Princip i definicije

2020-08-11 08:07

Kapacitet i energija baterije ili sistema za skladištenje

Kapacitet baterije ili akumulatora je količina energije koja se čuva u skladu s određenom temperaturom, vrijednosti struje i vremena napunjenosti ili pražnjenja.

Kapacitet rejtinga i C stopa

C-stopa se koristi za skaliranje struje punjenja i pražnjenja baterije. Stopa C je za određeni kapacitet mjera koja pokazuje na kojoj se struji napuni baterija i pražnjen kako bi dostigao svoj definirani kapacitet. 

Napunjenje od 1C (ili C / 1) opterećuje bateriju koja je ocijenjena na, recimo, 1000 Ah na 1000 A tijekom jednog sata, tako da na kraju sata baterija dostigne kapacitet od 1000 Ah; iscjedak 1C (ili C / 1) isprazni bateriju istom brzinom.
Napunjenje od 0,5 C ili (C / 2) opterećuje bateriju koja je ocijenjena na, recimo, 1000 Ah na 500 A, tako da je potrebno dva sata za punjenje baterije maksimalnim kapacitetom od 1000 Ah;
Napunjenost od 2C opterećuje bateriju koja je ocijenjena na, recimo, 1000 Ah na 2000 A, tako da teoretski treba 30 minuta da se baterija napuni do nominalnog kapaciteta 1000 Ah;
Oznaka Ah obično je označena na bateriji.
Posljednji primjer, olovnu bateriju s C10 (ili C / 10) s kapacitetom od 3000 Ah treba napuniti ili isprazniti u 10 sati s trenutnim nabojem ili pražnjenjem od 300 A.

Zašto je važno znati C-stupanj ili C ocjenu baterije

C-stopa je važan podatak za bateriju, jer za većinu baterija uskladištena ili dostupna energija ovisi o brzini struje punjenja ili pražnjenja. Općenito, za određeni kapacitet imat ćete manje energije ako se isprazni u jednom satu, nego ako se isprazni za 20 sati, obrnuto ćete pohraniti manje energije u bateriju s trenutnim nabojem od 100 A tokom 1 h nego s trenutnim nabojem od 10 A tokom 10 h.

Formula za izračunavanje struje dostupne na izlazu iz sistema baterija

Kako izračunati izlaznu struju, snagu i energiju baterije prema C-stopi?
Najjednostavnija formula je:

I = Cr * Er
ili
Cr = I / Er
Gde
Er = nazivna energija pohranjena u Ah (nazivni kapacitet baterije koji je dao proizvođač)
I = struja naboja ili pražnjenja u Amperama (A)
Cr = C stopa baterije
Jednadžba za dobivanje vremena naboja ili punjenja ili pražnjenja "t" prema trenutnom i nazivnom kapacitetu je:
t = Er / I
t = vrijeme, trajanje punjenja ili pražnjenja (vrijeme izvođenja) u satima
Odnos Cr i t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Kako rade litijum-jonske baterije

Litijum-jonske baterije su neverovatno popularni ovih dana. Možete ih pronaći na prijenosnim računalima, PDA uređajima, mobitelima i iPodima. Toliko su česti jer su kilogram za kilogram, neke od najenergičnijih punjivih baterija.

Litijum-jonske baterije su takođe u vestima u poslednje vreme. To je zato što ove baterije imaju mogućnost povremeno da izgrade plamen. Nije baš uobičajeno - samo dva ili tri baterije na milion imaju problem - ali kada se dogodi, to je ekstremno. U nekim situacijama stopa neuspjeha može porasti, a kad se to dogodi, završite sa svjetskim opozivom baterije koji proizvođačima može koštati milione dolara.

Pitanje je, zbog čega su ove baterije tako energične i tako popularne? Kako izbijaju plamen? I možete li nešto poduzeti kako biste spriječili problem ili pomogli da baterije duže traju? U ovom ćemo članku odgovoriti na ova pitanja i još mnogo toga.

