Современные литий-ионные аккумуляторы.
Батареи на их основе
Как известно, в отличие от аккумуляторов других типов литий-ионные аккумуляторы могут соединяться в параллельные цепи без применения специальных мер. Причина этого — практическое отсутствие побочных реакций при их заряде/разряде. Параллельное соединение литий-ионных аккумуляторов успешно используется на протяжении многих лет в батареях различных типов, например в ноутбуках. Причем батарея комплектуется из аккумуляторов одной партии одного производителя, что обеспечивает близкие значения емкости, внутреннего сопротивления и сходный характер зарядно-разрядных кривых во всем диапазоне применения.
О подборе аккумуляторов для комплектования батарей речь пойдет ниже. Сейчас лишь отметим, что такое свойство, как параллельное соединение Li-ion-аккумуля-торов, не только облегчает задачу размещения аккумуляторов в корпусах батарей сложной формы, но и позволяет снизить номенклатуру типоразмеров аккумуляторов для построения практически любых батарей. Параллельное соединение применяется для увеличения как емкости батареи, так и ее мощности, отдаваемой в нагрузку (увеличение тока разряда). На рис. 1 показан пример параллельного соединения аккумуляторов батареи. Ячейка состоит из 10 параллельно соединенных аккумуляторов (10P), батарея — из четырех последовательно соединенных ячеек (4S). При такой конфигурации батареи, увеличивая или уменьшая количество горизонтальных рядов аккумуляторов, можно получить, например, следующие аккумуляторные батареи (АБ): 12P4S, 8P4S, 6P4S, а также другие варианты. Производитель АБ, имея всего один типоразмер аккумулятора (в данном случае цилиндр 18650), может выпускать несколько АБ на одном и том же оборудовании. Количество аккумуляторов, соединенных параллельно, иногда доходит до нескольких десятков, такие АБ прекрасно работают, не создавая каких-либо проблем при их правильном проектировании и эксплуатации.
Рассмотрим, каким образом можно соединить Li-ion-аккумуляторы в АБ, с учетом простоты параллельного соединения. Конечно, разработчикам РЭА удобнее иметь дело с определенным диапазоном напряжений, чтобы минимизировать затраты на всевозможные преобразователи и стабилизаторы, но в обзоре мы проанализируем все варианты.
Итак, имеется определенное количество аккумуляторов, которое можно разместить в отведенном для АБ объеме. Возникает вопрос: как соединить аккумуляторы в батарею? Рассмотрим варианты соединения на примере 8 аккумуляторов, при этом будем считать, что мощность, отдаваемая в нагрузку, будет постоянной величиной для всех видов соединений (P‑const). Варианты соединения показаны на рис. 2.
Первый вариант — соединение всех аккумуляторов параллельно (1S8P).
Второй вариант — соединение по параллельно-последовательной схеме 2S4P. Батарею можно составить двумя способами: 1 — собрать ячейку из четырех параллельно соединенных аккумуляторов и соединить последовательно две такие ячейки; 2 — собрать цепочку из двух последовательно соединенных аккумуляторов и собрать батарею путем параллельного соединения таких цепочек.
Третий вариант — соединение по параллельно-последовательной схеме 4S2P. Как и во втором варианте, можно собрать батарею двумя разными способами.
Четвертый вариант — последовательное соединение всех аккумуляторов (8S).
Рассмотрим первый и четвертый варианты.
Первый вариант (вариант 1) отличается повышенной токовой нагрузкой (при постоянной мощности отдачи: Р = U×I = const.). Напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, а ток равен току одного аккумулятора, умноженному на число параллельно соединенных аккумуляторов. К недостаткам варианта 1 можно отнести увеличение массы батареи за счет толщины токоведущих шин, предохранителя, силового коммутатора (на рисунке не показаны) и т. д. Также следует учитывать выбор правильного подсоединения батареи к нагрузке. Аккумуляторы в данном варианте будут работать по-разному, если подсоединить их к нагрузке, как показано на рис. 2, за счет падения напряжения на токоведущих шинах. Аккумулятор G8 будет недогружен, а G1 перегружен (в конструктиве аккумуляторы могут располагаться вообще в разных местах).
К достоинствам первого варианта можно отнести: низковольтное питание, отсутствие системы баланса, контроль напряжения только одной ячейки при правильно реализованном снятии тока с батареи.
