Пояснення терміну служби батареї - Як продовжити термін служби літієвих батарей

 

Оскільки зростає популярність домашніх систем накопичення енергії, а ціни на електроенергію продовжують зростати, все більше домогосподарств встановлюють літієві батареї, щоб зменшити витрати на енергію та забезпечити резервне живлення. Ці батареї є значною інвестицією, часто коштуючи понад 10 тисяч у.о. для типової системи потужністю 10 кВт·год, тому важливо розуміти, як максимально використати цей ресурс. Більшість домашніх сонячних батарейних систем, що продаються сьогодні, використовують літій-залізофосфатні або LFP -елементи через довший термін служби та дуже низький ризик теплового вибуху (пожежі). Доступні й інші хімічні склади літієвих елементів, такі як NCA та NMC, які були популярними кілька років тому та використовуються в деяких електромобілях, але рідко використовуються для домашніх акумуляторів. З цієї причини ця стаття в першу чергу зосереджена на тому, як продовжити термін служби літієвих LFP-акумуляторів.

Хоча більшість виробників сонячних батарей пропонують 10-річну гарантію, існує плутанина щодо втрати ємності з часом та того, як забезпечити термін служби батареї до та після закінчення гарантійного терміну. ​​Щоб продовжити термін служби батареї, вкрай важливо знати, як обслуговувати та експлуатувати літієві акумуляторні системи таким чином, щоб захистити та подовжити термін їх служби. У цій статті пояснюються належні практики управління батареями та заглиблюються в технічні аспекти глибини розряду батареї (DOD) та її впливу на деградацію, надійність та термін служби батареї.

 

 

Термін служби та ємність акумулятора

Ємність літієвих (LFP) акумуляторних систем зазвичай вимірюється в кВт⋅год (кіловат-годинах), тоді як найпоширенішим показником, що використовується для визначення терміну служби акумулятора, є кількість циклів зарядки до втрати певної кількості енергії. Зазвичай це коливається від 3000 до 5000 циклів протягом терміну служби акумулятора від 10 до 15 років. Менш відомим показником терміну служби, який часто вказується лише в гарантійному документі, є річна пропускна здатність енергії в МВт⋅год (мегават-годинах). Існують певні суперечки щодо того, який показник є найважливішим, що ми розглянемо далі в цій статті.

Виходячи з прискорених випробувань та результатів реальних випробувань, термін служби акумулятора зазвичай становить від 8 до 15 років, після чого втрачається від 20 до 30% початкової ємності. На швидкість втрати ємності впливають такі фактори, як частота циклів розрядки, температура та глибина розрядки (DOD). Загалом, менш інтенсивний цикл розрядки з меншою глибиною розрядки призводить до тривалішого терміну служби. Однак існують деякі альтернативні погляди та суперечки з цього приводу:

 

Стан заряду (SOC) та глибина розряду (DOD)

 

Стан заряду (SOC) – це відсоток від того, наскільки заряджений акумулятор у будь-який момент, тоді як глибина розряду (DOD) показує, яка частина ємності акумулятора використовується в циклі. Наприклад, якщо акумулятор ємністю 10 кВт⋅год розряджається до 3 кВт⋅год (або 70% від його загальної ємності), рівень заряду (SOC) становить 30%, а глибина розряду – 70%. Загалом, більшість літієвих акумуляторних систем не розряджаються нижче 20% SOC, щоб забезпечити певну ємність для аварійних ситуацій, а в деяких випадках – щоб акумулятор працювали в межах гарантійних характеристик виробника.

 

Стан акумулятора (SOH)

Стан здоров'я (SOH) – це відсоток від залишку ємності акумулятора. Ємність акумулятора зазвичай зменшується на 1-4% щорічно під впливом різних факторів, таких як температура, швидкість заряду та розряду, пропускна здатність енергії та глибина розряду. Цей природний процес деградації часто називають зниженням ємності . Наприклад, акумулятор ємністю 10 кВт⋅год з 85% SOH після 7 років використання матиме 8,5 кВт⋅год корисної ємності. Моніторинг та вимірювання SOH є важливим для визначення процесу старіння акумулятора та оцінки того, чи відповідає акумулятор специфікаціям виробника. Більшість акумуляторів з керованими блоками BMS (замкнутий цикл зв'язку) повідомляють про SOH акумулятора інвертору або контролеру акумулятора.

