Akumuliatorių iškrovimo kreivės

Bendraujant su elektronikos entuziastais bene dažniausia tema būna akumuliatoriai. Akumuliatoriai dėl to, kad tai yra pati skaudžiausia ir delikačiausia problema elektrinio transporto sferoje. Apie svorį, kainą ir kitas įdomias smulkmenas parašysiu kitą kartą, o čia tiesiog parodysiu kaip atrodo įvairių chemijų akumuliatorių išsikrovimo grafikai. Ordinačių ašyje pavaizduota suskaičiuota akumuliatoriaus talpa Ah, o abscisių – akumuliatoriaus įtampa V. Bandymas buvo atliktas su šiais akumuliatoriais:

LiFePO4

LiFePO4 yra bene naujausia (išrasta berods ~2002m) akumuliatorių cheminė sudėtis, šiai dienai siūlanti pačias geriausias charakteristikas. Čia, kaip ir kitur, be abejo yra pasirinkimo laisvė: “geras” (bet brangus) prieš “pigus” (bet prastas).

Pirmoje nuotraukoje yra PSI gamybos “10 Ah” LiFePO4 (3.2V) celė; antroje – ABF gamybos “10 Ah” LiFePO4 celės (4 vnt.); trečioje – ABF gamybos “2,3 Ah” celės.

Na ir rezultatai tokie:

Trumpai apie celes:

  • PSI “10 Ah” celes naudojau savo antrajame e-dviratyje; jos apturėjusios virš 500 pilnų ciklų ir buvo žiauriai kankinamos (pikinės iškrovimo srovės siekdavo 10 C; vidutinė maždaug 4 C).
  • ABF “10Ah” celės yra tokių pačių matmenų ir sveria tiek pat kaip ir PSI celės. Matuota celė yra visiškai nauja ir jos deklaruojama talpa yra 10 Ah.
  • ABF “2,3 Ah” celės yra kiniška A123 kopija. Bandyme naudotos celės yra naujos. Deklaruojama talpa – 2,3 Ah.
  • A123 “2,3 Ah” (26650) celės yra naujos, tiesiai iš gamintojo. Deklaruojama talpa – 2,3 Ah.

Kaip matome, 10 Ah ABF celė surinko tik 8,4 Ah (iš deklaruotų 10 Ah) – ech tie kitaicai…  2,3 Ah ABF celė (A123 kopija) iš vis tėra kažkoks nesusipratimas. Ką kitaicai galvoja pardavinėdami 1,7 Ah celes kaip “2,3 Ah”? Gauta “10 Ah” PSI celių talpa maždaug 9,3 Ah (beje pagal specifikaciją, talpa kaip naujos): turint mintyje ką šiai celei teko ištverti – tai labai geras rezultatas! Turbūt daugumai įdomiausia kreivė priklauso A123. Ši celė, kaip ir visos kitos, buvo apkrauta 1 C (2,3 A) srove. Kaip matote, nors ir chemija ta pati, laikoma įtampa yra šiek tiek aukštesnė, o kreivė yra dar griežtesnė – ypatingai tiesiška iki išeikvojama maždaug 2,2 Ah talpos, o tuomet įvyksta staigus lūžis ir įtampa neria žemyn. Iki celė visiškai išsikrauna, ji atiduoda 2,375 Ah, kas yra net daugiau nei deklaruojama. Va čia tai kokybė! Taip pat atkreipkite dėmesį, kad PSI celės kreivė žymiai plokštesnė nei ABF – tai gana geras rodiklis, nes važiuojant mažėjanti akumuliatoriaus įtampa labai jaučiasi (palaipsniui mažėja trauka ir maksimalus greitis), o tas jausmas yra gana nemalonus. Dar verta pastebėti, kad PSI ir A123 iškrovos kreivių forma yra labai panaši, tai galima daryti išvadą, kad cheminė sudėtis labai panaši (tai labai didelis pliusas PSI celių gamintojui, kad sugeba lygiuotis su A123).

PbSO4

PbSO4 gal ir skamba neaiškiai, bet tai yra patys populiariausi akumuliatoriai, naudojami beveik visuose automobiliuose su vidaus degimo varikliu. Šie akumuliatoriai pagaminti iš švino ir sieros rūgšties, taigi liaudyje vadinami tiesiog “švininiais”. Apie jų savybes daug nepasakosiu ir tiesiog išmatuosiu kreivę. Šiuo metu man po ranka buvo tik iš mopedo išimtas 12 V (6 celių) švino akumuliatorius. Mopedas 2007m gamybos, taigi galima daryti išvadą, kad akumuliatoriui yra maždaug 3 metai. Čia tirsiu kaip šis akumuliatorius reaguoja į skirtingos srovės iškrovą: Pradėsiu nuo 0,1 C, po to 0,5 C ir baigsiu 1 C srove. Šio akumuliatoriaus deklaruojama talpa yra 4 Ah, taigi srovės atitinkamai: 0,4 A, 2 A ir 4 A. Man labai rūpi šio akumuliatoriaus gyvybingumas, taigi tarp bandymų jis bus įkraunamas 0,1 C srove.

