Zasada i definicje

2020-08-11 08:07

Pojemność i energia baterii lub systemu magazynowania

Pojemność baterii lub akumulatora to ilość zgromadzonej energii w zależności od określonej temperatury, wartości prądu ładowania i rozładowania oraz czasu ładowania lub rozładowania.

Zdolność ratingowa i stawka C.

Współczynnik C służy do skalowania prądu ładowania i rozładowania akumulatora. Dla danej pojemności współczynnik C jest miarą, która wskazuje, przy jakim prądzie akumulator jest ładowany i rozładowywany do osiągnięcia określonej pojemności. 

Ładowanie 1C (lub C / 1) ładuje akumulator, który ma, powiedzmy, 1000 Ah przy 1000 A w ciągu jednej godziny, więc pod koniec godziny akumulator osiąga pojemność 1000 Ah; rozładowanie 1C (lub C / 1) powoduje rozładowanie akumulatora w tym samym tempie.
Ładowanie 0,5C lub (C / 2) ładuje akumulator, który ma, powiedzmy, 1000 Ah przy 500 A, więc ładowanie akumulatora przy pojemności znamionowej 1000 Ah zajmuje dwie godziny;
Ładowanie 2C ładuje akumulator, który ma, powiedzmy, 1000 Ah przy 2000 A, więc teoretycznie ładowanie akumulatora przy pojemności znamionowej 1000 Ah zajmuje teoretycznie 30 minut;
Wartość Ah jest zwykle oznaczona na akumulatorze.
Ostatni przykład, akumulator kwasowo-ołowiowy o pojemności znamionowej C10 (lub C / 10) 3000 Ah powinien być ładowany lub rozładowywany w ciągu 10 godzin z prądem ładowania lub rozładowania 300 A.

Dlaczego ważne jest, aby znać współczynnik C lub C baterii

Współczynnik C to ważne dane dla akumulatora, ponieważ w przypadku większości akumulatorów przechowywana lub dostępna energia zależy od prędkości ładowania lub prądu rozładowania. Generalnie przy danej pojemności będziesz miał mniej energii, jeśli rozładujesz się w ciągu jednej godziny niż w przypadku rozładowania w ciągu 20 godzin, odwrotnie będziesz przechowywać mniej energii w akumulatorze o prądzie ładowania 100 A w ciągu 1 godziny niż przy ładowaniu prądowym wynoszącym 10 A przez 10 godz.

Wzór do obliczenia prądu dostępnego na wyjściu systemu akumulatorowego

Jak obliczyć prąd wyjściowy, moc i energię akumulatora według współczynnika C?
Najprostsza formuła to:

I = Cr * Er
lub
Cr = I / Er
Gdzie
Er = energia znamionowa zmagazynowana w Ah (pojemność znamionowa akumulatora podana przez producenta)
I = prąd ładowania lub rozładowania w amperach (A)
Cr = współczynnik C baterii
Równanie określające czas ładowania lub ładowania lub rozładowania „t” w zależności od prądu i pojemności znamionowej jest następujące:
t = Er / I
t = czas, czas trwania ładowania lub rozładowania (czas pracy) w godzinach
Związek między Cr i t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Jak działają baterie litowo-jonowe

Baterie litowo-jonowe są obecnie niezwykle popularne. Można je znaleźć w laptopach, palmtopach, telefonach komórkowych i iPodach. Są tak powszechne, ponieważ funt za funt to jedne z najbardziej energetycznych dostępnych akumulatorów.

Ostatnio pojawiły się również wiadomości o akumulatorach litowo-jonowych. Dzieje się tak dlatego, że te baterie mogą czasami zapalać się w płomieniach. Nie jest to zbyt częste - tylko dwa lub trzy akumulatory na milion mają problem - ale kiedy to się dzieje, jest ekstremalne. W niektórych sytuacjach wskaźnik awaryjności może wzrosnąć, a kiedy tak się stanie, kończy się ogólnoświatowa wymiana baterii, która może kosztować producentów miliony dolarów.

