Efectul de memorie, cunoscut si sub denumirea de efect de baterie, efect de baterie lenesa sau de memorie a bateriei, este un efect observat la bateriile reincarcabile cu nichel-cadmiu si nichel-hidrura metalica, care le face sa mentina o rata de incarcare mai mica. Descrie situatia in care bateriile cu nichel-cadmiu isi pierd treptat capacitatea maxima de energie daca sunt reincarcate in mod repetat dupa ce au fost doar partial descarcate. Bateria pare sa-si „aminteasca” capacitatea de incarcare mai mica.
Efect de memorie adevarat
Termenul „memorie” provine dintr-o aplicatie aerospatiala de nichel-cadmiu in care celulele au fost descarcate in mod repetat la 25% din capacitatea disponibila (plus sau minus 1%) prin controlul computerizat, apoi reincarcate la 100% din capacitate, fara supraincarcare. Acest regim de ciclu repetitiv, pe termen lung, fara prevederi pentru supraincarcare, a dus la o pierdere a capacitatii dincolo de punctul de descarcare de 25%. Memoria adevarata nu poate exista daca este indeplinita una (sau mai multe) dintre urmatoarele conditii:
- bateriile ajung la supraincarcare completa
- descarcarea nu este exact aceeasi in fiecare ciclu, de plus sau minus 3%
- descarcarea este mai mica de 1,0 volti pe celula
Adevaratul efect de memorie este specific celulelor de nichel-cadmiu din placi sintetizate si este extrem de dificil de reprodus, in special in celulele cu amperi-ora mai mici. Intr-un program de testare special conceput pentru a induce efectul, nici unul nu a fost gasit dupa mai mult de 700 de cicluri de incarcare/descarcare controlate cu precizie. In program, s-au folosit celule spiralate de un amper ora. Intr-un alt program de urmarire, celule de tip aerospatial de 20 de amperi-ora au fost utilizate intr-un regim de testare similar; efectele memoriei au fost observate dupa cateva sute de cicluri de incarcare.
Alte probleme percepute ca efect de memorie
Fenomene care nu sunt adevarate efecte de memorie pot aparea si in alte tipuri de baterii decat celulele nichel-cadmiu din placi sinterizate. In special, celulele pe baza de litiu, care in mod normal nu sunt supuse efectului de memorie, isi pot modifica nivelurile de tensiune, astfel incat o scadere virtuala a capacitatii poate fi perceputa de sistemul de control al bateriei.
Efecte temporare
Scaderea tensiunii din cauza supraincarcarii pe termen lung
Un proces comun atribuit adesea efectului de memorie este deprimarea tensiunii. In acest caz, tensiunea de iesire a bateriei scade mai repede decat in mod normal pe masura ce este utilizata, chiar daca capacitatea totala ramane aproape aceeasi. In echipamentele electronice moderne care monitorizeaza tensiunea pentru a indica incarcarea bateriei, bateria pare sa se descarce foarte repede. Pentru utilizator, se pare ca bateria nu isi mentine incarcarea completa, ceea ce pare similar cu efectul de memorie. Aceasta este o problema comuna la dispozitivele cu sarcina mare, cum ar fi camerele digitale si telefoanele mobile.
Scaderea tensiunii este cauzata de supraincarcarea repetata a bateriei, care determina formarea de mici cristale de electrolit pe placi. Acestea pot infunda placile, crescand rezistenta si scazand tensiunea unor celule individuale din baterie. Acest lucru face ca bateria in ansamblu sa para ca se descarca rapid, deoarece acele celule individuale se descarca rapid si tensiunea bateriei in ansamblu scade brusc. Acest efect este foarte obisnuit, deoarece incarcatoarele de curent pentru consumatori de obicei supraincarca bateriile.
Reparatie
Efectul poate fi depasit prin supunerea fiecarei celule a bateriei la unul sau mai multe cicluri de incarcare/descarcare profunda. Acest lucru trebuie facut pentru celulele individuale, nu pentru o baterie cu mai multe celule; intr-o baterie, unele celule se pot descarca inaintea altora, rezultand faptul ca acele celule sunt supuse unui curent de incarcare inversa de catre celulele ramase, ceea ce poate duce la daune ireversibile.
