Принцип и определения

2020-08-11 08:07

Емкость и энергия аккумулятора или системы хранения

Емкость батареи или аккумулятора - это количество энергии, накопленное в соответствии с определенной температурой, значением тока заряда и разряда и временем заряда или разряда.

Номинальная мощность и C-рейтинг

C-rate используется для масштабирования тока заряда и разряда батареи. Для данной емкости C-rate - это мера, указывающая, при каком токе заряжается аккумулятор и разряжены до достижения определенной емкости. 

При зарядке 1С (или С / 1) заряжается аккумулятор, рассчитанный, например, на 1000 Ач при 1000 А в течение одного часа, поэтому в конце часа аккумулятор достигает емкости 1000 Ач; разряд 1C (или C / 1) разряжает аккумулятор с такой же скоростью.
Заряд 0,5C или (C / 2) нагружает батарею, которая рассчитана, например, на 1000 Ач при 500 А, поэтому для зарядки батареи номинальной емкостью 1000 Ач требуется два часа;
При зарядке 2C заряжается аккумулятор, рассчитанный, скажем, на 1000 Ач при 2000 А, поэтому для зарядки аккумулятора номинальной емкостью 1000 Ач теоретически требуется 30 минут;
Номинал Ач обычно указывается на батарее.
Последний пример: свинцово-кислотная батарея с номинальной емкостью C10 (или C / 10) 3000 Ач должна заряжаться или разряжаться за 10 часов при текущем заряде или разряде 300 А.

Почему важно знать C-rate или C-рейтинг батареи

C-rate - важные данные для аккумулятора, потому что для большинства аккумуляторов запасенная или доступная энергия зависит от скорости тока заряда или разряда. Как правило, для данной емкости у вас будет меньше энергии, если вы разряжаете за один час, чем если вы разряжаетесь за 20 часов, и наоборот, вы будете хранить меньше энергии в батарее с текущим зарядом 100 А в течение 1 часа, чем при текущем заряде 10 А в течение 10 ч.

Формула для расчета тока, доступного на выходе аккумуляторной системы

Как рассчитать выходной ток, мощность и энергию батареи согласно C-rate?
Самая простая формула:

I = Cr * Er
или
Cr = I / Er
куда
Er = номинальная запасенная энергия в Ач (номинальная емкость батареи указана производителем)
I = ток заряда или разряда в амперах (A)
Cr = C-скорость батареи
Уравнение для получения времени заряда, заряда или разряда "t" в зависимости от тока и номинальной емкости:
t = Er / I
t = время, продолжительность заряда или разряда (время работы) в часах
Связь между Cr и t:
Cr = 1 / т
t = 1 / Cr

Как работают литий-ионные батареи

Литий-ионные аккумуляторы невероятно популярны в наши дни. Вы можете найти их в ноутбуках, КПК, сотовых телефонах и iPod. Они настолько распространены, потому что, фунт за фунтом, это одни из самых мощных перезаряжаемых батарей на рынке.

Литий-ионные батареи также были в последнее время в новостях. Это потому, что эти батареи могут иногда загораться. Это не очень распространено - проблема возникает только у двух или трех аккумуляторных блоков на миллион, но когда это случается, это крайняя степень. В некоторых ситуациях частота отказов может возрасти, и когда это произойдет, вы получите отзыв батареи по всему миру, что может стоить производителям миллионы долларов.

Возникает вопрос: что делает эти батареи такими энергичными и популярными? Как они воспламеняются? И что вы можете сделать, чтобы предотвратить проблему или продлить срок службы батареек? В этой статье мы ответим на эти и другие вопросы.

