Kapacita a energia batérie alebo úložného systému
Kapacita batérie alebo akumulátora je množstvo energie uložené podľa špecifickej teploty, hodnoty nabíjacieho a vybíjacieho prúdu a času nabíjania alebo vybíjania.
Kapacita hodnotenia a sadzba C
C-rate sa používa na zmenu mierky nabíjacieho a vybíjacieho prúdu batérie. Pre danú kapacitu je miera C mierou, ktorá udáva, v akom momente je batéria nabitá a vybitý, aby dosiahol svoju definovanú kapacitu.
1C (alebo C / 1) nabíja batériu, ktorá má menovitú hodnotu napríklad 1 000 Ah pri 1 000 A počas jednej hodiny, takže na konci hodiny batéria dosiahne kapacitu 1 000 Ah; výboj 1C (alebo C / 1) vybíja batériu rovnakou rýchlosťou.
Pri nabíjaní 0,5 ° C alebo (C / 2) sa batéria nabíja napríklad pri 1000 A pri 500 A, takže nabíjanie batérie pri menovitej kapacite 1 000 Ah trvá dve hodiny;
Nabíjanie 2C nabíja batériu, ktorá má menovitú hodnotu napríklad 1 000 Ah pri 2000 A, takže nabíjanie batérie pri menovitej kapacite 1 000 Ah trvá teoreticky 30 minút;
Hodnoty Ah sú obvykle vyznačené na batérii.
Posledným príkladom by sa olovená batéria s menovitou kapacitou C10 (alebo C / 10) 3000 Ah mala nabíjať alebo vybíjať za 10 hodín pri súčasnom nabíjaní alebo vybíjaní 300 A.
Prečo je dôležité poznať hodnotu C alebo C batérie
Rýchlosť C je pre batériu dôležitým údajom, pretože pre väčšinu batérií závisí uložená alebo dostupná energia na rýchlosti nabíjania alebo vybíjania. Všeobecne platí, že pre danú kapacitu budete mať menej energie, ak sa vybijete za jednu hodinu, ako ak sa vybijete za 20 hodín, naopak budete ukladať menej energie v batérii s aktuálnym nabíjaním 100 A počas 1 hodiny ako pri súčasnom nabíjaní 10 A počas 10 hodín.
Vzorec na výpočet prúdu, ktorý je k dispozícii na výstupe z batériového systému
Ako vypočítať výstupný prúd, výkon a energiu batérie podľa hodnoty C?
Najjednoduchší vzorec je:
I = Cr * Er
alebo
Cr = I / Er
Kde
Er = menovitá energia uložená v Ah (menovitá kapacita batérie daná výrobcom)
I = aktuálny náboj alebo výboj v Ampéroch (A)
Cr = rýchlosť C batérie
Rovnica na získanie času nabíjania alebo nabíjania alebo vybíjania „t“ podľa aktuálnej a menovitej kapacity je:
t = Er / I
t = čas, trvanie nabíjania alebo vybíjania (runtime) v hodinách
Vzťah medzi Cr at:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr
Ako fungujú lítium-iónové batérie
Lítium-iónové batérie sú neuveriteľne populárne v týchto dňoch. Nájdete ich v prenosných počítačoch, PDA, mobilných telefónoch a iPodoch. Sú také bežné, pretože sú to niektoré z najaktívnejších dostupných nabíjateľných batérií.
Lítium-iónové batérie boli tiež v správach v poslednej dobe. Je to preto, že tieto batérie môžu príležitostne prepáliť plamene. Nie je to veľmi bežné - problém majú iba dve alebo tri batérie na milión - ale keď sa to stane, je to extrémne. V niektorých situáciách môže miera zlyhania stúpať a keď k tomu dôjde, skončíte s celosvetovým stiahnutím z batérie, ktoré môže stáť výrobcov milióny dolárov.
Otázkou teda je, čo robí tieto batérie tak energetickými a tak populárnymi? Ako sa dostali do plameňa? A existuje niečo, čo môžete urobiť, aby ste zabránili problému alebo pomohli vašim batériám vydržať dlhšie? V tomto článku odpovieme na tieto a ďalšie otázky.
Lítium-iónové batérie sú populárne, pretože majú oproti konkurenčným technológiám niekoľko dôležitých výhod:
- Spravidla sú oveľa ľahšie ako iné typy nabíjateľných batérií rovnakej veľkosti. Elektródy lítium-iónovej batérie sú vyrobené z ľahkého lítia a uhlíka. Lítium je tiež vysoko reaktívnym prvkom, čo znamená, že v jeho atómových väzbách je možné uložiť veľa energie. To sa premieta do veľmi vysokej hustoty energie pre lítium-iónové batérie. Toto je spôsob, ako získať pohľad na hustotu energie. Typická lítium-iónová batéria dokáže uchovávať 150 wattov elektrickej energie na 1 kilogram batérie. Batéria NiMH (hydrid nikel-kov) môže uchovávať asi 100 watt hodín za kilogram, hoci typickejšia môže byť 60 až 70 watt hodín. Olovená batéria dokáže uložiť iba 25 watt hodín na kilogram. Pri použití technológie olovnatých kyselín je potrebných 6 kilogramov na uloženie toho istého množstva energie, aké zvládne lítium-iónová batéria s hmotnosťou 1 kg. To je obrovský rozdiel
- Oni majú na starosti. Lítium-iónová batéria stráca iba asi 5 percent svojho náboja mesačne, v porovnaní so stratou 20 percent mesačne pre batérie NiMH.
- Nemajú žiadny pamäťový efekt, čo znamená, že ich nemusíte pred nabíjaním úplne vybiť, ako pri iných chemických zloženiach batérií.
- Lítium-iónové batérie zvládnu stovky cyklov nabíjania / vybíjania.
To neznamená, že lítium-iónové batérie sú bezchybné. Majú tiež niekoľko nevýhod:
- Hneď ako opustia továreň, začnú degradovať. Budú trvať iba dva alebo tri roky od dátumu výroby, bez ohľadu na to, či ich používate alebo nie.
- Sú mimoriadne citlivé na vysoké teploty. Teplo spôsobuje, že lítium-iónové akumulátory sa degradujú oveľa rýchlejšie, než by normálne boli.
- Ak úplne vybijete lítium-iónovú batériu, je zničená.
- Lítium-iónová batéria musí mať zabudovaný počítač na správu batérie. Vďaka tomu sú ešte drahšie, ako už sú.
- Existuje malá šanca, že ak dôjde k zlyhaniu lítium-iónovej batérie, vypáli sa plameň.
Mnoho z týchto charakteristík je možné pochopiť pri pohľade na chémiu vnútri lítium-iónovej bunky. Ďalej sa na to pozrieme.
Lítium-iónové batérie sú dodávané vo všetkých tvaroch a veľkostiach, ale vo vnútri vyzerajú približne rovnako. Ak by ste si mali batériu prenosného počítača odobrať (niečo, čo neodporúčame z dôvodu možnosti skratovania batérie a spustenia ohňa), nájdete nasledujúce informácie:
- Lítium-iónové články môžu byť buď valcovité batérie, ktoré vyzerajú takmer rovnako ako články AA, alebo môžu byť hranolové, čo znamená, že sú štvorcové alebo obdĺžnikové. Počítač, ktorý obsahuje:
- Jeden alebo viac snímačov teploty na monitorovanie teploty batérie
- Napäťový menič a obvod regulátora na udržanie bezpečnej úrovne napätia a prúdu
- Tienený konektor pre notebook, ktorý umožňuje napájanie a tok informácií z batérie a von z nej
- Napäťový kohútik, ktorý monitoruje energetickú kapacitu jednotlivých článkov v batérii
- Monitor stavu nabitia batérie, čo je malý počítač, ktorý zvláda celý proces nabíjania, aby sa zaistilo, že sa batérie nabijú čo najrýchlejšie a úplne.
Ak sa počas nabíjania alebo používania batéria príliš zahreje, počítač vypne prívod energie a pokúsi sa veci vychladnúť. Ak necháte prenosný počítač v extrémne horúcom aute a pokúsite sa ho používať, môže vám tento počítač zabrániť v zapínaní, kým sa veci nevychladnú. Ak sa články úplne vybijú, batéria sa vypne, pretože sú zničené. Môže tiež sledovať počet cyklov nabíjania / vybíjania a odosielať informácie, aby merač batérie notebooku mohol povedať, koľko energie v batérii zostáva.
Je to dosť sofistikovaný malý počítač a čerpá energiu z batérií. Tento odber energie je jedným z dôvodov, prečo lítium-iónové batérie strácajú každý mesiac pri nečinnosti 5 percent svojej energie.
Lítium-iónové bunky
Rovnako ako u väčšiny batérií máte aj vonkajšie puzdro z kovu. Použitie kovu je tu obzvlášť dôležité, pretože batéria je pod tlakom. Toto kovové puzdro má nejaký druh tlakovo citlivého vetracieho otvoru. Ak sa batéria niekedy zahreje tak, že hrozí nebezpečenstvo jej výbuchu v dôsledku nadmerného tlaku, tento otvor uvoľní ďalší tlak. Batéria bude pravdepodobne zbytočná potom, preto sa tomu treba vyhnúť. Vetracie zariadenie je tu prísne ako bezpečnostné opatrenie. Rovnako je to prepínač pozitívneho teplotného koeficientu (PTC), zariadenie, ktoré má zabrániť prehriatiu batérie.
V tomto kovovom kufríku je umiestnená dlhá špirála pozostávajúca z troch tenkých listov stlačených k sebe:
- Pozitívna elektróda
- Záporná elektróda
- Separátor
Vo vnútri puzdra sú tieto fólie ponorené do organického rozpúšťadla, ktoré pôsobí ako elektrolyt. Éter je jedno bežné rozpúšťadlo.
Separátor je veľmi tenká vrstva mikroperforovaného plastu. Ako už názov napovedá, oddeľuje kladné a záporné elektródy a súčasne umožňuje priechod iónov.
Kladná elektróda je vyrobená z oxidu lítneho kobaltu alebo LiCoO2. Záporná elektróda je vyrobená z uhlíka. Keď sa batéria nabíja, ióny lítia sa pohybujú elektrolytom z kladnej elektródy na zápornú elektródu a pripájajú sa k uhlíku. Počas vybíjania sa ióny lítia vracajú späť k LiCoO2 z uhlíka.
Pohyb týchto lítnych iónov nastáva pri pomerne vysokom napätí, takže každá bunka produkuje 3,7 voltu. To je omnoho vyššie ako 1,5 volty typické pre normálnu alkalickú batériu typu AA, ktorú si kúpite v supermarkete, a pomáha tak urobiť kompaktnejšie lítium-iónové batérie v malých zariadeniach, ako sú mobilné telefóny. Podrobnosti o rôznych chemických zloženiach batérií nájdete v časti Ako fungujú batérie.
Pozrime sa, ako predĺžiť životnosť lítium-iónovej batérie a zistíme, prečo môžu ďalej explodovať.
Životnosť a smrť lítium-iónovej batérie
Lítium-iónové akumulátory sú drahé, takže ak chcete, aby vám vydržali dlhšie, je potrebné pamätať na tieto veci:
- Lítium-iónová chémia uprednostňuje čiastočné vybitie pred hlbokým vybitím, takže je najlepšie vyhnúť sa vybíjaniu batérie až na nulu. Pretože lítium-iónová chémia nemá „pamäť“, nepoškodíte batériu čiastočným výbojom. Ak napätie lítium-iónového článku klesne pod určitú úroveň, je zničené.
- Lítium-iónové batérie starnú. Trvajú iba dva až tri roky, aj keď sedia na nepoužitej poličke. Preto sa „nevyvarujte“ použitiu batérie s myšlienkou, že batéria vydrží päť rokov. Nebude. Ak kupujete aj novú batériu, chcete sa ubezpečiť, že je skutočne nová. Ak sedel na poličke v obchode už rok, nebude trvať veľmi dlho. Dátumy výroby sú dôležité.
- Vyvarujte sa tepla, ktoré degraduje batérie.
Vybuchujúce batérie
Teraz, keď vieme, ako udržať lítium-iónové batérie v prevádzke dlhšie, pozrime sa, prečo môžu vybuchnúť.
Ak je batéria dostatočne horúca na to, aby vznietila elektrolyt, dostanete oheň. Na webe sú videoklipy a fotografie, ktoré ukazujú, aké vážne môžu byť tieto požiare. V článku CBC „Leto vybuchujúceho notebooku“ je niekoľko z týchto incidentov.
Ak dôjde k takémuto požiaru, je to zvyčajne spôsobené vnútorným skratom v batérii. Z predchádzajúcej časti pripomeňte, že lítium-iónové bunky obsahujú oddeľovaciu vrstvu, ktorá udržuje kladné a záporné elektródy od seba. Ak sa tento list prepichne a elektródy sa dotknú, batéria sa veľmi rýchlo zahrieva. Možno ste už zažili druh tepla, ktorý môže batéria vyprodukovať, ak ste do vrecka vložili normálnu 9-voltovú batériu. Ak minca skratuje cez dva terminály, batéria sa zahreje.
Pri zlyhaní oddeľovača dochádza k rovnakému druhu skratu vo vnútri lítium-iónovej batérie. Pretože lítium-iónové batérie sú také energetické, sú veľmi horúce. Teplo spôsobuje, že batéria odvetráva organické rozpúšťadlo používané ako elektrolyt a teplo (alebo blízka iskra) ju môže osvetľovať. Akonáhle sa to stane v jednej z buniek, teplo ohňa kaskáduje do ostatných buniek a celé balenie stúpa v plameňoch.
Je dôležité poznamenať, že požiare sú veľmi zriedkavé. Stále to trvá len pár požiarov a trochu médií pokrytie na urýchlenie stiahnutia.
Rôzne lítiové technológie
Po prvé, je dôležité poznamenať, že existuje veľa typov „lítium-iónových“ batérií. Poznámka k tejto definícii sa týka „rodiny batérií“.
V tejto skupine je niekoľko rôznych „lítium-iónových“ batérií, ktoré používajú rôzne materiály pre svoju katódu a anódu. Výsledkom je, že majú veľmi odlišné vlastnosti, a preto sú vhodné pre rôzne aplikácie.
Fosforečnan lítno-železnatý (LiFePO4)
Fosforečnan lítno-železitý (LiFePO4) je dobre známa lítiová technológia v Austrálii vďaka jej širokému použitiu a vhodnosti pre širokú škálu aplikácií.
Vďaka nízkej cene, vysokej bezpečnosti a dobrej špecifickej energii je táto možnosť pre mnohé aplikácie silnou alternatívou.
Napätie článku LiFePO4 3,2 V / článok z neho robí lítiovú technológiu voľby pre výmenu utesnených olovených kyselín v mnohých kľúčových aplikáciách.
Batéria LiPO
Zo všetkých dostupných lítiových volieb existuje niekoľko dôvodov, prečo bol LiFePO4 vybraný ako ideálna lítiová technológia pre nahradenie SLA. Hlavnými dôvodmi sú jeho priaznivé vlastnosti pri pohľade na hlavné aplikácie, v ktorých v súčasnosti existuje SLA. Tie obsahujú:
- Podobné napätie ako SLA (3,2 V na bunku x 4 = 12,8 V), vďaka čomu sú ideálne na náhradu SLA.
- Najbezpečnejšia forma lítiových technológií.
- Šetrné k životnému prostrediu - fosfát nie je nebezpečný, a preto je šetrný k životnému prostrediu a nie je zdravotným rizikom.
- Široký teplotný rozsah.
Funkcie a výhody LiFePO4 v porovnaní so SLA
Nižšie sú uvedené niektoré kľúčové vlastnosti lítium-železo-fosfátová batéria, ktorá poskytuje niektoré významné výhody SLA v celom rade aplikácií. Toto nie je v žiadnom prípade úplný zoznam, týka sa však kľúčových položiek. Ako SLA bola vybraná batéria 100AH AGM, pretože je to jedna z najbežnejšie používaných veľkostí v aplikáciách s hlbokým cyklom. Tento 100AH AGM bol porovnaný s lOOAH LiFePO4, aby sa porovnal čo najbližší, ako je to možné.
Funkcia - hmotnosť:
Porovnanie
- LifePO4 je menej ako polovica hmotnosti SLA
- Hĺbkový cyklus AGM - 27,5 kg
- LiFeP04 - 12,2 kg
výhody
- Zvyšuje účinnosť paliva
- V aplikáciách pre karavany a člny je hmotnosť prívesu znížená.
- Zvyšuje rýchlosť
- V lodných aplikáciách sa môže zvýšiť rýchlosť vody
- Zníženie celkovej hmotnosti
- Dlhšia doba prevádzky
Hmotnosť má veľký vplyv na mnoho aplikácií, najmä pokiaľ ide o vlečenie alebo rýchlosť, ako sú karavany a člny. Ostatné aplikácie vrátane prenosného osvetlenia a fotoaparátov, kde je potrebné nosiť batérie.
Feature - Greater Cycle Life:
Porovnanie
- Až 6-krát životnosť cyklu
- AGM Hĺbkový cyklus - 300 cyklov @ 100% DoD
- LiFePO4 - 2000 cyklov pri 100% DoD
výhody
- Nižšie celkové náklady na vlastníctvo (cena za kWh oveľa nižšia v priebehu životnosti batérie pre LiFePO4)
- Zníženie nákladov na výmenu - vymeňte AGM až 6-krát pred výmenou LiFePO4
Vyššia životnosť cyklu znamená, že ďalšie počiatočné náklady na LiFePO4 batériu sú viac ako vynaložené na životnosť batérie počas jej životnosti. Ak sa používa AGM každý deň, bude potrebné vymeniť cca. 6 krát pred výmenou LiFePO4
Funkcia - plochá krivka vybitia:
Porovnanie
- Pri vybití 0,2 ° C (20 A)
- AGM - klesne pod 12V po
- 1,5 hodiny behu
- LiFePO4 - klesne pod 12 V približne po 4 hodinách prevádzky
výhody
- Efektívnejšie využitie kapacity batérie
- Výkon = volty x ampéry
- Keď začne napätie klesať, batéria bude musieť dodávať vyššie ampéry, aby poskytla rovnaké množstvo energie.
