Lítium akkumulátorok tulajdonságai

  • Jó és rossz minőségű akkumulátorok összehasonlítása
  • Hamisítványok vásárlás előtti felismerésének lehetőségei
  • Töltés és merítés jellegzetességei különböző akkumulátoroknál
  • Kapacitás csökkenése a környezeti hőmérséklet változásával

Jó alaposan átvertek kínai barátaim kedvenc rendelési oldalamon egy csomag 18650-es akkumulátorral. Darabja 7-800Ft körüli összegbe került. Az átverés kapcsán kezdtem el foglalkozni a lítium akkumulátorokkal. Sajnos az elérhető szakirodalmat nehezen értettem! Mivel a tudásom akkoriban az akkumulátorokról zeró felé konvergált, igyekeztem tapasztalatot szerezni saját eszközökkel. Építettem egy nagyon egyszerű akkumulátor vizsgáló készüléket INA226 teljesítmény mérő modullal. Ez az egyszerű eszköz ciklikusan töltötte és merítette az éppen bevizsgált akkumulátort, és feljegyezte az Arduino eeprom-ba az eredményeket.

A megszerzett tapasztalatokat szeretném most megosztani.

Nemrégiben ráakadtam egy teljesen érthető leírásra https://varsanyipeter.hu weboldalon, illetve ezt a konkrét cikket tudom ajánlani a témában: https://varsanyipeter.hu/veszelyek.pdf Köszönöm Varsányi Péternek! Témába vágó Facebook post itt!

Az átverésem tárgyát jelentő OKOMAN 12800mAh akkumulátorok mellé felvásároltam a HEStore-ban egy kb. 2000Ft-os MOTOMA 2600mAh akkumulátort. Ez lett a referencia, mert teljesítette is, amit ígért. Jártamban keltemben költöttem 1000Ft-ot egy AKT 10800mAh-es, 500Ft-ot egy CEDAR 6800mAh-s akkumulátorra. Ár érték arányban utóbbi darab egész jól vizsgázott, főleg annak tükrében, hogy még nem robbant fel, és nem gyújtotta fel a lakásomat. Még szerencse, hogy a nagyobb áruházakban van ingyenes elem/akkumulátor veszélyes hulladék gyűjtő, különben drága lenne megszabadulni a felvásárolt limlomoktól!

Lássuk sorban a vizsgálati anyagokat! A gyári feliratokból beazonosíthatók a darabok.

A vizsgálatom elsődleges célja az átverés mértékének megállapítása volt, másodsorban azt szerettem volna megtudni, hogy van-e olyan paraméter, amiről megállapítható, ha az adott akkumulátor hamis, illetve nem teljesíti, amit ráírtak! Sikerült! De ezt majd később, hogy legyen miért elolvasni a továbbiakat! A lítium akkumulátorokkal kapcsolatban is kicsit okosabb lettem, ezért megérte!

A mérés a következő képen zajlott! Van egy (kínai) tápegységem, aminek az áramkorlátja beállítható. A töltést minden esetben 500mA árammal végeztem. Természetesen az áram csak az akkumulátor töltésének első szakaszában állandó, és a végén folyamatosan csökken, ahogy az akku feszültsége kezd a töltési végfeszülséghez közeledni. Ez a végfeszültség nálam 4,2V mindegyik vizsgált akkumulátornál! A merítés nem zajlott konstans árammal, ehhez nincsenek eszközeim. Bambán rákötöttem az akkura egy ellenállást! Az induló áram teljesen feltöltött akkumulátornál kb. 650mA, míg a végén, amikor az akku feszültsége már 2,5V környékén járt kb. 400mA. Direkt csináltam így, az átlagos merítési áram is kb. 500mA-nek adódott!

Regisztráltam néhány pontban a töltés és merítés folyamatát, néhány ábrát be is idézek. A függőleges tengely a feszültség V-ban, a vízszintes tengely az idő múlása percekben.

Töltés:

Remélem jól látható, hogy mekkora eltérések vannak az egyes görbék között. A hamisítványok egytől egyig pár percen belül eljutnak 4 V feszültségre töltéskor. A kedvencem az AKT 10800mAh akku szinte 0 idő alatt. A 4V azért érdekes, mert kb. ettől a feszültségtől kezdve csökken a töltő áram. A szakirodalomban azt olvastam, hogy kb. 80%-ig lehet a lítium akkut nagy árammal feltölteni, aztán már csak csökkenő árammal lehet befejezni a töltést. Az etalon MOTOMA 2600mAh akkumulátorunkra ez nagyjából igaz is. A töltöttség 70%-nál kezdett csökkenni az áram. A hamisítványok esetében drasztikusan előbb kezd esni a töltőáram. AKT 10800 esetében 5% !!!!, OTOMAN 12800mAh esetében 20%, míg a CEDAR 6800mAh esetében 16% töltöttségnél. Ez egyben a legszembetűnőbb eltérés a valódi és a hamis között. Ez a jelenség gyanút kelthet, ha egy új akkumulátort veszünk használatba. Ha van egy gyorstöltőnk, a gyenge alapanyagú akkumulátor feszültsége nagyon gyorsan fog emelkedni tapasztalatom szerint.

