Načelo i definicije

2020-08-11 08:07

Kapacitet i energija baterije ili sustava za pohranu

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

Rejting kapacitet i C stopa

C-stopa koristi se za skaliranje struje punjenja i pražnjenja baterije. Stopa C za određeni kapacitet je mjera koja pokazuje na kojoj se struji napuni baterija i ispražnjeni kako bi dostigli 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 od 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 nazivne vrijednosti od 1000 Ah;
Ah vrijednost je obično označena na bateriji.
Posljednji primjer, olovnu bateriju s C10 (ili C / 10) nazivnog kapaciteta 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 u 20 sati, obrnuto ćete pohraniti manje energije u bateriju s trenutnim nabojem od 100 A tijekom 1 h nego s trenutnim nabojem od 10 A tijekom 10 h.

Formula za izračunavanje struje dostupne na izlazu iz sustava akumulatora

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

I = Cr * Er
ili
Cr = I / Er
Gdje
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 dobivanja 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 litij-ionske baterije

Litij-ionske baterije su nevjerojatno popularni ovih dana. Možete ih pronaći na prijenosnim računalima, PDA uređajima, mobitelima i iPodima. Toliko su česti jer su kilogram za kilogram jedna od najefikasnijih punjivih baterija na raspolaganju.

Litij-ionske baterije također su u zadnje vrijeme u vijestima. To je zato što te baterije imaju mogućnost povremenog izbijanja plamena. To i nije baš uobičajeno - samo dva ili tri baterije na milijun imaju problem - ali kad se to dogodi, to je ekstremno. U nekim situacijama stopa neuspjeha može porasti, a kad se to dogodi, završite sa opozivom baterije iz cijelog svijeta koja proizvođačima može koštati milijune dolara.

Pa se postavlja pitanje, što ove baterije čini toliko energičnim i tako popularnim? 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.

Litij-ionske baterije popularne su jer imaju niz važnih prednosti u odnosu na konkurentne tehnologije:

• Obično su puno lakši od ostalih vrsta punjivih baterija iste veličine. Elektrode litij-ionske baterije izrađene su od lakog litija i ugljika. Litij je također vrlo reaktivan element, što znači da se u atomskim vezama može pohraniti puno energije. To pretpostavlja vrlo visoku gustoću energije za litij-ionske baterije. Evo načina da se dobije uvid u gustoću energije. Tipična litij-ionska 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, iako bi 60 do 70 vat-sati moglo biti tipičnije. Olovna baterija 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 litij-ionska baterija od 1 kilograma. To je ogromna razlika
• Zadržavaju se naboja. Litij-ionska baterija mjesečno gubi samo oko 5 posto napunjenosti, u usporedbi s 20 posto gubitka mjesečno za NiMH baterije.
• Nemaju memorijski učinak, što znači da ih ne morate potpuno isprazniti prije ponovnog punjenja, kao što je slučaj s nekim drugim kemijskim uređajima.
• Litij-ionske baterije mogu podnijeti stotine ciklusa punjenja / pražnjenja.

To ne znači da su litij-ionske baterije besprijekorne. Oni imaju i nekoliko nedostataka:

• Počinju degradirati čim izađu iz tvornice. Trajat će samo dvije ili tri godine od datuma proizvodnje, koristite li ih ili ne.
• Izuzetno su osjetljivi na visoke temperature. Toplina uzrokuje da se litij-ionski akumulatori degradiraju mnogo brže nego što bi uobičajeno imali.
• Ako u potpunosti ispraznite litij-ionsku bateriju, ona će se pokvariti.
• Litij-ionska baterija mora imati ugrađeno računalo za upravljanje baterijom. To ih čini još skupljima nego što već jesu.
• Postoji mala vjerojatnost da će, ako litij-ionska baterija ne uspije, izgorjeti u plamenu.

Mnoge od ovih karakteristika mogu se razumjeti gledanjem kemije unutar litij-ionske ćelije. To ćemo dalje pogledati.

Litij-ionski 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 požara), pronaći ćete sljedeće:

• Litij-ionske stanice mogu biti ili cilindrične baterije koje izgledaju gotovo identično AA-ćelijama, ili mogu biti prizmatične, što znači da su u kvadratnom ili pravokutnom obliku Računalo, koje se sastoji od:
• Jedan ili više senzora temperature za nadziranje temperature baterije
• Pretvarač napona i regulator regulatora za održavanje sigurne razine 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 pakiranju
• Monitor stanja napunjenosti baterije, to je malo računalo koje upravlja čitavim procesom punjenja, kako bi se osiguralo da se baterije napune što je brže i potpunije moguće.