Четвертый вариант (вариант 4) отличается пониженной токовой нагрузкой (при Р = const) за счет увеличения номинального напряжения, отсутствием необходимости оптимизировать точки токосъема.
К недостаткам следует отнести: контроль напряжения каждого аккумулятора в батарее, наличие системы баланса и средств определения начала заряда (например, датчик тока для правильной работы системы баланса). То есть требуется наличие более сложной системы обеспечения функционирования (СОФ) и управления батареей [1]. Кроме того, аккумуляторы для батареи надо подбирать так, чтобы их параметры были идентичными (емкость, внутреннее сопротивление и т. д.).
Варианты 2 и 3, способ соединения № 1: в данном случае каждая ячейка состоит из параллельно соединенных аккумуляторов. В варианте 2 — это четыре аккумулятора, а в варианте 3 — два аккумулятора. На практике в основном применяются данные варианты, поскольку они позволяют достигнуть компромисса между величиной токовой нагрузки и величиной номинального напряжения батареи. При этом число контролируемых ячеек по напряжению уменьшается по сравнению с вариантом 4, уменьшается и токовая нагрузка по сравнению с вариантом 1. Оптимальный выбор между током и напряжением позволяет также оптимизировать построение СОФ АБ. К достоинствам можно отнести лучшую заполняемость отведенного под батарею объема. Если взять не восемь аккумуляторов, а, к примеру, 16 меньшей емкости, то коэффициент заполнения отведенного объема относительно небольшими аккумуляторами будет больше (особенно если заполняемый объем не является параллелепипедом). Также при параллельном соединении снижаются требования по подбору аккумуляторов в батарею. Чем больше аккумуляторов соединяется параллельно, тем меньше требования к разбросу их параметров, поскольку характеристики усредняются.
К недостаткам можно отнести увеличение требований к системе баланса, токи балансирования будут выше, чем в варианте 4, так как емкость аккумуляторной ячейки больше. Вариант 2 и 3, способ соединения № 2 практически не применяется. Это связано с тем, что на каждую последовательно соединенную цепочку необходимо устанавливать свою систему контроля напряжений каждого аккумулятора и свою систему баланса, что усложняет построение батареи в целом. При параллельном включении нескольких цепочек в одну цепь могут протекать токи между цепочками.
К достоинствам данного варианта можно отнести устойчивость такой батареи к отказам. Выход из строя одной последовательной цепочки не приводит к выходу из строя всей батареи, и нагрузка, как правило, может продолжать питаться. Однако снизится отдаваемая батареей емкость и возрастет нагрузка на оставшиеся цепочки. Также можно проводить ремонт во время работы батареи, отключив одну цепочку для устранения неисправностей.
Рассмотрим данные варианты соединения аккумуляторов в АБ с точки зрения вероятных отказов, то есть надежности. Самыми распространенными причинами отказа аккумуляторов являются (от наиболее вероятных к менее вероятным):
- снижение характеристик аккумулятора (уменьшение отдаваемой емкости, возрастание внутреннего сопротивления);
- разрыв цепи внутри аккумулятора;
- короткое замыкание внутри аккумулятора.
Отметим, что внутреннее короткое замыкание аккумулятора встречается чрезвычайно редко, что обеспечивается технологией его изготовления.
Резкое снижение характеристик одного аккумулятора приводит к потере нагрузочной способности АБ в варианте 4 и мало сказывается на работе батареи для варианта 1. Самым предпочтительным вариантом при построении АБ являются варианты 2 и 3, способ 1, так как наиболее вероятным отказом становится резкое снижение характеристик аккумулятора. При снижении характеристик одного аккумулятора не происходит отказа всей батареи.
На надежность соединения по варианту 1 влияет только вероятность короткого замыкания в одном из аккумуляторов, что приводит к выходу из строя всей АБ, остальные отказы слабо сказываются на работе батареи, ведь при параллельном соединении аккумуляторы дублируют друг друга.
На надежность соединения по варианту 4 влияют два вида отказов: снижение характеристик и разрыв цепи. Короткое замыкание в аккумуляторе, как и в варианте 3, не критично сказывается на работе всей АБ.
