Principiul și definițiile

2020-08-11 08:07

Capacitatea și energia unei baterii sau a unui sistem de stocare

Capacitatea unei baterii sau a unui acumulator este cantitatea de energie stocată în funcție de temperatura specifică, valoarea curentă de încărcare și descărcare și timpul de încărcare sau descărcare.

Capacitatea de rating și rata C

C-rate este utilizat pentru a scala curentul de încărcare și descărcare al unei baterii. Pentru o anumită capacitate, rata C este o măsură care indică la ce curent se încarcă o baterie și externat pentru a-și atinge capacitatea definită. 

O încărcare de 1C (sau C / 1) încarcă o baterie cu o valoare de 1000 Ah la 1000 A în timpul unei ore, deci la sfârșitul orei, bateria atinge o capacitate de 1000 Ah; o descărcare de 1C (sau C / 1) drenează bateria la aceeași viteză.
O încărcare de 0,5C sau (C / 2) încarcă o baterie care este nominală la 1000 Ah la 500 A, astfel încât este nevoie de două ore pentru a încărca bateria la capacitatea de rating de 1000 Ah;
O încărcare de 2C încarcă o baterie care este nominală la 1000 A la 2000 A, deci teoretic 30 de minute necesită încărcarea bateriei la o capacitate de 1000 Ah;
Ratingul Ah este marcat în mod normal pe baterie.
Ultimul exemplu, o baterie cu acid plumb cu o capacitate nominală C10 (sau C / 10) de 3000 Ah ar trebui să fie încărcată sau descărcată în 10 ore cu o încărcare curentă sau descărcare de 300 A.

De ce este important să cunoașteți rata C sau ratingul C al unei baterii

C-rata este o informație importantă pentru o baterie, deoarece pentru majoritatea bateriilor, energia stocată sau disponibilă depinde de viteza curentului de încărcare sau de descărcare. În general, pentru o anumită capacitate, veți avea mai puțină energie dacă vă descărcați într-o oră decât dacă vă descărcați în 20 de ore, invers veți stoca mai puțină energie într-o baterie cu o încărcare curentă de 100 A în timpul unei ore decât cu o încărcare curentă de 10 A în timpul 10 ore.

Formula pentru calcularea curentului disponibil la ieșirea sistemului de baterii

Cum se calculează curentul de ieșire, puterea și energia unei baterii în funcție de rata C?
Cea mai simplă formulă este:

I = Cr * Er
sau
Cr = I / Er
Unde
Er = energia nominală stocată în Ah (capacitatea nominală a bateriei date de producător)
I = curent de încărcare sau descărcare în Amperes (A)
Cr = rata C a bateriei
Ecuația de a obține timpul de încărcare sau de încărcare sau descărcare „t” în funcție de capacitatea curentă și nominală este:
t = Er / I
t = timp, durata încărcării sau descărcării (runtime) în ore
Relația dintre Cr și t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Cum funcționează bateriile cu ioni de litiu

Baterii cu ioni de litiu sunt incredibil de populare în aceste zile. Le puteți găsi în laptopuri, PDA-uri, telefoane mobile și iPod-uri. Sunt atât de obișnuite, deoarece, kilogramul pentru lire, sunt unele dintre cele mai energice baterii reîncărcabile disponibile.

Bateriile cu ioni de litiu au fost și ele în ultima vreme. Acest lucru se datorează faptului că aceste baterii au posibilitatea de a exploda ocazional. Nu este foarte obișnuit - doar două sau trei baterii pe milion au o problemă - dar când se întâmplă, este extrem. În unele situații, rata de eșec poate crește, iar atunci când se va întâmpla, ajungeți la o rechemare a bateriei la nivel mondial, care poate costa producătorilor milioane de dolari.

Deci, întrebarea este, ce face aceste baterii atât de energice și atât de populare? Cum izbucnesc în flacără? Și puteți face ceva pentru a preveni problema sau pentru a vă ajuta bateriile să dureze mai mult? În acest articol, vom răspunde la aceste întrebări și multe altele.

Bateriile cu ioni de litiu sunt populare, deoarece au o serie de avantaje importante față de tehnologiile concurente:

• În general, sunt mult mai ușoare decât alte tipuri de baterii reîncărcabile de aceeași dimensiune. Electrozii unei baterii litiu-ion sunt fabricate din litiu ușor și carbon. Litiu este, de asemenea, un element extrem de reactiv, ceea ce înseamnă că multă energie poate fi stocată în legăturile sale atomice. Aceasta se traduce printr-o densitate energetică foarte mare pentru bateriile cu ioni de litiu. Iată un mod de a obține o perspectivă asupra densității energiei. O baterie tipică de litiu-ion poate stoca 150 watt-ore de energie electrică într-un kilogram de baterie. Un pachet de baterii NiMH (nichel-metal hidrură) poate stoca poate 100 watt pe oră pe kilogram, deși 60-70 watt-ore ar putea fi mai tipice. O baterie cu plumb-acid poate stoca doar 25 de wați-oră pe kilogram. Folosind tehnologia plumb-acid, este nevoie de 6 kilograme pentru a stoca aceeași cantitate de energie pe care o poate suporta o baterie litiu-ion de 1 kilogram. Aceasta este o diferență uriașă
• Ei își țin sarcina. Un pachet de baterii cu litiu-ion pierde doar aproximativ 5% din încărcarea sa pe lună, comparativ cu o pierdere de 20% pe lună pentru bateriile NiMH.
• Acestea nu au efect de memorie, ceea ce înseamnă că nu trebuie să le descarci complet înainte de reîncărcare, ca în cazul altor farmacii.
• Bateriile cu ioni de litiu pot suporta sute de cicluri de încărcare / descărcare.

Asta nu înseamnă că bateriile cu ioni de litiu sunt fără cusur. De asemenea, au câteva dezavantaje:

• Încep să se degradeze imediat ce părăsesc fabrica. Acestea vor dura doar doi sau trei ani de la data fabricației, indiferent dacă le utilizați sau nu.
• Sunt extrem de sensibile la temperaturi ridicate. Căldura determină acumularea bateriilor cu litiu-ion să se degradeze mult mai repede decât ar face în mod normal.
• Dacă descărcați complet o baterie cu litiu-ion, aceasta este distrusă.
• Un pachet de baterii cu ioni de litiu trebuie să aibă un computer de bord pentru a gestiona bateria. Acest lucru le face și mai scumpe decât sunt deja.
• Există șanse mici ca, în cazul în care un acumulator cu litiu-ion să eșueze, acesta va exploda în flacără.

Multe dintre aceste caracteristici pot fi înțelese prin examinarea chimiei din interiorul unei celule cu litiu-ion. Vom analiza acest lucru în continuare.

Pachetele de baterii cu ioni de litiu au toate formele și dimensiunile, dar toate arată la fel la interior. Dacă ar trebui să scoateți un pachet de baterii pentru laptop (ceva pe care NU îl recomandăm din cauza posibilității de a scurta o baterie și de a porni un incendiu), veți găsi următoarele:

• Celulele cu litiu-ion pot fi fie baterii cilindrice care arată aproape identice cu celulele AA, fie pot fi prismatice, ceea ce înseamnă că sunt pătrate sau dreptunghiulare Calculatorul, care cuprinde:
• Unul sau mai mulți senzori de temperatură pentru monitorizarea temperaturii bateriei
• Un convertor de tensiune și un circuit de reglare pentru a menține niveluri sigure de tensiune și curent
• Un conector de ecran protejat care permite fluxul de energie și informație în interiorul și în afara bateriei
• Un robinet de tensiune, care monitorizează capacitatea energetică a celulelor individuale din baterie
• Un monitor de stare a încărcării bateriei, care este un computer mic care gestionează întregul proces de încărcare pentru a vă asigura că bateriile se încarcă cât mai rapid și pe deplin.

Dacă bateria devine prea caldă în timpul încărcării sau utilizării, computerul va opri fluxul de alimentare pentru a încerca să răcească lucrurile. Dacă lăsați laptopul într-o mașină extrem de fierbinte și încercați să folosiți laptopul, acest computer vă poate împiedica să porniți până când lucrurile se răcesc. Dacă celulele vor fi descărcate complet, bateria se va opri deoarece celulele sunt distruse. De asemenea, poate ține evidența numărului de cicluri de încărcare / descărcare și trimite informații, astfel încât contorul bateriei laptopului vă poate spune cât de multă încărcare rămâne în baterie.

Este un mic computer destul de sofisticat și care atrage energie din baterii. Acest consum de putere este unul dintre motivele pentru care bateriile cu litiu-ion își pierd în fiecare lună 5% din puterea lor atunci când stau în repaus.

Celule cu litiu-ion

La fel ca în cazul majorității bateriilor, aveți o carcasă din metal. Utilizarea metalului este deosebit de importantă aici, deoarece bateria este sub presiune. Această carcasă metalică are un fel de orificiu de aerisire sensibil la presiune. Dacă bateria devine vreodată atât de fierbinte încât riscă să explodeze din cauza suprapresiunii, acest ventilator va elibera presiunea suplimentară. Bateria va fi probabil inutilă după aceea, deci este ceva de evitat. Ventilatorul este strict acolo, ca măsură de siguranță. La fel și comutatorul de temperatură pozitivă (PTC), un dispozitiv care trebuie să împiedice supraîncălzirea bateriei.

Această carcasă metalică ține o spirală lungă care cuprinde trei foi subțiri presate împreună:

• Un electrod pozitiv
• Un electrod negativ
• Un separator

În interiorul carcasei, aceste foi sunt scufundate într-un solvent organic care acționează ca electrolit. Eterul este un solvent comun.

Separatorul este o foaie foarte subțire de plastic perforat. După cum sugerează și numele, el separă electrozii pozitivi și negativi, permițând în același timp ioniilor.

Electrodul pozitiv este format din oxid de cobalt de litiu, sau LiCoO2. Electrodul negativ este fabricat din carbon. Când bateria se încarcă, ionii de litiu se deplasează prin electrolit de la electrodul pozitiv la electrodul negativ și se atașează de carbon. În timpul descărcării, ionii de litiu se mută înapoi în LiCoO2 din carbon.

Mișcarea acestor ioni de litiu se întâmplă la o tensiune destul de mare, astfel încât fiecare celulă produce 3,7 volți. Acest lucru este mult mai mare decât 1,5 volți tipic unei celule alcaline AA normale pe care le cumpărați la supermarket și vă ajută să faceți ca bateriile cu ioni de litiu să fie mai compacte pe dispozitivele mici, precum telefoanele mobile. Vedeți Cum funcționează bateriile pentru detalii despre diferite produse chimice pentru baterii.

Vom analiza modul de prelungire a vieții unei baterii cu litiu-ion și vom explora de ce pot exploda în continuare.

Durata de viață și decesul bateriei cu litiu

Pachetele cu baterii cu ioni de litiu sunt scumpe, așa că dacă doriți să faceți ca al vostru să dureze mai mult, iată câteva lucruri de care trebuie să țineți cont:

• Chimia cu ioni de litiu preferă descărcarea parțială decât descărcarea profundă, așa că este mai bine să evitați să duceți bateria până la zero. Deoarece chimia litiu-ion nu are o „memorie”, nu dăunează bateriei cu o descărcare parțială. Dacă tensiunea unei celule cu litiu-ion scade sub un anumit nivel, aceasta este stricată.
• Bateriile cu ioni de litiu îmbătrânesc. Durează doar doi-trei ani, chiar dacă stau pe un raft nefolosit. Așadar, nu „evitați” utilizarea bateriei cu gândul că bateria va dura cinci ani. Nu va fi. De asemenea, dacă cumpărați un nou acumulator, doriți să vă asigurați că acesta este cu adevărat nou. Dacă stă pe un raft din magazin de un an, nu va dura foarte mult. Datele de fabricație sunt importante.
• Evitați căldura, care degradează bateriile.

Baterii explozive

Acum că știm cum să păstrăm bateriile cu ioni de litiu să funcționeze mai mult, să vedem de ce pot exploda.

Dacă bateria devine suficient de fierbinte pentru a aprinde electrolitul, veți obține un incendiu. Pe Web există clipuri video și fotografii care arată cât de grave pot fi aceste incendii. Articolul CBC, „Summer of the Exploding Laptop”, completează câteva dintre aceste incidente.

Când se produce un incendiu ca acesta, de obicei este cauzat de un scurtcircuit intern în baterie. Reamintim din secțiunea anterioară că celulele cu ioni de litiu conțin o foaie separatoare care ține separat electrozii pozitivi și negativi. Dacă acea foaie este perforată și electrozii se ating, bateria se încălzește foarte repede. Este posibil să fi experimentat tipul de căldură pe care o poate produce o baterie dacă ai pus vreodată o baterie normală de 9 volți în buzunar. Dacă o monedă se scurtează pe cele două terminale, bateria devine destul de fierbinte.

Într-o defecțiune a separatorului, același fel de scurtcircuit se întâmplă în interiorul bateriei litiu-ion. Deoarece bateriile cu ioni de litiu sunt atât de energice, ele se încălzesc foarte mult. Căldura determină bateria să aeriseze solventul organic folosit ca electrolit, iar căldura (sau o scânteie din apropiere) o poate aprinde. Odată ce aceasta se întâmplă în interiorul uneia dintre celule, căldura focului cade la celelalte celule și întregul pachet se ridică în flăcări.

Este important de menționat că incendiile sunt foarte rare. Totuși, este nevoie doar de câteva focuri și puțin media acoperire pentru a solicita o rechemare.

Diferite tehnologii cu litiu

În primul rând, este important să rețineți că există multe tipuri de baterii „Ion litiu”. Punctul de reținut în această definiție se referă la o „familie de baterii”.
Există mai multe baterii „Ion litiu” diferite din această familie care utilizează diferite materiale pentru catod și anod. Ca urmare, acestea prezintă caracteristici foarte diferite și, prin urmare, sunt potrivite pentru aplicații diferite.

Fosfat de fier de litiu (LiFePO4)

Fosfat de fier de litiu (LiFePO4) este o tehnologie binecunoscută a litiului din Australia datorită utilizării sale largi și adecvării la o gamă largă de aplicații.
Caracteristicile prețului scăzut, siguranța ridicată și energia specifică bună, fac din aceasta o opțiune puternică pentru multe aplicații.
Tensiunea celulară LiFePO4 de 3,2 V / celulă face, de asemenea, tehnologia de litiu aleasă pentru înlocuirea sigilată a acidului de plumb într-o serie de aplicații cheie.

Baterie LiPO

Dintre toate opțiunile de litiu disponibile, există mai multe motive pentru care LiFePO4 a fost selectată drept tehnologia ideală pentru litiu pentru înlocuirea SLA. Principalele motive se datorează caracteristicilor sale favorabile atunci când analizăm principalele aplicații în care SLA există în prezent. Acestea includ:

• Tensiune similară cu SLA (3,2 V pe celulă x 4 = 12,8 V) ceea ce le face ideale pentru înlocuirea SLA.
• Cea mai sigură formă a tehnologiilor cu litiu.
• Ecologic - fosfatul nu este periculos și, de asemenea, este atât pentru mediu, cât și pentru un risc pentru sănătate.
• Domeniu larg de temperatură.

Caracteristici și beneficii ale LiFePO4 în comparație cu SLA

Mai jos sunt câteva caracteristici cheie ale unei baterii cu fosfat de fier de litiu care oferă unele avantaje semnificative ale SLA într-o serie de aplicații. Aceasta nu este o listă completă, dar acoperă elementele cheie. O baterie 100AH AGM a fost selectată ca SLA, deoarece aceasta este una dintre cele mai utilizate dimensiuni în aplicațiile cu ciclu profund. Acest AGA 100AH a fost comparat cu un LiFePO4 100AH, pentru a compara un like cât mai aproape posibil.

Caracteristică - Greutate:

Comparaţie

• LifePO4 este mai mică de jumătate din greutatea SLA
• Ciclul profund AGM - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

Beneficii

• Crește eficiența combustibilului
  • În aplicațiile pentru rulote și bărci, greutatea de remorcare este redusă.
• Crește viteza
  • În aplicațiile pentru bărci, viteza apei poate fi crescută
• Reducerea greutății totale
• Runtime mai lungă

Greutatea are o influență mare asupra multor aplicații, în special în cazul remorcării sau vitezei în care sunt implicate, precum și rulote și nave. Alte aplicații, inclusiv iluminat portabil și aplicații pentru camere unde bateriile trebuie transportate.

Caracteristică - Ciclu de viață mai mare:

Comparaţie

• Până la 6 ani durata ciclului
• Ciclul profund AGM - 300 cicluri @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 cicluri @ 100% DoD

Beneficii

• Costul de proprietate mai mic (costul pe kWh mult mai mic pe durata de viață a bateriei pentru LiFePO4)
• Reducerea costurilor de înlocuire - înlocuiți AGM de până la 6 ori înainte ca LiFePO4 să fie înlocuit

Durata de viață mai mare înseamnă că costul suplimentar avansat al bateriei LiFePO4 este mai mult decât compensat pentru utilizarea pe durata de viață a bateriei. Dacă este utilizat zilnic, un AGM va trebui înlocuit cu aprox. De 6 ori înainte de LiFePO4 are nevoie de înlocuire

