מהי הפרשה עמוקה?

פריקה עמוקה מתרחשת כאשר סוללה משתמשת ב-80% או יותר מהקיבולת הכוללת שלה לפני הטעינה מחדש. זה שונה מדפוסי פריקה רגילים שבהם סוללות פועלות בדרך כלל בתוך 20-50% מהקיבולת שלהן. כאשר סוללות נפרקות עמוק, מתחילות תגובות כימיות בלתי הפיכות המפחיתות לצמיתות את יכולתן לאגור ולספק אנרגיה.

עומק הפריקה מודד את אחוז קיבולת הסוללה שנעשה בה שימוש ביחס לקיבולת הכוללת הזמינה. אם סוללה של 100 אמפר-שעה (Ah) מפרקת 80 Ah, היא הגיעה ל-80% DoD.

החישוב פשוט:

DoD (%)=(קיבולת בשימוש / קיבולת כוללת) × 100

DoD מתנגד ישירות למצב טעינה (SoC). כאשר DoD הוא 80%, SoC הוא 20%. שני מדדים אלה פועלים יחד כדי לספק תמונה מלאה של מצב הסוללה-DoD אומר לך מה נעשה בשימוש, בעוד ש-SoC מראה מה נשאר.

יצרני סוללות קובעים מגבלות DoD ספציפיות עבור כימיות שונות. סוללות-עופרת חומצה בדרך כלל לא צריכות לעלות על 50% DoD לשימוש קבוע, בעוד שסוללות ליתיום-יון יכולות להתמודד בבטחה עם 80-90% DoD. מגבלות אלו קיימות מכיוון שפריקות עמוקות יותר מאיצות בלאי של רכיבים פנימיים.

Deep Discharge

כאשר סוללות עוברות פריקה עמוקה, תהליכים כימיים מובהקים גורמים לנזק קבוע בהתאם לכימיה של הסוללה.

בסוללות חומצה-עופרת, תהליך הפריקה הופך דו-תחמוצת עופרת ועופרת ספוג לעופרת גופרתית באמצעות תגובות עם חומצה גופרתית. במהלך פריקה רגילה, גבישי עופרת סולפט אלו נשארים קטנים ומומרים בקלות בחזרה במהלך הטעינה מחדש. עם זאת, פריקה עמוקה גורמת להצטברות מוגזמת של עופרת סולפט.

גבישי סולפט אלה מתקשים וגדלים באמצעות תהליך הנקרא סולפטציה. ברגע שהגבישים מגיעים לגודל מסוים, הם נעשים עקשנים ומסרבים להמיר חזרה לחומר פעיל במהלך הטעינה מחדש. מחקר של מידטרוניקס מראה שסוללת עופרת-חומצה של 12-וולט יורדת מתחת ל-10.5 וולט תחת עומס נכנסת לטריטוריה של פריקה עמוקה שבה סולפטציה מואצת במהירות.

ככל שהסוללה יושבת זמן רב יותר במצב פריקה עמוקה, כך סולפטציה זו הופכת קבועה יותר. במקרים חמורים, נתקים של חומר פעיל מתנתקים מהצלחות בתהליך הנקרא נשירת לוחות, מה שמוביל לקצרים ולכשל מוחלט של הסוללה.

סוללות ליתיום- מתמודדות עם בעיות שונות אך חמורות באותה מידה. כאשר פריקה מתחת לסף המתח הבטוח שלהם (בדרך כלל 2.5V לתא), הנחושת מקולט הזרם של האנודה מתחילה להתמוסס לתוך האלקטרוליט.

במהלך הטעינה שלאחר מכן, יוני הנחושת המומסים הללו יכולים להתייצב בחזרה על האנודה, וליצור דנדריטים-שפם מתכת זעירים שצומחים בתוך הסוללה. מחקר משנת 2016 ב-Scientific Reports מצא שפריקת יתר חמורה מעבר ל-12% מצב מטען גורמת לקצרים פנימיים דרך מנגנון שקיעת נחושת זה.

בנוסף, פריקה עמוקה פוגעת בשכבת Solid Electrolyte Interphase (SEI), סרט מגן על האנודה. שכבה זו מונעת בדרך כלל תגובות כימיות לא רצויות. לאחר פגיעה, הסוללה חווה התנגדות פנימית מוגברת וקיבולת מופחתת. נתוני IEEE מצביעים על כך שסוללות הנתונות למחזורי פריקה עמוקה קבועים מאבדות קיבולת 40% מהר יותר מאלה שנשמרות בגבולות המומלצים.