Litijum-jonske baterije su popularne jer imaju niz važnih prednosti u odnosu na konkurentne tehnologije:

• Obično su puno lakši od ostalih vrsta punjivih baterija iste veličine. Elektrode litijum-jonske baterije su izrađene od lakog litijuma i ugljenika. Litijum je takođe vrlo reaktivan element, što znači da se u atomskim vezama može skladištiti puno energije. To pretvara u vrlo visoku gustoću energije za litijum-jonske baterije. Evo načina da se dobije uvid u gustinu energije. Tipična litijum-jonska baterija može pohraniti 150 vati sati električne energije u 1 kilogram baterije. NiMH (nikl-metal-hidrid) baterija može pohraniti možda 100 vati sati po kilogramu, mada bi 60 do 70 vat-sati moglo biti uobičajenije. Olovni akumulator može pohraniti samo 25 vat-sati po kilogramu. Koristeći tehnologiju olovne kiseline, potrebno je 6 kilograma za pohranu iste količine energije s kojom se može nositi litijum-jonska baterija od 1 kilograma. To je ogromna razlika
• Zadržavaju se naboja. Litijum-jonska baterija mjesečno gubi samo oko 5 posto napunjenosti, u odnosu na 20 posto gubitka mjesečno za NiMH baterije.
• One nemaju memorijski efekat, što znači da ih ne morate potpuno isprazniti prije punjenja, kao i neke druge baterije baterije.
• Litijum-jonske baterije mogu podnijeti stotine ciklusa punjenja / pražnjenja.

To ne znači da su litijum-jonske baterije besprekorne. Oni imaju i nekoliko nedostataka:

• Oni se ponižavaju čim izađu iz tvornice. Trajat će samo dvije ili tri godine od datuma proizvodnje, bilo da ih koristite ili ne.
• Izuzetno su osjetljivi na visoke temperature. Toplina uzrokuje da se litijum-jonski akumulatori degradiraju mnogo brže nego što bi to obično činili.
• Ako u potpunosti ispraznite litijum-jonsku bateriju, ona se uništava.
• Litijum-jonska baterija mora imati ugrađeni računar za upravljanje baterijom. To ih čini još skupljima nego što već jesu.
• Postoji mala vjerovatnoća da će, ukoliko litij-jonska baterija ne uspije, izgorjeti u plamenu.

Mnoge od ovih karakteristika mogu se razumjeti ako se pogleda hemija unutar litijum-jonske ćelije. Mi ćemo to dalje pogledati.

Litijum-jonski akumulatori se isporučuju u svim oblicima i veličinama, ali svi izgledaju približno isto. Ako biste trebali rastaviti bateriju prijenosnog računala (nešto što NE preporučujemo zbog mogućnosti kratkovidne baterije i pokretanja vatre), našli biste sljedeće:

• Litijum-jonske ćelije mogu biti ili cilindrične baterije koje izgledaju gotovo identično AA-ćelijama, ili mogu biti prizmatične, što znači da su računar kvadratnog ili pravougaonog oblika, koji sadrži:
• Jedan ili više senzora temperature za nadziranje temperature baterije
• Krug pretvarača napona i regulatora za održavanje sigurnih nivoa napona i struje
• Zaštićeni konektor za prijenosno računalo koji omogućuje protok energije i informacija u i van baterije
• Napon napona, koji prati energetski kapacitet pojedinih ćelija u baterijskom pakovanju
• Monitor stanja napunjenosti baterije, to je mali računar koji radi cijeli postupak punjenja, kako bi se osiguralo da se baterije napune što je brže i potpunije moguće.

Ako se baterija previše zagrije za vrijeme punjenja ili upotrebe, računar će isključiti protok energije kako bi pokušao ohladiti stvari. Ako svoj laptop ostavite u izuzetno vrućem automobilu i pokušate ga koristiti, ovaj računar može vas spriječiti da se uključite dok se stvari ne ohlade. Ako se stanice ikad potpuno isprazne, baterija će se ugasiti jer su ćelije uništene. Također može pratiti broj ciklusa punjenja / pražnjenja i slati podatke tako da mjerač baterije prijenosnog računala može reći koliko napunjenosti je preostalo u bateriji.

To je prilično sofisticiran mali računar, a on crpi snagu iz baterija. Ovaj prekid napajanja jedan je od razloga zašto litijum-jonske baterije svakog meseca gube 5 posto snage dok miruju.