Descarcare profunda
Unele baterii reincarcabile pot fi deteriorate prin descarcarea profunda repetata. Bateriile sunt compuse din mai multe celule similare, dar nu identice. Fiecare celula are propria capacitate de incarcare. Pe masura ce bateria in ansamblu este descarcata profund, celula cu cea mai mica capacitate poate ajunge la zero si se va „incarca invers”, pe masura ce celelalte celule continua sa forteze curentul prin ea. Pierderea de capacitate rezultata este adesea atribuita efectului de memorie.
Utilizatorii de baterii pot incerca sa evite efectul de memorie corespunzator, descarcandu-si complet acumulatorii. Aceasta practica poate provoca mai multe daune, deoarece una dintre celule va fi descarcata adanc. Deteriorarea se concentreaza asupra celei mai slabe celule, astfel incat fiecare descarcare completa suplimentara va cauza din ce in ce mai multe daune celulei respective.
Varsta si utilizare — sfarsitul vietii normale
Toate bateriile reincarcabile au o durata de viata limitata si isi vor pierde incet capacitatea de stocare pe masura ce imbatranesc din cauza reactiilor chimice secundare din interiorul bateriei, indiferent daca este folosita sau nu. Unele celule se pot defecta mai devreme decat altele, dar efectul este de a reduce tensiunea bateriei. Bateriile pe baza de litiu au una dintre cele mai lungi durate de viata. Din pacate, numarul de cicluri operationale este inca destul de scazut, la aproximativ 400–1200 de cicluri complete de incarcare/descarcare. Durata de viata a bateriilor cu litiu scade la temperaturi si stari de incarcare (SoC) mai ridicate, indiferent daca sunt utilizate sau nu; Durata maxima de viata a celulelor cu litiu atunci cand nu sunt utilizate (depozitare) este atinsa prin refrigerare (fara congelare) incarcata la 30%-50% SoC. Pentru a preveni supradescarcarea, bateria trebuie adusa inapoi la temperatura camerei si reincarcata la 50% SoC o data la sase luni sau o data pe an.
Starea de sarcina
Starea de incarcare (SoC) este nivelul de incarcare al unei baterii electrice in raport cu capacitatea sa. Unitatile de SoC sunt puncte procentuale (0% = gol; 100% = plin). O forma alternativa a aceleiasi masuri este adancimea de descarcare (DoD), inversul SoC (100% = gol; 0% = plin). SoC este utilizat in mod normal atunci cand discutam despre starea curenta a unei baterii in uz, in timp ce DoD este cel mai adesea luat in calcul atunci cand discutam despre durata de viata a bateriei dupa o utilizare repetata.
Intr-un vehicul electric cu baterie (BEV), un vehicul hibrid (HV) sau un vehicul electric hibrid hibrid conectat (PHEV), SoC pentru pachetul de baterii este echivalentul unui indicator de combustibil. Este important de mentionat ca starea de incarcare, prezentata ca un indicator sau o valoare procentuala la orice tablou de bord al vehiculului, in special la vehiculele hibrid plug-in, poate sa nu fie reprezentativa pentru un nivel real de incarcare. In acest caz particular, o cantitate notabila de energie stocata in bateria electrica nu este afisata pe tabloul de bord si este rezervata operatiunilor de lucru hibrid. Acesta permite unui vehicul sa accelereze cu motoare electrice folosind in principal energia bateriei, in timp ce motorul serveste ca generator si este folosit pentru a reincarca bateria la nivelul minim necesar pentru o astfel de functionare. Exemple de astfel de masini sunt Mitsubishi Outlander PHEV (toate versiunile/anii de productie), unde 0% din starea de incarcare prezentata soferului reprezinta o valoare reala de 20-22% din nivelul de incarcare (presupunand ca nivelul zero este cel mai scazut nivel de incarcare permis de catre producatorul auto). Un altul este BMW i3 REX (versiunea Range Extender), unde aproximativ 6% din SOC este rezervat operatiunilor similare PHEV. Tesla a declarat ca SoC-ul lor ar trebui sa fie mai mic de 95%, unii declarand ca este intre 30%-80%.