Įdomumo dėlei šiame grafike atvaizdavau ir A123 iškrovos kreivę (4 nuoseklios celės, talpa kompensuota, kad atitiktų švino akumuliatorių). Kaip matome, A123 akumuliatoriaus kreivės “tiesioji” dalis telpa į maždaug 0,5 V, kai tuo tarpu švino kreivės “plokštumai” jau reikia maždaug 1,5 V. Vietoje deklaruojamos 4 Ah talpos šis akumuliatorius, iškraunamas 0,1 C srove surinko vos 3,3 Ah. Kaip 3 metų senumo akumuliatoriui gal ir neblogai. Nors ir kritimas 3 kartus didesnis, tai vis tik yra gana geras rezultatas, tikėjausi žymiai liūdnesnio vaizdo. Atlikęs testą su 0,5 C iškrovimo srove (žalia kreivė) gan stipriai nustebau: akumuliatorius nesugebėjo atiduoti net pusės savo talpos. Iš kreivės matome, kad įtampos kritimas išliko toks pats, taigi galime daryti išvadą, kad akumuliatoriaus ekvivalentinė nuoseklioji varža yra gana maža. Atiduodamos energijos (Ah) mažėjimas yra aiškinamas Peukerto efektu ir labiausiai pasireiškia būtent švino akumuliatoriuose. Žinojau kad talpa mažės, bet kad tiek – nesitikėjau… Net suabejojau ar verta daryti bandymą su 1 C srove – tiesiog baisu numarinti akumuliatorių.

A123

A123 nėra kažkoks atskiras akumuliatorių tipas, nes šių akumuliatorių chemija tėra ta pati LiFePO4, tačiau šiuo metu tai yra patys geriausi man žinomi akumuliatoriai, todėl nusipelno atskiros testų skilties. Nuotraukoje kairėje matote A123 gamybos, “26650” korpuso tipo (matmenys 26×65 mm) celė, kurios deklaruojama talpa – 2,3 Ah. Celės gamintojo specifikacijoje teigiama, kad ši celė atlaiko ilgalaikę 30 C iškrovos srovę, kas atitinka 70 A, o pikinė, iki 10 sekundžių trunkanti, srovė gali siekti net 120 Amperų! Tai sako, kad nuosekliai sujungus keturias tokias celes (kad įtampa būtų apie 12 V) jau galima būtų gana lengvai užvesti benzininį automobilį. Tik įsivaizduokite, bendras tokio akumuliatoriaus svoris tėra tik apie 300 g (70×4)! Ir pasirodo tai ne tik teoriniai paistalai, bet ir praktinė realybė: pažiūrėkite šį YouTube filmuką, kur man žinomas žmogelis su tokiu akumuliatoriumi užvedė savo automobilį esant -21 °C temperatūrai, kai jo švininis akumuliatorius net nepajėgė įjungti degimo relės.

Kad šio akumuliatoriaus talpa atitinka ir net viršija deklaruojamą įsitikinome šio straipsnelio pradžioje, bet o kaip gi yra su kitais deklaruojamais parametrais, pavyzdžiui, ypatingai dideliu ciklų skaičiumi (virš kelių tūkstančių), darbu plačiame temperatūrų ruože bei talpos išlaikymu dirbant didelėmis srovėmis? Tuos dalykus čia ir norėčiau išsiaiškinti.