Litijum-jonske ćelije

Kao i kod većine baterija imate i vanjsku futrolu od metala. Upotreba metala je ovdje posebno važna, jer je baterija pod pritiskom. Ovaj metalni kofer ima neku vrstu otvora za prozračivanje osjetljiv na pritisak. Ako se baterija ikada toliko zagrijava da riskira da eksplodira od prekomjernog pritiska, ovaj odušak će otpustiti dodatni tlak. Vjerovatno će nakon toga baterija biti neupotrebljiva, tako da je to nešto što treba izbjegavati. Otvor je strogo prisutan kao sigurnosna mjera. Tako je i prekidač pozitivnog temperaturnog koeficijenta (PTC), uređaj koji treba da spreči pregrijavanje baterije.

Ovaj metalni kovčeg drži dugu spiralu koja se sastoji od tri tanka ploča prešanih zajedno:

• Pozitivna elektroda
• Negativna elektroda
• Separator

Unutar kućišta ovi listovi su potopljeni u organsko otapalo koje djeluje kao elektrolit. Eter je jedno uobičajeno otapalo.

Odvajač je vrlo tanak list mikro perforirane plastike. Kao što naziv govori, razdvaja pozitivne i negativne elektrode dopuštajući ionima da prođu.

Pozitivna elektroda je izrađena od litijum-kobaltovog oksida, odnosno LiCoO2. Negativna elektroda je napravljena od ugljenika. Kad se baterija napuni, ioni litija prelaze kroz elektrolit iz pozitivne elektrode na negativnu elektrodu i pripoje se ugljeniku. Tokom pražnjenja, litijum-joni se vraćaju u LiCoO2 iz ugljenika.

Kretanje ovih litijum jona događa se pri poprilično visokom naponu, tako da svaka ćelija proizvodi 3,7 volti. To je mnogo više od 1,5 V uobičajenih za alkalne ćelije AA koje kupujete u supermarketu i pomaže u litijum-jonskim baterijama kompaktnijima na malim uređajima poput mobitela. Pogledajte kako rade baterije za detalje o različitim hemijskim baterijama.

Pogledati ćemo kako produžiti život litijum-jonske baterije i istražiti zašto mogu sljedeće eksplodirati.

Litijum-jonska baterija Život i smrt

Litijum-jonski baterijski paketi su skupi, tako da ako želite da dulje potraju, evo nekoliko stvari koje morate imati na umu:

• Litijum-jonska hemija preferira djelomično pražnjenje do dubokog pražnjenja, pa je najbolje izbjegavati da bateriju vodite sve do nule. Pošto litijum-jonska hemija nema "memoriju", djelomičnim pražnjenjem ne oštećujete bateriju. Ako napon litijum-jonske ćelije padne ispod određenog nivoa, on se uništava.
• Litijum-jonske baterije stare. Traju samo dvije do tri godine, čak i ako sjede na neiskorištenoj polici. Zato nemojte „izbjegavati upotrebu“ baterije uz pomisao da će baterija trajati pet godina. Neće. Također, ako kupujete novo pakovanje baterija, želite biti sigurni da je zaista novo. Ako je godinu dana sjedila na polici u trgovini, neće dugo trajati. Datumi proizvodnje su važni.
• Izbegavajte toplotu koja degradira baterije.

Eksplodiranje baterija

Sada kada znamo kako litijum-jonske baterije duže raditi, pogledajmo zašto mogu eksplodirati.

Ako se baterija dovoljno zagrijava da zapali elektrolit, otvorit ćete požar. Na Internetu se nalaze videoisječci i fotografije koje pokazuju koliko ozbiljni ti požari mogu biti. Članak CBC-a, „Ljeto eksplozivnog laptopa“, zaokružuje nekoliko ovih incidenata.

Kad se dogodi požar kao što je ovaj, obično ga uzrokuje unutarnji kratki akumulator. Podsjetimo iz prethodnog odjeljka da litijum-jonske ćelije sadrže separacijski list koji drži pozitivne i negativne elektrode odvojene. Ako se taj list probije, a elektrode dodirnu, baterija se brzo zagrijava. Možda ste iskusili toplinu koju akumulator može proizvesti ako ste ikada u džep stavili normalnu 9-voltnu bateriju. Ako se novčić kratko spoji preko dva terminala, baterija se prilično zagrijava.

