Was ist ein Entladezyklus?

Hatte letzten Dienstag einen Anruf bei einem Startup, das sein erstes Handheld-Gerät herstellte. PM fragt mich, wie oft ihre Benutzer den Akku aufladen können. Ich sagte, es kommt darauf an. Er wollte eine Nummer. Ich sagte ihm, vielleicht 500, unter perfekten Bedingungen, die es auf dem Feld nie geben wird.

Das ist das Problem mit den Entladezyklen. Das Konzept ist denkbar einfach, aber die Anwendung auf reale Produkte wird schnell kompliziert.

Ihr Akku zählt keine Plug--Ins. Es zählt den Kapazitätsdurchsatz. Entleeren Sie 100 % der auf dem Typenschild angegebenen Kapazität und das ist ein Zyklus. Machen Sie es auf einmal oder verteilen Sie es über eine Woche mit Teilentladungen - das gleiche Ergebnis.

Der 18650, der gerade in Ihrer Taschenlampe sitzt, befindet sich möglicherweise in Zyklus 47 oder Zyklus 212. Wenn Sie die Amp--Stunden nicht gewissenhaft verfolgt haben, haben Sie keine Ahnung. Die Zelle weiß es sicher nicht. Es gibt keine kleine Theke im Inneren. Ihr BMS schätzt dies auf der Grundlage der Coulomb-Zählung und der Drifts der Coulomb-Zählung. Ich habe Packungen auseinander genommen, bei denen die gemeldete Zykluszahl im Vergleich zur tatsächlichen Alterung im Kalender um 30 % abweichte.

Samsung SDI veröffentlichte bereits 2019 einige Daten, die zeigen, dass seine 21700-Zellen im Rahmen ihres Standardtestprotokolls bei Zyklus 300 eine Kapazitätserhaltung von 83 % erreichen. Panasonic NCR-Zellen aus der gleichen Zeit lagen bei 300 Zyklen eher bei 78 %. Diese Zahlen stammen aus Klimakammern bei 23 Grad mit CC-CV-Ladung bei 0,5 C und Entladung bei 1 C bis 2,5 V-Abschaltung. Ihr Kilometerstand variiert, da es sich bei Ihrem Anwendungsfall nicht um eine Klimakammer handelt.

Jeder in dieser Branche spricht von der Entladungstiefe, als wäre es eine Art Zauberhebel. Flache Zyklen verlängern die Lebensdauer, tiefe Zyklen töten Zellen schneller ab. Das stimmt. Aber die Beziehung ist nicht das, was die meisten Menschen erwarten.

Ich habe 2021 ein Nebenprojekt durchgeführt, um dies für einen Medizingerätekunden zu quantifizieren. Wir haben 200 Zellen aus derselben Produktionscharge genommen, sie in Gruppen aufgeteilt und sie acht Monate lang auf verschiedenen DoD-Niveaus getestet. Die 100 % DoD-Gruppe bildete um Zyklus 380 Krater. Die 60 % DoD-Gruppe hatte nach 900 vollständigen Zyklen immer noch eine Kapazität von 88 %. Die 30-prozentige DoD-Gruppe zeigte nach einem Jahr kaum eine Verschlechterung.

Aber das verraten Ihnen die Datenblätter nicht. Die kalendarische Alterung wirkte sich unabhängig vom Radfahren in allen Gruppen ungefähr gleich schnell aus. Bis zum zehnten Monat hatten selbst die Zellen, die wir kaum berührt hatten, 4-5 % an Kapazität verloren, wenn sie nur bei 50 % Ladezustand in einem 25-Grad-Raum herumlagen. Die stark zyklischen Zellen wurden aus beiden Richtungen getroffen – zyklische Alterung und kalendarische Alterung, die sich übereinander stapelten.

Wenn Ihr Kunde also fragt, warum sein zwei{0}Jahre-altes Gerät nicht so lange hält, obwohl er es „kaum genutzt“ hat -, dann ist das der Grund.