 

Кінець терміну служби батареї (EOL)

Кінець терміну служби акумулятора (EOF) – це коли його ємність знизилася до певного відсотка від початкової номінальної ємності. Кінцева ємність (EOL), визначена виробником акумулятора, зазвичай коливається від 60% до 80% SOH після 10 років, залежно від гарантії. У гарантійному документі має бути зазначено, що акумулятор збереже певний відсоток початкової ємності після певної кількості років або після певної кількості пропущеної енергії (кВт·год). Після досягнення EOL акумулятора він не вважається непридатним для використання та повинен продовжувати працювати протягом кількох років, але зі зниженою ємністю. Однак деякі виробники можуть вимагати повернення акумулятора після досягнення ним EOL.

 

Чотири правила для продовження терміну служби літієвої батареї

Усі сучасні літієві акумулятори містять систему керування акумулятором (BMS), яка контролює напругу внутрішніх елементів акумулятора, температуру та швидкість заряджання. BMS також відключає акумулятор, якщо виявляє проблему, низьку напругу або стрибок напруги. Однак BMS може зробити лише певну кількість кроків, щоб запобігти роботі акумулятора поза оптимальними умовами, тому ці чотири правила допоможуть продовжити термін служби акумулятора, підвищити надійність системи та зменшити ризик передчасного виходу з ладу.

1. Уникайте розряду нижче 20% зарядного стану

Загальне правило щоденної експлуатації полягає в тому, щоб використовувати не більше 80% від загальної ємності акумулятора. Це означає, що рівень заряду (SOC) не повинен опускатися нижче 20%, окрім випадків надзвичайної ситуації. Це робиться для того, щоб певна ємність акумулятора залишалася під час відключення електроенергії. Як пояснюється далі в цій статті, глибокий розряд акумулятора LFP нижче 10% може призвести до вимкнення інвертора через низьку напругу, особливо під час високих або стрибків навантаження. Зі старінням акумуляторів ємність поступово втрачається, що, швидше за все, призведе до низької напруги, що є поширеною проблемою зі старими самокерованими літієвими акумуляторами.

2. Уникайте екстремальних температур

Тривалі високі температури вище 45 ° C (113 ° F) прискорюють деградацію та можливе теплове розширення, тоді як низькі температури нижче 0 ° C (нуля) знижують продуктивність і можуть значно знизити швидкість заряджання. Низькі температури нижче нуля можуть призвести до вимкнення акумулятора, якщо його неправильно заряджати. Системи акумуляторів слід захищати від екстремальних температур, а заряджання слід ретельно регулювати, якщо воно працює поза рекомендованим температурним діапазоном. Хоча низькі температури можуть пошкодити акумулятор, якщо його (примусово) заряджати занадто швидко, тривалі високі температури вище 45 ° C призведуть до прискореної деградації, незалежно від швидкості заряджання.

3. Регулярно повністю заряджайте

Заряджайте акумулятори LFP до 100% кожні 7-10 днів, щоб збалансувати елементи та забезпечити однаковий рівень заряду (SOC) для всіх акумуляторних модулів. Однак, якщо акумулятор використовується нерегулярно, наприклад, у заміському будинку, що не підключений до мережі, його не слід тримати на 100% заряду протягом тривалого часу (більше 2-3 місяців). У цьому випадку рівень заряду (SOC) акумуляторів LFP слід зменшити до 50-60%. Заміські будинки з акумуляторами LFP можуть потребувати неглибокої циклічної розрядки/розрядки, якщо навантаження встановлено на таймер. Зверніться до інструкцій виробника щодо тривалого зберігання.