Вариант соединения 3, способ 1 не критичен к любому виду отказа. При разрыве цепи одного аккумулятора ток будет течь через соседние, снизится только емкость всей АБ. При замыкании цепи одного аккумулятора снизится номинальное напряжение всей батареи на напряжение одной ячейки, и в конечном итоге мощность батареи, отдаваемая в нагрузку, также снизится. При снижении характеристик одного аккумулятора остальные, параллельно соединенные с ним, будут его дублировать. Данный вариант наиболее распространен и наиболее часто используется разработчиками при проектировании АБ различного назначения.
Поясним физические принципы соединения аккумуляторов в параллельную цепочку и то, как они могут работать в составе АБ. При соединении аккумуляторов сама система становится распределенной — ее нельзя свести к простой модели или рассматривать как элементарную точку. В такой системе, в частности, неправомерно пренебрегать сопротивлением соединительных шин, что влечет перераспределение токовой нагрузки на аккумуляторы. Способы подключения нагрузки к подобной системе показаны на рис. 3.
На рисунке показано параллельное соединение пяти аккумуляторов. Для упрощения модели резисторами Rп обозначены только сопротивления перемычек, соединяющих аккумуляторы. При подключении нагрузки (показанной в левой верхней части рисунка) ток I1 аккумулятора G5 будет больше тока I2 аккумулятора G1. Из-за падения напряжения на перемычках и меньшего тока, отдаваемого в нагрузку аккумулятором G1, аккумулятор G5 будет быстрее разряжаться и первым достигнет минимума, при котором необходимо отключить АБ от нагрузки, в то время как в остальных аккумуляторах еще остается энергия. Также из-за повышенного тока разряда аккумулятор G5 будет испытывать и более интенсивные тепловые нагрузки (перегреваться), что способно привести к увеличению скорости его деградации. Кроме того, при отключении АБ от нагрузки потечет ток заряда — от менее разряженного аккумулятора G1 к более разряженному G5. Этот ток будет ограничиваться сопротивлениями перемычек Rп и внутренним сопротивлением аккумуляторов и в пике может достигать значительных величин. Таким образом, в тот момент, когда ячейка G5 будет нуждаться в замене, ячейка G1 еще останется вполне работоспособной.
Для уменьшения влияния описанного эффекта необходимо уменьшить сопротивление перемычек (Rп) за счет увеличения их поперечного сечения так, чтобы оно было намного ниже внутреннего сопротивления применяемых аккумуляторов. Такое решение может привести к увеличению массы АБ, а значит, к снижению удельных характеристик. Другой способ (показан в нижней части рис. 3) — применить так называемый принцип диагонали. Иными словами, следует найти такие точки съема тока в АБ, при которых токи, протекающие через аккумуляторы в АБ, были бы одинаковыми.
Аккумуляторы в АБ при параллельно-последовательном соединении должны быть как можно ближе по своим параметрам — по внутреннему сопротивлению, емкости и саморазряду. При параллельной работе аккумуляторов с различными внутренними сопротивлениями токи разряда будут также различаться. В данном случае токи перераспределяются среди аккумуляторов, нагружая одни и недогружая другие. По мере разряда возрастает и внутреннее сопротивление аккумуляторов, это происходит тем быстрее, чем меньше остается энергии. А потому идеальной считается ситуация, когда все аккумуляторы отдают одну и ту же емкость и через каждый из них течет одинаковый ток при разряде. Этого можно добиться конструктивно, а также подбором аккумуляторов в АБ.
Точно такая же ситуация возникает, если соединить аккумуляторы, имеющие отличающиеся друг от друга разрядные кривые. При одном и том же напряжении они будут иметь различную остаточную емкость. При разряде токи, текущие через каждый аккумулятор, тоже будут различными. Перераспределение токов зависит от внутренних сопротивлений аккумуляторов — таким образом, одни будут иметь больший ток разряда, другие меньший. Значительное перераспределение токов среди параллельно соединенных аккумуляторов приводит к повышенной деградации аккумуляторов с меньшим внутренним сопротивлением, что, в свою очередь, вызывает сокращение срока службы всей АБ.
Существует целый ряд применений, требующих от источника тока высокой удельной энергии для увеличения длительности работы и в то же время способности выдерживать кратковременные разрядные импульсы током, существенно превышающим длительный ток разряда. Пример подобного использования аккумуляторных батарей — питание электрических двигателей. Серийные литий-ионные аккумуляторы, предназначенные для средних режимов, как правило, рассчитаны на ток разряда до 2–3 Сн. Кроме того, работа при интенсивных режимах значительно сокращает срок службы этих аккумуляторов [2], а их способность выдерживать большие импульсные токи заметно снижается с увеличением срока эксплуатации [3, 4]. Использование для этих целей специализированных короткоразрядных аккумуляторов, которые способны разряжаться длительно токами 10 Сн и более, не всегда оправдано из-за их более низкой удельной энергии и более высокой стоимости.