Ako se baterija previše zagrijava tijekom punjenja ili upotrebe, računalo će isključiti protok energije kako bi pokušalo ohladiti stvari. Ako svoj laptop ostavite u izuzetno vrućem automobilu i pokušate ga koristiti, ovo računalo može vam spriječiti napajanje dok se stvari ne ohlade. Ako se stanice ikad potpuno isprazne, baterija se isključuje jer su ćelije uništene. Također može pratiti broj ciklusa punjenja / pražnjenja i slati podatke kako bi mjerač baterije prijenosnog računala mogao reći koliko napunjenosti je preostalo u bateriji.

To je prilično sofisticirano malo računalo i crpi snagu iz baterija. Ovaj prekid napajanja jedan je od razloga zašto litij-ionske baterije svakog mjeseca gube 5 posto snage dok miruju.

Litij-ionske stanice

Kao i kod većine baterija, ovdje imate i vanjski kovčeg od metala. Ovdje je upotreba metala osobito važna jer je baterija pod tlakom. U ovom metalnom kućištu nalazi se neka vrsta ventilacijske rupe osjetljive na pritisak. Ako se baterija ikada toliko zagrijava da riskira da eksplodira od prekomjernog tlaka, taj će otvor otpustiti dodatni tlak. Vjerojatno će baterija nakon toga biti neupotrebljiva, tako da bi trebalo izbjegavati ovo. Otvor je strogo prisutan kao sigurnosna mjera. Kao i prekidač pozitivnog temperaturnog koeficijenta (PTC), uređaj koji treba sprečavati pregrijavanje baterije.

Ovaj metalni kovčeg ima dugačku spiralu koja sadrži tri tanka sloja međusobno stiskana:

• Pozitivna elektroda
• Negativna elektroda
• Odvajač

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 litij-kobaltovog oksida, odnosno LiCoO2. Negativna elektroda izrađena je od ugljika. Kad se baterija napuni, ioni litija prelaze kroz elektrolit iz pozitivne elektrode u negativnu elektrodu i pripoje se ugljiku. Za vrijeme pražnjenja, litijevi ioni vraćaju se natrag u LiCoO2 iz ugljika.

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

Pogledati ćemo kako produžiti život litij-ionske baterije i istražiti zašto mogu sljedeće eksplodirati.

Litij-ionska baterija Život i smrt

Litij-ionski akumulatori skupi su, pa ako želite da dulje potraju, evo nekoliko stvari koje morate imati na umu:

• Litij-ionska kemija preferira djelomično pražnjenje do dubokog pražnjenja, pa je najbolje izbjegavati da se baterija skroz smanji na nulu. S obzirom da litij-ionska kemija nema „memoriju“, djelomičnim pražnjenjem ne oštećujete bateriju. Ako napon litij-ionske stanice padne ispod određenog nivoa, ona se uništava.
• Litij-ionske 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 novu bateriju, želite biti sigurni da je stvarno nova. Ako je godinu dana sjedila na polici u trgovini, neće dugo trajati. Datumi proizvodnje su važni.
• Izbjegavajte toplinu koja oštećuje baterije.

Eksplodiranje baterija

Sada kada znamo kako litij-ionske baterije duže raditi, pogledajmo zašto mogu eksplodirati.

Ako se baterija dovoljno zagrijava da zapali elektrolit, otvorit ćete vatru. Na Internetu se nalaze videoisječci i fotografije koji pokazuju koliko ozbiljni ti požari mogu biti. Članak CBC-a, "Ljeto eksplozivnog prijenosnog računala", zaokružuje nekoliko tih incidenata.

Kad se dogodi požar, obično ga uzrokuje unutarnji kratki akumulator. Podsjetimo iz prethodnog odjeljka da litij-ionske stanice sadrže lim za razdvajanje koji pozitivne i negativne elektrode drži odvojeno. Ako se taj list probije, a elektrode dodirnu, baterija se brzo zagrijava. Možda ste iskusili vrstu topline koju akumulator može proizvesti ako ste ikada u džep stavili normalnu 9-voltnu bateriju. Ako kratki novčić dođe preko dva terminala, baterija se prilično zagrijava.

U slučaju kvara separatora, unutar litij-ionske baterije događa se takav kratki spoj. Budući da su litij-ionske 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 stanica, toplina vatre kaskadno se pretvara u ostale ćelije, a cijeli čopor podiže plamen.

