднее.

Для испытаний собрал стенд, из ноутбука, термометра и электронной нагрузки.

Электронная нагрузка ZKETECH EBC-A40L, термометр UNI-T UT325. Оба прибора подключены к ноутбуку по USB. Аккумулятор к электронной нагрузке подключен зажимами Кельвина.

Результаты измерений опубликованы в Google Sheets.
Можете скопировать данные и работать с ними в любой удобной среде. Например, построить свои графики в Excel или модели в Python и MatchLab.

Методика тестирования

Всего 6 тестов:

1. ток разряда 1 А температура +26 ℃

2. ток разряда 1 А температура -20 ℃

3. ток разряда 2,5 А температура +26 ℃

4. ток разряда 2,5 А температура -20 ℃

5. ток разряда 5 А температура +26 ℃

6. ток разряда 5 А температура -20 ℃

Условия заморозки
Температура охлаждения -20 ℃ выбрана из-за технических ограничений. Морозилка не позволяет добиться температуры ниже -20 ℃. До -20 ℃ охлаждены и морозильная камера ни непосредственно сам аккумулятор. Термопара прикреплена к поверхности аккумулятора. Аккумулятор находится в морозильной камере на протяжении всего процесса измерения.

Про емкость в мА⋅ч и энергию Вт⋅ч

Предвкушая комментарии о том, что: «емкость нужно измерять в Вт⋅ч», забегу вперед и предложу прочесть абзац ниже и изучить содержание спойлера.

Емкость измеряется в А⋅ч, энергия в Вт⋅ч.
Емкость не измеряется в Вт⋅ч. Из Вт⋅ч нельзя получить А⋅ч или наоборот. Вт⋅ч — это не улучшенная версия А⋅ч. Энергия в Вт⋅ч не лучше, чем емкость в А⋅ч. Это разные физические величины.

Ниже в спойлере привожу выдержки из ГОСТ, словарей и рецензируемой литературы.
Пожалуйста, ознакомитесь. Для вашего удобства даже указаны страницы в книгах.

Список литературы, ГОСТ и словари

ГОСТ 8.417-2002
Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.
Таблица 3 — Единицы величин

Наименование величины	Наименование	Обозначение
		международное	русское
Электрический заряд, количество электричества	ампер-час	A⋅h	А⋅ч
Энергия	ватт-час	W⋅h	Вт⋅ч
Электрическое сопротивление	ом	Ω	Ом
Электрический ток	ампер	A	А

Словарь

1. ФОРМФАКТОР
   формфактор, -а (физ.)

2. МИЛЛИАМПЕР
   миллиампер, -а, р. мн. -ов, счетн. ф. -ампер

3. ВАТТ-ЧАС
   ватт-час, -а, мн. -часы, -часов

4. АМПЕР-ЧАС
   ампер-час, -а, мн. -часы, -ов
   Литиево-ионный, литийионный

Список литературы

1. А.Г. Чертов — Физические величины, с. 106

2. Л.А. Сена — Единицы физических величин и их размерности, с. 106, с. 193

3. ГОСТ 8.417-2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин

4. В. В. Лопатина и О. Е. Ивановой — Русский орфографический словарь

Разряд током 1 А

Ток разряда 1 А, температура аккумулятора +26 ℃.
Ток разряда 1 А, температура аккумулятора -20 ℃.

Результаты теста

ток разряда 1 А температура +26 ℃
емкость 4683 мА⋅ч
энергия 17,73 Вт⋅ч

ток разряда 1 А температура -20 ℃
емкость 4341 мА⋅ч
энергия 15,13 Вт⋅ч

Разница в емкости составила всего 7%, а разница в энергии 15%. Если обратиться к графикам температуры, то причина значительной разницы в отданной энергии, станет ясна. При комнатной температуре аккумулятор нагрелся всего на 3,3 ℃, а в морозилке на 7,9℃. То есть значительная часть энергии аккумулятора была потрачена на нагрев аккумулятора.

Потери энергии «на морозе» заметны, но не фатальны.

Разряд током 2,5 А

Ток разряда 2,5 А, температура аккумулятора +26 ℃.
Ток разряда 2,5 А, температура аккумулятора -20 ℃.

Результаты теста

ток разряда 2,5 А температура +26 ℃
емкость 4791 мА⋅ч
энергия 17,75 Вт⋅ч

ток разряда 2,5 А температура -20 ℃
емкость 4610 мА⋅ч
энергия 15,83 Вт⋅ч

Результат не сильно отличается от разряда током 1 А.

Разряд током 5 А и «эффект самоподогрева»

В самом начале упомянул, что заявленные сопротивление и ток разряда вызывают сомнения. Указаны максимальный ток разряда 2,5 мА (0,5С) и сопротивление ≤ 40 мОм. Хотя обычно для аккумулятора такого типа номинальный ток разряда 5 А (1C). Фактическое измеренное сопротивление всего 23 мОм. Теоретически на 5 А аккумулятор перегреться не должен. Расчет перегрева ниже.

