Hva er utladningssyklus?

Hadde en samtale forrige tirsdag med en oppstart som gjorde sin første håndholdte enhet. PM spør meg hvor mange ganger brukerne deres kan lade batteriet. Jeg sa det kommer an på. Han ville ha et nummer. Jeg fortalte ham 500, kanskje, under perfekte forhold som aldri vil eksistere i felten.

Det er problemet med utladningssykluser. Konseptet er dødenkelt, men å bruke det på ekte produkter blir raskt komplisert.

Batteriet ditt teller ikke plugger-. Den teller kapasitetsgjennomstrømning. Tøm 100 % av navneskiltets kapasitet og det er én syklus. Gjør det i ett skudd eller spre det over en uke med delvis utflod - samme resultat.

18650 som sitter i lommelykten akkurat nå, kan være på syklus 47 eller syklus 212. Med mindre du har sporet ampere-timer religiøst, har du ingen anelse. Cellen vet sikkert ikke. Det er ingen liten disk inni. BMS-en din estimerer den basert på coulomb-telling og coulomb-tellingsdrift. Jeg har trukket pakker fra hverandre der det rapporterte syklusantallet var redusert med 30 % sammenlignet med faktisk kalenderaldring.

Samsung SDI publiserte noen data tilbake i 2019 som viser at deres 21700 celler treffer 83 % kapasitetsbevaring ved syklus 300 under standard testprotokoll. Panasonic NCR-celler fra samme tidsalder var mer som 78 % ved 300 sykluser. Disse tallene kom fra klimakamre ved 23 grader med CC-CV-lading ved 0,5C og utlading ved 1C til 2,5V cutoff. Kilometerstanden din vil variere fordi brukssaken ikke er et klimakammer.

Alle i denne bransjen snakker om utladningsdybde som om det er en slags magisk spak. Grunne sykluser forlenger levetiden, dype sykluser dreper celler raskere. Sant nok. Men forholdet er ikke det folk flest forventer.

Jeg drev et sideprosjekt i 2021 for å prøve å kvantifisere dette for en kunde med medisinsk utstyr. Vi tok 200 celler fra samme produksjonsparti, delte dem inn i grupper og syklet dem på forskjellige DoD-nivåer i åtte måneder. 100% DoD-gruppen krateret rundt syklus 380. 60% DoD-gruppen hadde fortsatt 88% kapasitet på tilsvarende 900 fulle sykluser. 30% DoD-gruppen viste knapt noen degradering i det hele tatt etter et år.

Men her er hva databladene ikke vil fortelle deg. Kalenderaldring spiste alle gruppene med omtrent samme hastighet uavhengig av sykling. Innen måned ti hadde til og med cellene vi knapt rørte, mistet 4-5 % kapasitet når de bare satt der med 50 % ladetilstand i et 25 graders rom. Cellene som syklet hardt ble truffet fra begge retninger - syklus aldring pluss kalenderaldring stablet oppå hverandre.

Så når kunden spør hvorfor den to{0}}år gamle-enheten deres ikke varer like lenge selv om de «knapt brukte den», - er det derfor.

Discharge Cycle

Jeg har en boks med celler i garasjen min fra en golfbilbatteripakke som tilbrakte tre somre i et skur i Tucson. Eieren sverget at han bare brukte vognen kanskje to ganger i måneden. Pakken ble vurdert for 2000 sykluser. Den døde ved 160. Celler så fine ut eksternt. Sprukket den ene opp og gelérullen hadde brune flekker på skilleren. Elektrolytten var delvis dekomponert.

Varme dreper litiumceller. Ikke fort som en død kort. Sakte, som å la smør ligge på benken.

Arrhenius-forholdet gir deg omtrent 2x nedbrytningshastighet for hver 10 grad over 25 grader. Men det er et gjennomsnitt på tvers av kjemi. NMC-celler jeg har testet falt av raskere. LFP holdt seg bedre. Posecellene vi bruker for wearables er mer følsomme enn sylindriske celler med samme kjemi fordi den termiske massen er lavere og de pigger varmere under belastning.

Kuldeutslipp er irriterende, men ikke ødeleggende. Du mister kapasitet midlertidig. Den kommer tilbake når cellen varmes opp. Jeg har utladet cellene ved -15 grader som bare ga 61 % av nominell kapasitet, og la dem deretter varmes opp til romtemperatur og fikk hele 3,2 Ah ved neste utladning. Kaldlading er morderen - litiumbelegg på anoden. Den skaden er permanent. De fleste BMS låser lading under 0 grader av akkurat denne grunnen.