U kvaru separatora, ista takva kratka pojava događa se unutar litijum-jonske baterije. Budući da su litijum-jonske baterije toliko energične, jako se zagrijavaju. Toplina uzrokuje da baterija izbaci organsko otapalo koje se koristi kao elektrolit, a toplina (ili bliska iskra) može ga upaliti. Jednom kada se to dogodi unutar jedne od ćelija, toplina vatre kaskadno pređe na ostale ćelije, a čitav čopor se plamen.

Važno je napomenuti da su požari vrlo rijetki. Ipak, treba samo nekoliko požara i malo medija pokriće radi brzog opoziva.

Različite litijumske tehnologije

Prvo, važno je napomenuti da postoji mnogo tipova „litijum-jonskih“ baterija. Točka koja treba napomenuti u ovoj definiciji odnosi se na "porodicu baterija".
Postoji nekoliko različitih „litijum-jonskih“ baterija unutar ove porodice koje koriste različite materijale za svoju katodu i anodu. Kao rezultat toga, pokazuju vrlo različite karakteristike i zbog toga su pogodni za različite primjene.

Litijum-željezni fosfat (LiFePO4)

Litijum-željezni fosfat (LiFePO4) je poznata litijumska tehnologija u Australiji zbog široke upotrebe i pogodnosti širokog spektra primjene.
Karakteristike niske cijene, visoke sigurnosti i dobre specifične energije čine ovo jakom opcijom za mnoge primjene.
LiFePO4 ćelijski napon od 3,2 V / ćelija također ga čini litijumskom tehnologijom izbora za zapečaćenu zamjenu olovne kiseline u velikom broju primjena.

LiPO baterija

Od svih dostupnih litijumskih opcija, nekoliko je razloga zbog kojih je LiFePO4 odabran kao idealna litijumska tehnologija za zamjenu SLA. Glavni razlozi se svode na njegove povoljne karakteristike kada se gledaju glavne aplikacije tamo gdje SLA trenutno postoji. Tu spadaju:

• Sličan napon kao SLA (3,2 V po ćeliji x 4 = 12,8 V) što ih čini idealnim za SLA zamjenu.
• Najsigurniji oblik litijumskih tehnologija.
• Ekološki ekološki fosfat nije opasan, pa je štetan i za životnu sredinu i ne predstavlja zdravstveni rizik.
• Širok raspon temperature

Značajke i prednosti LiFePO4 u poređenju sa SLA

Ispod su neke ključne karakteristike Litijum-gvožđe-fosfatna baterija koja pružaju značajne prednosti SLA-a u nizu primena. Ovo nije potpuni popis ni na koji način, međutim, on pokriva ključne stavke. AGA baterija od 100 AH odabrana je kao SLA, jer je to jedna od najčešće korištenih veličina u aplikacijama dubokog ciklusa. Ovaj 100AH AGM je uspoređen sa 100AH LiFePO4 kako bi se usporedio sličan što je moguće bliži.

Karakteristika - Težina:

Poređenje

• LifePO4 je manje od polovine mase SLA-e
• AGM duboki ciklus - 27,5Kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

Prednosti

• Povećava efikasnost goriva
  • U prikolicama i kamp kućicama težina vuče se smanjuje.
• Povećava brzinu
  • U brodskim aplikacijama brzina vode može se povećati
• Smanjenje ukupne težine
• Duže vrijeme izvođenja

Težina ima veliki utjecaj na mnogim primjenama, posebno kada se radi o vučici ili brzini, kao što su kamp prikolice i plovidbe. Ostale aplikacije, uključujući prijenosnu rasvjetu i aplikacije za kamere u kojima je potrebno nositi baterije.

Značajka - Životniji ciklus ciklusa:

Poređenje

• Život ciklusa do 6 puta
• AGM duboki ciklus - 300 ciklusa @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 ciklusa @ 100% DoD

Prednosti

• Niži ukupni troškovi vlasništva (trošak po kWh mnogo je niži za vijek trajanja baterije za LiFePO4)
• Smanjenje troškova zamjene - zamijenite AGM do 6 puta prije nego što LiFePO4 treba zamijeniti

Duži radni vijek ciklusa znači da su dodatni troškovi za LiFePO4 bateriju više nego nadoknađeni za vijek trajanja baterije. Ako se koristi svakodnevno, AGM će trebati zamijeniti cca. 6 puta prije nego što LiFePO4 treba zamijeniti