Литий-ионные батареи популярны, потому что у них есть ряд важных преимуществ перед конкурирующими технологиями:

• Как правило, они намного легче, чем другие типы аккумуляторных батарей того же размера. Электроды литий-ионного аккумулятора сделаны из легкого лития и углерода. Литий также является высокореактивным элементом, а это означает, что в его атомных связях может храниться много энергии. Это приводит к очень высокой плотности энергии для литий-ионных батарей. Вот способ получить представление о плотности энергии. Типичная литий-ионная батарея может хранить 150 ватт-часов электроэнергии в 1 килограмме батареи. Аккумуляторная батарея NiMH (никель-металлгидридная) может хранить около 100 ватт-часов на килограмм, хотя от 60 до 70 ватт-часов может быть более типичным. Свинцово-кислотный аккумулятор может хранить только 25 ватт-часов на килограмм. Используя свинцово-кислотную технологию, требуется 6 кг для хранения того же количества энергии, которое может выдержать 1-килограммовый литий-ионный аккумулятор. Это огромная разница
• Они держат заряд. Литий-ионный аккумулятор теряет всего около 5 процентов своего заряда в месяц по сравнению с 20-процентной потерей в месяц для никель-металлгидридных аккумуляторов.
• У них нет эффекта памяти, что означает, что вам не нужно полностью разряжать их перед подзарядкой, как в случае с батареями других типов.
• Литий-ионные аккумуляторы могут выдерживать сотни циклов зарядки / разрядки.

Это не означает, что литий-ионные аккумуляторы безупречны. У них также есть несколько недостатков:

• Они начинают деградировать, как только покидают завод. Срок их службы составляет всего два-три года с даты изготовления, независимо от того, используете вы их или нет.
• Они чрезвычайно чувствительны к высоким температурам. Тепло приводит к тому, что литий-ионные аккумуляторные батареи разлагаются намного быстрее, чем обычно.
• Если полностью разрядить литий-ионный аккумулятор, он выйдет из строя.
• Литий-ионный аккумулятор должен иметь бортовой компьютер для управления аккумулятором. Это делает их даже дороже, чем они есть.
• Существует небольшая вероятность того, что при выходе из строя литий-ионного аккумулятора он загорится.

Многие из этих характеристик можно понять, взглянув на химию внутри литий-ионного элемента. Мы посмотрим на это дальше.

Литий-ионные аккумуляторные батареи бывают всех форм и размеров, но все они выглядят примерно одинаково внутри. Если бы вы разобрали аккумуляторную батарею ноутбука (что мы НЕ рекомендуем из-за возможности короткого замыкания батареи и возникновения пожара), вы бы обнаружили следующее:

• Литий-ионные элементы могут быть либо цилиндрическими батареями, которые почти идентичны элементам AA, либо они могут быть призматическими, что означает, что они имеют квадратную или прямоугольную форму. Компьютер, который включает:
• Один или несколько датчиков температуры для контроля температуры аккумулятора
• Схема преобразователя и регулятора напряжения для поддержания безопасных уровней напряжения и тока
• Экранированный разъем для ноутбука, через который питание и информация поступают в аккумуляторную батарею и из нее.
• Отвод напряжения, который контролирует энергоемкость отдельных ячеек в аккумуляторной батарее.
• Монитор состояния заряда аккумулятора, представляющий собой небольшой компьютер, который управляет всем процессом зарядки, чтобы обеспечить максимально быструю и полную зарядку аккумуляторов.

Если аккумулятор слишком нагревается во время зарядки или использования, компьютер отключит подачу питания, чтобы попытаться остыть. Если вы оставите свой ноутбук в очень горячей машине и попытаетесь использовать его, он может не дать вам включиться, пока все не остынет. Если элементы когда-либо полностью разряжаются, аккумуляторная батарея отключится из-за разрушения элементов. Он также может отслеживать количество циклов зарядки / разрядки и отправлять информацию, чтобы индикатор заряда батареи ноутбука мог сказать вам, сколько заряда осталось в аккумуляторе.

Это довольно сложный маленький компьютер, питающийся от батарей. Такое энергопотребление является одной из причин, по которой литий-ионные батареи теряют 5 процентов своей мощности каждый месяц, когда они простаивают.