- Vyššie napätie je lepšie pre elektroniku
- Dlhšia doba prevádzky zariadenia
- Plné využitie kapacity aj pri vysokej rýchlosti vybíjania
- Výboj AGM @ 1C = 50% kapacity
- Výtok LiFePO4 @ 1C = kapacita 100%
Táto vlastnosť je málo známa, ale predstavuje silnú výhodu a prináša mnoho výhod. Pri plochej krivke vybíjania LiFePO4 sa terminálne napätie udržuje nad 12 V, čo umožňuje využitie kapacity až na 85 - 90%. Z tohto dôvodu je potrebných menej ampérov, aby bolo možné dodávať rovnaké množstvo energie (P = VxA), a preto efektívnejšie využitie kapacity vedie k dlhšej dobe prevádzky. Užívateľ si tiež skôr nevšimne spomalenie zariadenia (napríklad golfový vozík).
Spolu s tým je účinok Peukertovho zákona s lítiom oveľa menej významný ako účinok AGM. To má za následok, že je k dispozícii veľké percento kapacity batérie bez ohľadu na rýchlosť vybitia. Pri 1C (alebo 100A vybití pre 100AH batériu) vám možnosť LiFePO4 stále poskytne 100AH vs iba 50AH pre AGM.
Funkcia - zvýšené využitie kapacity:
Porovnanie
- Odporúčaná AGM DoD = 50%
- LiFePO4 odporúčané DoD = 80%
- AGM Hĺbkový cyklus - 100AH x 50% = použiteľné 50 Ah
- LiFeP04 - 100 Ah x 80% = 80 Ah
- Rozdiel = 30Ah alebo o 60% väčšie využitie kapacity
výhody
- Predĺžená doba prevádzky alebo batéria s menšou kapacitou na výmenu
Zvýšené využitie dostupnej kapacity znamená, že používateľ môže získať až o 60% viac doby prevádzky z rovnakej možnosti kapacity v LiFePO4, alebo alternatívne zvoliť batériu LiFePO4 s menšou kapacitou, pričom stále dosiahne rovnakú dobu prevádzky ako väčšia kapacita AGM.
Funkcia - vyššia účinnosť nabíjania:
Porovnanie
- AGM - Plné nabitie trvá cca. 8 hodín
- LiFePO4 - úplné nabitie môže byť až 2 hodiny
výhody
- Batéria je nabitá a pripravená na opätovné použitie rýchlejšie
Ďalším veľkým prínosom v mnohých aplikáciách. Kvôli nižšiemu internému odporu medzi ostatnými faktormi môže LiFePO4 akceptovať poplatok za oveľa vyššiu sadzbu ako AGM. Vďaka tomu môžu byť nabíjané a pripravené na použitie oveľa rýchlejšie, čo vedie k mnohým výhodám.
Funkcia - nízka miera samovybíjania:
Porovnanie
- AGM - absolutórium na 80% SOC po 4 mesiacoch
- LiFePO4 - vybitie na 80% po 8 mesiacoch
výhody
- Môže sa skladovať dlhšie
Táto vlastnosť je veľká pre rekreačné vozidlá, ktoré sa môžu používať len niekoľko mesiacov v roku, kým sa do konca roka uskladnia, ako sú karavany, člny, motocykle a vodné lyže atď. Spolu s týmto bodom, LiFePO4 nie je kalcifikovaný, takže aj po dlhšom ponechaní je batéria menej pravdepodobne trvale poškodená. Batéria LiFePO4 nie je poškodená tým, že nebude ponechaná v úplne nabitom stave.
Takže, ak vaše aplikácie zaručujú niektorú z vyššie uvedených funkcií, budete si istí, že peniaze dostanete za extra náklady na batériu LiFePO4. Nasledujúci článok bude nasledovať v nadchádzajúcich týždňoch, ktoré budú zahŕňať bezpečnostné hľadiská pre LiFePO4 a rôzne lítiové chemikálie.
100% bezpečná platba