Značajka - Ravna krivulja pražnjenja:

Poređenje

• Pri ispuštanju 0,2C (20A)
• AGM - pada ispod 12V nakon
• 1,5 sati runtimea
• LiFePO4 - pada ispod 12V nakon otprilike 4 sata izvođenja

Prednosti

• Efikasnije korištenje kapaciteta baterije
• Snaga = Volti x Ampera
• Jednom kada napon počne da opada, baterija će trebati da napaja veće snage da bi obezbedila istu količinu energije.
• Veći napon je bolji za elektroniku
• Duže vrijeme izvođenja opreme
• Potpuna upotreba kapaciteta čak i pri velikoj brzini pražnjenja
• AGM @ 1C pražnjenje = 50% kapaciteta
• Ispunjenje LiFePO4 @ 1C = 100% kapaciteta

Ova je značajka malo poznata, ali je velika prednost i daje višestruke prednosti. S ravnom krivuljom pražnjenja LiFePO4, terminalni napon drži iznad 12 V za korištenje do 85-90% kapaciteta. Zbog toga je potrebno manje ampera kako bi se isporučila jednaka količina energije (P = VxA) i stoga efikasnija upotreba kapaciteta dovodi do dužeg rada. Korisnik također ranije neće primijetiti usporavanje uređaja (na primjer golf košarica).

Uporedo s tim, učinak Peukertovog zakona je kod litijuma manje značajan od efekta AGM. To rezultira time što imate na raspolaganju veliki postotak kapaciteta baterije, bez obzira na brzinu pražnjenja. Pri 1C (ili 100A pražnjenju za 100AH bateriju) opcija LiFePO4 i dalje će vam dati 100AH vs samo 50AH za AGM.

Značajka - Povećana upotreba kapaciteta:

Poređenje

• Preporučeni AGM DoD = 50%
• Preporučeni LiFePO4 DoD = 80%
• AGM duboki ciklus - 100AH x 50% = 50Ah upotrebljivo
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Razlika = 30Ah ili 60% veća potrošnja kapaciteta

Prednosti

• Povećani radni vek ili manji kapacitet baterije za zamenu

Povećana upotreba raspoloživog kapaciteta znači da korisnik može dobiti do 60% više vremena izvođenja s iste opcije kapaciteta u LiFePO4, ili se alternativno odlučiti za LiFePO4 bateriju manjeg kapaciteta, a istovremeno postiže isto vrijeme izvođenja kao i AGM većeg kapaciteta.

Značajka - veća efikasnost punjenja:

Poređenje

• AGM - potpuno punjenje traje oko 8 sati
• LiFePO4 - Potpuno punjenje može biti samo 2 sata

Prednosti

• Baterija je napunjena i spremna je za ponovnu upotrebu

Još jedna velika prednost u mnogim aplikacijama. Zbog niže unutarnje otpornosti između ostalih faktora, LiFePO4 može prihvatiti naboj po mnogo većoj brzini od AGM-a. To im omogućuje da budu punjeni i brži za upotrebu, što dovodi do mnogih prednosti.

Značajka - niska stopa samopražnjenja:

Poređenje

• AGM - Ispuštanje do 80% SOC nakon 4 mjeseca
• LiFePO4 - ispražnjenje do 80% nakon 8 mjeseci

Prednosti

• Može se ostaviti u skladištu na duži period

Ova je značajka velika za rekreacijska vozila koja se mogu koristiti samo nekoliko mjeseci u godini prije nego što ostatak godine ostanu u skladištu, kao što su prikolice, brodovi, motocikli i Jet skije itd. Uz ovo, LiFePO4 ne kalcificira se, pa čak i nakon dužeg napuštanja baterije, vjerovatno je da će se trajno oštetiti. Ne oštećuje se LiFePO4 baterija ako je ne odložite u potpuno napunjeno stanje.

Dakle, ako vaše aplikacije jamče neku od gore navedenih značajki, tada ćete biti sigurni da ćete dobiti svoj novac u vrijednosti za dodatno trošenje na LiFePO4 bateriji. U sljedećim tjednima slijedi slijedeći članak koji će uključiti sigurnosne aspekte na LiFePO4 i različite litijeve kemijske proizvode.