Литий-ионные элементы

Как и у большинства аккумуляторов, у вас есть внешний корпус из металла. Здесь особенно важно использование металла, потому что аккумулятор находится под давлением. В этом металлическом корпусе есть вентиляционное отверстие, чувствительное к давлению. Если аккумулятор когда-либо станет настолько горячим, что может взорваться от избыточного давления, это отверстие сбросит дополнительное давление. Батарея, вероятно, впоследствии станет бесполезной, так что этого следует избегать. Отверстие строго предусмотрено в качестве меры безопасности. Так же и переключатель положительного температурного коэффициента (PTC), устройство, которое должно предохранять аккумулятор от перегрева.

Этот металлический корпус удерживает длинную спираль, состоящую из трех спрессованных вместе тонких листов:

• Положительный электрод
• Отрицательный электрод
• Разделитель

Внутри корпуса эти листы погружены в органический растворитель, который действует как электролит. Эфир - один из распространенных растворителей.

Сепаратор представляет собой очень тонкий лист микроперфорированного пластика. Как следует из названия, он разделяет положительный и отрицательный электроды, позволяя ионам проходить через них.

Положительный электрод изготовлен из оксида лития-кобальта или LiCoO2. Отрицательный электрод выполнен из углерода. Когда батарея заряжается, ионы лития перемещаются через электролит от положительного электрода к отрицательному и присоединяются к углю. Во время разряда ионы лития возвращаются в LiCoO2 из углерода.

Движение этих ионов лития происходит при достаточно высоком напряжении, поэтому каждая ячейка производит 3,7 вольт. Это намного выше, чем 1,5 В, типичные для обычных щелочных элементов AA, которые вы покупаете в супермаркете, и помогает сделать литий-ионные батареи более компактными в небольших устройствах, таких как сотовые телефоны. См. Раздел «Как работают батареи» для получения подробной информации о различном химическом составе батарей.

Мы рассмотрим, как продлить срок службы литий-ионных батарей, и выясним, почему они могут взорваться в следующий раз.

Срок службы литий-ионной батареи и смерть

Литий-ионные аккумуляторные батареи дорогие, поэтому, если вы хотите, чтобы ваша батарея прослужила дольше, следует помнить о некоторых вещах:

• Литий-ионная химия предпочитает частичный разряд глубокой разрядке, поэтому лучше не доводить аккумулятор до нуля. Поскольку литий-ионная химия не имеет «памяти», вы не повредите аккумулятор частичной разрядкой. Если напряжение литий-ионного элемента падает ниже определенного уровня, он разрушается.
• Литий-ионные батареи устаревают. Они служат всего два-три года, даже если лежат на полке неиспользованными. Так что не «избегайте использования» батареи, думая, что ее хватит на пять лет. Не будет. Кроме того, если вы покупаете новый аккумулятор, убедитесь, что он действительно новый. Если он год пролежал на полке в магазине, долго не протянет. Сроки изготовления важны.
• Избегайте воздействия тепла, которое разрушает батареи.

Взрывающиеся батареи

Теперь, когда мы знаем, как продлить срок службы литий-ионных батарей, давайте посмотрим, почему они могут взорваться.

Если аккумулятор станет достаточно горячим, чтобы загореться электролит, вы получите пожар. В Интернете есть видеоклипы и фотографии, которые показывают, насколько серьезными могут быть эти пожары. Статья CBC «Лето взрывающегося ноутбука» подводит итог нескольким из этих инцидентов.

Такое возгорание обычно вызвано внутренним коротким замыканием в батарее. Напомним из предыдущего раздела, что литий-ионные элементы содержат разделительный лист, который разделяет положительный и отрицательный электроды. Если этот лист проткнется и электроды соприкоснутся, аккумулятор очень быстро нагреется. Возможно, вы испытали нагрев, который может выделять батарея, если когда-либо клали в карман обычную 9-вольтовую батарею. Если монета замкнет две клеммы, батарея сильно нагреется.

