Как рассчитать емкость батареи 18650

Знание емкости литий-ионной батареи 18650 важен для правильного питания устройств и эффективного управления многоклеточными аккумуляторными блоками. Но определение емкости требует немного больше размышлений, чем чтение этикетки на 18650. В этом подробном руководстве я расскажу о нескольких ключевых методах точного расчета емкости 18650.

Емкость аккумулятора 18650 показывает, сколько электрического заряда он может обеспечить, измеряемого в миллиампер-часах (мАч) или ампер-часах (Ач). Но в отличие от того, что указано на этикетке, реальная емкость 18650 значительно варьируется в зависимости от тока разряда. Чтобы найти пригодную емкость, необходимо учитывать эту зависимость от нагрузки.

Почему номинальная и фактическая емкость 18650 отличаются

Большинство 18650 имеют рейтинг емкости, напечатанный на корпусе, обычно от 1500мАч до 3500мАч. Это число представляет собой емкость элемента при разряде при низком, стандартизированном токе, около 0,2C (где C — номинальная емкость элемента).

Разряд при 0,2C дает максимально возможную емкость. Но на практике устройства часто потребляют гораздо больший ток, что снижает пригодную емкость 18650 по нескольким причинам:

Концентрационная поляризация

Когда литий-ионные элементы проходят разряд, начинают формироваться области истощения концентрации рядом с электродами. Элемент пытается диффундировать больше ионов, чтобы компенсировать это, но при более высоких токах он не справляется, что снижает емкость.

Омическая поляризация

Внутреннее сопротивление 18650 вызывает падение напряжения при протекании тока, что приводит к более быстрому достижению напряжения отключения и преждевременному завершению разряда.

Производительность при разряде

18650 используют вставочные соединения, которые имеют ограниченное количество мест для входа литий-ионов. Высокий ток разряда уменьшает количество заряда, которое они могут принять.

Учет этих эффектов требует тестирования для определения фактической пригодной емкости в зависимости от вашего тока нагрузки.

Расчет емкости 18650 на основе тока разряда

Хотя номинальная емкость полезна для сравнения, для определения реального времени работы 18650 необходимо рассчитать пригодную емкость при вашем конкретном токе разряда. Есть несколько способов определить это.

Используйте кривую разряда

Авторитетные производители аккумуляторов предоставляют кривые характеристик разряда в своих технических характеристиках 18650. Эти графики показывают протестированные уровни емкости при различных постоянных токах разряда до определенного напряжения отключения.

С помощью этих данных можно точно оценить емкость при различных токах. Однако немногие компании предоставляют эти подробные кривые.

Используйте онлайн-калькулятор емкости 18650

Существуют онлайн-калькуляторы литий-ионных аккумуляторов, которые оценивают емкость на основе тока разряда, используя архивированные тестовые данные. Хотя они менее точны, чем собственное тестирование, они дают хорошее приближение без лабораторного оборудования.

Проведите тест с программируемой нагрузкой

Самый точный способ определить реальную емкость — протестировать ваш конкретный элемент 18650 с помощью программируемой электронной нагрузки или анализатора аккумуляторов.

Эти устройства могут безопасно разряжать 18650 при стабильном, заданном токе, одновременно регистрируя напряжение с течением времени. Они разряжают до заданного напряжения отключения, затем интегрируют ток для вычисления фактической емкости.

Большинство анализаторов и умных зарядных устройств имеют встроенное тестирование разряда. Для DIY-тестирования можно использовать переменный резисторный нагрузочный банк. Просто убедитесь, что все необходимые меры защиты соблюдены.

Хотя тестирование дает истинную емкость, оно требует начительных инвестиций в оборудование и дополнительного времени.

Рассмотрите запас безопасности

При определении размера многоклеточного аккумулятора рекомендуется уменьшить номинальную емкость каждой ячейки на 20%. Это защищает от переразряда из-за различий между ячейками и потери емкости из-за старения.

Для высоких нагрузок некоторые разработчики дополнительно снижают расчетную емкость на 10%, чтобы учесть температурные эффекты в реальных условиях эксплуатации. Лучше иметь немного больше емкости, чем нужно, чем работать на грани.

Ключевые факторы, снижающие емкость 18650

Хотя тестирование дает наиболее точную меру емкости, несколько переменных, помимо скорости разряда, могут снизить пригодную емкость 18650:

Низкие температуры

Литий-ионные ячейки теряют емкость при холодных температурах из-за увеличения внутреннего сопротивления и замедления химических процессов. При минусовых температурах пригодная емкость может снизиться на 50% или более.

Высокие температуры

Емкость также уменьшается при температурах выше комнатной. При около 45°C пригодная емкость уменьшается до 20%. При 60°C емкость может снизиться на 35%.

Возраст и циклы зарядки

При повторных циклах зарядки/разрядки литий-ионные ионы теряют способность правильно интеркалировать в электроды, что вызывает постоянное снижение емкости на протяжении срока службы 18650.

Требования к напряжению

Напряжение отключения устройства влияет на пригодную емкость. Емкость продолжает уменьшаться ниже 3,0 В, поэтому отключение при 2,5 В дает меньшую емкость, чем при 3,0 В. Всегда рассчитывайте емкость исходя из напряжения отключения системы.

Коэффициент C

Пригодная емкость значительно варьируется в зависимости от скорости разряда. Высокий ток может значительно снизить емкость ниже 50% от рейтинга при низкой скорости. Проверяйте кривые разряда при выборе ячеек.

Понимание того, как эти факторы влияют на емкость, позволяет более точно прогнозировать время работы для конкретного применения и условий эксплуатации.

Лучшие практики для оптимизации емкости 18650

Хотя тестирование и расчеты дают рабочую емкость, существует несколько способов помочь максимизировать потенциальный срок службы и время работы ваших ячеек 18650:

• Тщательно выбирайте ячейки, чтобы соответствовать требуемым скоростям разряда
• Используйте меньшие токи разряда, когда это возможно
• Избегайте воздействия экстремальных температур
• Используйте активные или пассивные методы охлаждения
• Не допускайте полного заряда выше 4.10 В/ячейку
• Избегайте переразряда ниже 2.5 В/ячейку
• Используйте сбалансированное управление батареями
• Немного увеличивайте емкость аккумулятора как запасной фактор безопасности

Заключение

Определение реальной емкости литий-ионного элемента 18650 включает больше, чем просто чтение этикетки. Учитывая скорость разряда, температуру, возраст и другие факторы, вы можете точно настроить пригодную емкость для правильного подбора аккумуляторных блоков и точного расчета времени работы. Совмещение элементов с нагрузками, контроль напряжения и поддержание оптимальных условий эксплуатации помогают раскрыть полный потенциал 18650.