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图1 电池大学认为锂电池深充深放才算一次完整的循环
3.放电深度DoD对寿命的影响
很多消费者甚至是部分工程师认为,锂电池充电次数过多是有损电池的,所以使用过程中,都是满充满放,等到电池容量接近0再充电,充电截止电压设置为最高的阈值电压4.2V。电池大学却认为,锂电池放电深度越低越好,如下图2,举个例子,1AH的LiPO4电池,100% DoD时,循环次数约600次,寿命内提供的容量 J=1AH*600=600AH,如果以40%的DoD深度放电,可以循环3000次,寿命内提供的容量 J=1AH*0.4*3000=1200AH,比100%放电深度提高了50%的寿命。丰田的双擎混动汽车,电池提供8年16万公里的质保,对外宣传就是:浅充浅放,寿命更长。
图2;电池大学认为浅充浅放更有利于电池的寿命
4.充电电压对寿命的影响
电池大学认为,充电截止电压对电池的寿命影响是关键性的,锂电池在4.2V以下,有两个重要的准则:
1、充电截止电压在4.2V以下,每降低0.1V,可充电的循环次数就会提高一倍。
2、充满电压每下降70mV,电池的可用容量就会降低10%。
电动汽车,卫星中的锂离子电池还必须具有8年以上的使用寿命。为实现此目的,电池仅被充电至3.90V /电池或更低。NASA的一个有趣发现是,驻留在4.10V /电池以上的锂离子由于阴极上的电解质氧化而趋于分解,而充电至较低电压的锂离子则由于SEI在阳极上积聚而失去容量。美国国家航空航天局(NASA)报告说,一旦锂离子在卫星中传递了大约40,000个周期之后,它通过了8年大关,则由这种现象引起的电池质量恶化很快就会发展。充电至3.92V /电池似乎可以最大程度地延长使用寿命,但这只能使容量降低约60%。瑞典查尔默斯科技大学报告说,使用降低的50%SOC(state-of-ge 充电方式)充电量可使汽车锂离子电池的预期寿命提高44–130%。
大多数用于手机,笔记本电脑,平板电脑和数码相机的设计者将将锂离子电池充电至4.20V 。这是运行的极限阈值。因为消费电子更新周期一般是3年,使用者希望的是更长的续航时间,很多山寨品牌就是为了追求榨干所有的容量,将充电电压提高到4.3V甚至更高。另一方面,工业界更关注寿命,并可能选择较低的电压阈值,充电阈值由各个厂家自行设定,并没有统一的标准。
下图3显示,充电截止电压越低,对寿命越有利。
图3;充电截止电压对寿命的影响
下图4显示,黄色曲线表面,电池充电到75%,放电到65%容量时,即使循环8000次,容量损失也非常小。
图4;充电策略对寿命的影响
5.充电速度如何影响寿命
电池大学认为,锂电池充电速度(充电电流)对锂电池的寿命有关键的影响,充电速度越快,电池的寿命越短。下图5是900mAH锂电池作为对比实验,C:电池表示的容量数值。例如,2600mAh的锂充电电池,1C=2.6A;3400mAh的锂充电电池1C=3.4A。由实验结果可知,1C的充电速度,500个循环后剩余满容量为800mAH,减少100mAH,容量下降约11%。如果以2C的充电速度充电,500个循环后剩余满容量为500mAH,减少400mAH,容量下降约44%。现在的手机厂商都在追求充电速度,却是牺牲电池寿命为代价,好在消费电子更新频率足够高。
图5;充电速度对寿命的影响
6. 温度对寿命的影响?
电池大学认为,锂电池的工作温度对电池寿命有很大的影响,实验显示,锂电池经历过100次的循环充放电,在20℃时,NCM材质锂电池的容量只下降到97.7,而温度升高到60℃,电池的容量下降到只有60%左右。所以要尽可能让电池维持在常温的状态。
No.3总结
通过电池大学的结论,我们知道锂电池的寿命评估和设计是一项系统的工程,涉及到充电次数、放电深度、充电截止电压、充电速度、使用温度五个关键因素,这些因素与成本、用户体验、性能、质量、可靠性息息相关,这就需要产品经理在具体的产品中做取舍,例如手机的产品经理,追求的就是充电更快、续航更长,寿命不要紧(一两年就要换手机),而工业产品的产品经理,基本是追求产品质量更稳定,寿命更长,充电速度和续航是可以降低优先级的。
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