Merítés:

A merítési görbék is beszédesek. Látható, hogy a MOTOMA 2600mAh akku kivételével mindegyik feszültsége 4V alá esik pár perc után. Illetve az AKT 10800mAh már eleve 4V alatti feszültségről indul. Ehhez még annyit tudni kell, hogy ezeket a merítéseket teljes feltöltést követő 10 perc pihentetés után regisztráltam. Az akkumulátorok feszültsége jelentősen lecsökken a pihentetés alatt. Etalon MOTOMA 2600mAh is 4.05V-ra!

Végeztem méréseket jóval kisebb töltő és merítő árammal is, de ezekből nem derült ki semmi. Nem tudtam megállapítani, hogy a töltő, illetve merítő áram befolyásolja-e az akkumulátorból kivehető energiát. Minden bizonnyal igen, de sokkal nagyobb áramokkal is kellett volna kísérletezni, és az én konkrét mérőeszközöm csak 800mA áramerősségig mért. Ebben a tartományban viszont nem tudtam megállapítani semmit. Pontosabban annyit, hogy a töltő és merítő áram nem befolyásolta az akkumulátorból kinyerhető energiát. Bár csak két konkrét akkut néztem meg, a valódi MOTOMA 2600mAh-s akkumulátoromat és a OTOMAN 12800mAh hamisítványomat, amivel átvertek (a többi vackot önként vettem meg)!

Minden akkumulátornál három töltést és merítést végeztem. Pontosabban először feltöltöttem teljesen, és merítéssel indult a vizsgálat. Az utolsó ciklus töltéssel fejeződött be, hogy a fiókba teljesen feltöltött akku kerüljön vissza. A töltés és merítések között 10 perc szünetet tartottam. Az akkumulátorok valós kapacitásértékének megállapítására a három merítés átlagát írtam be a táblázataimba. Sajnos a mérőműszeremben volt valahol egy kis hiba, mert a töltés és merítés alapján minden akkumulátor 100%-os hatásfokkal működött, ami ugyebár lehetetlen. Az INA226 modult használtam, és valamilyen nullpont eltolási hibára gyanakszom. Mikorra észrevettem, már elég sok mérést megcsináltam, és nem tartottam annyira lényegesnek ezt a problémát, hogy mindent elölről kezdjek. Egyébként sem a hatásfokot vizsgáltam. Persze Dudás tanárúr úgy vágott volna ki egy ilyen hiba miatt a mérési gyakorlatról (BME R épület földszinti méréstechnika labor), hogy a Duna másik partján érek földet. Tehát a méréseim nem igazán pontosak. Az etalon áram és feszültséget egy átlagos multiméter adta. De ettől még az eredmények beszédesek!

Lássuk az első táblázatot, ami az egyik leglátványosabb eredményt hozta:

Az eredmény igen meggyőző! A 2000Ftos (akkor 2021-ben) MOTOMA típusú akkumulátoron valós adatokat tüntettek fel. A többi kínai vacakon általában a valós kapacitás 10 szeresét. Igen, jól látsz kedves olvasó a tízszeresét hazudták be annak, amit teljesít az akku. Az ár viszont nem a tizede! A CEDAR akkuval azonban nem jártam rosszul (500Ft-ért). Kis fogyasztású eszközök táplálására, ahol értékelhető működést eredményez ekkora kapacitás két feltöltés között, akár még jó is lehet. Azért mégsem 2500Ft-ot kell kiadni egy akkuért (2022 júliusában már itt járunk).