Есть несколько решений данной задачи. Одним из возможных способов повышения импульсной мощности батарей на основе литий-ионных аккумуляторов, при сохранении высоких удельных характеристик и незначительном повышении стоимости, является параллельное соединение среднеразрядных и короткоразрядных литий-ионных аккумуляторов. Однако при параллельном соединении литий-ионных аккумуляторов различных типов необходимо учитывать, что помимо разных внутренних сопротивлений каждый тип имеет свою зависимость напряжения разомкнутой цепи от степени заряженности, характерной для материалов положительного и отрицательного электродов [5, 6], и свою зарядно-разрядную кривую [6, 7]. Вот почему для такого рода АБ следует выбирать аккумуляторы, близкие по своим параметрам во всем диапазоне температур, изготовленные одним производителем и имеющие одинаковый состав электродных масс.
Схема параллельного соединения аккумуляторов приведена на рис. 4а. Здесь Rом представляет собой омическое сопротивление, Rпол — поляризационное сопротивление, а Rпров — сопротивление соединительных проводов, сварных и паяных соединений. Сумма омического и поляризационного сопротивлений представляет собой полное сопротивление аккумулятора.
Омическое сопротивление — это сумма сопротивлений электродов, токоподводов и электролита. Его можно рассчитать по падению напряжения на аккумуляторе сразу после включения заданного тока нагрузки (рис. 4б) или его отключения. Поляризационное сопротивление связано с замедленной диффузией лития в электродах аккумулятора и зависит от целого ряда факторов: температуры, тока разряда, продолжительности разряда и т. д.
При параллельном соединении двух литий-ионных аккумуляторов с разным внутренним сопротивлением и близкими кривыми зависимости напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) от степени заряженности ток, протекающий, например, через аккумулятор 1, будет определяться следующей формулой:
I1 = (Rом2+Rпол2+Rпров2)/(Rом1+Rпол1+Rпров1+Rом2+Rпол2+Rпров2)×Iобщ. (1)
В момент включения тока Rпол = 0 и формула несколько упростится. Авторами был проведен эксперимент параллельного включения в работу среднеразрядных и короткоразрядных аккумуляторов.
Для эксперимента использовался короткоразрядный аккумулятор LP853496HC (EEMB, КНР) и среднеразрядные цилиндрические аккумуляторы ICR18650 (применяемые в аккумуляторных батареях ноутбуков). Практическая разрядная емкость каждого из аккумуляторов при токе разряда 500 мА составила 2 А·ч. Омическое и поляризационное сопротивление определяли по падению напряжения в момент включения разрядного тока (Rом) и через заданный промежуток времени (Rпол) (рис. 4б).
Для подтверждения выведенных зависимостей была собрана схема, состоящая из одного короткоразрядного аккумулятора LP853496HC и четырех параллельно соединенных среднеразрядных аккумуляторов габарита ICR18650. Последовательно с короткоразрядным аккумулятором и группой среднеразрядных аккумуляторов для измерения токов в ходе экспериментов были подключены шунты 75ШС 20 А 75 мВ. Разряд проводили током 10 А в течение одной минуты.
Результаты измерения омического и поляризационных сопротивлений, приведенные в таблице 1, показывают, что омическое сопротивление короткоразрядного аккумулятора в 4 раза ниже, чем у среднеразрядного. Поляризационное сопротивление при этом незначительно увеличивается с ростом тока разряда и существенно возрастает с увеличением длительности разряда. Результаты испытания аккумуляторной сборки на разряд общим током 10 А в течение 1 мин приведены на рис. 5.