4. Керування швидкістю зарядки

Занадто швидка зарядка додає внутрішнього напруження та може нагрівати елементи, збільшуючи деградацію. Як правило, BMS керуватиме швидкістю зарядки, щоб уникнути цих проблем, але інвертор також повинен бути правильно налаштований та розмірений, щоб не перезаряджати акумулятор. Переконайтеся, що налаштування швидкості зарядки акумулятора відповідають специфікаціям виробника (максимальна швидкість зарядки C). Акумулятори LFP слід заряджати зі швидкістю 0,5 C або C/2, щоб зменшити теплове навантаження. Простіше кажучи, це означає, що зарядка розрядженого акумулятора має зайняти приблизно дві години. Наприклад, розряджений акумулятор ємністю 10 кВт·год слід заряджати з максимальною швидкістю 5 кВт протягом 2 годин. Однак ідеальним часом було б від 3 до 4 годин, особливо за вищих температур навколишнього середовища.

 

Суперечка - глибина розряду проти енергетичної пропускної здатності

Більшість виробників акумуляторів вказують, що гарантія покриває певну кількість енергії, що пропускається. Енергетична пропускна здатність – це загальна кількість енергії, яку можна зарядити та розрядити протягом (гарантованого) терміну служби акумулятора , і на неї не впливає глибина розряду (ГР). У розрахунку це часто дорівнює приблизно одному повному циклу заряду-розряду на день протягом гарантійного терміну. ​​Виходячи з цього, деякі стверджують, що ГР менш актуальна, якщо метою є використання акумулятора на повну потужність. Ідея полягає в тому, що максимізація енергетичної пропускної здатності акумулятора виправдовує глибші цикли зарядки-розрядки, якщо ви можете повністю використовувати акумулятор, незважаючи на потенційний вплив на довговічність. Нижче наведено приклад деталей гарантії на акумулятор та очікуваного терміну служби залежно від глибини розряду (ГР).

 

Інформація про гарантію на акумулятор від PowerPlus Energy показує приблизний термін служби за різних рівнів DOD. Зверніть увагу, що гарантія на акумулятор анулюється (N/A), якщо акумулятор розряджено до 100% DOD.

 

Окрім гарантійних обмежень деяких виробників щодо глибини розряду (DOD), дослідження показують, що цикли літій-залізо-фосфатних (LFP) акумуляторів з високим рівнем DOD, такі як щоденний розряд до 5 або 10% SOC, значно прискорюють знос акумулятора порівняно з розрядом до 20 або 25%. Іншими словами, хоча загальна пропускна здатність енергії може бути вищою, глибші цикли розряду призводять до більшої деградації та скорочують кількість життєздатних циклів. Цей компроміс стає набагато важливішим, коли для забезпечення окупності інвестицій потрібен термін служби акумулятора, оскільки термін окупності деяких акумуляторних систем може бути довшим, ніж гарантійний термін акумулятора. Крім того, глибші цикли розряду призводять до більшого ризику анулювання гарантійних умов виробника. Як буде пояснено детальніше пізніше, ще однією потенційною проблемою глибоких розрядів є ризик того, що система управління будівництвом акумулятора (BMS) відключиться при низькій напрузі, що призведе до вимкнення інвертора та виходу з ладу системи.

Звичайно, спосіб використання акумулятора залежить від цілей користувача: пріоритет постачання енергії може забезпечити високий рівень глибини розряду, тоді як зосередження на збільшенні терміну служби та надійності призводить до зниження глибини розряду. Розуміння правильного балансу необхідне для забезпечення очікуваної роботи системи.

 

Ризики глибокого розряду акумуляторів LFP

Окрім скорочення терміну служби, глибокий розряд літій-залізо-фосфатних (LFP) акумуляторів створює кілька ризиків через особливості кривих їх напруги та чутливість інверторів і систем керування акумуляторами (BMS) до умов низької напруги. Ось основні проблеми, що виникають під час розряду літієвих акумуляторів до дуже низьких рівнів:

 

Графік, що показує круту криву напруги розряду ближче до кінця розряду акумулятора LFP.

