Почему литиевые батареи смартфонов менее долговечны, чем батареи электромобилей?

Хорошо известно, что аккумулятор смартфона теряет свою выносливость через год или два, часто требуя частой подзарядки. Напротив, литиевые аккумуляторы в электромобилях (ЭМ) рассчитаны на сотни тысяч миль с минимальной деградацией. Эта разница обусловлена ​​различными факторами, включая сложные системы управления аккумулятором, контроль температуры, схемы зарядки и конструктивные решения, разработанные специально для ЭМ, которые отсутствуют в смартфонах. В этой статье рассматривается, почему литиевые аккумуляторы в смартфонах, как правило, имеют более короткий срок службы, чем в ЭМ.

1. Усовершенствованные системы управления батареями (BMS).

Ключевым компонентом литиевой батареи является система управления батареей (BMS) — сложная система мониторинга, которая поддерживает оптимальное состояние батареи путем управления температурой, уровнями заряда и разряда для обеспечения более длительного срока службы и безопасности.

• Контроль температуры: В аккумуляторах электромобилей встроены системы охлаждения и нагрева, которые поддерживают идеальный температурный диапазон, обычно 10–30 °C, при этом оптимальным является значение 25 °C. Такая последовательность гарантирует работу аккумулятора при минимальной нагрузке, что значительно повышает его долговечность. Для сравнения, в аккумуляторах смартфонов система BMS менее комплексная, чем в электромобилях, что делает их более восприимчивыми к колебаниям температуры, особенно во время высокопроизводительных задач, таких как игры или быстрая зарядка, которые генерируют избыточное тепло.

• Управление зарядкой и разрядкой: Обширные испытания показывают, что при 25 °C циклический ресурс литиевой батареи составляет примерно 800 циклов при полной 100% глубине разряда (DOD). Однако, если DOD ограничен 50%, циклический ресурс может быть увеличен до 2,000 циклов. По этой причине системы EV BMS часто ограничивают состояние заряда батареи (SOC) в безопасном диапазоне, например, от 10% до 95%, снижая DOD. Смартфоны, с другой стороны, работают при полной DOD, что способствует более быстрому износу батареи.

2. Различия в конструкции и емкости аккумуляторов

Стратегии проектирования аккумуляторов также влияют на долговечность: в аккумуляторах для электромобилей приоритет отдается долговечности и запасу хода, тогда как в смартфонах основное внимание уделяется компактности и максимальной мгновенной емкости.

• Размер аккумулятора и скорость зарядки: Аккумуляторы электромобилей — это большие, высокоемкие устройства, которые разряжаются и перезаряжаются медленно по сравнению с аккумуляторами смартфонов. Эта относительно низкая скорость зарядки снижает внутреннее напряжение и накопление тепла, что, в свою очередь, помогает продлить срок службы аккумулятора. Однако смартфоны часто обладают возможностями быстрой зарядки, которые требуют высокого тока и генерации тепла, особенно при зарядке выше 80%. Это может привести к ускоренной деградации, поскольку литиевые аккумуляторы особенно уязвимы к теплу при высоких уровнях SOC.

• Ограничения диапазона SOC: Многие производители электромобилей устанавливают программные ограничения на SOC для защиты состояния аккумулятора. Например, BMS может ограничить максимальный SOC на уровне 95% и установить минимальный на уровне 10%, чтобы аккумулятор работал в этом безопасном диапазоне. Смартфоны, как правило, не имеют такой защиты и часто заряжаются до 100% и разряжаются почти до 0%, что увеличивает нагрузку и ускоряет износ.

3. Влияние температуры на состояние аккумулятора

Температура является одним из наиболее влиятельных факторов, влияющих на срок службы литиевых батарей. В то время как электромобили имеют контролируемое BMS терморегулирование, смартфоны не имеют такой защиты, что делает их более подверженными экстремальным температурным воздействиям.

• Высокотемпературный стресс: Литий-ионные аккумуляторы быстрее деградируют при высоких температурах из-за интенсификации химических реакций. В электромобилях BMS активно предотвращает перегрев, циркулируя охлаждающую жидкость, чтобы поддерживать аккумулятор в здоровом температурном диапазоне. Однако смартфоны не имеют систем охлаждения, и высокие температуры могут возникать даже при повседневном использовании, например, при зарядке в теплой среде или запуске ресурсоемких приложений. Такое частое воздействие тепла со временем приводит к быстрому износу.