Discharge Cycle

Ich habe in meiner Garage eine Kiste mit Zellen von einem Golfwagen-Akku, der drei Sommer in einem Schuppen in Tucson verbracht hat. Der Besitzer schwor, dass er den Wagen nur vielleicht zweimal im Monat benutzte. Der Pack ist für 2000 Zyklen ausgelegt. Es starb bei 160. Die Zellen sahen äußerlich gut aus. Eines war aufgebrochen und die Biskuitrolle hatte braune Flecken auf dem Trennsteg. Der Elektrolyt hatte sich teilweise zersetzt.

Hitze tötet Lithiumzellen. Nicht so schnell wie ein Dead Short. Langsam, als würde man Butter auf der Arbeitsplatte liegen lassen.

Die Arrhenius-Beziehung ergibt etwa eine zweifache Verschlechterungsrate für alle 10 Grad über 25 Grad. Aber das ist ein Durchschnitt aller Chemien. Die von mir getesteten NMC-Zellen fielen schneller ab. LFP hat sich besser gehalten. Die Pouch-Zellen, die wir für Wearables verwenden, sind empfindlicher als zylindrische Zellen mit der gleichen Chemie, da die thermische Masse geringer ist und sie unter Last heißer werden.

Kalter Ausfluss ist ärgerlich, aber nicht schädlich. Sie verlieren vorübergehend Kapazität. Es kommt zurück, wenn sich die Zelle erwärmt. Ich habe Zellen bei -15 Grad entladen, was nur 61 % der Nennkapazität ergab. Dann habe ich sie auf Raumtemperatur erwärmen lassen und bei der nächsten Entladung die vollen 3,2 Ah erhalten. Kaltes Laden ist der Killer – Lithiumbeschichtung auf der Anode. Dieser Schaden ist dauerhaft. Aus genau diesem Grund sperren die meisten BMS das Laden bei Temperaturen unter 0 Grad.

Bei jeder Entladung werden Lithiumionen von der Graphitanode zur Kathode transportiert. Jede Anklage drängt sie zurück. Wenn Sie dies oft genug tun, fangen die Dinge an, zusammenzubrechen.

Die SEI-Schicht auf der Anode wird dicker. Diese Schicht soll dort sein - sie schützt den Graphit vor dem Elektrolyten. Aber es wächst mit jedem Zyklus, und Wachstum bedeutet, dass es Lithium verbraucht, das sonst Energie speichern könnte. Aus diesem Grund lässt die Kapazität nach, auch wenn nichts Dramatisches passiert.

Kathodenpartikel platzen. NMC- und NCA-Kathoden haben eine Kristallstruktur, die sich beim Ein- und Ausströmen von Lithium ausdehnt und zusammenzieht. Es bilden sich Mikrorisse. Die Oberfläche nimmt zu. Nebenreaktionen beschleunigen sich. Ich habe Querschnitte von Kathodenpartikeln aus Hochzykluszellen gesehen, die unter dem Mikroskop im Vergleich zu frischen Zellen aus derselben Charge wie zerbrochenes Glas aussehen.

Der Elektrolyt zerfällt. Spurenwasser verursacht Probleme. Hochspannung beschleunigt die Oxidation. Es kommt zu einer Gasbildung, einer erhöhten Impedanz und schließlich zu einer Schwellung oder Entlüftung der Zelle.

Nichts davon geschieht gleichmäßig. Die Zellen in Ihrem Serienstrang, die heißer laufen oder mit etwas geringerer Kapazität gestartet sind, altern schneller. Nach ein oder zwei Jahren ist Ihr „passendes“ Paket nicht mehr passend. Die schwache Zelle begrenzt den gesamten String bei der Entladung und wird überlastet, wenn sie versucht, mitzuhalten. Todesspirale von dort.