לכימיקלים שונים של סוללות יש ניתוקי מתח ברורים המגדירים פריקה עמוקה:

עופרת-סוללות חומצה:

טעון מלא: 12.6-12.8V (עבור סוללה 12V)

50% פריקה: 12.2V

סף פריקה עמוקה: 10.5V

רמת נזק קריטי: מתחת ל-10.5V

סוללות ליתיום-יון:

טעינה מלאה: 4.2V לתא

טווח פעולה רגיל: 3.7-4.0V לתא

סף פריקה עמוקה: 3.0V לתא

סיכון נזק קבוע: מתחת ל-2.5V לתא

סוללות LiFePO4:

טעינה מלאה: 3.65V לתא

טווח פעולה רגיל: 3.2-3.4V לתא

רצפת פריקה בטוחה: 2.5V לתא

סף נזק: מתחת ל-2.0V לתא

כאשר המתח של הסוללה יורד מתחת לספים אלה, ההתנגדות הפנימית עולה באופן דרמטי. זה מקשה על הטעינה מחדש ויוצר חום מוגזם במהלך תהליך הטעינה, מה שמחריף את הנזק.

הקשר בין עומק הפריקה לחיי המחזור מתועד היטב- אך לעיתים קרובות אינו מובן.

סוללת עופרת-חומצת התרוקנת ל-50% DoD עשויה לספק 800 מחזורים לפני שתגיע ל-80% מהקיבולת המקורית. אותה סוללה שנפרקה ל-80% DoD תספק רק כ-350 מחזורים. המתמטיקה נראית מנוגדת לאינטואיציה-האם פריקה עמוקה יותר לא צריכה לתת יותר אנרגיה כוללת לאורך חיי הסוללה?

המציאות היא יותר ניואנסית. בעוד שכל מחזור פריקה עמוק מוציא יותר אנרגיה, הפירוק המואץ מפחית את אספקת האנרגיה הכוללת לכל החיים. לדוגמא של חומצת העופרת-שלמעלה:

50% DoD: 800 מחזורים × 50%=400 שווה ערך לפריקה

80% DoD: 350 מחזורים × 80%=280 שווה ערך לפריקה

דפוס הפריקה הרדוד יותר מספק 43% יותר אנרגיה כוללת לאורך חיי הסוללה.

סוללות ליתיום-מראות עמידות טובה יותר. סוללת LiFePO4 איכותית יכולה להתמודד עם 2,000+ מחזורים ב-80% DoD בהשוואה ל-200-300 מחזורים עבור חומצת עופרת- באותו עומק. סובלנות מעולה זו לפריקה עמוקה הופכת את טכנולוגיות הליתיום למועדפות עבור יישומים הדורשים רכיבה על אופניים עמוקות תכופות.

Deep Discharge

פריקה רדודה כרוכה בשימוש רק ב-10-30% מקיבולת הסוללה לפני הטעינה מחדש. גישה זו מפחיתה באופן משמעותי את הלחץ על רכיבי הסוללה.

מחקר של יצרני סוללות מרובים מאשר שרכיבה רדודה על אופניים בקצבי טעינה נמוכים מייצרת השפלה מינימלית מדידה. מחקר על סוללות LiFePO4 מצא שבמצב טעינה של 50% וטמפרטורת אחסון של 25 מעלות, הסוללות שמרו על קיבולת של כ-80% במשך 23.8 שנים-שמעבר בהרבה מהאחריות האופיינית.

פריקה עמוקה מציעה יכולת שמישה מיידית גבוהה יותר אך מאיצה את ההזדקנות. הלחץ המכני על חומרים פעילים במהלך מחזורי פריקה עמוקים מגביר את שיעורי דהיית הקיבולת. עבור כלי רכב חשמליים ואלקטרוניקה ניידת, דפוסי פריקה רדודים מספקים בדרך כלל ערך -לטווח ארוך יותר למרות שהם דורשים טעינה תכופה יותר.

עם זאת, ההקשר חשוב. מערכות אחסון אנרגיה סולארית דורשות לעיתים קרובות יכולת פריקה עמוקה על מנת למקסם את זמינות החשמל של הלילה כאשר השמש אינה זורחת. ביישומים אלה, היכולת לגשת ל-80-90% מקיבולת הסוללה מצדיקה חיי מחזור מופחתים מעט.

ערכות סוללות מודרניות כוללות מערכות ניהול סוללות (BMS) שתוכננו במיוחד כדי למנוע נזק לפריקה עמוקה.

BMS עוקב באופן רציף אחר מספר פרמטרים קריטיים:

ניטור מתח:ה-BMS עוקב אחר מתחי תאים בודדים ומנתק את העומס כאשר תא כלשהו מתקרב למתח החיתוך שלו. עבור סוללות ליתיום-, זה מתרחש בדרך כלל ב-2.5-3.0V לתא. המערכת מונעת מהסוללה להתרוקן מעבר לגבולות בטוחים גם אם המכשיר ממשיך לנסות לשאוב חשמל.

הגבלת נוכחית:זרמי פריקה גבוהים מאיצים את ירידת המתח ומגבירים את ייצור החום. ה-BMS מגביל את זרם הפריקה לרמות בטוחות בהתבסס על טמפרטורת הסוללה ומצב הטעינה.

ניהול טמפרטורה:פריקה עמוקה יוצרת יותר חום עקב התנגדות פנימית מוגברת. ה-BMS מנטר את הטמפרטורה ומפחית או עוצר פריקה אם חריגה מהמגבלות התרמיות.

איזון תאים:בחבילות מרובות-תאים, תאים אינם מתפרקים בצורה אחידה. ללא איזון, תא אחד עלול לפרוק עמוק בעוד שאחרים ישמרו על מטען. ה-BMS מבטיח פריקה שווה של כל התאים, ומונע מתאים בודדים להיכנס לטווחי מתח מסוכנים.

איכותמטען סוללת ליתיום יוןעובד במקביל ל-BMS על ידי מדידת מתח התא לפני תחילת הטעינה. אם המתח יורד מתחת ל-2.5V לתא, מטענים מודרניים מיישמים מצב "דחיפה" או טפטוף, תוך הפעלת זרם מינימלי (בדרך כלל 0.05C) כדי להעלות בעדינות את המתח לרמות טעינה בטוחות. זה מונע היווצרות של דנדריטים שיתרחשו אם זרם טעינה מלא יופעל על תא פריקה עמוקה.

על פי אוניברסיטת Battery, מטענים ללא תכונת הגנה זו פשוט ידחו סוללות שנפרקות עמוק כ"בלתי ניתנות לשירות", למרות שאולי תתאפשר שחזור זהיר עם ציוד מתאים.

הצלחת השחזור תלויה במידה רבה בכמה זמן נשארה הסוללה במצב פרוק עמוק ובחומרת הנזק הכימי.

עבור סוללות-חומצה עופרת שנתפסו תוך ימים של פריקה עמוקה, שיעורי ההתאוששות מגיעים ל-70% עבור סוגי AGM ו-30% עבור סוללות מוצפות. התהליך דורש סבלנות:

השתמש במטען חכם עם מצב דה-sulfation

הפעל זרם נמוך (0.1C או פחות) למשך 24-48 שעות

עקוב אחר עליית המתח-הוא אמור לעלות בהדרגה לכיוון 12.6V

אם רמות מתח מתחת ל-12V לאחר 48 שעות, נגרם נזק קבוע

מטענים מיוחדים כמו סדרת NOCO Genius כוללים אלגוריתמים של דה-סולפטציה המיישמים טעינת דופק כדי לפרק גבישי סולפט מוקשים. עם זאת, אם הסוללה הייתה פרוקה עמוקה במשך שבועות או חודשים, סולפטציה בדרך כלל הופכת לבלתי הפיכה.

התאוששות ליתיום- היא מסוכנת יותר ודורשת זהירות רבה יותר. לעולם אל תנסה לשחזר סוללות ליתיום שהיו מתחת ל-1.5V לתא במשך יותר משבוע-סילוק היא האפשרות הבטוחה יותר.

עבור סוללות ליתיום שנפרקו לאחרונה (מתח בין 2.0-2.5V לתא):

הפעל זרם טעינה של 0.05C עד שהמתח מגיע ל-3.0V

עקוב אחר הטמפרטורה ברציפות-תעצור אם הסוללה מתחממת

לאחר שהמתח מתייצב מעל 3.0V, עבור לפרוטוקול טעינה רגיל

בצע מספר מחזורי טעינה/פריקה שלמים כדי לשחזר את הקיבולת

מחקר על שחזור סוללות LiFePO4 מראה שהליכי שחזור המבוצעים כהלכה יכולים לשחזר עד 70% מהקיבולת הנומינלית, אם כי הביצועים לעולם אינם חוזרים במלואם למפרטי הסוללה החדשים.

הסיכון בהחלמה של ליתיום הוא היווצרות דנדריטים. אם כבר קיימים מבני נחושת או ליתיום פגומים מהפריקה העמוקה, הפעלת זרם טעינה יכולה להאריך את הדנדריטים הללו עד שהם מגשרים על המפריד וגורמים לקצרים פנימיים. זו הסיבה שמומחים רבים ממליצים להימנע מניסיונות התאוששות ברגע שהמתח יורד מתחת ל-2.0V לתא.

הבנה כיצד סוללות מגיעות לפריקה עמוקה עוזרת למנוע זאת.

עומסים טפיליים:כלי רכב ומכשירים מודרניים שואבים חשמל גם כשהם "כבויים". מערכות אבטחה, שעונים ומערכות זיכרון מחשב יוצרות ניקוז מתמיד. סוללה בריאה סובלת את העומסים הללו, אך תקופות ממושכות ללא שימוש-במיוחד במזג אוויר קר-עלולה להוביל לפריקה עמוקה. נתונים ממרכזי שירות לרכב מראים כי כלי רכב שיושבים ללא שימוש במשך 3-4 שבועות מפתחים בדרך כלל סוללות פרוקות עמוקות.

תקלה של אלטרנטור או מערכת טעינה:כאשר האלטרנטור של הרכב נכשל, המצבר חייב להפעיל את כל מערכות החשמל ללא טעינה. רוב הנהגים לא מזהים מיד כשל באלטרנטור, וממשיכים להפעיל את הרכב עד שהמצבר מתרוקן לחלוטין. בדיקות מראות שמצבר טיפוסי לרכב המפעיל את מערכת החשמל של הרכב ללא תמיכת אלטרנטור יפריקה עמוקה תוך 30-90 דקות מהנסיעה.

אחסון ללא תחזוקה:סוללות-מתפרקות מעצמן גם ללא עומס מחובר. סוללות-עופרת מאבדות 3-20% מהטעינה מדי חודש בהתאם לטמפרטורה. סוללות ליתיום-יון נפרקות בעצמן לאט יותר (1-5% חודשי) אך עדיין דורשות טעינה תקופתית במהלך האחסון. סוללות המאוחסנות 6-12 חודשים ללא טעינת תחזוקה בדרך כלל נופלות לפריקה עמוקה.

שימוש יתר בין טעינות:כלי רכב חשמליים שנוסעים מעבר לטווח המדורג שלהם, סוללות סולאריות התומכות בעומסים לאורך תקופות מעוננות ממושכות, או אלקטרוניקה ניידת בשימוש רציף מבלי לטעון מחדש כל סיכון לפריקה עמוקה. הסיכון העיקרי מתרחש כאשר משתמשים מתעלמים-אזהרות סוללה חלשה וממשיכים לפעול.

יישומים מסוימים זקוקים במיוחד לסוללות שיכולות להתמודד עם רכיבת אופניים עמוקה רגילה.

אחסון אנרגיה סולארית:מערכות סולאריות מנותקות- חייבות לספק חשמל לאורך כל הלילה באמצעות אנרגיה שנאספת במהלך היום. זה מצריך מטבעו יכולת פריקה עמוקה. סוללות סולאריות איכותיות משתמשות בסוללות-עופרת-עמוקה בחומצה (מדורגת ל-50% DoD) או בסוללות LiFePO4 (מדורגות ל-80-90% DoD). מערכת סולארית טיפוסית למגורים עשויה לעבור מחזוריות של 60-80% מקיבולת הסוללה מדי לילה.

יישומים ימיים:סירות דורשות כוח עזר אמין עבור ציוד ניווט, תאורה ותקשורת. סוללות מחזור- עמוקות ימיות סובלות את מחזורי הפריקה החוזרים ונשנים משימוש יומיומי ועומסי לילה בבתי מלון. סוללות ימיות של AGM מציעות את היתרון של בנייה אטומה (ללא שפיכה בים סוער) תוך טיפול ב-50-60% DoD באופן קבוע.

רכבי פנאי:סוללות בית קרוואנים מאגדות מכשירי חשמל, תאורה ואלקטרוניקה כאשר אינם מחוברים לחשמל חוף. כמו יישומים ימיים, רכבי פנאי זקוקים לסוללות המסוגלות לפריקה עמוקה. רכבי קרוואנים מודרניים מאמצים יותר ויותר סוללות ליתיום במיוחד עבור סובלנות הפריקה העמוקה- המעולה שלהם וחיי מחזור ארוכים יותר.

רכבים חשמליים:רכבי EV פורקים באופן שגרתי 20-80% מקיבולת הסוללה במהלך מחזורי נהיגה רגילים. זה מייצג פריקה עמוקה יחסית בהשוואה לסוללות-התנעת מנוע שמשתמשות רק ב-2-5% לכל התנעה. ערכות סוללות EV משתמשות בכימיה של ליתיום-יון (בדרך כלל NMC או NCA) עם מערכות BMS מתוחכמות כדי לנהל את דפוסי הפריקה הללו תוך מקסום תוחלת החיים.