Az utolsó feltöltés óta eltelt 6 hónap, és újra elővettem és lemerítettem a CEDAR akkut. Hozta a 690mAh kapacitást, tehát nem merült le magától. Ez biztató! Kérdés, hogy megbízható-e az akkumulátor annyira, hogy fel merjem használni?! Ennek kiderítésére tervezek egy tűzálló edényben végrehajtott mérés sorozatot, amiben ciklikusan töltöm és merítem!  Van is egy kimustrált lekvárfőző fazekunk, mint biztonsági berendezés! Sajnos ez a méréssorozat várhatóan hónapokig fog tartani, és az akkumulátor vizsgáló hardvert és szoftvert is át kell alakítanom. Legalább 1000 töltés/merítésre számítok, és ennyit nem tudok regisztrálni az Arduino belső eeprom-ban. Még akkor sem, ha ennél a mérésnél csak a merítések mAh értékeit akarom tárolni. Azt várom, hogy kiderül ebből, hány töltés után kezdi elveszíteni a tároló kapacitását az akku. Ennél a típusnál a max. 500mA-es töltéssel és 4-600mA merítő árammal egy töltés/merítési  ciklus kb. 5 óra. Tehát 1000 ciklus 5000 óra, ami 208 nap. Ez közel 7 hónap. Közben telnek múlnak az évszakok, a hőmérséklet állandóan változik, így meggondolandó, hogy ebbe belekezdjek-e egyáltalán?! Esetleg sokkal nagyobb áramokkal, és folyamatos hőmérséklet méréssel, és bonyolultabb kiértékeléssel!

Visszatérve az eredményekre! Jól érzékelhető összefüggést vélek felfedezni a súly és a kapacitás között! A kínai hamisítványok sokkal könnyebbek, mint az igazi akkumulátorok. 47gr kontra 25-30gr. Most az AKT 10800mAh-s 26850-es „góliát” akkuval ne foglalkozzunk, annak nagyobb a súlya a méretből eredően! Ez tulajdonképpen ideális papírnehezék, másra nem jó. Esetleg megfelelő kezeléssel még lehetne gyújtóbomba.

Javaslom, ha valaki akkumulátor vásárlásra adná a fejét, az szerezzen be egy ékszer mérleget. Nekem is van, Kínából rendeltem, és permetszereket mérek vele. Ezt érdemes vinni a vásárláshoz. Zsebben elfér! Ne higgyetek a reklámnak, az egyik jó nevű áruházban is gyanúsan könnyű darabbal találkoztam nagyon drágán. Persze akciós volt éppen, csak ma és csak itt! A valós kapacitáshoz képest 10 szeres feltüntetett kapacitás és 10 szeres ár! Akkor már jobb a kis kínai árus, aki csak ennyit mond: „óccó, óccó nagyon jó!” Úgysem hiszem el neki!

Jöjjön még néhány felesleges mérési eredmény! Felesleges, mert a regisztrált görbékből is könnyen kiolvasható lett volna az eredmény, csak nem tartottam magam ehhez elég okosnak. Változtattam az akkumulátorok töltési és merítési végfeszültségét, és vizsgáltam mekkora hatással van ez a kinyerhető energiára. Nem túl okos megfontolásból az OTOMAN 12800mAh kínai vacakkal mértem. Gondoltam, hogy ez az akku biztosan rosszabb eredményt mutat majd, mint egy igazi akkumulátor, és a legrosszabb esetre tervezés jegyében ez használható infó lesz! Ugyanakkor kényszer is volt, hiszen a 2600mAh kapacitású akkuval ezek a mérések legalább két hétig tartottak volna az általam alkalmazott töltő és merítő áramokkal.

Merítési végfeszültség növelésének hatása:

A fenti táblázatból látható, hogy a merítési végfeszültséget komolyabb következmények nélkül lehet növelni, annak érdekében, hogy kíméljük az akkumulátort. Nincs jó hatással az akkura, ha „túlmerítik”. Nagyjából a 3V egészséges kompromisszumnak látszik. A szakirodalomban egyébként 2,6V-ot olvastam, mint minimális végfeszültség, tehát az általam alkalmazott 2,5V már erős túlzás, és láthatóan felesleges is. Nem nyertem vele szinte semmit. A merítés feszültség diagrammjából is jól látható lett volna az eredmény, hiszen szinte az utolsó percekben csökkent nagyon nagyot az akku feszültsége.

Töltési végfeszültség csökkentésének hatása:

 A fenti táblázat azt mutatja, mi történik, ha nem töltjük fel „nagyon” az aksit. A litium akkumulátorok a szakirodalom szerint nagyon érzékenyek a túltöltésre. Ráadásul nem tönkremenetellel, hanem felrobbanással kecsegtet ez a tevékenység. A feszültséget 50mV pontossággal illik tartani az írásom elején idézett cikk szerint. Így hát megnéztem mi van akkor, ha amatőr áramköreimben nem áll rendelkezésre ekkora pontosság, és nem is bombát akarok gyártani! Tehát inkább biztonságosan kicsi feszültségre töltöm túlzott óvatossággal. Jól látható az eredmény! Bizony itt megéri pontosan mérni, és kihasználni az utolsó millivoltokat is. Slendrián alul tervezéssel akár a kapacitás felét is elveszíthetjük. Nem megfelelő pontossággal meg füstjeleket tapasztalunk! Szerencsés esetben, mert egyébként meg szirénákat és piros autót!