Iškrovimas skirtingomis srovėmis

Testas (aplinkos temperatūra 22 °C):

Kaip matome, net 4 kartus padidinus iškrovimo srovę, buvo išnaudota ne mažiau celės talpos, bet netgi daugiau! Tikros to priežasties nežinau, bet tik galiu spėti, kad efektyvi talpa padidėjo dėl didesnės celės temperatūros, kuri, dėl vidinės celės varžos, iškraunant didesne srove buvo keliais laipsniais aukštesnė (38 °C). Šio testo metu išsiaiškinta, kad A123 akumuliatoriuose Peukerto efektas nepasireiškia, tačiau talpa priklauso nuo darbinės temperatūros. Dar galima atkreipti dėmesį į celės įtampą iškrovimo metu – dirbant didesne srove matosi gana ryškus įtampos kritimas. Iš kreivių gauta celės vidinė talpa – 20 mΩ. Tai yra dvigubai daugiau nei deklaruoja gamintojas, tačiau tai galiu paaiškinti: atlikdamas bandymus laidus jungiau ne tiesiai prie celės (na, tai ir nelabai įmanoma), bet prie jos kontaktų privirintų auselių, kurių varža vis tik yra gana didelė. Didesne srove iškrauti nebandžiau, nes mano įranga be papildomų priemonių (galingo rezistoriaus) gali sklaidyti tik 30 W galią.

Ciklavimas

Testas buvo atliekamas 22 °C aplinkos temperatūroje; įkrovimo srovė 3 C, iškrovimo – 4 C.

Vienas pilnas ciklas, atliekamas minėtomis srovėmis, trunka maždaug 40 minučių, taigi 100 ciklų užtruko beveik tris dienas. Testo metu celė gulėjo ant stalo, netoli praviros orlaidės, o tai labai gerai matosi grafike: naktį nukrenta aplinkos temperatūra ir iškart gaunama mažesnė talpa. Deja atlikdamas šį testą nesitikėjau tokios priklausomybės nuo temperatūros, taigi prie celės neprijungiau temperatūros jutiklio. Taip pat kaip tik tomis dienomis stipriai krito lauko temperatūra, o tai ir vėl padarė įtaką rezultatams. Jei dabar reikėtų pakartoti šį testą, celę patalpinčiau kur nors, kur yra labai stabilus “klimatas”: nekintanti temperatūra ir skersvėjų nebuvimas. Deja neturint tikslių temperatūrų, negalima padaryti objektyvių išvadų apie celės talpos kitimą, bet bent jau pastebėta, kad net po šimto gana sunkių ciklų celė puikiai išlaikė savo talpą.

Darbas žemoje temperatūroje

Dar vieną testą atlikau -17 °C temperatūroje (vieną šaltą dieną iškišau per langą). Krovimas buvo atliekamas 2 C, o iškrovimas – 4C srove. Pirmasis įkrovimas buvo atliktas kambario temperatūroje, tuomet celė pakabinta už lango, kur pakabėjo valandėlę, kol atšalo iki aplinkos temperatūros. Pirmasis iškrovimas atrodė taip:

Kaip matome, žemoje temperatūroje celės įtampa gana stipriai krenta, tačiau dirbant netgi tokiomis sąlygomis efektyvi talpa sumažėja labai nežymiai (iki 2300 mAh, kas ir deklaruojama gamintojo). Jau po pirmo įkrovimo -17 °C šaltyje 2 C srove, celės efektyvi talpa buvo tik 2000 mAh (dėl mažiau efektyvaus įkrovimo) ir kitus 5 ciklus išliko nepakitusi. Tikslios celės temperatūros pasakyti negaliu, nes automatinis įkroviklis matuoja tik teigiamą temperatūrą, tačiau iškrovimo pabaigoje lazerinis termometras rodė -10 °C. Deja, bet po 5 pilnų ciklų tokioje temperatūroje celės talpa negrįžtamai sumažėjo iki 2270 mAh ir išliko nepakitusi darant dar 15 ciklų kambario temperatūroje.

Kodėl talpa krito po pirmo įkrovimo šaltyje? A123 deklaruoja, kad darbinė temperatūra yra iki -30 °C, tačiau neminima ar tai tik iškrovai, ar galima ir krauti. Anksčiau minėtų PSI celių gamintojas teigia, kad jo celes galima iškrauti temperatūroje iki -20 °C, tačiau įkrauti tik aukščiau 0 °C. Gal būt tai paaiškina negrįžtamai sumažėjusią celės talpą.

Pabaigai

Kol kas tiek, bet vėliau bus daugiau: dar planuoju NiMH, NiCd, Duracell, eneloop ir ką nors iš “rotosonic” serijos…

Beje, jei kam kiltų klausimas su kuo matuota akumuliatorių talpa, tai galiu iš karto sutaupyti kelis komentarus: viskas daryta su “iCharger 208B“.

http://en.wikipedia.org/wiki/Peukert%27s_law
23 Comments
  1. avatar
    • avatar
  2. avatar
    • avatar
    • avatar
  3. avatar
    • avatar
    • avatar
    • avatar
  4. avatar
    • avatar
  5. avatar
  6. avatar

Add a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *