Princip och definitioner

2020-08-11 08:07

Kapacitet och energi hos ett batteri eller lagringssystem

Batteriets eller ackumulatorns kapacitet är den mängd energi som lagras enligt specifik temperatur, laddnings- och urladdningsströmvärde och tid för laddning eller urladdning.

Betygskapacitet och C-ränta

C-hastighet används för att skala batteriets laddnings- och urladdningsström. För en given kapacitet är C-hastighet ett mått som anger vid vilken ström ett batteri laddas och urladdat för att nå sin definierade kapacitet. 

En 1C (eller C / 1) laddning laddar ett batteri som är värderat till, till exempel, 1000 Ah vid 1000 A under en timme, så i slutet av timmen når batteriet en kapacitet på 1000 Ah; en 1C (eller C / 1) urladdning tömmer batteriet med samma hastighet.
En laddning på 0,5 eller (C / 2) laddar ett batteri som är klassat till, till exempel, 1000 Ah vid 500 A, så det tar två timmar att ladda batteriet med en kapacitet på 1000 Ah;
En 2C-laddning laddar ett batteri som är värderat till, till exempel, 1000 Ah vid 2000 A, så det tar teoretiskt 30 minuter att ladda batteriet med en kapacitet på 1000 Ah;
Ah-betyg är normalt markerat på batteriet.
Förra exemplet bör ett blybatteri med en C10 (eller C / 10) nominell kapacitet på 3000 Ah laddas eller urladdas på 10 timmar med en aktuell laddning eller urladdning på 300 A.

Varför är det viktigt att känna till batteriets C-hastighet eller C-betyg

C-hastighet är en viktig data för ett batteri eftersom för de flesta batterier den lagrade eller tillgängliga energin beror på hastigheten på laddnings- eller urladdningsströmmen. Generellt sett kommer du att ha mindre energi om du laddar ur under en timme än om du laddar ur på 20 timmar, omvänt kommer du att lagra mindre energi i ett batteri med en strömladdning på 100 A under 1 timme än med en aktuell laddning på 10 A under 10 timmar.

Formel för att beräkna Ström som är tillgänglig i batterisystemets utgång

Hur beräknar du batteriets utgångsström, effekt och energi enligt C-hastighet?
Den enklaste formeln är:

I = Cr * Er
eller
Cr = I / Er
Var
Er = nominell energi lagrad i Ah (batteriets nominella kapacitet anges av tillverkaren)
I = laddningsström eller urladdning i Amperes (A)
Cr = C-batteri för batteriet
Ekvation för att få tiden för laddning eller laddning eller urladdning "t" enligt aktuell och nominell kapacitet är:
t = Er / I
t = tid, laddningsvaraktighet eller urladdning (körtid) i timmar
Förhållandet mellan Cr och t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Hur litiumjonbatterier fungerar

Litiumjonbatterier är oerhört populära i dag. Du hittar dem i bärbara datorer, handdatorer, mobiltelefoner och iPods. De är så vanliga eftersom de är några av de mest energiska laddningsbara batterierna som finns tillgängliga.

Litiumjonbatterier har också varit i nyheterna på det senaste. Det beror på att dessa batterier ibland kan spridas i lågor. Det är inte så vanligt - bara två eller tre batteripaket per miljon har problem - men när det händer är det extremt. I vissa situationer kan felfrekvensen stiga, och när det händer slutar du med ett globalt batteriåterkallande som kan kosta tillverkare miljontals dollar.

Så frågan är, vad gör dessa batterier så energiska och så populära? Hur spricker de i låga? Och finns det något du kan göra för att förhindra problemet eller hjälpa dina batterier att hålla längre? I den här artikeln kommer vi att svara på dessa frågor och mer.