IEC 62660 und die verschiedenen UL-Standards geben Ihnen eine Grundlage. Bestehen Sie diese und Sie können das Produkt versenden. Aber ich habe miterlebt, wie Zellen die Zertifizierungstests bestanden haben und dann sechs Monate später mit geschwollenen Beuteln bei der Feldrückgabe auftauchten.

Die Zertifizierungstests sind so konzipiert, dass sie in allen Labors wiederholbar sind und nicht den tatsächlichen Einsatz simulieren. Niemand nutzt sein Telefon bei einer konstanten Stromstärke von genau 0,5 °C. Niemand lädt sein Elektrowerkzeug mit einem perfekten CC-CV-Profil bei 25 Grad auf.

Wenn Sie die Leistung Ihres Pakets wirklich verstehen möchten, müssen Sie ein Testprotokoll erstellen, das zu Ihrem tatsächlichen Benutzer passt. Profilieren Sie Ihren erwarteten Entladestrom. Berücksichtigen Sie die Ruhezeiten. Treffen Sie die extremen Temperaturen, denen Ihr Produkt ausgesetzt ist. Führen Sie genügend Zellen aus, um statistische Sicherheit zu erhalten -, und das bedeutet mindestens 15–20 pro Testbedingung, nicht die 3–5, mit denen die meisten Startups durchzukommen versuchen.

Die Zellen, die in frühen Lebenszyklustests versagten, wiesen fast immer Herstellungsfehler auf. Grate an der Elektrode, Verschmutzung, schlechte Schweißnähte an den Laschen. Diese werden in den ersten 50 Zyklen angezeigt. Die Zellen, die spät - ausfallen, sagen Ihnen etwas über Ihr Design.

Sie können die erwartete Lebensdauer berechnen, wenn Sie Ihr Benutzerprofil kennen. Ein Telefon, das täglich aufgeladen wird, kann vor dem Anschließen durchschnittlich 20 % entladen werden -, das sind etwa 0,8 Zyklen pro Tag. Über eine erwartete Lebensdauer von zwei-Jahren sind es 580 Zyklen. Wenn Ihre Zellen für 500 Zyklen bis zu einer Kapazität von 80 % ausgelegt sind, werden etwa ab dem 18. Monat Beschwerden auftreten.

Aus diesem Grund überdimensionieren Apple und Samsung ihre Akkus im Vergleich zur angekündigten Kapazität. Die „100 %“, die Sie auf Ihrem Telefon sehen, entsprechen nicht 100 % dessen, was die Zellen tatsächlich aufnehmen können. Sie halten oben und unten einen Puffer, um die Belastung der Zellen zu verringern. Ihr Telefon verfügt möglicherweise über eine physische Kapazität von 4500 mAh, die Software lässt Sie jedoch nur 4000 mAh davon nutzen.

Die gleiche Idee funktioniert für jedes Batterieprodukt. Sie können Ihr Lebenszyklusziel entweder mit besseren Zellen - erreichen, die mehr kosten -, oder Sie können es erreichen, indem Sie zusätzliche Kapazität einsetzen und die Zellen einfacher betreiben. Die zweite Option gewinnt in der Regel bei den Gesamtkosten, wenn man Garantiereserven berücksichtigt.

Discharge Cycle

Der Entladezyklus ist nur eine Möglichkeit, den Verschleiß zu quantifizieren. Wie Kilometerzähler bei einem Auto, aber das Verhältnis zwischen Meilen und verbleibender Lebensdauer ist unklarer. Zwei Packungen mit 300 Zyklen können, je nachdem, wie sie dort angekommen sind, völlig unterschiedliche Restkapazitäten haben.

Die Zellhersteller nennen Ihnen ihre Zahlen. Ihre Aufgabe besteht darin, herauszufinden, wie sich diese Zahlen auf Ihr spezifisches Produkt und Ihre spezifischen Benutzer übertragen lassen. Dafür gibt es keine Formel. Sie testen, versenden, beobachten die Felddaten und nehmen Anpassungen vor.