Принцип и определения

2020-08-11 08:07

Капацитет и енергия на батерия или система за съхранение

Капацитетът на батерията или акумулатора е количеството енергия, съхранявана според конкретната температура, стойността на тока на заряд и разряд и времето на зареждане или разреждане.

Качествен капацитет и C-процент

C-честота се използва за мащабиране на тока на заряд и разряд на батерията. За даден капацитет, скоростта на С е мярка, която показва на какъв ток се зарежда батерията и изхвърлен, за да достигне определения си капацитет. 

Зарядът 1С (или C / 1) зарежда батерия, чиято стойност е, да речем, 1000 Ah при 1000 A за един час, така че в края на часа батерията достига капацитет от 1000 Ah; 1С (или С / 1) разряд източва батерията със същата скорост.
Заряд от 0.5C или (C / 2) зарежда батерия, чиято стойност е, да речем, 1000 Ah при 500 A, така че са необходими два часа, за да заредите батерията при номинален капацитет от 1000 Ah;
Зарядът от 2С зарежда батерия, чиято оценка е, например, 1000 Ah при 2000 A, така че теоретично са необходими 30 минути, за да заредите батерията при номинален капацитет от 1000 Ah;
Оценката на Ah обикновено е отбелязана на батерията.
Последен пример, акумулаторна батерия с капацитет C10 (или C / 10) с номинален капацитет 3000 Ah трябва да се зарежда или разрежда за 10 часа с текущ заряд или разреждане от 300 A.

Защо е важно да знаете коефициентът на C или C на батерията

C-честотата е важна информация за една батерия, тъй като за повечето батерии запаметената или налична енергия зависи от скоростта на тока на зареждане или разреждане. Като цяло, за даден капацитет ще имате по-малко енергия, ако се разреждате за един час, отколкото ако се разреждате за 20 часа, обратно, ще съхранявате по-малко енергия в батерия с токов заряд от 100 A за 1 час, отколкото при токов заряд от 10 A през 10 h.

Формула за изчисляване на тока, наличен в изхода на батерийната система

Как да изчислим изходния ток, мощността и енергията на батерията според скоростта на C?
Най-простата формула е:

I = Cr * Er
или
Cr = I / Er
Където
Er = номинална енергия, съхранявана в Ah (номиналният капацитет на батерията, даден от производителя)
I = ток на заряд или разряд в ампери (A)
Cr = C-честота на батерията
Уравнение за получаване на времето на зареждане или зареждане или разреждане "t" според тока и номиналния капацитет е:
t = Er / I
t = време, продължителност на зареждане или разреждане (време на изпълнение) в часове
Връзка между Cr и t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Как работят литиево-йонните батерии

Литиево-йонни батерии са невероятно популярни в наши дни. Можете да ги намерите в лаптопи, PDA, мобилни телефони и iPod-и. Те са толкова често срещани, защото, килограм за лира, те са едни от най-енергийните акумулаторни батерии.

Литиево-йонните батерии също са в новините напоследък. Това е така, защото тези батерии имат способността да избухват в пламъци от време на време. Не е много често - само два или три батерии на милион имат проблем - но когато това се случи, е изключително. В някои ситуации степента на отказ може да се повиши, а когато това се случи, се озовавате с извличане на батерии в световен мащаб, което може да струва на производителите милиони долари.

Въпросът е какво прави тези батерии толкова енергични и толкова популярни? Как избухват в пламък? И има ли нещо, което можете да направите, за да предотвратите проблема или да помогнете на батериите да издържат по-дълго? В тази статия ще отговорим на тези въпроси и още.

Литиево-йонните батерии са популярни, тъй като имат редица важни предимства пред конкурентните технологии:

• Обикновено са много по-леки от другите видове акумулаторни батерии със същия размер. Електродите на литиево-йонна батерия са изработени от лек литий и въглерод. Литият също е силно реактивен елемент, което означава, че в атомните си връзки може да се съхранява много енергия. Това означава много висока енергийна плътност за литиево-йонните батерии. Ето начин да се разгледа перспективата за енергийната плътност. Типичната литиево-йонна батерия може да съхранява 150 вата часа електроенергия в 1 килограм батерия. Акумулаторът NiMH (никел-метал хидрид) може да съхранява може би 100 вата часа на килограм, въпреки че 60 до 70 вата часа може да са по-типични. Оловно-кисела батерия може да съхранява само 25 вата часа на килограм. Използвайки оловно-киселинната технология, са нужни 6 килограма за съхранение на същото количество енергия, с което 1-килограмова литиево-йонна батерия може да се справи. Това е огромна разлика
• Те държат на своя заряд. Литиево-йонната батерия губи само около 5 процента от зареждането си на месец, в сравнение с 20 процента загуба на месец за NiMH батерии.
• Те нямат ефект на паметта, което означава, че не е нужно да ги разреждате напълно преди презареждане, както при някои други химикали на батерията.
• Литиево-йонните батерии могат да се справят със стотици цикли на зареждане / разреждане.

Това не означава, че литиево-йонните батерии са безупречни. Те имат и някои недостатъци:

• Те започват да се деградират веднага щом напуснат фабриката. Те ще издържат само две или три години от датата на производство, независимо дали ги използвате или не.
• Те са изключително чувствителни към високи температури. Топлината причинява литиево-йонните батерии да се разграждат много по-бързо, отколкото обикновено.
• Ако напълно разредите литиево-йонна батерия, тя се разрушава.
• Литиево-йонният акумулаторен пакет трябва да има бордов компютър за управление на батерията. Това ги прави дори по-скъпи, отколкото са вече.
• Има малък шанс, че ако литиево-йонната батерия се повреди, тя ще избухне в пламък.

Много от тези характеристики могат да бъдат разбрани, ако разгледаме химията вътре в литиево-йонната клетка. Ще разгледаме това по-нататък.

Литиево-йонните акумулаторни батерии се предлагат във всякакви форми и размери, но всички те изглеждат еднакво от вътрешната страна. Ако искате да отделите батерия за лаптоп (нещо, което НЕ препоръчваме поради възможността да се изтощи батерията и да започнете пожар), ще намерите следното:

• Литиево-йонните клетки могат да бъдат или цилиндрични батерии, които изглеждат почти идентични с АА клетките, или могат да бъдат призматични, което означава, че са квадратни или правоъгълни Компютърът, който включва:
• Един или повече сензори за температура, за да се следи температурата на батерията
• Преобразувател на напрежение и регулатор за поддържане на безопасни нива на напрежение и ток
• Екраниран конектор за преносими компютри, който позволява потока на захранването и информацията в и извън батерията
• Кран за напрежение, който следи енергийния капацитет на отделните клетки в батерията
• Монитор за състояние на зареждане на батерията, който е малък компютър, който обработва целия процес на зареждане, за да се увери, че батериите се зареждат възможно най-бързо и пълно.

Ако батерията стане прекалено гореща по време на зареждане или употреба, компютърът ще изключи потока на захранването, за да се опита да охлажда нещата. Ако оставите вашия лаптоп в изключително гореща кола и се опитате да използвате лаптопа, този компютър може да ви попречи да захранвате докато нещата не изстинат. Ако клетките някога се освободят напълно, батерията ще се изключи, защото клетките са разрушени. Той може също да следи броя на циклите на зареждане / разреждане и да изпраща информация, така че измервателният уред на батерията на лаптопа да ви каже колко заряд е останал в батерията.

Това е доста сложен малък компютър и черпи енергия от батериите. Това захранване е една от причините, поради които литиево-йонните батерии губят 5 процента от мощността си всеки месец, когато стоят на празен ход.

Литиево-йонни клетки

Както при повечето батерии, имате външен калъф, изработен от метал. Използването на метал е особено важно тук, тъй като батерията е под налягане. Този метален калъф има някакъв вид чувствителен на натиск вентилационен отвор. Ако батерията някога стане толкова гореща, че рискува да избухне от свръхналягане, този отдушник ще освободи допълнителното налягане. Вероятно след това батерията ще бъде безполезна, така че това е нещо, което трябва да се избягва. Отдушникът е строго там като мярка за безопасност. Така е и с превключвателя за положителен температурен коефициент (PTC) - устройство, което трябва да предпазва батерията от прегряване.

Този метален калъф притежава дълга спирала, състояща се от три тънки листа, притиснати заедно:

• Положителен електрод
• Отрицателен електрод
• Разделител

Вътре в кутията тези листове са потопени в органичен разтворител, който действа като електролит. Етерът е един общ разтворител.

Сепараторът е много тънък лист от микро перфорирана пластмаса. Както подсказва името, той разделя положителните и отрицателните електроди, като същевременно позволява да преминават йони.

Положителният електрод е направен от литиев кобалтов оксид или LiCoO2. Отрицателният електрод е направен от въглерод. Когато батерията се зарежда, йони литий се движат през електролита от положителния електрод към отрицателния електрод и се прикрепят към въглерода. По време на изхвърлянето литиевите йони се връщат обратно към LiCoO2 от въглерода.

Движението на тези литиеви йони се случва при доста високо напрежение, така че всяка клетка произвежда 3,7 волта. Това е много по-високо от 1,5 волта, типично за нормална алкална клетка АА, която купувате в супермаркета и помага да направите литиево-йонните батерии по-компактни в малки устройства като мобилни телефони. Вижте как работят батериите за подробности относно различните химикали на батериите.

Ще разгледаме как да удължим живота на литиево-йонна батерия и ще проучим защо те могат да избухнат следващата.