Litiumjonbatterier är populära eftersom de har ett antal viktiga fördelar jämfört med konkurrerande tekniker:

• De är i allmänhet mycket lättare än andra typer av uppladdningsbara batterier av samma storlek. Elektroderna för ett litiumjonbatteri är tillverkade av lätt litium och kol. Litium är också ett mycket reaktivt element, vilket innebär att mycket energi kan lagras i atombindningarna. Detta innebär en mycket hög energitäthet för litiumjonbatterier. Här är ett sätt att få ett perspektiv på energitätheten. Ett typiskt litiumjonbatteri kan lagra 150 wattimmar el i 1 kilo batteri. Ett NiMH-batteri (nickel-metallhydrid) kan lagra kanske 100 wattimmar per kilogram, även om 60 till 70 wattimmar kan vara mer typiska. Ett blybatteri kan bara lagra 25 wattimmar per kilogram. Genom att använda bly-syra teknik tar det 6 kg att lagra samma mängd energi som ett 1 kg litiumjonbatteri kan hantera. Det är en enorm skillnad
• De håller sitt ansvar. Ett litiumjonbatteri förlorar bara cirka 5 procent av sin laddning per månad jämfört med en 20 procent förlust per månad för NiMH-batterier.
• De har ingen minneseffekt, vilket innebär att du inte behöver ladda ur dem helt innan du laddar, som med andra batterikemier.
• Litiumjonbatterier kan hantera hundratals laddnings- / urladdningscykler.

Det betyder inte att litiumjonbatterier är felfria. De har några nackdelar också:

• De börjar förnedra så snart de lämnar fabriken. De kommer bara att pågå två eller tre år från tillverkningsdatumet oavsett om du använder dem eller inte.
• De är extremt känsliga för höga temperaturer. Värme får litiumjonbatterier att brytas mycket snabbare än de normalt skulle göra.
• Om du laddar ur ett litiumjonbatteri helt, förstörs det.
• Ett litiumjonbatteri måste ha en inbyggd dator för att hantera batteriet. Detta gör dem ännu dyrare än de redan är.
• Det finns en liten chans att, om ett litiumjonbatteri inte lyckas, kommer det att brista i låga.

Många av dessa egenskaper kan förstås genom att titta på kemi inuti en litiumjoncell. Vi tittar på det här nästa.

Litiumjonbatterier finns i alla former och storlekar, men alla ser ungefär lika ut på insidan. Om du skulle ta isär ett bärbart batteripaket (något som vi INTE rekommenderar på grund av möjligheten att kortsluta ett batteri och starta eld) skulle du hitta följande:

• Litiumjoncellerna kan vara antingen cylindriska batterier som ser nästan identiska ut som AA-celler, eller de kan vara prismatiska, vilket innebär att de är fyrkantiga eller rektangulära Datorn, som innefattar:
• En eller flera temperatursensorer för att övervaka batteritemperaturen
• En spänningsomvandlare och regulatorkrets för att upprätthålla säkra spänningsnivåer och ström
• En skärmad notebook-anslutning som låter ström och information flyta in och ut ur batteripaketet
• En spänningskran som övervakar energikapaciteten för enskilda celler i batteripaketet
• En batteriladdningsskärm, som är en liten dator som hanterar hela laddningsprocessen för att se till att batterierna laddas så snabbt och fullt som möjligt.

Om batteripaketet blir för varmt under laddning eller användning stänger datorn strömflödet för att försöka kyla ner saker. Om du lämnar din bärbara dator i en extremt het bil och försöker använda den bärbara datorn, kan den här datorn hindra dig från att slå på tills saker svalna. Om cellerna någonsin lossnar helt kommer batteripaketet att stängas av eftersom cellerna förstörs. Det kan också hålla reda på antalet laddnings- / urladdningscykler och skicka ut information så att den bärbara datorns batterimätare kan berätta hur mycket laddning som finns kvar i batteriet.

Det är en ganska sofistikerad liten dator, och den hämtar ström från batterierna. Det här dragkravet är en anledning till att litiumjonbatterier tappar 5 procent av sin kraft varje månad när de sitter i viloläge.

Litiumjonceller

Som med de flesta batterier har du ett ytterfodral av metall. Användningen av metall är särskilt viktigt här eftersom batteriet är under tryck. Det här metallhöljet har ett slags tryckkänsligt ventilationshål. Om batteriet någonsin blir så varmt att det riskerar att explodera från övertryck, släpper detta ventilationsluft extratrycket. Batteriet kommer förmodligen att vara värdelöst efteråt, så det är något att undvika. Ventilen är strängt där som en säkerhetsåtgärd. Så är PTC-omkopplaren, en enhet som ska hålla batteriet från överhettning.

Detta metallhölje har en lång spiral innefattande tre tunna ark pressade ihop:

• En positiv elektrod
• En negativ elektrod
• En separator

Inuti fallet är dessa ark nedsänkta i ett organiskt lösningsmedel som fungerar som elektrolyten. Eter är ett vanligt lösningsmedel.

Separatorn är ett mycket tunt ark av mikroperforerad plast. Som namnet antyder separerar den de positiva och negativa elektroderna samtidigt som joner passerar.

Den positiva elektroden är tillverkad av litiumkoboltoxid eller LiCoO2. Den negativa elektroden är tillverkad av kol. När batteriet laddas rör sig litjoner joner genom elektrolyten från den positiva elektroden till den negativa elektroden och fästas vid kolet. Under urladdningen flyttar litiumjonerna tillbaka till LiCoO2 från kolet.

Rörelsen för dessa litiumjoner sker med en ganska hög spänning, så varje cell producerar 3,7 volt. Detta är mycket högre än de 1,5 volt som är typiska för en normal AA-alkalisk cell som du köper i stormarknaden och hjälper till att göra litiumjonbatterier mer kompakta i små enheter som mobiltelefoner. Se hur batterier fungerar för information om olika batterikemi.

Vi ska titta på hur du kan förlänga livet för ett litiumjonbatteri och undersöka varför de kan explodera nästa.

Litium-ion-batteriets livslängd och död

Litium-jon-batteripaket är dyra, så om du vill få dina att hålla längre, här är några saker att tänka på:

• Litiumjonkemi föredrar partiell urladdning framför djup urladdning, så det är bäst att undvika att ta batteriet helt ner till noll. Eftersom litiumjonkemi inte har ett "minne" skadar du inte batteripaketet med delvis urladdning. Om spänningen i en litiumjoncell faller under en viss nivå, förstörs den.
• Litiumjonbatterier åldras. De varar bara två till tre år, även om de sitter oanvända på en hylla. Så "undvik att använda" batteriet med tanken att batteripaketet kommer att pågå i fem år. Det kommer det inte. Om du köper ett nytt batteri vill du också se till att det verkligen är nytt. Om den har sittat på en hylla i butiken i ett år kommer det inte att vara så länge. Tillverkningsdatum är viktiga.
• Undvik värme, vilket försämrar batterierna.

Explosiva batterier

Nu när vi vet hur vi kan hålla litiumjonbatterier längre, låt oss titta på varför de kan explodera.

Om batteriet blir tillräckligt varmt för att antända elektrolyten kommer du att få eld. Det finns videoklipp och foton på webben som visar hur allvarliga dessa bränder kan vara. CBC-artikeln "Summer of the Exploding Laptop" avrundar flera av dessa incidenter.

När en brand som detta inträffar orsakas det vanligtvis av en inre kort i batteriet. Kom ihåg från föregående avsnitt att litiumjonceller innehåller ett separatorark som håller de positiva och negativa elektroderna isär. Om det arket blir punkterat och elektroderna rör, värms batteriet mycket snabbt. Du kanske har upplevt den typ av värme ett batteri kan producera om du någonsin har lagt ett normalt 9-voltsbatteri i fickan. Om ett mynt shorts över de två terminalerna blir batteriet ganska varmt.

Vid en separatorfel inträffar samma typ av kort inne i litiumjonbatteriet. Eftersom litiumjonbatterier är så energiska blir de mycket heta. Värmen får batteriet att lufta det organiska lösningsmedlet som används som en elektrolyt, och värmen (eller en gnista i närheten) kan tända det. När det händer inuti en av cellerna kaskader eldens värme till de andra cellerna och hela förpackningen går upp i lågor.

Det är viktigt att notera att bränder är mycket sällsynta. Fortfarande tar det bara ett par bränder och lite media täckning för att få en återkallelse.

Olika litiumteknologier

För det första är det viktigt att notera att det finns många typer av "litiumjon" -batterier. Punkten att notera i denna definition avser en "familj av batterier".
Det finns flera olika "litiumjon" -batterier inom denna familj som använder olika material för deras katod och anod. Som ett resultat uppvisar de mycket olika egenskaper och är därför lämpliga för olika tillämpningar.

Litiumjärnfosfat (LiFePO4)

Litium Iron Phosphate (LiFePO4) är en välkänd litiumteknologi i Australien på grund av dess breda användning och lämplighet för ett brett spektrum av applikationer.
Egenskaper av lågt pris, hög säkerhet och god specifik energi gör detta till ett starkt alternativ för många applikationer.
LiFePO4-cellspänning på 3,2V / cell gör det också till den litiumteknologi som valts för tätad blysyraersättning i ett antal nyckeltillämpningar.

LiPO-batteri

Av alla tillgängliga litiumalternativ finns det flera skäl till varför LiFePO4 har valts ut som den ideala litiumtekniken för utbyte av SLA. De främsta orsakerna kommer till dess gynnsamma egenskaper när man tittar på de viktigaste applikationerna där SLA för närvarande finns. Dessa inkluderar:

• Liknande spänning som SLA (3,2 V per cell x 4 = 12,8 V) vilket gör dem idealiska för SLA-ersättning.
• Säkraste form av litiumteknologier.
• Miljövänligt –fosfat är inte farligt och är såväl miljövänligt som hälsorisker.
• Brett temperaturområde.

Funktioner och fördelar med LiFePO4 jämfört med SLA

Nedan är några viktiga funktioner i ett litiumjärnfosfatbatteri som ger några betydande fördelar med SLA i en rad applikationer. Detta är inte en komplett lista på alla sätt, men det täcker dock de viktigaste artiklarna. Ett 100AH AGM-batteri har valts som SLA, eftersom detta är en av de mest använda storleken i applikationer med djupcykler. Denna 100AH årsstämma har jämförts med en 100AH LiFePO4 för att jämföra en liknande för liknande så nära som möjligt.

Funktion - Vikt:

Jämförelse

• LifePO4 är mindre än hälften av SLA: s vikt
• Årsstämma Djupcykel - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

fördelar

• Ökar bränsleeffektiviteten
  • I applikationer för husvagnar och båtar minskas bogservikten.
• Ökar hastigheten
  • Vid båtapplikationer kan vattenhastigheten ökas
• Minskning av totalvikten
• Längre körtid

Vikt har stor betydelse för många applikationer, speciellt vid bogsering eller hastighet i inblandade, till exempel husvagn och båtliv. Andra applikationer inklusive bärbar belysning och kameraprogram där batterierna måste bäras.

Funktion - Större cykelliv:

Jämförelse

• Upp till 6 gånger cykellivet
• AGM Djupcykel - 300 cykler @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 cykler @ 100% DoD

fördelar

• Lägre total ägandekostnad (kostnad per kWh mycket lägre under batteriets livslängd för LiFePO4)
• Minskning av ersättningskostnader - byt ut stämman upp till 6 gånger innan LiFePO4 behöver bytas ut

Den högre livslängden på cykeln innebär att den extra kostnaden för ett LiFePO4-batteri är mer än kompenserad för batteriets livslängd. Om den används dagligen måste en årsstämma bytas ut cirka 6 gånger innan LiFePO4 behöver bytas ut