Ток разряда 5 А, температура аккумулятора +26 ℃.
Ток разряда 5 А, температура аккумулятора -20 ℃.

Результаты теста

ток разряда 5 А температура +26 ℃
емкость 4769 мА⋅ч
энергия 16,98 Вт⋅ч

ток разряда 5 А температура
емкость 4777 мА⋅ч
энергия 16,08 Вт⋅ч

В отличие от двух предыдущих тестов, в тесте на 5 А разница между разрядом при температуре +26 ℃ и -20 ℃ несущественная. Хотя на больших токах емкость обычно падает. Такой результат связан с «эффект самоподогрева». Большой ток способствует росту тепловыделения, что приводит к быстрому нагреву аккумулятора. Уже через 7 минут температура аккумулятора повышается от -20 ℃ до -4 ℃. Через 15 минут температура близка к 0 ℃. Простыми словами, аккумулятор «сам себя» нагревает и размораживает. После «самоподогрева» поведение аккумулятора мало отличается от работы аккумулятора комнатной температуре.

Математика нагрева. Как предсказать перегрев Li-Pol аккумулятора.

Узнать, до какой температуры нагреется аккумулятор при заданном токе достаточно легко. Для этого нужно знать сопротивление аккумулятора, теплоемкость и вес.
Теплоемкость примерно равна 0,9 Дж/(г⋅ºС). Сопротивление и вес можно взять из документации или измерить самостоятельно.

Расчет времени, за которое аккумулятор нагреется до заданной температуры, производится по формуле:

• Δt — температура, на которую нужно нагреть
  температура аккумулятора 26 ºС, максимальная допустимая температура 65 ºС, следовательно, аккумулятор допускается нагреть не более чем на 36 ºС.

• C — удельная теплоемкость
  удельная теплоемкость аккумулятора около 0,9 Дж/(г⋅ºС).

• I — ток
  в нашем случае 5 А

• Rin — внутреннее сопротивление
  фактически измеренное 23 мОм

Подставив значения в формулу, получаем::

Расчеты показывают, что для нагрева до критической температуры в 65 ºС потребуется 6714 с. При этом полный разряд аккумулятора емкостью 5000 мАч займет 3600 с. То есть аккумулятор разрядится быстрее, чем достигнет критической температуры.

Проверим, как математика бьется с практикой

На графике видно, что аккумулятор разряжается за 3440 с. При этом нагревается на 20 ºС.

Посчитаем по той же форуме, за какое время температура аккумулятора увеличится на 20 ºС при сопротивлении 23 мОм и токе 5А. Математика дает следующие цифры:

Расчетное время 3130 с. Результат вычислений достаточно близок к измеренным 3440 с. Фактическое время нагрева немного больше расчетного, так как формула не учитывает потери тепла аккумулятора через излучение, конвекцию и теплопроводность стола.

Почему аккумулятор теряет энергию.

Падение напряжения на аккумуляторе при низких температурах обуславливается ростом внутреннего сопротивления. Этим же объясняется уменьшение отданной энергии в нагрузку и увеличенный нагрев.

Обычно под внутренним сопротивлением аккумулятора подразумевается комплексное сопротивление, оно же импеданс, который включает в себя реактивное и активное сопротивление. Принято измерять его гармоническим сигналом частотой 1 кГц.

Однако если проверить сопротивление аккумулятора, общепринятым способом, то, оказывается при -20 ℃ сопротивление почти не меняется. При охлаждении от +26 ℃ до -20 ℃ сопротивление увеличилось от 23 до 26 мОм.

Возможно, измерение импеданса показательно для измерения сопротивления обмоток генератора или параметров акустической системы, но с электрохимическими источниками тока такой способ работает как-то не так.

Есть неплохая статья с практическими исследованиями на ResearchGate и интересный обзорный материл на ScienceDirect.

Например, в статье «Effects of temperature on the ohmic internal resistance and energy loss of Lithium-ion batteries under millisecond pulse discharge» на сайте ResearchGate описывается эксперимент, в котором измеряется только омическое сопротивление, в принципе без учета сопротивления поляризации.

Что в итоге

Замороженные аккумуляторы действительно отдают меньшее количество энергии, чем аккумуляторы при комнатной температуре. Однако разница не обязана быть драматичной.

Какие решения

Разные модели аккумуляторов ведут себя на морозе по-разному, поэтому самое очевидное решение лежит в области выбора элементной базы, то есть правильном подборе аккумуляторов, подходящих для предполагаемых условий работы.

Другой прием, использование «эффекта самоподогрева» аккумулятора. Этот эффект позволяет максимально быстро выйти на оптимальную температуру. Но это решение уже в области конструирования самого изделия. Контролируя температуру и напряжение, можно реализовать стартовый режим, который обеспечит работу аккумулятора в оптимальном режиме.