Литиево-йонна батерия Живот и смърт

Литиево-йонните батерии са скъпи, така че ако искате да накарате вашите да издържат по-дълго, ето някои неща, които трябва да имате предвид:

• Химията с литиеви йони предпочита частично разреждане пред дълбок разряд, така че е най-добре да избягвате извеждането на батерията до нулата. Тъй като литиево-йонната химия няма „памет“, вие не увреждате батерията с частично разреждане. Ако напрежението на литиево-йонната клетка падне под определено ниво, тя се разрушава.
• Литиево-йонните батерии остаряват. Те издържат само две до три години, дори да седят на рафт неизползван. Затова не "избягвайте да използвате" батерията с мисълта, че батерията ще продължи пет години. Няма да стане. Освен това, ако купувате нов комплект батерии, искате да се уверите, че той наистина е нов. Ако седи на рафт в магазина от една година, няма да издържи много дълго. Датите на производство са важни.
• Избягвайте топлина, която влошава батериите.

Избухване на батерии

Сега, когато знаем как да поддържаме литиево-йонните батерии да работят по-дълго, нека разгледаме защо те могат да експлодират.

Ако батерията се нагрее достатъчно, за да запали електролита, ще получите пожар. В интернет има видеоклипове и снимки, които показват колко сериозни могат да бъдат тези пожари. Статията на CBC „Лято на експлодиращия лаптоп“ закръгля няколко от тези инциденти.

Когато се случи пожар като този, той обикновено се причинява от вътрешен къс в батерията. Спомнете си от предишния раздел, че литиево-йонните клетки съдържат разделителен лист, който държи положителните и отрицателните електроди разделени. Ако този лист се пробие и електродите се докоснат, батерията се нагрява много бързо. Може да сте изпитали вида на топлината, която може да произведе батерията, ако някога сте сложили нормална 9-волтова батерия в джоба си. Ако монета се къса през двата терминала, батерията се нагрява доста.

При повреда в сепаратора се случва същия тип късо, вътре в литиево-йонната батерия. Тъй като литиево-йонните батерии са толкова енергични, те се нагряват много. Топлината кара батерията да изпуска органичния разтворител, използван като електролит, и топлината (или близката искра) може да я запали. След като това се случи вътре в една от клетките, топлината на огъня каскади към другите клетки и целият пакет се издига в пламъци.

Важно е да се отбележи, че пожарите са много редки. Все пак са нужни само няколко пожара и малко медии покритие за бързо извикване.

Различни литиеви технологии

Първо, важно е да се отбележи, че има много видове „литиево-йонни“ батерии. В тази дефиниция трябва да се отбележи „семейството батерии“.
В това семейство има няколко различни „литиево-йонни“ батерии, които използват различни материали за своя катод и анод. В резултат на това те имат много различни характеристики и затова са подходящи за различни приложения.

Литиев железен фосфат (LiFePO4)

Литиевият железен фосфат (LiFePO4) е добре известна литиева технология в Австралия поради широката му употреба и пригодност за широк спектър приложения.
Характеристиките на ниска цена, висока безопасност и добра специфична енергия правят това силен вариант за много приложения.
Клетъчното напрежение LiFePO4 от 3,2 V / клетка също го прави литиевата технология за избор на запечатана подмяна на оловна киселина в редица ключови приложения.

LiPO батерия

От всички налични опции за литий има няколко причини, поради които LiFePO4 е избран като идеална литиева технология за подмяна на SLA. Основните причини се свеждат до неговите благоприятни характеристики, когато се разглеждат основните приложения, където SLA понастоящем съществуват. Те включват:

• Подобно напрежение на SLA (3.2V на клетка x 4 = 12.8V), което ги прави идеални за подмяна на SLA.
• Най-сигурната форма на литиевите технологии.
• Екологично чистият фосфат не е опасен и е толкова приятен както за околната среда, така и за здравето.
• Широк температурен диапазон

Характеристики и предимства на LiFePO4 в сравнение със SLA

По-долу са някои от основните характеристики на литиево-железен фосфатна батерия, които дават някои значителни предимства на SLA в редица приложения. Това не е пълен списък по всякакъв начин, но той обхваща ключовите елементи. 100AH AGM батерия е избрана като SLA, тъй като това е един от най-често използваните размери в приложения с дълъг цикъл. Този 100AH AGM е сравнен с 100AH LiFePO4, за да се сравни като за колкото е възможно по-близо.

Характеристика - Тегло:

сравнение

• LifePO4 е по-малко от половината от теглото на SLA
• AGM дълбок цикъл - 27.5Kg
• LiFePO4 - 12.2Kg

Ползи

• Увеличава горивната ефективност
  • При приложения за каравани и лодки теглото на тегленето се намалява.
• Увеличава скоростта
  • В приложения за лодка скоростта на водата може да се увеличи
• Намаляване на общото тегло
• По-дълго време на изпълнение

Теглото има голямо значение за много приложения, особено в случаите на теглене или скорост, като например каравани и каране на лодка. Други приложения, включително преносимо осветление и приложения за камери, при които трябва да се носят батериите.