Funktion - Flat Discharge Curve:

Jämförelse

• Vid 0,2C (20A) urladdning
• Årsstämma - sjunker under 12V efter
• 1,5 timmar körtid
• LiFePO4 - sjunker under 12V efter ungefär 4 timmars körtid

fördelar

• Effektivare användning av batterikapacitet
• Effekt = volt x ampere
• När spänningen börjar tappa, kommer batteriet att behöva leverera högre ampere för att ge samma mängd ström.
• Högre spänning är bättre för elektronik
• Längre driftstid för utrustning
• Full användning av kapacitet även med hög urladdningshastighet
• AGM @ 1C urladdning = 50% kapacitet
• LiFePO4 @ 1C-urladdning = 100% kapacitet

Denna funktion är lite känd men är en stark fördel och ger flera fördelar. Med den plana urladdningskurvan för LiFePO4 håller terminalspänningen över 12V för upp till 85-90% kapacitetsanvändning. På grund av detta krävs mindre förstärkare för att tillhandahålla samma mängd effekt (P = VxA) och därför effektivare användning av kapaciteten leder till längre driftstid. Användaren kommer inte heller att märka att enheten har avtagit (till exempel golfvagn) tidigare.

Tillsammans med detta är effekten av Peukerts lag mycket mindre betydelsefull med litium än för årsstämman. Detta resulterar i att en stor andel av batteriets kapacitet är tillgänglig oavsett urladdningshastighet. Vid 1C (eller 100A urladdning för 100AH-batteri) kommer LiFePO4-alternativet fortfarande att ge dig 100AH vs bara 50AH för AGM.

Funktion - Ökad kapacitetsanvändning:

Jämförelse

• Årsstämma rekommenderas DoD = 50%
• LiFePO4 rekommenderade DoD = 80%
• AGM Djupcykel - 100AH x 50% = 50Ah användbar
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Skillnad = 30Ah eller 60% mer kapacitetsanvändning

fördelar

• Ökad driftstid eller mindre kapacitetsbatteri för utbyte

Den ökade användningen av den tillgängliga kapaciteten innebär att användaren antingen kan erhålla upp till 60% mer körtid från samma kapacitetsalternativ i LiFePO4, eller alternativt välja ett LiFePO4-batteri med mindre kapacitet medan han fortfarande uppnår samma körtid som den stämma med större kapacitet.

Funktion - Ökad effektivitet:

Jämförelse

• Årsstämma - Full laddning tar cirka 8 timmar
• LiFePO4 - Full laddning kan vara så låg som 2 timmar

fördelar

• Batteriet laddat och redo att användas igen snabbare

En annan stark fördel i många applikationer. På grund av det lägre interna motståndet bland andra faktorer kan LiFePO4 acceptera laddning med mycket högre hastighet än årsstämma. Detta gör att de kan laddas och vara redo att använda mycket snabbare, vilket leder till många fördelar.

Funktion - Låg självutladdningsgrad:

Jämförelse

• Årsstämma - Utsläpp till 80% SOC efter 4 månader
• LiFePO4 - Utsläpp till 80% efter 8 månader

fördelar

• Kan förvaras under längre tid

Denna funktion är en stor för fritidsfordon som bara får användas ett par månader om året innan de förvaras under resten av året som husvagnar, båtar, motorcyklar och jetski etc. Tillsammans med denna punkt LiFePO4 förkalkas inte, och även efter att ha lämnats under längre tid är det mindre troligt att batteriet skadas permanent. Ett LiFePO4-batteri skadas inte av att det inte lämnas i lagring i fulladdat skick.

Så, om dina applikationer garanterar någon av ovanstående funktioner, kommer du att se till att du får dina pengar värda för den extra spenderade på ett LiFePO4-batteri. Uppföljningsartikel kommer att följa under de kommande veckorna som kommer att inkludera säkerhetsaspekterna på LiFePO4 och olika litiumkemier.