При выходе из строя сепаратора такое же короткое замыкание происходит внутри литий-ионной батареи. Поскольку литий-ионные аккумуляторы очень энергоемкие, они сильно нагреваются. Тепло заставляет аккумулятор выделять органический растворитель, используемый в качестве электролита, и тепло (или ближайшая искра) может зажечь его. Как только это происходит внутри одной из ячеек, жар огня переходит в другие ячейки, и вся стая сгорает.

Важно отметить, что пожары случаются очень редко. Тем не менее, требуется всего пара пожаров и немного средств массовой информации. покрытие, чтобы вызвать отзыв.

Различные литиевые технологии

Во-первых, важно отметить, что существует много типов «литий-ионных» батарей. В этом определении следует отметить «семейство батарей».
В этом семействе есть несколько различных «литий-ионных» батарей, в которых для изготовления катода и анода используются разные материалы. В результате они обладают очень разными характеристиками и поэтому подходят для различных применений.

Литий-фосфат железа (LiFePO4)

Литий-железо-фосфат (LiFePO4) - это хорошо известная литиевая технология в Австралии из-за его широкого применения и пригодности для широкого круга приложений.
Низкая цена, высокая безопасность и хорошая удельная энергия делают его отличным вариантом для многих приложений.
Напряжение элемента LiFePO4, равное 3,2 В / элемент, также делает литиевую технологию предпочтительной для герметичной свинцово-кислотной замены в ряде ключевых приложений.

LiPO аккумулятор

Из всех доступных вариантов лития есть несколько причин, по которым LiFePO4 был выбран в качестве идеальной литиевой технологии для замены SLA. Основные причины сводятся к его благоприятным характеристикам при рассмотрении основных приложений, в которых в настоящее время существует SLA. Это включает:

• Напряжение аналогично SLA (3,2 В на ячейку x 4 = 12,8 В), что делает их идеальными для замены SLA.
• Самая безопасная форма литиевых технологий.
• Экологически чистые - фосфаты не опасны и, следовательно, не вредны как для окружающей среды, так и для здоровья.
• Широкий температурный диапазон.

Особенности и преимущества LiFePO4 по сравнению с SLA

Ниже приведены некоторые основные характеристики литий-железо-фосфатной батареи, которые дают некоторые значительные преимущества SLA в ряде приложений. Это далеко не полный список, но он охватывает ключевые элементы. В качестве SLA была выбрана батарея AGM емкостью 100 Ач, поскольку это один из наиболее часто используемых размеров в приложениях с глубоким циклом. Этот AGM емкостью 100 Ач сравнивали с LiFePO4 100 Ач, чтобы сравнить аналогичные характеристики как можно ближе.

Особенность - Вес:

сравнение

• LifePO4 составляет менее половины веса SLA
• AGM Глубокий цикл - 27,5 кг
• LiFePO4 - 12,2 кг

Преимущества

• Повышает топливную экономичность
  • В караванах и лодках вес буксировки снижен.
• Увеличивает скорость
  • В лодках скорость воды может быть увеличена
• Снижение общего веса
• Более длительное время работы

Вес имеет большое значение во многих приложениях, особенно в случае буксировки или скорости, например, прицепа и катания на лодке. Другие приложения, включая портативное освещение и камеры, где необходимо переносить аккумуляторы.

Особенность - Большой цикл жизни:

сравнение

• До 6-кратного срока службы
• AGM Глубокий цикл - 300 циклов при 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 циклов при 100% DoD

Преимущества

• Более низкая совокупная стоимость владения (стоимость киловатт-часа намного ниже в течение срока службы батареи для LiFePO4)
• Снижение затрат на замену - заменяйте AGM до 6 раз, прежде чем потребуется замена LiFePO4.

