Zmogljivost in energija baterije ali sistema za shranjevanje
Zmogljivost akumulatorja ali akumulatorja je količina energije, shranjene glede na določeno vrednost temperature, napolnjenega in izpraznjenega toka ter čas napolnjenosti ali praznjenja.
Ocenjevalna zmogljivost in stopnja C
Stopnja C se uporablja za merjenje toka napolnjenosti in praznjenja akumulatorja. Stopnja C je za določeno zmogljivost merilo, ki kaže, pri kakšnem toku se polni baterija in izpraznjen, da doseže določeno zmogljivost.
Polnjenje 1C (ali C / 1) napolni baterijo, ki je v eni uri ocenjena na 1000 Ah pri 1000 A, tako da ob koncu ure akumulator doseže kapaciteto 1000 Ah; 1C (ali C / 1) praznjenje izprazni akumulator z enako hitrostjo.
Napolnjenost 0,5 C ali (C / 2) naloži baterijo, ki je ocenjena na, recimo, 1000 Ah pri 500 A, zato traja dve uri, da napolnite baterijo z nazivno zmogljivostjo 1000 Ah;
Napolnjenost 2C naloži baterijo, ki je ocenjena na, recimo, 1000 Ah pri 2000 A, zato teoretično potrebuje 30 minut, da napolnite baterijo z nazivno zmogljivostjo 1000 Ah;
Število Ah je običajno označeno na bateriji.
Zadnji primer, baterijo s svinčeno kislino s C10 (ali C / 10) nazivne zmogljivosti 3000 Ah je treba napolniti ali izprazniti v 10 urah s trenutnim nabojem ali praznjenjem 300 A.
Zakaj je pomembno vedeti stopnjo C ali C na bateriji
Stopnja C je pomemben podatek za baterijo, ker je za večino baterij shranjena ali razpoložljiva energija odvisna od hitrosti polnjenja ali praznilnega toka. Na splošno boste imeli za določeno zmogljivost manj energije, če se v eni uri izpraznite, kot če jo izpraznite v 20 urah, obratno pa boste v bateriji s trenutnim nabojem 100 A v 1 uri shranili manj energije kot pri trenutnem polnjenju 10 A v 10 h.
Formula za izračun toka, ki je na voljo na izhodu iz baterijskega sistema
Kako izračunati izhodni tok, moč in energijo baterije glede na stopnjo C?
Najenostavnejša formula je:
I = Cr * Er
ali
Cr = I / Er
Kje
Er = nazivna energija, shranjena v Ah (nazivna zmogljivost baterije, ki jo je navedel proizvajalec)
I = tok napolnjenosti ali praznjenja v amperih (A)
Cr = stopnja C baterije
Enačba za čas polnjenja ali polnjenja ali praznjenja "t" glede na trenutno in nazivno zmogljivost je:
t = Er / I
t = čas, trajanje polnjenja ali praznjenja (čas izvajanja) v urah
Razmerje med Cr in t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr
Kako delujejo litij-ionske baterije
Litij-ionske baterije so v teh dneh neverjetno priljubljeni. Najdete jih v prenosnikih, dlančnikih, mobilnih telefonih in iPodih. Tako pogosti so, ker so kilogrami za kilogram, ki so na voljo najbolj energijske baterije za ponovno polnjenje.
V zadnjem času so novosti tudi litij-ionske baterije. To je zato, ker imajo te baterije možnost občasnega vžiga. To ni zelo pogosto - težava imata samo dva ali tri baterije na milijon, toda ko se zgodi, je to skrajno. V nekaterih situacijah se lahko stopnja okvare poveča, in ko se to zgodi, na koncu prikličete svetovni akumulator, ki lahko proizvajalce stane več milijonov dolarjev.
Vprašanje je torej, zakaj so te baterije tako energične in tako priljubljene? Kako izbruhnejo v plamenu? In ali lahko kaj storite, da preprečite težavo ali pomagate baterijam dlje časa? V tem članku bomo odgovorili na ta vprašanja in še več.