 

1. Швидке падіння напруги

Крива напруги LFP залишається відносно рівною протягом значної частини циклу розряду, але починає різко знижуватися, як тільки рівень заряду (SoC) акумулятора падає нижче приблизно 20%. Протягом цієї фази невелике падіння ємності призводить до суттєвого зниження напруги. Це може призвести до втрати ефективності інверторів, оскільки вони можуть працювати менш ефективно поблизу діапазону мінімальної вхідної напруги.

2. Вимкнення BMS при низькій напрузі

Для захисту елементів акумулятора система управління будівництвом (BMS) контролює рівні напруги та вимикає акумулятор, якщо виявляє небезпечно низьку напругу (часто близько 2,7–2,9 В на елемент для LFP) або нижче 44 В для систем акумуляторів на 48 В. Цей захисний захід запобігає надмірному розряду та потенційному пошкодженню елементів. Однак, коли це трапляється, весь акумуляторний блок стає недоступним, що може призвести до повного вимкнення системи. Якщо BMS вимкнеться під навантаженням від інвертора, це призведе до збою системи, і її може бути дуже важко перезапустити без прийнятної опорної напруги акумулятора.

3. Вимкнення інвертора при низькій напрузі акумулятора

Інвертори мають мінімальний поріг напруги, часто трохи вищий за напругу відключення BMS, щоб запобігти пошкодженню та зберегти ефективність інвертора. Коли напруга акумулятора падає близько до цього порогу, інвертор може вимкнутися для самозахисту, перериваючи живлення будь-яких підключених навантажень. Цей ризик набагато вищий під час глибоких розрядів та високих навантажень, коли напруга може коливатися та на мить опускатися нижче мінімального робочого діапазону інвертора.

Старі літієві акумулятори з автоматичним керуванням особливо вразливі до проблем із низькою напругою. Зі старінням акумуляторів інвертор або система керування (шунт акумулятора) не враховуватиме втрату ємності, оскільки система управління акумулятором (BMS) не пов'язана із системою керування. У такому випадку вона продовжуватиме працювати так, ніби акумулятор новий (з повною ємністю), що значно підвищує ймовірність виникнення падінь напруги. У цьому випадку систему слід щорічно перепрограмовувати, щоб враховувати втрати з часом; зазвичай достатньо 3% на рік.

4. Ризик повного відключення системи

Якщо вимкнуться і BMS, і інвертор, система може повністю вимикатися (повне знеструмлення системи), оскільки ні BMS, ні інвертор не можуть ініціювати перезапуск без зовнішнього джерела живлення. У багатьох випадках BMS не дозволить акумулятору перезавантажитися без достатнього відновлення заряду для повернення напруги елементів до нормального рівня. Ця неможливість перезапуску може бути особливо проблематичною в автономних системах , де для перезавантаження системи та доведення напруги акумулятора до робочого рівня може знадобитися зовнішнє джерело заряду, таке як сонячний інвертор змінного струму.

5. Неможливість перезапустити систему після вимкнення BMS

У випадках глибокого розряду, коли система BMS повністю вимикає акумулятор і залишається в розрядженому стані протягом тривалого часу, напруга на елементах може не відновитися. Якщо зовнішнє джерело живлення, таке як мережеве живлення або резервний генератор, недоступне, розпочати зарядку може бути неможливо, що призведе до непрацездатності системи та незворотного пошкодження акумулятора. Щоб уникнути цієї ситуації, особливо в автономних системах, слід встановити сонячну батарею з підтримкою постійного струму та MPPT-контролер заряду з можливістю запуску з темного режиму, такий наприклад як Victron. Це забезпечить можливість розпочати зарядку акумулятора без активного джерела змінного струму або працюючого інвертора.