Hver utladning flytter litiumioner fra grafittanoden til katoden. Hver ladning skyver dem tilbake. Gjør dette nok ganger og ting begynner å gå i stykker.

SEI-laget på anoden tykner. Det laget skal være der - det beskytter grafitten mot elektrolytten. Men den vokser med hver syklus, og vekst betyr at den bruker litium som ellers kunne lagre energi. Dette er grunnen til at kapasiteten avtar selv når ingenting dramatisk skjer.

Katodepartikler sprekker. NMC- og NCA-katoder har en krystallstruktur som utvider seg og trekker seg sammen når litium beveger seg inn og ut. Det dannes mikro-sprekker. Overflatearealet øker. Sidereaksjoner akselererer. Jeg har sett tverrsnitt av katodepartikler fra celler med høy-syklus som ser ut som knust glass under mikroskopet sammenlignet med ferske celler fra samme parti.

Elektrolytten brytes ned. Sporvann gir problemer. Høy spenning akselererer oksidasjon. Du ender opp med gassgenerering, økt impedans, og til slutt svulmer eller lufter cellen.

Ingenting av dette skjer jevnt. Cellene i seriestrengen din som går varmere eller startet med litt lavere kapasitet, eldes raskere. Etter et år eller to er den "matchede" pakken ikke matchet lenger. Den svake cellen begrenser hele strengen ved utladning og blir overarbeidet for å prøve å følge med. Dødsspiral derfra.

IEC 62660 og de ulike UL-standardene gir deg en grunnlinje. Pass dem og du kan sende produktet. Men jeg har sett på celle-sertifiseringstesting og deretter dukket opp i returen seks måneder senere med hovne poser.

Sertifiseringstestene er designet for å kunne repeteres på tvers av laboratorier, ikke for å simulere reell bruk. Ingen bruker telefonen sin med nøyaktig 0,5C konstant strøm. Ingen lader elektroverktøyet sitt med en perfekt CC-CV-profil ved 25 grader.

Hvis du mener alvor med å forstå hvordan pakken din vil prestere, må du bygge en testprotokoll som samsvarer med den faktiske brukeren din. Profiler din forventede utladningsstrøm. Ta med hvileperiodene. Trykk på ekstreme temperaturer som produktet ditt vil se. Kjør nok celler for å få statistisk konfidens - og det betyr minst 15-20 per testbetingelse, ikke de 3-5 som de fleste startups prøver å komme unna med.

Cellene som svikter tidlig i livets testing hadde nesten alltid produksjonsfeil. Grader på elektroden, forurensning, dårlige sveiser på tappene. De vil dukke opp i de første 50 syklusene. Cellene som svikter sent -, det er de som forteller deg noe om designet ditt.

Du kan beregne forventet sykluslevetid hvis du kjenner brukerprofilen din. En telefon som lades daglig, tappes kanskje til 20 % i gjennomsnitt før du kobler til -, det er omtrent 0,8 sykluser per dag. I løpet av en forventet levetid på to-år ser du på 580 sykluser. Hvis cellene dine er vurdert for 500 sykluser til 80 % kapasitet, kommer du til å begynne å se klager rundt måned 18.

Dette er grunnen til at Apple og Samsung overdimensjonerer pakkene sine i forhold til annonsert kapasitet. "100%" du ser på telefonen din er ikke 100% av hva cellene faktisk kan holde. De holder en buffer på toppen og bunnen for å redusere stress på cellene. Telefonen din kan ha 4500mAh fysisk kapasitet, men programvaren lar deg bare bruke 4000mAh av den.

Samme idé fungerer for alle batteriprodukter. Du kan enten nå målet for syklusliv med bedre celler - som koster mer -, eller du kan nå det ved å sette inn ekstra kapasitet og kjøre cellene enklere. Det andre alternativet vinner vanligvis på totalkostnaden når du tar med garantireserver.

Discharge Cycle

Utladningssyklus er bare en måte å kvantifisere slitasje på. Som kilometerteller miles på en bil, men forholdet mellom miles og gjenværende levetid er squishiere. To pakker med 300 sykluser kan ha helt forskjellig gjenværende kapasitet avhengig av hvordan de kom dit.

Celleprodusentene vil gi deg tallene deres. Jobben din er å finne ut hvordan disse tallene oversettes til ditt spesifikke produkt og dine spesifikke brukere. Det er ingen formel for det. Du tester, du sender, du ser på feltdataene og justerer.