Litij-ionske baterije so priljubljene, saj imajo številne konkurenčne prednosti pred konkurenčnimi tehnologijami:
- Na splošno so veliko lažji od drugih vrst polnilnih baterij enake velikosti. Elektrode litij-ionske baterije so narejene iz lahkega litija in ogljika. Litij je tudi zelo reaktiven element, kar pomeni, da se lahko v njegovih atomskih vezicah shrani veliko energije. To pomeni, da so litij-ionske baterije zelo visoke gostote energije. Tukaj je način, kako si ogledati gostoto energije. Običajna litij-ionska baterija lahko shrani 150 vatnih ur električne energije v 1 kilogram baterije. NiMH (nikelj-kovin hidrid) baterijski sklop lahko shrani morda 100 vatnih ur na kilogram, čeprav so 60 do 70 vatnih ur morda bolj značilne. Svinčeva baterija lahko shrani samo 25 vatov na kilogram. S tehnologijo svinčeve kisline je potrebnih 6 kilogramov, da shranite enako količino energije, kot jo zmore 1-kilogramska litij-ionska baterija. To je velika razlika
- Zadržijo svojo obtožbo. Litij-ionski akumulator izgubi le približno 5 odstotkov napolnjenosti na mesec v primerjavi z 20-odstotno izgubo mesečno za NiMH baterije.
- Nimajo spominskega učinka, kar pomeni, da vam jih pred polnjenjem ni treba popolnoma izprazniti, kot pri nekaterih drugih baterijskih kemijah.
- Litij-ionske baterije lahko prenesejo na stotine ciklov polnjenja / praznjenja.
To ne pomeni, da so litij-ionske baterije brezhibne. Imajo tudi nekaj pomanjkljivosti:
- Degradirajo takoj, ko zapustijo tovarno. Trajale bodo le dve ali tri leta od datuma izdelave, ne glede na to, ali jih uporabljate ali ne.
- Izjemno so občutljivi na visoke temperature. Toplota povzroči, da se litij-ionski akumulatorji razgradijo veliko hitreje, kot bi jih običajno.
- Če popolnoma izpraznite litij-ionsko baterijo, se ta pokvari.
- Litij-ionska baterija mora imeti vgrajen računalnik za upravljanje baterije. Zaradi tega so še dražji kot že so.
- Obstaja majhna možnost, da če litij-ionski akumulator ne uspe, vname plamen.
Številne značilnosti je mogoče razumeti s pregledom kemije znotraj litij-ionske celice. To bomo pogledali naprej.
Litij-ionski akumulatorji so v vseh oblikah in velikostih, na notranji strani pa so vsi približno enaki. Če bi raznesli baterijo prenosnega računalnika (nekaj, česar NE priporočamo zaradi možnosti, da bi izpraznili baterijo in sprožili požar), bi našli naslednje:
- Litij-ionske celice so lahko bodisi cilindrične baterije, ki so videti skoraj enake kot AA celice, ali pa so lahko prizmatične, kar pomeni, da so kvadratne ali pravokotne Računalnik, ki obsega:
- Eden ali več temperaturnih senzorjev za spremljanje temperature akumulatorja
- Napetostni pretvornik in regulator regulatorja za vzdrževanje varnih nivojev napetosti in toka
- Zaščiten konektor za prenosni računalnik, ki omogoča pretok energije in informacij v baterijo in iz nje
- Napetostna pipa, ki spremlja energetsko zmogljivost posameznih celic v akumulatorski bateriji
- Monitor stanja napolnjenosti baterije, ki je majhen računalnik, ki upravlja s celotnim postopkom polnjenja in tako poskrbi, da se baterije napolnijo kar se da hitro in v celoti.
Če se baterija preveč napolni med polnjenjem ali uporabo, bo računalnik zaustavil pretok energije, da bi poskušal ohladiti stvari. Če pustite prenosni računalnik v izjemno vročem avtomobilu in ga poskusite uporabljati, vam lahko ta računalnik prepreči napajanje, dokler se stvari ne ohladijo. Če se celice kdaj popolnoma izpraznijo, se baterija izklopi, ker se celice pokvarijo. Prav tako lahko spremlja število ciklov napolnjenosti / praznjenja in pošilja podatke, tako da lahko merilnik baterije prenosnika pove, koliko napolnjenosti ostane v bateriji.
Je precej izpopolnjen majhen računalnik in črpa moč iz baterij. Ta napajanje je eden izmed razlogov, da litij-ionske baterije vsak mesec izgubijo 5 odstotkov svoje moči, ko sedite v prostem teku.
Litij-ionske celice
Kot pri večini baterij imate tudi zunanji kovček iz kovine. Uporaba kovine je tu še posebej pomembna, ker je baterija pod tlakom. Ta kovinski kovček ima nekakšno odprtino za odzračevanje, občutljivo na pritisk. Če se baterija kdaj tako segreje, da bi lahko eksplodirala zaradi previsokega tlaka, bo ta odzračevalnik sprostil dodaten tlak. Verjetno bo potem akumulator neuporaben, zato se je temu treba izogniti. Odprtina je strogo tam kot varnostni ukrep. Tako je tudi stikalo za pozitiven temperaturni koeficient (PTC), naprava, ki naj bi preprečevala pregrevanje baterije.