 

Технічний аналіз - термін служби батареї проти глибини розряду

Дослідження показують, що високий рівень розряду/розрядки (DOD) спричиняє більшу деградацію літій-залізо-фосфатних (LFP) акумуляторів, що призводить до втрати ємності та зниження рівня заряду/напруги (SOH). Внутрішня структура акумулятора динамічно реагує на кожен цикл: при вищому рівні розряду/розрядки матеріали всередині елементів зазнають більшого навантаження, що призводить до кумулятивних ефектів деградації. Протягом багатьох циклів це призводить до більш вираженого зниження ємності порівняно з нижчими рівнями розряду.

Як детально описано нижче, існує кілька добре вивчених механізмів деградації, які скорочують термін служби акумуляторів у стаціонарних системах зберігання, включаючи деградацію електродів, де відбувається літієве покриття анода та руйнування графітової структури в умовах низького стану заряду (SoC). Додатковий розклад електроліту при низькому SOC – це процес, який потовщує шар твердого електроліту (SEI) на поверхні анода, що призводить до збільшення внутрішнього опору та виділення тепла. Крім того, цикли глибокого розряду викликають структурну деформацію в кристалічній решітці елемента, що може спричинити мікротріщини в активному матеріалі, знижуючи його здатність зберігати заряд.

 

Пояснення механізмів деградації акумулятора

1. Деградація електродів

• Літієве покриття та утворення дендритів : При низьких рівнях заряду іони літію в електроліті елемента можуть мігрувати та осідати на аноді. Це літієве покриття збільшує внутрішній опір і може призвести до утворення дендритів, що зрештою може спричинити коротке замикання. Цей ефект частіше зустрічається при низьких станах заряду (SoC) під час глибокого розряду.
• Деградація графітового анода : Матеріал анода, зазвичай графіт у літій-іонних елементах, зазнає структурних змін при глибоких розрядах. Збільшене напруження графітової структури внаслідок глибших циклів сприяє структурному руйнуванню та призводить до незворотної втрати ємності з часом.
• Коли акумулятори глибоко розряджаються, активні іони літію з більшою ймовірністю незворотно затримуються в електродах. Збільшений діапазон циклів розрядки/розрядки збільшує ймовірність того, що деякі іони літію не повернуться в електроліт, що призводить до поступової втрати ємності (часто званої втратою ємності ). Втрата активних іонів літію зменшує загальну енергію, яку може зберігати акумулятор, що призводить до скорочення терміну служби та зниження продуктивності.

2. Згущення та розкладання SEI

• Зростання шару SEI : Твердоелектролітний інтерфазний шар (SEI) на поверхні анода є важливим для стабільності акумулятора, оскільки він захищає анод і регулює потік іонів. Однак глибші розряди можуть створювати навантаження на цей шар, прискорюючи його ріст і спричиняючи його потовщення. У міру потовщення шару SEI він споживає електролітний матеріал і збільшує внутрішній опір, що призводить до більшого виділення тепла та прискореного старіння акумулятора.
• Окислення електролітів та газоутворення : Нижчі рівні SoC пов'язані з більш агресивним розкладанням електролітів, що призводить до утворення газу всередині елемента. Газоутворення може збільшити тиск у елементі, знизити продуктивність та з часом призвести до набряку елементів.

3. Теплова і теплогенерація

• Висока глибина розряду сприяє тепловиділенню всередині елемента через підвищений внутрішній опір та втрати енергії. З часом це тривале тепловиділення може погіршити матеріали елемента, впливаючи на довговічність акумулятора та його безпечний діапазон роботи. Дослідження показують, що елементи LFP, хоча й більш термічно стабільні, ніж інші хімічні елементи, все ж страждають від підвищених температур під час циклів глибокого розряду, що прискорює старіння та втрату ємності.