Caracteristică - Curba de descărcare plană:

Comparaţie

• La 0,2C (20A) de descărcare
• AGM - scade sub 12V după
• 1,5 ore de rulare
• LiFePO4 - scade sub 12V după aproximativ 4 ore de rulare

Beneficii

• Utilizarea mai eficientă a capacității bateriei
• Putere = tensiuni x amperi
• Odată ce tensiunea începe să scadă, bateria va trebui să furnizeze amperi mai mari pentru a oferi aceeași cantitate de energie.
• Tensiunea mai mare este mai bună pentru electronică
• Timp de rulare mai lung pentru echipamente
• Utilizarea completă a capacității chiar și la o rată mare de descărcare
• AGM @ 1C descărcare = 50% Capacitate
• LiFePO4 @ 1C descărcare = 100% capacitate

Această caracteristică este puțin cunoscută, dar este un avantaj puternic și oferă multiple beneficii. Cu curba de descărcare plană a LiFePO4, tensiunea terminalului menține peste 12V pentru o capacitate de utilizare de până la 85-90%. Din această cauză, sunt necesare mai puține amperi pentru a furniza aceeași cantitate de putere (P = VxA) și, prin urmare, utilizarea mai eficientă a capacității duce la o durată mai lungă de timp. De asemenea, utilizatorul nu va observa încetinirea dispozitivului (de exemplu, coșul de golf).

Odată cu aceasta, efectul legii lui Peukert este mult mai puțin semnificativ cu litiu decât cel al AGM. Acest lucru duce la disponibilitatea unui procent mare din capacitatea bateriei, indiferent de rata de descărcare. La 1C (sau 100A descărcare pentru baterie 100AH), opțiunea LiFePO4 vă va oferi în continuare 100AH față de numai 50AH pentru AGM.

Caracteristică - Utilizarea sporită a capacității:

Comparaţie

• AGM recomandat DoD = 50%
• LiFePO4 recomandat DoD = 80%
• Ciclul profund AGM - 100AH x 50% = 50Ah utilizabil
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Diferență = 30Ah sau cu 60% mai multă capacitate de utilizare

Beneficii

• Baterie de rulare crescută sau capacitate mai mică pentru înlocuire

Utilizarea crescută a capacității disponibile înseamnă că utilizatorul poate obține cu până la 60% mai mult timp de rulare din aceeași opțiune de capacitate în LiFePO4, sau poate opta pentru o baterie LiFePO4 cu o capacitate mai mică, obținând totodată același timp de rulare ca și capacitatea mai mare AGM.

Caracteristică - Eficiență de încărcare mai mare:

Comparaţie

• AGM - Tariful complet necesită aprox. 8 ore
• LiFePO4 - Încărcarea completă poate fi de până la 2 ore

Beneficii

• Bateria încărcată și gata de a fi din nou folosită mai rapid

Un alt beneficiu puternic în multe aplicații. Datorită rezistenței interne mai scăzute, printre alți factori, LiFePO4 poate accepta taxa la un ritm mult mai mare decât AGM. Acest lucru le permite să fie încărcați și gata de utilizare mult mai rapid, ceea ce duce la multe beneficii.

Caracteristică - Rata de descărcare automată scăzută:

Comparaţie

• AGM - Descărcarea la 80% SOC după 4 luni
• LiFePO4 - Descărcarea la 80% după 8 luni

Beneficii

• Poate fi lăsat în depozit pentru o perioadă mai lungă

Această caracteristică este una importantă pentru vehiculele de agrement, care pot fi folosite doar pentru câteva luni pe an înainte de a intra în depozitare pentru restul anului, cum ar fi rulote, bărci, motociclete și schiuri de jet etc. Alături de acest punct, LiFePO4 nu se califică și astfel chiar și după ce a fost lăsată pentru perioade îndelungate de timp, bateria este mai puțin probabilă să fie definitiv deteriorată. O baterie LiFePO4 nu este afectată de faptul că nu este lăsată în depozit într-o stare complet încărcată.

Așadar, dacă aplicațiile dvs. garantează oricare dintre caracteristicile de mai sus, veți fi sigur că veți obține bani în valoare pentru cheltuielile suplimentare cheltuite pe o baterie LiFePO4. Următorul articol va urma în săptămânile următoare care va include aspectele de siguranță pe LiFePO4 și diferite chimicale cu litiu.