Почему большинство схем защиты аккумуляторов имеют разрядный колпачок на 2,5 В?

Это может быть не окончательный ответ, но несколько моментов, на которые следует обратить внимание при выборе порогового напряжения.

Выходное напряжение элемента при разрядке ниже, чем его напряжение покоя, и разница тем выше, чем выше ток. Если вы отключите элемент после достижения нижнего предела напряжения, его напряжение немного восстановится. Вот почему контроллеры разряда должны иметь гистерезис или память, чтобы предотвратить их повторное включение без цикла зарядки.

Другое дело, если вы посмотрите на кривую разряда литий-ионного аккумулятора, то увидите, что напряжение очень быстро падает в конце цикла разрядки. Существует лишь небольшая разница в оставшемся состоянии заряда между 2,5 В и 3,0 В. Таким образом, фактическое значение выбора порогового напряжения 2,5 В вместо 3,0 В может быть не таким драматичным, как кажется.

ОБНОВЛЕНО. Этот документ включает в себя схему разряда: https://engineering.tamu.edu/media/4247819/ds-battery-panasonic-18650ncr.pdf .

При малом токе (0,2С) разница в заряде между 2,5В и 3В составляет ~3%, элемент практически пустой. Однако при более высоких токах (2C) разница выше, однако это частично связано с тем, что разряжающаяся батарея «не может» быстро отдать всю накопленную энергию. В этом случае восстановление напряжения, вероятно, будет более значительным.

УПД2. Подводя итог, чтобы сделать мою мысль немного более ясной:

1. Говоря о напряжении батареи, важно различать напряжение покоя и напряжение под нагрузкой.
2. От 2,5 В до 3,0 В - разумный интервал для напряжения отключения под нагрузкой. 3,5 В конечно многовато.

УПД3. Кстати, все диаграммы в таблице данных выше указаны для V_cutoff = 2,5 В, включая особенно интересную «Характеристики жизненного цикла».

Срабатывание защиты от переразряда сократит срок службы батареи

«Защита от [переразряда] обычно не используется, т. е. допускается […] [оставаться] за пределами диапазона [использования] для наилучшего срока службы. […] Не используйте защиту от переразряда в качестве сигнала о том, когда следует заряжать аккумуляторы, это может быстрее изнашиваются батареи». ( источник )

Возможно, это уже отвечает на ваш вопрос: разрядка до срабатывания защиты от переразряда приведет к более быстрому износу батареи и сокращению срока ее службы. Это не повредит его напрямую, как вы говорите, но сократит срок его службы, и этого не должно происходить при регулярном использовании. Само устройство также должно измерять напряжение разряда и отключаться раньше, чем схема защиты от переразряда, а именно при измерении под нагрузкой 2,5–3,0 В, в зависимости от химического состава батареи ( источник ).

Это называется «минимальное напряжение для прекращения разряда».

Не слишком ли мало 2,5 В для защиты от переразряда?

2,5 В в качестве предела отключения для схемы защиты от переразряда не является «слишком низким» по следующей причине:

Напряжение, измеряемое этой схемой, измеряется во время разряда (то есть под нагрузкой), а самое низкое напряжение для безопасной подзарядки, которое вы имеете в виду, измеряется как напряжение холостого хода (то есть без нагрузки). Для литий-ионного элемента два способа измерения напряжения будут различаться до 1,2 В из-за эффекта отскока. Это зависит от приложенной нагрузки (более высокая нагрузка впоследствии приводит к более высокому отскоку), а также от химического состава, возраста, температуры и производителя элемента.

Пример эффекта отскока можно увидеть на следующей диаграмме (взято отсюда ) , где ячейка была разряжена до 2,5 В при нагрузке 2,0 А, а затем разрядка была остановлена:

Правильное напряжение, при котором должна срабатывать защита от переразряда, зависит от химического состава батареи, производителя и нагрузки, но обычно составляет 2,3–2,5 В для слаботочных приложений (0,5–1C) и 2,0 В для сильноточных приложений (при условии, что подходящие клетки, разумеется). ( источник )

Какое напряжение повредит ячейку?

Вы упомянули, что «литиевые батареи […] можно довести только до [конечно, не ниже 3,0 В], прежде чем возникнет риск повреждения элемента». Мы уже установили, что 3,0 В — это напряжение под нагрузкой, при котором разрядка должна прекратиться, чтобы сохранить максимальный срок службы элемента. Но дальнейшая разрядка не приведет к немедленному повреждению элемента или сделает его небезопасным в использовании.

Итак, для полноты картины давайте посмотрим, какое напряжение действительно повредит ячейку.