Характеристика - По-голям цикъл на живот:

сравнение

• До 6 пъти продължителността на цикъла
• AGM дълбок цикъл - 300 цикъла при 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 цикъла при 100% DoD

Ползи

• По-ниска обща цена на собственост (цената на kWh много по-ниска от живота на батерията за LiFePO4)
• Намаление на разходите за подмяна - заменете AGM до 6 пъти, преди LiFePO4 да се нуждае от подмяна

По-големият живот на цикъла означава, че допълнителната предходна цена на батерията LiFePO4 е повече от изчерпана за живота на батерията. Ако се използва ежедневно, AGM ще трябва да бъде заменен прибл. 6 пъти преди LiFePO4 да се нуждае от подмяна

Характеристика - Крива на плосък разряд:

сравнение

• При разтоварване 0,2 ° С (20А)
• AGM - пада под 12V след
• 1,5 часа време на изпълнение
• LiFePO4 - пада под 12V след приблизително 4 часа време на изпълнение

Ползи

• По-ефективно използване на капацитета на батерията
• Мощност = волта х ампера
• След като напрежението започне да спада, батерията ще трябва да захранва по-високи ампери, за да осигури същото количество мощност.
• По-високото напрежение е по-добро за електрониката
• По-дълго време на изпълнение на оборудването
• Пълно използване на капацитета дори при висока скорост на разреждане
• AGM @ 1C разряд = 50% капацитет
• Разряд LiFePO4 при 1С = 100% капацитет

Тази функция е малко известна, но е силно предимство и дава множество предимства. С плоската крива на разреждане на LiFePO4, клемното напрежение се задържа над 12 V за използване до 85-90% капацитет. Поради това са необходими по-малко ампери, за да се достави същото количество мощност (P = VxA) и следователно по-ефективното използване на капацитета води до по-дълго време на работа. Потребителят също няма да забележи забавянето на устройството (например количката за голф) по-рано.

Заедно с това ефектът от закона на Пюкерт е много по-маловажен с литий от този на AGM. Това води до наличие на голям процент от капацитета на батерията, независимо от скоростта на разреждане. При 1С (или 100А разряд за батерия 100AH), опцията LiFePO4 ще ви даде 100AH срещу само 50AH за AGM.

Характеристика - Повишено използване на капацитета:

сравнение

• AGM препоръчан DoD = 50%
• LiFePO4 препоръчително DoD = 80%
• AGM дълбок цикъл - 100AH x 50% = 50Ah използваем
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Разлика = 30Ah или 60% повече използване на капацитета

Ползи

• Увеличено време на изпълнение или батерия с по-малък капацитет за подмяна

Увеличената употреба на наличния капацитет означава, че потребителят може да получи до 60% повече време на изпълнение от същата опция за капацитет в LiFePO4, или като алтернатива да избере батерия с по-малък капацитет LiFePO4, като все пак постига същата продължителност като AGM с по-голям капацитет.

Характеристика - По-голяма ефективност на заряда:

сравнение

• AGM - Пълното зареждане отнема приблизително 8 часа
• LiFePO4 - Пълното зареждане може да достигне до 2 часа

Ползи

• Батерията е заредена и готова да се използва отново по-бързо

Друго силно предимство в много приложения. Поради по-ниската вътрешна устойчивост сред другите фактори, LiFePO4 може да приеме заряд с много по-голяма скорост от AGM. Това позволява те да бъдат зареждани и готови за използване много по-бързо, което води до много ползи.

Характеристика - Ниска скорост на саморазреждане:

сравнение

• AGM - Изхвърляне до 80% SOC след 4 месеца
• LiFePO4 - Освобождаване до 80% след 8 месеца

Ползи

• Може да се остави на съхранение за по-дълъг период

Тази функция е голяма за превозните средства за отдих, които могат да се използват само няколко месеца в годината, преди да се съхраняват за съхранение през останалата част от годината, като каравани, лодки, мотоциклети и Jet ски и др. Наред с това, LiFePO4 не се калцира и затова дори след оставяне за продължителни периоди от време, по-малко вероятно е батерията да бъде постоянно повредена. Акумулаторът LiFePO4 не се уврежда, ако не бъде оставен на съхранение в напълно заредено състояние.

Така че, ако вашите приложения изискват някоя от горните функции, тогава ще бъдете сигурни, че ще получите средствата си за допълнително изразходване за LiFePO4 батерия. Следващата статия ще последва през следващите седмици, която ще включва аспектите на безопасността на LiFePO4 и различни литиеви химии.