使用時(shí)長(zhǎng)、溫度和放電時(shí)電流速率都會(huì)嚴(yán)重影響電池的使用壽命。掌握這些因素對(duì)于消費(fèi)電子和物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。互聯(lián)網(wǎng)上充斥著由于電池性能差而導(dǎo)致的負(fù)面設(shè)備評(píng)論，其根本原因是使用時(shí)長(zhǎng)、溫度或電池消耗率。因此，電池供電設(shè)備制造商必須設(shè)計(jì)解決方案并考慮這些因素來(lái)選擇電池。

在這篇文章中，我們將探討為什么使用時(shí)長(zhǎng)、溫度和放電率會(huì)影響電池特性，從而影響運(yùn)行時(shí)間。此外，我們還創(chuàng)建了電池模型，以顯示對(duì)電池參數(shù)的真實(shí)影響。可以使用分析軟件創(chuàng)建電池模型。模型繪制出開(kāi)路電壓（Voc）和內(nèi)部電阻（Ri）與充電狀態(tài)的關(guān)系。繪制出這些特性至關(guān)重要，這樣模型才能準(zhǔn)確反映電池的真實(shí)性能。這些特性在不同的充電狀態(tài)下可能會(huì)有很大變化。

圖1.電池模型繪制出電池的Voc和Ri

一、使用時(shí)長(zhǎng)：每次充放電都會(huì)消耗活性材料

電池每次充放電循環(huán)時(shí)，都會(huì)消耗一些活性材料，這會(huì)降低電池的整體容量。這種減少意味著電池可以保持更少的電荷，并在隨后的循環(huán)中提供更少的能量。此外，在充電和放電循環(huán)期間，電池內(nèi)部的活性材料經(jīng)歷物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致電池電阻隨時(shí)間增加。此外，隨著活性材料的降解或分解，副產(chǎn)物的形成可能會(huì)導(dǎo)致電阻的增加。對(duì)于具有2.8Ah容量的鋰離子電池，開(kāi)路電壓隨著放電從4.2V下降到3V，內(nèi)阻在330毫歐左右波動(dòng)。在圖2中，您可以看到相同電池經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后的模型。其容量從2.8 Ah降至1.7 Ah。此外，電池的內(nèi)部電阻增加了一倍多，并在較高的充電水平下表現(xiàn)出較大的尖峰。降低的容量和增加的電阻將顯著縮短使用老化電池的任何設(shè)備的電池運(yùn)行時(shí)間。

圖2：老化鋰離子電池模型

二、溫度：冷暖決定了化學(xué)反應(yīng)的活躍程度

溫度可以說(shuō)是鋰電池的最主要影響因素，是絕大部分化學(xué)反應(yīng)活躍程度的決定因素。冬日電池的內(nèi)部電阻在較低的溫度下升高，抑制了其傳導(dǎo)電流的能力。這種增加是由于離子的運(yùn)動(dòng)、它們的過(guò)渡速率以及電池電極和電解質(zhì)之間發(fā)生的整體電化學(xué)反應(yīng)的減慢。這些效應(yīng)導(dǎo)致放大的內(nèi)部電阻，這阻礙了充電和放電過(guò)程。在圖3中，可以看到零攝氏度時(shí)捕獲的鋰離子電池模型。用于創(chuàng)建圖2的相同電池用于生成模型，電池的內(nèi)阻增加了42%，這將顯著影響任何使用該電池的設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。電池的容量也從2.82 Ah略微下降到2.68 Ah。

圖3：零攝氏度下產(chǎn)生的鋰離子電池模型

相反，當(dāng)電池在較高溫度下充電或放電時(shí)，熱量會(huì)加速內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)，降低其內(nèi)阻，并提高其性能和存儲(chǔ)容量。然而，長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫會(huì)導(dǎo)致快速老化并縮短電池壽命。

三、放電速率：大電流充放電會(huì)導(dǎo)致有效容量降低

電池放電的速率也會(huì)影響其特性。當(dāng)你以高速率對(duì)電池放電時(shí)，其有效容量會(huì)降低。大電流充放電過(guò)程中造成鋰離子損失，體現(xiàn)在壽命參數(shù)上，就是可用容量的衰減和充放電電阻的上升。電極結(jié)構(gòu)的損壞帶來(lái)容量損失。這背后的原因是多因素的，與化學(xué)反應(yīng)的變化和與電池內(nèi)阻相關(guān)的影響有關(guān)。例如，所有的電池都有一定的內(nèi)阻，導(dǎo)致能量以熱量的形式損失。電流消耗得越快，產(chǎn)生的熱量就越多，浪費(fèi)的能量就越多，從而減少了電池的運(yùn)行時(shí)間。下面你可以看到模型（圖4和圖5）相同的鎳鎘（Ni-Cd）電池在不同的速率放電。當(dāng)放電速率從100 mA增加到500 mA時(shí)，容量從1.41 Ah下降到1.22 Ah。

圖4：100 mA放電的鎳鎘電池模型

圖5：500 mA放電的鎳鎘電池模型

結(jié)論電池使用年限、溫度和放電速率等因素對(duì)電池性能的重要影響凸顯了分析電流損耗以驗(yàn)證電池實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的必要性。使用物理電池進(jìn)行此類測(cè)試可能非常耗時(shí)且不切實(shí)際。相反，創(chuàng)建電池模型可以加快測(cè)試速度，并為特定老化和溫度條件下的電池提供“已知的良好”模型。另一種方法是，使用時(shí)長(zhǎng)不同的電池組成一個(gè)電池測(cè)試箱，在溫度室中定期測(cè)試，這不是一種有效的解決方案，而且通常是不可行的。這些測(cè)試挑戰(zhàn)通常會(huì)導(dǎo)致實(shí)際電池性能與標(biāo)定指標(biāo)之間的差異。

作者：是德科技產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理 Brian Whitaker

審核編輯 黃宇