Аккумулятор |
LP853496HC |
ICR18650 |
|
Омическое сопротивление, мОм |
15 |
60 |
|
Поляризационное |
1 А, 1 мин |
23 |
29 |
2 А, 1 мин |
24 |
36 |
|
1 А, 2 мин |
35 |
40 |
|
1 А, 4 мин |
53 |
58 |
|
5 А, 1 мин |
26 |
– |
В первоначальный момент времени разрядный ток, протекающий через короткоразрядный аккумулятор, составляет существенную долю общего тока, протекающего через сборку. Постепенно полное внутреннее сопротивление короткоразрядного аккумулятора возрастает, и ток, протекающий через него, снижается (отрицательные значения тока в момент времени от 0 до 60 с). После отключения разрядного тока короткоразрядный аккумулятор начинает подзаряжаться от среднеразрядных, так как за время разряда емкость, отданная короткоразрядным аккумулятором, заметно превышает емкость, отданную среднеразрядным аккумулятором. На рис. 5 показан ток одного из четырех среднеразрядных аккумуляторов. После отключения нагрузки он продолжает разряжаться малым током, заряжая короткоразрядный аккумулятор.
Максимальный ток перетекания можно определить, зная напряжения на каждом аккумуляторе сразу после отключения тока:
In = (U2–U1)/(Rом1+Rпров1+Rом2+Rпров2), (2)
Ui = Uнач–Ii×Rполi, (3)
где Uнач — напряжение до включения тока разряда (рис. 4б).
После преобразований получим:
In = ((Rом2+Rпол2+Rпров2)×Rпол1 – (Rом1+Rпол1+Rпров1)×Rпол2)×Iобщ/(Rом1+Rпол1+Rпров1+Rом2+Rпол2+Rпров2)×(Rом1+Rпров1+Rом2+Rпров2). (4)
Как показывают результаты, приведенные в таблице 2, расчетные значения отличаются от экспериментальных менее чем на 15%.
Параметр |
Значение |
|||
Короткоразрядный аккумулятор |
Среднеразрядный аккумулятор |
|||
эксперимент |
расчет |
эксперимент |
расчет |
|
Начальный ток разряда, А |
5,7 |
5,4 |
1,1 |
1,2 |
Конечный ток разряда, А |
4,5 |
4 |
1,4 |
1,5 |
Ток перетекания, А |
1,3 |
1,4 |
0,32 |
0,34 |
Максимальное значение тока перетекания, наблюдающееся сразу после выключения разрядного тока для короткоразрядного аккумулятора, не превысило 1,3 А, что составляет 0,65 Сн, при этом данное значение не является критическим. При увеличении длительности разряда ток перетекания также возрастет. При заряде токами более 1 Сн ресурс литий-ионных аккумуляторов заметно снижается [8], поэтому для обеспечения длительного срока службы аккумуляторов при их параллельном соединении необходимо, чтобы ток перетекания не превышал эту величину.
Благодаря комбинированному включению короткоразрядного и среднеразрядных аккумуляторов можно заметно повысить удельные характеристики АБ по сравнению с применением только короткоразрядных аккумуляторов и не перегружать среднеразрядные аккумуляторы при работе импульсными (стартерными) токами, если не использовать короткоразрядный аккумулятор.
Литий-ионные аккумуляторы обладают не только высокими удельными характеристиками, но и возможностью соединения их по последовательно-параллельной схеме в АБ. Это предоставляет разработчикам более широкие возможности по их применению и проектированию аккумуляторных батарей.
- Рыкованов А. Элементная база систем обеспечения функционирования Li-ion-аккумуляторов // Компоненты и технологии. 2012. № 8
- Ning G., Haran B., Popov B. Capacity fade study of lithium-ion batteries cycled at high discharge rates // J. of Power Sources. 2003. V. 117. № 1–2.
- Zhang D., Haran B. S., Durairajan A. et al. Studies on capacity fade of lithium-ion batteries // J. of Power Sources. 2000. V. 91. № 2.
- Shim J., Striebel K. Characterization of high-power lithium-ion cells during constant current cycling Part I. Cycle performance and electrochemical diagnostics // J. of Power Sources. 2003. V. 122. № 2.
- Cousseau J., Siret C., Biensan P., Broussely M. Recent developments in Li-ion prismatic cells // J. of Power Sources. 2006. V. 162. № 2
- Handbook of Batteries / Edited by Linden D., Reddy T. B. Mc Graw-Hill, 2004.
- Nohma T., Kurokawa H., Takahashi M., Nishio K., Saito T. Electrochemical characteristics of LiNiO2and LiCoO2 as a positive material for lithium secondary batteries // J. of Power Sources. 1995. V. 54. № 2.
- Choi S., Lim H. Factors that affect cycle-life and possible degradation mechanisms of a Li-ion cell based on LiCoO2// J. of Power Sources. V. 111. № 1.