• Низкотемпературные условия: Низкие температуры также могут существенно повлиять на разрядную емкость аккумулятора. Системы EV BMS могут согревать аккумуляторы в холодную погоду, поддерживая производительность и долговечность. Однако аккумуляторы смартфонов, подвергающиеся воздействию экстремального холода, могут испытывать снижение эффективности заряда и повышенный риск постоянной потери емкости. Без контроля температуры аккумуляторы смартфонов выдерживают нестабильные условия, что существенно влияет на их календарный срок службы.

4. Различные модели использования

Аккумуляторы смартфонов обычно проходят полный цикл ежедневно, что соответствует 365 циклам в год. При 100% DOD типичный аккумулятор смартфона рассчитан на срок службы от 500 до 1,000 циклов или примерно от двух до трех лет. И наоборот, большая емкость и управляемый DOD в аккумуляторах электромобилей означают, что их нужно подзаряжать только каждые несколько дней или недель, что означает меньшее количество циклов в год и гораздо меньший износ.

Например, электромобиль с запасом хода в 300 миль может нуждаться в подзарядке только один раз в неделю при типичном использовании. За 20 лет службы это может составить менее 1,000 циклов, что значительно продлит срок службы батареи.

5. Различия в долгосрочном ухудшении характеристик аккумулятора

Литиевые батареи деградируют не только в результате циклов зарядки, но и со временем, даже если они не используются. Это явление, известное как «календарное старение», зависит от таких факторов, как условия хранения и уровни заряда. Производители электромобилей учитывают календарное старение, тщательно устанавливая пределы SOC, чтобы минимизировать деградацию во время хранения. Кроме того, BMS батареи продолжает контролировать состояние и температуру во время длительных периодов хранения, что еще больше замедляет деградацию.

Однако аккумуляторы смартфонов лишены этой защиты, что приводит к более высокой скорости календарного старения. Например, смартфоны, которые не используются в течение длительного времени без надлежащего управления SOC, могут испытывать значительную потерю емкости из-за саморазряда и нерегулируемых уровней SOC, что приводит к более быстрой деградации.

6. Практические последствия применения BMS в электромобилях по сравнению со смартфонами

Производители электромобилей интегрировали обширные функции BMS для поддержания работоспособности аккумулятора на протяжении всего срока службы транспортного средства, что позволяет автопроизводителям уверенно предлагать многолетние или даже пожизненные гарантии на аккумуляторы. Однако в смартфонах отсутствие оптимизации BMS и компактный дизайн означают, что производители обычно ожидают замены аккумулятора через несколько лет.

Например, электромобиль с запасом хода 400 миль и прогнозируемым сроком службы 200,000 500 миль рассчитан примерно на XNUMX циклов зарядки, что намного ниже максимальной емкости аккумулятора. Это, в сочетании с SOC и управлением температурой, объясняет, почему аккумуляторы электромобилей дольше сохраняют свое здоровье. Смартфоны, с другой стороны, работают в более суровых условиях без этих оптимизаций, поэтому требуют более частой замены.

7. Заключение

Разрыв в долговечности между аккумуляторами смартфонов и электромобилей обусловлен различиями в системах управления аккумуляторами, регулировании температуры, направленности конструкции и моделях использования. Электромобили выигрывают от комплексной BMS, которая поддерживает оптимальную температуру, управляет циклами зарядки и ограничивает SOC, все это вносит значительный вклад в продление срока службы аккумулятора. Смартфоны, не имеющие этих функций, часто быстро изнашиваются из-за полных циклов DOD, высоких температур и отсутствия контроля SOC.

По мере развития технологий аккумуляторов аккумуляторы смартфонов могут в конечном итоге использовать улучшенное управление температурой и зарядкой. Однако на данный момент существенное преимущество в долговечности аккумуляторов электромобилей иллюстрирует, как эффективные системы управления аккумуляторами могут влиять на долговечность литиевых аккумуляторов, что объясняет, почему аккумуляторы смартфонов не служат так же долго, как аккумуляторы электромобилей.