Determinarea SoC
De obicei, SoC nu poate fi masurat direct, dar poate fi estimat din variabile de masurare directa in doua moduri: offline si online. In tehnicile offline, bateria este incarcata si descarcata cu o rata constanta. Aceasta metoda ofera o estimare precisa a SoC al bateriei, dar acesta este un proces prelungit, costisitor si intrerupe performanta bateriei principale. Prin urmare, cercetatorii cauta cateva tehnici online. In general, exista cinci metode pentru a determina SoC indirect:
- Voltaj
- Integrarea curenta
- Filtrarea Kalman
- Presiune
- Metoda chimica
Aceasta metoda functioneaza numai cu bateriile care ofera acces la electrolitul lor lichid, cum ar fi bateriile cu plumb – acid nesigilate. Greutatea specifica sau pH-ul electrolitului poate fi utilizat pentru a indica SoC al bateriei.
Hidrometrele sunt folosite pentru a calcula greutatea specifica a unei baterii. Pentru a gasi greutatea specifica, este necesar sa masurati volumul electrolitului si sa il cantariti. Apoi, greutatea specifica este data de (masa electrolitului [g] /volumul de electrolit [ml]) / (Densitatea apei, adica 1g/1ml). Pentru a gasi SoC de la greutatea specifica, este necesar un tabel de cautare SG vs SoC.
Mai recent, refractometria prin imersie s-a dovedit a fi o metoda viabila pentru monitorizarea continua a starii de incarcare. Indicele de refractie al electrolitului bateriei este direct legat de greutatea specifica sau densitatea electrolitului celulei.
Metoda tensiunii
Aceasta metoda converteste o citire a tensiunii bateriei in SoC, folosind curba de descarcare cunoscuta (tensiune vs. SoC) a bateriei. Cu toate acestea, tensiunea este afectata mai semnificativ de curentul bateriei (datorita cineticii electrochimice a bateriei) si temperatura. Aceasta metoda poate fi facuta mai precisa prin compensarea citirii tensiunii cu un termen de corectie proportional cu curentul bateriei si prin utilizarea unui tabel de cautare a tensiunii in circuit deschis a bateriei, in functie de temperatura.
De fapt, este un obiectiv declarat al proiectarii bateriei sa furnizeze o tensiune cat mai constanta posibil, indiferent de SoC, ceea ce face ca aceasta metoda sa fie dificil de aplicat.
Metoda actuala de integrare
Aceasta metoda, cunoscuta si sub numele de „numarare coulomb”, calculeaza SoC masurand curentul bateriei si integrandu-l in timp. Deoarece nicio masuratoare nu poate fi perfecta, aceasta metoda sufera de derapaj pe termen lung si de lipsa unui punct de referinta: prin urmare, SoC trebuie recalibrat in mod regulat, cum ar fi prin resetarea SoC la 100% atunci cand un incarcator stabileste ca bateria este complet incarcata (folosind una dintre celelalte metode descrise aici).
Abordari combinate
Maxim Integrated ofera o abordare combinata de tensiune si incarcare care este pretinsa superioara oricarei metode; este implementat in seria lor de cipuri ModelGauge m3, cum ar fi MAX17050, care este folosit in dispozitivele Android Nexus 6 si Nexus 9, de exemplu.
Filtrarea Kalman
Pentru a depasi deficientele metodei tensiunii si ale metodei de integrare a curentului, poate fi utilizat un filtru Kalman. Bateria poate fi modelata cu un model electric pe care filtrul Kalman il va folosi pentru a prezice supratensiunea, datorata curentului. In combinatie cu numararea coulombilor, poate face o estimare precisa a starii de incarcare. Puterea unui filtru Kalman deriva din faptul ca este capabil sa isi ajusteze increderea in tensiunea bateriei si in numararea coulombilor in timp real.
Metoda presiunii
Aceasta metoda poate fi utilizata cu anumite baterii NiMH, a caror presiune interna creste rapid atunci cand bateria este incarcata. Mai frecvent, un presostat indica daca bateria este complet incarcata. Aceasta metoda poate fi imbunatatita tinand cont de legea lui Peukert, care este o functie a ratei de incarcare/descarcare sau amperului.