Увеличенный срок службы означает, что дополнительные первоначальные затраты на аккумулятор LiFePO4 более чем компенсируются на протяжении всего срока службы аккумулятора. При ежедневном использовании AGM необходимо заменить прибл. 6 раз перед заменой LiFePO4

Особенность - Плоская кривая разряда:

сравнение

• При разряде 0,2C (20A)
• AGM - падает ниже 12 В после
• 1,5 часа работы
• LiFePO4 - падает ниже 12 В примерно через 4 часа работы

Преимущества

• Более эффективное использование емкости аккумулятора
• Мощность = Вольт x Ампер
• Как только напряжение начнет падать, аккумулятор должен будет обеспечивать более высокий ток, чтобы обеспечить такое же количество энергии.
• Чем выше напряжение, тем лучше для электроники
• Более длительное время работы оборудования
• Полное использование емкости даже при высокой скорости разряда
• AGM @ 1C разряд = 50% Емкость
• LiFePO4 при разряде 1С = 100% емкости

Эта особенность малоизвестна, но является большим преимуществом и дает множество преимуществ. Благодаря плоской кривой разряда LiFePO4 напряжение на клеммах удерживается выше 12 В при использовании емкости до 85-90%. Из-за этого для обеспечения того же количества мощности требуется меньше ампер (P = VxA), и, следовательно, более эффективное использование емкости приводит к увеличению времени работы. Пользователь также не заметит раньше замедления работы устройства (например, гольфмобиля).

Вместе с тем, действие закона Пейкерта для лития гораздо менее значимо, чем для AGM. Это приводит к тому, что доступен большой процент емкости батареи независимо от скорости разряда. При 1С (или разряде 100А для батареи 100Ач) опция LiFePO4 по-прежнему даст вам 100Ач против только 50Ач для AGM.

Особенность - Повышенное использование емкости:

сравнение

• Рекомендуемый AGM DoD = 50%
• Рекомендуемый LiFePO4 DoD = 80%
• AGM Глубокий цикл - 100 Ач x 50% = 50 Ач полезного использования
• LiFePO4 - 100 Ач x 80% = 80 Ач
• Разница = 30 Ач или 60% больше использования емкости

Преимущества

• Увеличенное время работы или батарея меньшей емкости для замены

Увеличенное использование доступной емкости означает, что пользователь может либо получить до 60% больше времени работы от того же варианта емкости в LiFePO4, либо, в качестве альтернативы, выбрать батарею LiFePO4 меньшей емкости, сохраняя при этом то же время работы, что и AGM большей емкости.

Особенность - Повышенная эффективность заряда:

сравнение

• AGM - Полная зарядка занимает ок. 8 часов
• LiFePO4 - Полная зарядка может составлять всего 2 часа

Преимущества

• Аккумулятор заряжен и готов к более быстрому повторному использованию

Еще одно сильное преимущество во многих приложениях. Из-за более низкого внутреннего сопротивления среди других факторов LiFePO4 может принимать заряд с гораздо большей скоростью, чем AGM. Это позволяет им заряжаться и быстрее готовиться к использованию, что дает множество преимуществ.

Особенность - Низкая скорость саморазряда:

сравнение

• AGM - разрядка до 80% SOC через 4 месяца
• LiFePO4 - разрядка до 80% через 8 месяцев

Преимущества

• Можно оставить на хранение на более длительный срок

Эта особенность важна для транспортных средств для отдыха, которые можно использовать только в течение нескольких месяцев в году перед отправкой на хранение на оставшуюся часть года, таких как караваны, лодки, мотоциклы, гидроциклы и т. Д. Наряду с этим пунктом, LiFePO4 не кальцинируется, и поэтому даже после того, как аккумулятор оставлен на длительное время, вероятность необратимого повреждения аккумулятора снижается. Аккумулятор LiFePO4 не повреждается, если он не хранится в полностью заряженном состоянии.

Итак, если ваши приложения гарантируют любую из вышеперечисленных функций, вы обязательно получите свои деньги за дополнительные расходы на батарею LiFePO4. В ближайшие недели выйдет следующая статья, в которой будут рассмотрены аспекты безопасности LiFePO4 и различные химические составы лития.