Következzen a hőmérséklet függés vizsgálata. Számomra ez volt a legtanulságosabb, és erre voltam a legkíváncsibb. Ugyanis egy plug in hybrid autó boldog (télen kevésbé boldog) tulajdonosa vagyok! Azt tapasztaltam, hogy hidegben drasztikusan sokkal kevesebbet megy az autó egy feltöltéssel.

A mérések nagyon nehézkesen mentek. 0 fokon, 20 fokon és 30 fokon sikerült mérnem. A 0 fokhoz meg kellett várni a telet és a tartósan fagypont közeli hőmérsékletet. Szerencsére épp tél volt, amikor elkezdtem a méréséket, de így is kellett 2 hét a „jó” időjárásra. Ugyanakkor a lakásban az egyik hideg sarokban találtam 20 fokot, így az könnyen ment, mert a kazánunk hőfokszabályzós és konstans hőmérsékletet adott. A 30 fokos méréshez viszont meg kellett várni a kánikulát. Ez a pillanat idén (2022) június végén érkezett el. Több hónap türelemre volt szükség. Szerencsére a szerszámos suffni ideális helyszín, elég jól tartja a hideget-meleget, így azt használtam fel termosztátnak! Két akkut mértem meg mindhárom hőfokon, az OTOMAN 12800mAh-s hamisítványt és a MOTOMA 2600mAh valódi akkut! Nagyon hasonló következtetés született mindkét esetben!

Nézzük először a hamisítványt (OTOMAN 12800mAh):

…és a valódi akkumulátort (MOTOMA 260mAh):

A két táblázatból kiderül, hogy hidegben az akkumulátorok sokkal rosszabbul teljesítenek. A hamisítvány még annál is rosszabbul. Megjegyzem nem ezt vártam, azt hittem csak a kapacitás értékkel csaltak, például azzal, hogy újra dobozoltak egy olcsó kicsi akkumulátort! Azonban itt alkalmazott alapanyagokkal is baj lehet, tehát nem csak újra dobozolnak, szart is gyártanak (már bocsánat a szavakért). A töltési és merítési görbék is beszédesek, de azokból még nem jött le egyértelműen számomra a csalás lényege.

Bár a táblázatban csak a merítéskor kivehető kapacitást tüntettem fel, a töltés is hasonló eredményeket hozott! Tehát az akkumulátorba télen kevesebbet lehet belle tölteni, és vélelmezem, hogy ebből a kevesebb energiából kivenni is kevesebbet lehet. Tehát sejtésem szerint a hatás duplán jelentkezik. Vagyis romlik az akkumulátor hatásfoka is. Mégis csak meg kellene javítanom a mérőműszert és hatásfokot is kéne mérni, de ezt majd máskor!

Az autóm kb. a második táblázat szerinti adatokat igazolja vissza. Az autót úgy vettem, hogy a gyártó szerint az akkumulátorok 10,5kWh kapacitásúak. Ezzel 50km hatótávot ígértek. Ezt ugyan soha nem sikerült elérni, de meg lehet közelíteni. Akkor teljesíti az 50km-t, ha nyár van, nincs bekapcsolva a légkondi, lejtőn közlekedünk és hátulról fúj a szél! Ha mindezek nem jönnek össze egyszerre, akkor 40-45km a valós adat.

Bár a hatótávban nem vettem észre lényeges csökkenést, meglepő módon az autóba töltött energia idővel csökkent. Az első töltéseknél még beletöltöttem 10kWh-ot, vagy kicsivel többet. Másfél év múlva már inkább 9-9,5kWh a leggyakoribb érték teljes lemerülés után. Bár a teljes lemerítés nem teljesen definiálható, mert amikor az akku 3% kapacitásra merül, az autó hybrid üzemmódba vált, és időnként tölti magát, így nem lehet tudni, mennyi is van benne ténylegesen amikor leállítom.

Visszatérve a hatótávra! Télen amikor 0 és -10 fok között van a hőmérséklet, a hatótáv 30km környékére csökken. Anyukám pontosan 15 km-re lakik tőlünk, télen az utót teljesen lemerül mire hazaérünk, általában akkor indul be a benzinmotor, amikor visszafelé bekanyarodunk az utcánkba. Nyáron meg marad benne 30-40%. Igaz, hogy télen a fűtést az autó akkor is beindítja minimum 18 fokra, ha nem akarjuk A légkondit viszont ki lehet kapcsolni, és mi nem igazán szeretjük használni, így nyáron ezért is messzebbre jutunk!

Ennyi fért bele mára!

Mennyire volt hasznos amit olvastál?

Kattints egy csillagra az értékeléshez!

Szövegesen is leírhatod véleményedet!