Pytanie brzmi, co sprawia, że te baterie są tak energetyczne i popularne? Jak zapalają się? Czy jest coś, co możesz zrobić, aby zapobiec problemowi lub wydłużyć żywotność baterii? W tym artykule odpowiemy na te i nie tylko pytania.

Akumulatory litowo-jonowe są popularne, ponieważ mają wiele ważnych zalet w porównaniu z konkurencyjnymi technologiami:

• Zwykle są znacznie lżejsze niż inne typy akumulatorów tego samego rozmiaru. Elektrody baterii litowo-jonowej są wykonane z lekkiego litu i węgla. Lit jest również silnie reaktywnym pierwiastkiem, co oznacza, że w jego wiązaniach atomowych można zmagazynować dużo energii. Przekłada się to na bardzo wysoką gęstość energii dla akumulatorów litowo-jonowych. Oto sposób na spojrzenie na gęstość energii. Typowa bateria litowo-jonowa może przechowywać 150 watogodzin energii elektrycznej w 1 kilogramie baterii. Akumulator NiMH (niklowo-metalowo-wodorkowy) może przechowywać około 100 watogodzin na kilogram, chociaż bardziej typowe może być 60 do 70 watogodzin. Akumulator kwasowo-ołowiowy może przechowywać tylko 25 watogodzin na kilogram. Wykorzystując technologię kwasowo-ołowiową, potrzeba 6 kilogramów, aby zmagazynować taką samą ilość energii, jaką może obsłużyć 1 kilogramowy akumulator litowo-jonowy. To ogromna różnica
• Trzymają swoją odpowiedzialność. Akumulator litowo-jonowy traci tylko około 5 procent swojego ładunku miesięcznie, w porównaniu do 20 procent strat miesięcznie w przypadku akumulatorów NiMH.
• Nie mają efektu pamięci, co oznacza, że nie musisz ich całkowicie rozładowywać przed ponownym naładowaniem, jak w przypadku niektórych innych chemii baterii.
• Akumulatory litowo-jonowe mogą wytrzymać setki cykli ładowania / rozładowania.

Nie oznacza to, że akumulatory litowo-jonowe są bezbłędne. Mają też kilka wad:

• Zaczynają się degradować, gdy tylko opuszczą fabrykę. Będą działać tylko dwa lub trzy lata od daty produkcji, niezależnie od tego, czy będziesz ich używać, czy nie.
• Są niezwykle wrażliwe na wysokie temperatury. Ciepło powoduje, że akumulatory litowo-jonowe ulegają degradacji znacznie szybciej niż normalnie.
• Jeśli całkowicie rozładujesz akumulator litowo-jonowy, zostanie zrujnowany.
• Akumulator litowo-jonowy musi mieć komputer pokładowy do zarządzania akumulatorem. To sprawia, że są jeszcze droższe niż już są.
• Istnieje niewielka szansa, że jeśli akumulator litowo-jonowy ulegnie awarii, spłonie.

Wiele z tych cech można zrozumieć, patrząc na chemię wewnątrz ogniwa litowo-jonowego. Przyjrzymy się temu dalej.

Akumulatory litowo-jonowe mają różne kształty i rozmiary, ale w środku wyglądają mniej więcej tak samo. Gdybyś miał rozebrać zestaw baterii do laptopa (coś, czego NIE zalecamy ze względu na możliwość zwarcia baterii i wywołania pożaru), znalazłbyś:

• Ogniwa litowo-jonowe mogą być albo cylindrycznymi bateriami, które wyglądają prawie identycznie jak ogniwa AA lub mogą być pryzmatyczne, co oznacza, że są kwadratowe lub prostokątne Komputer, w skład którego wchodzą:
• Jeden lub więcej czujników temperatury do monitorowania temperatury akumulatora
• Przetwornik napięcia i obwód regulatora w celu utrzymania bezpiecznego poziomu napięcia i prądu
• Ekranowane złącze do notebooka, które umożliwia przepływ energii i informacji do iz zestawu baterii
• Odgałęzienie napięciowe, które monitoruje pojemność energetyczną poszczególnych ogniw pakietu akumulatorowego
• Monitor stanu naładowania baterii, czyli mały komputer, który obsługuje cały proces ładowania, aby zapewnić jak najszybsze i pełne naładowanie baterii.

Jeśli akumulator zbytnio się nagrzeje podczas ładowania lub użytkowania, komputer wyłączy dopływ energii, aby spróbować ostygnąć. Jeśli zostawisz laptopa w bardzo rozgrzanym samochodzie i spróbujesz go użyć, komputer ten może uniemożliwić włączenie zasilania, dopóki nie ostygnie. Jeśli ogniwa kiedykolwiek zostaną całkowicie rozładowane, pakiet baterii wyłączy się, ponieważ ogniwa są zniszczone. Może również śledzić liczbę cykli ładowania / rozładowania i wysyłać informacje, aby miernik baterii laptopa mógł powiedzieć, ile energii pozostało w baterii.

To dość wyrafinowany, mały komputer, który czerpie energię z baterii. Ten pobór mocy jest jednym z powodów, dla których akumulatory litowo-jonowe tracą 5 procent swojej mocy co miesiąc, gdy są bezczynne.

Ogniwa litowo-jonowe

Podobnie jak w przypadku większości baterii, masz zewnętrzną obudowę wykonaną z metalu. Użycie metalu jest tutaj szczególnie ważne, ponieważ akumulator jest pod ciśnieniem. Ta metalowa obudowa ma jakiś wrażliwy na nacisk otwór wentylacyjny. Jeśli bateria kiedykolwiek nagrzeje się do tego stopnia, że grozi jej eksplozją w wyniku nadciśnienia, ten odpowietrznik uwolni dodatkowe ciśnienie. Bateria prawdopodobnie będzie potem bezużyteczna, więc należy tego unikać. Otwór wentylacyjny jest tam ściśle ze względów bezpieczeństwa. Podobnie jest z przełącznikiem dodatniego współczynnika temperaturowego (PTC), urządzeniem, które ma chronić baterię przed przegrzaniem.

Ta metalowa obudowa zawiera długą spiralę składającą się z trzech cienkich arkuszy ściśniętych razem:

• Elektroda dodatnia
• Elektroda ujemna
• Separator

Wewnątrz obudowy arkusze te są zanurzone w rozpuszczalniku organicznym, który działa jak elektrolit. Eter jest jednym z powszechnych rozpuszczalników.

Separator to bardzo cienki arkusz mikroperforowanego tworzywa sztucznego. Jak sama nazwa wskazuje, oddziela dodatnią i ujemną elektrodę, umożliwiając jednocześnie przepływ jonów.

Elektroda dodatnia jest wykonana z tlenku kobaltu litu lub LiCoO2. Elektroda ujemna jest wykonana z węgla. Podczas ładowania akumulatora jony litu przemieszczają się przez elektrolit od elektrody dodatniej do elektrody ujemnej i przyłączają się do węgla. Podczas rozładowywania jony litu wracają z węgla do LiCoO2.

Ruch tych jonów litu odbywa się przy dość wysokim napięciu, więc każda komórka wytwarza 3,7 wolta. Jest to znacznie więcej niż 1,5 V typowe dla zwykłej baterii alkalicznej AA, którą kupujesz w supermarkecie, i pomaga uczynić baterie litowo-jonowe bardziej kompaktowymi w małych urządzeniach, takich jak telefony komórkowe. Zobacz Jak działają baterie, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat różnych chemii baterii.

Przyjrzymy się, jak przedłużyć żywotność baterii litowo-jonowej i zbadamy, dlaczego mogą eksplodować w następnej kolejności.

Żywotność i śmierć baterii litowo-jonowej

Akumulatory litowo-jonowe są drogie, więc jeśli chcesz, aby Twój akumulator trwał dłużej, pamiętaj o następujących kwestiach:

• Chemia litowo-jonowa preferuje częściowe rozładowanie od głębokiego rozładowania, dlatego najlepiej unikać całkowitego rozładowania baterii do zera. Ponieważ chemikalia litowo-jonowe nie mają „pamięci”, częściowe rozładowanie nie powoduje uszkodzenia akumulatora. Jeśli napięcie ogniwa litowo-jonowego spadnie poniżej pewnego poziomu, jest zrujnowane.
• Baterie litowo-jonowe starzeją się. Trwają tylko od dwóch do trzech lat, nawet jeśli stoją na nieużywanej półce. Nie należy więc „unikać” baterii z myślą, że bateria wytrzyma pięć lat. Nie będzie. Ponadto, jeśli kupujesz nowy akumulator, chcesz się upewnić, że jest on naprawdę nowy. Jeśli od roku stoi na półce w sklepie, nie wytrzyma zbyt długo. Daty produkcji są ważne.
• Unikaj ciepła, które degraduje baterie.

Wybuchające baterie

Teraz, gdy wiemy, jak zapewnić dłuższą pracę akumulatorów litowo-jonowych, spójrzmy, dlaczego mogą eksplodować.

Jeśli bateria nagrzeje się na tyle, aby zapalić elektrolit, dojdzie do pożaru. W sieci są nagrania wideo i zdjęcia, które pokazują, jak poważne mogą być te pożary. Artykuł CBC „Summer of the Exploding Laptop” podsumowuje kilka z tych incydentów.

Kiedy dochodzi do takiego pożaru, zwykle jest to spowodowane wewnętrznym zwarciem w baterii. Przypomnij sobie z poprzedniej sekcji, że ogniwa litowo-jonowe zawierają arkusz separatora, który utrzymuje oddzielne elektrody dodatnie i ujemne. Jeśli arkusz zostanie przebity i elektrody zetkną się, bateria bardzo szybko się nagrzewa. Być może doświadczyłeś tego rodzaju ciepła, jakie może wytworzyć bateria, jeśli kiedykolwiek włożyłeś do kieszeni zwykłą baterię 9-woltową. Jeśli moneta zwarła się na obu zaciskach, bateria bardzo się nagrzewa.

W przypadku awarii separatora ten sam rodzaj zwarcia występuje wewnątrz akumulatora litowo-jonowego. Ponieważ akumulatory litowo-jonowe są tak energiczne, bardzo się nagrzewają. Ciepło powoduje, że akumulator uwalnia rozpuszczalnik organiczny używany jako elektrolit, a ciepło (lub pobliska iskra) może go zapalić. Gdy to nastąpi w jednej z komórek, ciepło ognia przechodzi do innych komórek, a cała paczka staje w płomieniach.

Należy zauważyć, że pożary są bardzo rzadkie. Mimo to wystarczy kilka pożarów i trochę mediów zasięg, aby skłonić do wycofania.

Różne technologie litowe

Po pierwsze, należy zauważyć, że istnieje wiele typów baterii „litowo-jonowych”. Punkt, na który należy zwrócić uwagę w tej definicji, odnosi się do „rodziny baterii”.
W tej rodzinie jest kilka różnych baterii „litowo-jonowych”, w których katoda i anoda są wykonane z różnych materiałów. W rezultacie wykazują bardzo różne właściwości i dlatego nadają się do różnych zastosowań.

Fosforan litowo-żelazowy (LiFePO4)

Fosforan litowo-żelazowy (LiFePO4) jest dobrze znaną technologią litową w Australii ze względu na jej szerokie zastosowanie i przydatność do szerokiego zakresu zastosowań.
Charakterystyka niska cena, wysokie bezpieczeństwo i dobra energia właściwa sprawiają, że jest to mocna opcja dla wielu zastosowań.
Napięcie ogniwa LiFePO4 3,2 V / ogniwo sprawia, że jest to również technologia litowa z wyboru do wymiany uszczelnionego kwasu ołowiowego w wielu kluczowych zastosowaniach.

Bateria LiPO

Ze wszystkich dostępnych opcji litowych jest kilka powodów, dla których LiFePO4 został wybrany jako idealna technologia litowa do zastąpienia SLA. Główne powody sprowadzają się do jego korzystnych cech, patrząc na główne aplikacje, w których obecnie istnieje SLA. Obejmują one:

• Podobne napięcie do SLA (3,2 V na ogniwo x 4 = 12,8 V), co czyni je idealnymi do wymiany SLA.
• Najbezpieczniejsza forma technologii litowych.
• Przyjazny dla środowiska - fosforan nie jest niebezpieczny i dlatego jest przyjazny zarówno dla środowiska, jak i nie stanowi zagrożenia dla zdrowia.
• Szeroki zakres temperatur.

Funkcje i zalety LiFePO4 w porównaniu do SLA

Poniżej znajduje się kilka kluczowych cech akumulatora litowo-żelazowo-fosforanowego, które zapewniają istotne zalety SLA w szeregu zastosowań. Nie jest to pełna lista, jednak obejmuje ona najważniejsze elementy. Akumulator AGM 100 Ah został wybrany jako SLA, ponieważ jest to jeden z najczęściej używanych rozmiarów w zastosowaniach z głębokim cyklem. To 100AH AGM zostało porównane z 100AH LiFePO4 w celu porównania podobnego jak najbliżej.

Cecha - Waga:

Porównanie

• LifePO4 to mniej niż połowa wagi SLA
• Cykl AGM Deep - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

Korzyści

• Zwiększa oszczędność paliwa
  • W zastosowaniach do przyczep kempingowych i łodzi masa przyczepy jest zmniejszona.
• Zwiększa prędkość
  • W zastosowaniach na łodzi można zwiększyć prędkość po wodzie
• Zmniejszenie masy całkowitej
• Dłuższy czas pracy

Waga ma duże znaczenie w wielu zastosowaniach, szczególnie w przypadku holowania lub prędkości, takich jak przyczepa kempingowa i żeglarstwo. Inne zastosowania, w tym przenośne oświetlenie i aplikacje do kamer, w których trzeba nosić baterie.

Funkcja - Dłuższy cykl życia:

Porównanie

• Do 6 razy w cyklu życia
• AGM Głęboki cykl - 300 cykli przy 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 cykli przy 100% DoD

Korzyści

• Niższy całkowity koszt posiadania (koszt na kWh znacznie niższy w całym okresie eksploatacji baterii LiFePO4)
• Zmniejszenie kosztów wymiany - wymień AGM do 6 razy, zanim LiFePO4 będzie wymagał wymiany

Dłuższy cykl życia oznacza, że dodatkowy koszt początkowy baterii LiFePO4 jest więcej niż rekompensowany przez cały okres użytkowania baterii. Przy codziennym użytkowaniu AGM należy wymienić ok. 6 razy, zanim LiFePO4 będzie wymagał wymiany

Cecha - Płaska krzywa rozładowania:

Porównanie

• Przy rozładowaniu 0,2C (20A)
• AGM - spada poniżej 12V po
• 1,5 godziny pracy
• LiFePO4 - spada poniżej 12V po około 4 godzinach pracy

Korzyści

• Bardziej efektywne wykorzystanie pojemności baterii
• Moc = wolty x amper
• Gdy napięcie zacznie spadać, bateria będzie musiała dostarczać wyższe natężenie prądu, aby zapewnić taką samą moc.
• Wyższe napięcie jest lepsze dla elektroniki
• Dłuższy czas pracy sprzętu
• Pełne wykorzystanie pojemności nawet przy dużej szybkości rozładowania
• AGM @ 1C rozładowanie = 50% wydajności
• Rozładowanie LiFePO4 @ 1C = 100% pojemności

Ta funkcja jest mało znana, ale jest silną zaletą i daje wiele korzyści. Dzięki płaskiej krzywej rozładowania LiFePO4 napięcie na zaciskach utrzymuje się powyżej 12 V, co zapewnia wykorzystanie pojemności do 85-90%. Z tego powodu do dostarczenia tej samej mocy (P = VxA) potrzeba mniej amperów, a zatem bardziej efektywne wykorzystanie mocy prowadzi do dłuższego czasu pracy. Użytkownik nie zauważy również wcześniej spowolnienia działania urządzenia (np. Wózka golfowego).

Wraz z tym wpływ prawa Peukerta jest znacznie mniej znaczący w przypadku litu niż w przypadku AGM. Skutkuje to dysponowaniem dużym procentem pojemności akumulatora bez względu na szybkość rozładowywania. Przy rozładowaniu 1C (lub 100A dla akumulatora 100AH) opcja LiFePO4 nadal będzie zapewniać 100AH w porównaniu z tylko 50AH dla AGM.

Funkcja - zwiększone wykorzystanie pojemności:

Porównanie

• Zalecane przez AGM DoD = 50%
• LiFePO4 zalecany DoD = 80%
• AGM Głęboki cykl - 100AH x 50% = 50Ah do wykorzystania
• LiFePO4 - 100 Ah x 80% = 80 Ah
• Różnica = 30 Ah lub 60% większe zużycie pojemności

Korzyści

• Wydłużony czas pracy lub akumulator o mniejszej pojemności do wymiany

Zwiększone wykorzystanie dostępnej pojemności oznacza, że użytkownik może uzyskać do 60% dłuższy czas pracy z tej samej opcji pojemności w LiFePO4 lub alternatywnie zdecydować się na akumulator LiFePO4 o mniejszej pojemności, zachowując ten sam czas pracy, co AGM o większej pojemności.

Cecha - Większa efektywność ładowania:

Porównanie

• AGM - Pełne ładowanie trwa ok. 8 godzin
• LiFePO4 - Pełne ładowanie może trwać zaledwie 2 godziny

Korzyści

• Bateria naładowana i szybciej gotowa do ponownego użycia

Kolejna silna zaleta w wielu zastosowaniach. Ze względu na niższą rezystancję wewnętrzną, wśród innych czynników, LiFePO4 może przyjmować ładunek w znacznie większym tempie niż AGM. Pozwala to na dużo szybsze ładowanie i gotowość do użycia, co daje wiele korzyści.

Cecha - Niska szybkość samorozładowania:

Porównanie

• AGM - Rozładowanie do 80% SOC po 4 miesiącach
• LiFePO4 - Rozładowanie do 80% po 8 miesiącach

Korzyści

• Może być przechowywany przez dłuższy czas

Ta cecha jest bardzo ważna dla pojazdów rekreacyjnych, które mogą być używane tylko przez kilka miesięcy w roku, zanim zostaną przechowane przez pozostałą część roku, takich jak przyczepy kempingowe, łodzie, motocykle i narty wodne itp. Wraz z tym punktem LiFePO4 nie zwapnia się, więc nawet po pozostawieniu go przez dłuższy czas jest mniej prawdopodobne, że zostanie trwale uszkodzony. Bateria LiFePO4 nie jest uszkodzona, jeśli nie jest przechowywana w stanie pełnego naładowania.

Tak więc, jeśli Twoje aplikacje gwarantują którąkolwiek z powyższych funkcji, z pewnością uzyskasz wartość swoich pieniędzy za dodatkową wydaną na baterię LiFePO4. W nadchodzących tygodniach pojawi się artykuł uzupełniający, który obejmie aspekty bezpieczeństwa dotyczące LiFePO4 i różnych chemii litu.