4. Фазові переходи та деформація

• Клітинні елементи LFP зазнають незначних структурних змін у своїй кристалічній решітці під час циклів заряду та розряду. Глибокі розряди, особливо якщо вони часто повторюються, створюють значне механічне навантаження на структуру решітки, що призводить до мікротріщин та розривів в активному матеріалі. Ці структурні зміни зрештою знижують здатність елемента ефективно утримувати та передавати заряд, що ще більше зменшує його ємність та здатність утримувати енергію.

 

Дослідження та посилання

Дослідження деградації літій-залізофосфатних (LFP) акумуляторів послідовно показують, що більша глибина розряду (ГР) сприяє прискореному старінню, навіть за умови контролю загальної енергетичної пропускної здатності. Нижче наведено кілька рецензованих джерел, які заглиблюються в цю тему та окреслюють, як глибокі цикли розряду/розрядки впливають на довговічність елементів LFP:

1. Rumpf et al. (2015) - Journal of Power Sources : У цьому дослідженні вивчалося старіння елементів LFP та було виявлено, що збільшення глибини розряду призводить до швидшого зниження ємності, особливо коли цикли відбуваються понад 80% глибини розряду. Було виявлено, що глибокі розряди напружують структуру катода та електроліт, що сприяє збільшенню імпедансу та швидшому старінню.
   • Посилання : Rumpf, K. та ін. (2015). «Аналіз життєвого циклу літій-залізо-фосфатних (LFP) елементів». Journal of Power Sources , 282, 296-306.
2. Петерсон та ін. (2010) - Журнал електрохімічного товариства : Дослідження, проведене тут, зосереджувалося на циклічному розряді акумуляторів LFP при різних рівнях глибини скидання (DOD) та підтвердило, що високий DOD прискорює деградацію, зокрема через вищі структурні напруження на активних матеріалах та підвищену ймовірність побічних реакцій при низькому рівні SoC.
   • Посилання : Peterson, SB, Apt, J., & Whitacre, JF (2010). «Деградація літій-іонних акумуляторних елементів внаслідок реалістичних робочих циклів транспортних засобів та мережі». Journal of the Electrochemical Society , 157(10), A1419-A1431.
3. Ян та ін. (2019) - Матеріали для накопичення енергії : У цій статті досліджувалась поведінка старіння в елементах LFP з різними глибинами розряду та зроблено висновок, що глибші цикли розряду збільшують механічне напруження в активних матеріалах. Результати підкреслюють, як екстремальні умови циклічного розряду, особливо при низькому рівні заряду (SoC), прискорюють втрату ємності.
   • Посилання : Ян, Д. та ін. (2019). «Механізми деградації LiFePO4-акумуляторів за різної глибини розряду». Energy Storage Materials , 23, 566-575.
4. Шмальстіг та ін. (2018) - Журнал накопичення енергії : У цьому дослідженні проаналізовано дані довгострокового циклу на елементах LFP та підтверджено, що глибокі розряди сприяють збільшенню втрати ємності, зокрема, підкреслюючи роль підвищеного внутрішнього опору та деградації активного матеріалу.
   • Посилання : Schmalstieg, J. та ін. (2018). «Посмертний аналіз старих автомобільних LiFePO4 елементів». Journal of Energy Storage , 17, 365-375.
5. Keil & Jossen (2017) - Journal of Energy Storage : У цьому дослідженні Keil та Jossen виявили, що обмеження глибини падіння ємності (DOD), особливо шляхом уникнення циклів низького рівня заряду/розрядки SoC, подовжує термін служби акумулятора LFP. Їхня робота кількісно визначила, як глибша глибина падіння ємності корелює з більшим падінням ємності з часом, зумовленим деградацією електродів та зносом електроліту.
   • Посилання : Keil, P., & Jossen, A. (2017). «Старіння літій-іонних акумуляторів в електромобілях за різних умов експлуатації». Journal of Energy Storage , 6, 125-141.
6. Дже-Хун Кім, Санг Чхоль Ву, (2013) - Science direct: Механізм зниження ємності літієвих вторинних акумуляторів на основі LiFePO4 для стаціонарного накопичення енергії