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消费级电池在低温状态下的充放电设计【精】

许多电池用户并不知道,消费级锂离子电池在低于0℃时不能充电。尽管电池组看起来在正常充电,但在低温充电过程中,阳极上可能会发生金属锂电镀。这个电镀是永久的,不会伴随充电周期消除。而铅酸电池还会有电解质冻结的危险,这会使外壳破裂。那么工程师设计的时候,要注意哪些?


大多数电池的快速充电,被限制在+5oC到+45oC之间。为了获得**充电效果,还会考虑将温度范围缩小至+10oC至+30oC之间,因为像镍基电池的氧和氢的重新组合能力会降低。


如果电池的充电速度过快,电池中的压力就会增加,从而导致放电。充电温度低于0℃时,将所有镍基电池的充电电流降至0.1C非常重要。
(EDN电子技术设计在这里要快速说明下“C”的定义:如果电池容量为1000mAh,“C”被定义为在1小时内放电1000mA。)
具有负电压(NDV)满电检测功能的镍基充电器,可在低温下快速充电时提供一定的保护:当低温模拟充满电的电池时,充电接受能率不佳。这部分原因是,在低温下由于气体重组能力降低而造成的高压累积造成的。满电时的压力升高和电压下降似乎是相伴发生。

为了能够在所有温度下进行快速充电,一些工业电池添加了热毯,将电池加热到合适的温度;智能充电器自动调节充电率到当前的温度。消费电子的充电器没有这些功能,终端用户只能在室温下充电。


不同类型电池在低温下的表现
当涉及到极端温度时,铅酸电池相当宽容,正如我们汽车中的蓄电池电池显示的那样。推荐的低温充电速率为0.3C,与正常情况几乎相同。在+20℃的舒适温度下,充气开始时充电电压为2.41V/电池芯。到-20℃时,充气阈值升至2.97V/电池。
冻过的铅酸电池会导致永久性损坏。始终保持电池完全充电,因为在放电状态下,电解液变得更像水,比充满电时更易结冰。被浸没过的铅酸蓄电池往往会破裂,如果被冻就会造成泄漏;密封铅酸包装失去效力,失效前只能提供几次充电周期而已,需要更换。
锂离子电池在较冷的温度下可提供相当好的充电性能,并能在+5至+45oC的温度范围内快速充电。低于+5oC时,充电电流应降低,在结冰的温度下不允许充电。在充电过程中,内部电池芯电阻引起轻微的温度升高,从而补偿一些寒冷。所有电池的内部电阻在寒冷时变得更高。

许多电池用户并不知道,消费级锂离子电池在低于0℃时不能充电。尽管电池组看起来在正常充电,但在低温充电过程中,阳极上可能会发生金属锂电镀。这个电镀是永久的,不会伴随充电周期消除。如果暴露在振动或其他压力条件下,锂电池电池更容易出现故障。先进的充电器可以防止锂离子电池在低于结冰温度时充电。


对低于冰冻温度的锂离子电池充电,正在取得进展。对于大多数锂离子电池来说,充电确实是可能的,但是以非常低的电流进行。
根据研究论文,-30℃的允许充电率为0.02C。例如:2500mAh的电池在-30 oC时需要以50mA的电流充电,在这样低的电流下,充电时间需要延长到50小时以上,这似乎是不切实际的,但在北方的石油/天然气领域,保持锂离子电池组准备好并充满电,以便控制管道内的压力和其他参数,似乎是行的通的。通常这些电池组被用作后备电源。

所有电池在低温下的性能急剧下降;然而,由于使用过程中内部直流电阻会升高,产生的效率损失会造成一些变暖效应。在-20℃时,大多数电池停止工作。尽管镍镉电池的工作温度可以降低到零下40摄氏度,但允许的放电量只有0.2C。锂离子电池可以工作在-40℃的温度,但只能在较低的放电速率下工作。在这个温度下充电是不可能的。用铅酸电池会有电解质冻结的危险,这会使外壳破裂。当充满电时铅酸液比重更像是水,只有少量电量时会快速冻结。


具有相同容量的匹配电池在低温和重负荷下放电时起重要作用。由于电池组中的电池永远不可能完美匹配,因此如果允许放电持续超过安全的低电池量切断点,则在多电池组中的较弱电池上可能出现负电压电位。这被称为电池芯逆转,弱电池会成为永久的电量少的点。电池芯数量越大,负载下电池芯逆转的可能性就越大。在低温和高负载下过放电,是造成电池供电设备/系统故障的主要原因。

如果在明显低于-10℃的温度下充放电,电池容量也可能会降低,这与充电时的锂电镀同时发生。在这些低温下,可提取的能量也大大减少。