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

Različite litijske tehnologije

Prvo, važno je napomenuti da postoji mnogo vrsta „litij-ionskih“ baterija. Ono što treba napomenuti u ovoj definiciji odnosi se na "obitelj baterija".
Postoji nekoliko različitih „litijum-jonskih“ baterija unutar ove obitelji koje koriste svoje materijale za katodu i anodu. Kao rezultat, pokazuju vrlo različite karakteristike i zbog toga su pogodni za različite primjene.

Litijev željezni fosfat (LiFePO4)

Litijev željezni fosfat (LiFePO4) je poznata litijeva 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 litijevom tehnologijom izbora za zapečaćenu zamjenu olovne kiseline u mnogim ključnim primjenama.

LiPO baterija

Od svih dostupnih litijevih opcija, nekoliko je razloga zbog kojih je LiFePO4 odabran kao idealna litijeva tehnologija za zamjenu SLA-e. Glavni razlozi se svode na njegove povoljne karakteristike kada se gledaju glavne aplikacije tamo gdje SLA trenutno postoji. To uključuje:

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

Značajke i prednosti sustava LiFePO4 u usporedbi sa SLA-om

Ispod su neke ključne značajke Litij-željezna fosfatna baterija koja pružaju neke značajne prednosti SLA u nizu primjena. Ovo nikako nije potpuni popis, no 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.

Značajka - Težina:

usporedba

• LifePO4 je manje od polovice težine SLA
• AGM duboki ciklus - 27,5Kg
• LiFePO4 - 12,2Kg

Prednosti

• Povećava potrošnju goriva
  • Kod primjena karavana i čamaca težina vuče se smanjuje.
• Povećava brzinu
  • U brodskim aplikacijama brzina vode može se povećati
• Smanjenje ukupne težine
• Dulje vrijeme izvođenja

Težina ima veliku težinu kod mnogih primjena, 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 - život u većem ciklusu:

usporedba

• Život ciklusa traje 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 životni ciklus 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:

usporedba

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

Prednosti

• Učinkovitije korištenje kapaciteta baterije
• Snaga = Volti x Ampera
• Jednom kada napon počne padati, baterija će morati isporučiti veće pojačale kako bi osigurala istu količinu energije.
• Veći napon je bolji za elektroniku
• Dulje vrijeme izvođenja opreme
• Potpuna iskorištenost kapaciteta čak i pri velikoj brzini pražnjenja
• AGM @ 1C pražnjenje = 50% kapaciteta
• LiFePO4 @ 1C pražnjenje = 100% kapaciteta

Ova je značajka malo poznata, ali velika je 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 za napajanje iste količine energije (P = VxA) i stoga učinkovitija upotreba kapaciteta dovodi do duljeg trajanja. Korisnik također ranije neće primijetiti usporavanje uređaja (na primjer golf košarica).

Uz to, učinak Peukertovog zakona puno je manje značajan od litija nego kod AGM-a. 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 u odnosu na samo 50AH za AGM.

Značajka - Povećana iskorištenost kapaciteta:

usporedba

• 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

• Povećano vrijeme izvođenja ili manji kapacitet baterije za zamjenu

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 AGM većeg kapaciteta.

Značajka - veća učinkovitost punjenja:

usporedba

• AGM - potpuno punjenje traje cca. 8 sati
• LiFePO4 - puni napuni se za samo 2 sata

Prednosti

• Baterija je napunjena i spremna je za ponovnu upotrebu

Još jedna snažna prednost u mnogim aplikacijama. Zbog niže unutarnje otpornosti među ostalim čimbenicima, LiFePO4 može prihvatiti naboj po mnogo većoj brzini od AGM-a. To im omogućuje da budu naplaćeni i spremni za upotrebu mnogo brže, što dovodi do mnogih prednosti.

Značajka - niska stopa samopražnjenja:

usporedba

• AGM - ispuštanje do 80% SOC nakon 4 mjeseca
• LiFePO4 - pražnjenje do 80% nakon 8 mjeseci

Prednosti

• Može se ostaviti na čuvanju duže vrijeme

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 i tako, čak i ako dulje vrijeme ostavljate bateriju, vjerojatnije 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 iznosu od dodatnih troškova na LiFePO4 bateriji. U sljedećim tjednima slijedi slijedeći članak koji će uključivati sigurnosne aspekte na LiFePO4 i različite litijeve kemijske proizvode.