מערכות כוח גיבוי:יחידות אל-פסק (UPS) מגנות על ציוד קריטי במהלך הפסקות חשמל. הסוללות נשארות טעונה במלואה רוב הזמן אך חייבות לספק את מלוא הקיבולת שלהן במהלך הפסקות ממושכות. מערכות UPS מסחריות משתמשות בדרך כלל בסוללות חומצת עופרת-מווסתות- (VRLA) שנועדו להתמודד עם פריקה עמוקה מדי פעם ללא כשל מיידי.

Deep Discharge

לפעמים, אבל לא תמיד. עבור סוללות-עופרת, אם המתח נשאר מעל 10.5V, לעתים קרובות מתאפשרת התאוששות באמצעות טעינה איטית של 24-48 שעות. שיעורי ההצלחה יורדים משמעותית אם הסוללה נשארה ריקה יותר מכמה ימים. לפעמים ניתן לשחזר סוללות ליתיום-יון מתחת ל-2.5V לתא באמצעות טעינת דחיפה מיוחדת, אך הסיכון להיווצרות דנדריטים הופך את זה למסוכן. מטענים מודרניים דוחים לעתים קרובות סוללות מתחת לספי מתח מסוימים כאמצעי בטיחות.

זה תלוי לחלוטין בכימיה של הסוללה. סוללות ליתיום-לעולם אינן דורשות פריקה עמוקה מכוונת-זהו מיתוס שהועבר מטכנולוגיית ניקל-קדמיום ישנה יותר. סוללות חומצה-עופרת נהנות ממחזורים עמוקים מדי פעם (אחת ל-3-6 חודשים) כדי למנוע ריבוד וסולפטציה, אך פריקה עמוקה קבועה עדיין מפחיתה את תוחלת החיים. השיטה הטובה ביותר היא הימנעות מהפרשות עמוקות במידת האפשר.

סוללות מחזור-עמוקות משתמשות בפלטות עבות יותר עם חומר פעיל צפוף יותר שנועד לעמוד בפריקה חוזרת של עד 50% ומטה. לסוללות התנעה יש לוחות דקים יותר המותאמים לאספקת פרצי זרם גבוהים אך ניזוקים בקלות אם הם מתפרקים עמוקות. ההבדל במבנה פירושו שסוללות מחזור- עמוקות מתמודדות עם רכיבה רגילה, בעוד שסוללות התנעה מצטיינות במתן מאות אמפר- קרה אך פחות מ-50 מחזורי פריקה עמוקה.

בְּהֶחלֵט. טמפרטורות קרות מפחיתות את קיבולת הסוללה הזמינה-סוללה ב-0 מעלות F עשויה לספק רק 50% מהקיבולת המדורגת שלה. המשמעות היא שהסוללה מגיעה למתח פריקה עמוקה הרבה יותר מוקדם במזג אוויר קר אפילו בשימוש רגיל. טמפרטורות חמות מאיצות את קצב הפריקה העצמית-, וגורמות לסוללות מאוחסנות להתרוקן עמוק יותר מהר יותר. שני הקצוות מגבירים את הסיכון לפריקה עמוקה ודורשים נוהלי תחזוקה מותאמים.

פריקה עמוקה מייצגת את אחד התנאים המזיקים ביותר שעומדים בפני סוללות. השינויים הכימיים המתרחשים-סולפטציה בסוללות-עופרת חומצה והתמוססות נחושת בתאי ליתיום-יונים- הופכים יותר ויותר בלתי הפיכים ככל שהסוללות נשארות פרוקות עמוקות יותר. אמנם לפעמים התאוששות אפשרית, מניעה באמצעות ניהול נכון של הסוללה נשארת יעילה הרבה יותר.

מערכות מודרניות לניהול סוללות מספקות הגנה מצוינת כשהן מיושמות כהלכה, ניטור מתח, זרם וטמפרטורה כדי למנוע נזק לפריקה עמוקה. בעת בחירת סוללות עבור יישומים הדורשים רכיבה עמוקה רגילה, בחירה בכימיה המיועדת למטרה זו (כגון LiFePO4) במקום ניסיון לאלץ סוללות סטנדרטיות לשירות מחזור עמוק-תספק ביצועים טובים יותר ואריכות ימים.

עבור משתמשים בכל ציוד-שמונע על ידי סוללה, התרגול הפשוט של טעינה מיידית לאחר השימוש-לפני שהמתח יורד מתחת ל-50% עבור חומצת עופרת- או 20% עבור-יון- של ליתיום, יאריך באופן דרמטי את חיי הסוללה וימנע את הסיבוכים של שחזור פריקה עמוקה.