После отключения схемой защиты от переразряда и ожидания около часа мы можем измерить напряжение холостого хода элемента. Это напряжение имеет значение для принятия решения о безопасности перезарядки элемента. Вряд ли когда-либо прямо указывается, что это должно быть измерено как напряжение холостого хода, но (1) это именно то, как вы измеряете ячейки в хранилище, (2) если это не будет напряжение холостого хода, тогда нагрузка для измерения at также должно быть указано. Кроме того, (3) следующий источник подразумевает, что это напряжение холостого хода, упоминая «нахождение» на этом напряжении, чего не происходит, если это напряжение под нагрузкой:

«Не возвращайте к жизни литиевые батареи, которые находились ниже 1,5 В на элемент в течение недели или дольше». ( источник )

Как правило, литий-ионный элемент не становится необратимо поврежденным или небезопасным в использовании, пока его напряжение холостого хода не упадет ниже 2,0 В:

«Не заряжайте батареи напряжением ниже 2 вольт, за исключением случаев, когда у вас есть данные [листы], говорящие о том, что это безопасно». ( источник )

Таким образом, указанный выше предел 1,5 В применим не всегда, но он (а иногда и более низкие пределы вплоть до 1,0 В) может быть применим для некоторых аккумуляторов некоторых производителей. Ниже этого напряжения происходит необратимое повреждение элемента из-за химической деградации и роста медных дендритов. Дендрит может вызвать внутреннее короткое замыкание и возгорание батареи во время будущей перезарядки и является причиной того, что ячейка, которая была разряжена слишком низко, должна быть утилизирована.

Также обратите внимание, что любой переразряженный литий-ионный элемент не должен заряжаться полным током, а должен быть предварительно заряжен малым током с помощью специального зарядного устройства («форсированный режим»), пока он не достигнет напряжения холостого хода 3,0 В или точнее. , пока не отключится соответствующая схема защиты от переразряда. Большинство зарядных устройств бытовых устройств не могут этого сделать и будут считать аккумулятор «дефектным», но элементы на самом деле не повреждены и все еще могут быть безопасно перезаряжены при применении этапа предварительной зарядки, как описано.

Подробнее обо всем этом смотрите здесь и здесь .

Да вы правы. Литий-ионные аккумуляторы можно разряжать как минимум до 2,5 В, но рекомендуется, чтобы минимальное напряжение, при котором разряжаются литий-ионные или литий-полимерные аккумуляторы, составляло всего 3,0 В. Это увеличит срок службы аккумулятора. Разрядка до 2,5 В вызывает изменения в химическом составе, такие как увеличение внутреннего сопротивления и т. д. Я случайно разрядил аккумулятор ниже 2,5 В, после чего произошло внутреннее короткое замыкание батареи (у меня был опыт).

Если вы посмотрите на некоторые регуляторы скорости от радиоуправляемых электромобилей, они обычно отключаются при напряжении 3,0 В. Так что, я думаю, это зависит от марки и качества используемой схемы защиты.

Обычная защитная микросхема на большинстве батарей, которые я видел, которые включают защиту, - это DW01A, которая отключается при 2,4–2,5 В.

Если вы хотите отрезать 3,0 В, вам нужна другая микросхема защиты. Микросхема Ablic для 3,0 В — это S8261ABTMD G3TT2.

https://www.ablic.com/en/doc/datasheet/battery_protection/S8261_E.pdf

У меня также есть проблемы с поиском подходящих модулей bms для переразряда.

У меня есть программируемый разрядник батареи, который позволяет мне устанавливать ток разряда и напряжение отключения, и он сообщает полный номинал батареи в миллиампер-часах при достаточно высоких токах, несмотря на то, что напряжение немного подскочит при снятии нагрузки.

Более низкое напряжение отсечки (2,4 В - это то, что сейчас есть у большинства модулей, защитная ИС DW01) приведет к разрядке батареи, так что любая небольшая паразитная нагрузка от самой схемы защиты может повредить батарею, если ее не зарядить немедленно. Кроме того, меньшие нагрузки не будут вызывать такого большого падения напряжения, как большие нагрузки, а при небольшой нагрузке и слишком низком напряжении отключения батарея будет слишком сильно разряжаться, при небольшой нагрузке будет очень небольшой отскок напряжения.

Я доверяю спецификациям производителя батареи, они точно соответствуют номинальной нагрузке, номинальному низкому напряжению отсечки и номинальному ватт-часу для элементов.

Я не буду упоминать свое мнение о том, почему третьи стороны будут поставлять только платы, которые сокращают срок службы батарей без какой-либо дополнительной ценности для потребителя.