Ta kovinski kovček ima dolgo spiralo, ki jo sestavljajo tri tanke plošče, stisnjene skupaj:
- Pozitivna elektroda
- Negativna elektroda
- Ločilo
V notranjosti so ti listi potopljeni v organsko topilo, ki deluje kot elektrolit. Eter je eno običajno topilo.
Ločilo je zelo tanek list mikro perforirane plastike. Kot že ime pove, ločuje pozitivne in negativne elektrode, hkrati pa omogoča, da ioni prehajajo skozi.
Pozitivna elektroda je izdelana iz litijevega kobaltovega oksida ali LiCoO2. Negativna elektroda je narejena iz ogljika. Ko se baterija napolni, se ioni litija skozi elektrolit od pozitivne elektrode do negativne elektrode priklopijo na ogljik. Med praznjenjem se litijevi ioni od ogljika premaknejo nazaj v LiCoO2.
Gibanje teh litijevih ionov se zgodi pri dokaj visoki napetosti, zato vsaka celica proizvede 3,7 voltov. To je veliko več kot 1,5 voltov, značilnih za običajno alkalno celico AA, ki jo kupite v supermarketu, in pomaga narediti litij-ionske baterije bolj kompaktne v majhnih napravah, kot so mobilni telefoni. Za podrobnosti o različnih baterijah si oglejte, kako delujejo baterije.
Ogledali si bomo, kako podaljšati življenjsko dobo litij-ionske baterije in raziskali, zakaj lahko naslednjič eksplodirajo.
Litij-ionska baterija Življenje in smrt
Litij-ionske baterije so drage, zato če želite, da vaše traja dlje, je treba upoštevati nekaj stvari:
- Litijeva ionska kemija daje prednost delnemu praznjenju pred globokim praznjenjem, zato je najbolje, da se akumulator ne izogibate vse do ničle. Ker litij-ionska kemija nima "spomina", z delnim praznjenjem ne poškodujete baterije. Če napetost litij-ionske celice pade pod določeno raven, se pokvari.
- Litij-ionske baterije se starajo. Trajajo le dve do tri leta, tudi če sedijo na neporabljeni polici. Zato se ne izogibajte uporabi baterije z mislijo, da bo baterija zdržala pet let. Ne bo. Če kupujete novo baterijo, se želite prepričati, ali je res nova. Če že eno leto sedi na polici v trgovini, ne bo trajalo zelo dolgo. Pomembni so datumi izdelave.
- Izogibajte se vročini, ki poslabša baterije.
Eksplodirajoče baterije
Zdaj, ko vemo, kako ohraniti delovanje litij-ionskih baterij dlje, poglejmo, zakaj lahko eksplodirajo.
Če se baterija dovolj segreje, da vžge elektrolit, se boste ognili. Na spletu so video posnetki in fotografije, ki prikazujejo, kako resni so lahko ti požari. Članek CBC "Poletje eksplodirajočega prenosnika" zaokroža več teh incidentov.
Ko se zgodi takšen požar, ga običajno povzroči notranji kratki stik baterije. Spomnimo se v prejšnjem razdelku, da litij-ionske celice vsebujejo ločevalni list, ki pozitivne in negativne elektrode drži narazen. Če se ta list preluknja in se elektrode dotikajo, se baterija zelo hitro segreje. Morda ste izkusili toploto, ki jo lahko proizvede baterija, če ste že kdaj v žep pospravili običajno 9-voltno baterijo. Če kovanec kratek prek obeh sponk, se baterija precej segreje.
V okvari separatorja se takšen kratek čas zgodi znotraj litij-ionske baterije. Ker so litij-ionske baterije tako energične, se zelo segrejejo. Toplota povzroči, da baterija izpušča organsko topilo, ki se uporablja kot elektrolit, toplota (ali bližnja iskra) pa jo lahko prižge. Ko se to zgodi znotraj ene od celic, se toplota ognja prelije na druge celice in celoten zavoj se začne v plamenu.
Pomembno je omeniti, da so požari zelo redki. Še vedno pa je potrebno le nekaj požarov in malo medijev kritje za poziv za odpoklic.
Različne litijeve tehnologije
Najprej je treba opozoriti, da obstaja veliko vrst "litij-ionskih" baterij. V tej definiciji je treba omeniti „družino baterij“.
V tej družini obstaja več različnih "litij-ionskih" baterij, ki za svojo katodo in anodo uporabljajo različne materiale. Zato imajo zelo različne lastnosti in so zato primerne za različne namene uporabe.
Litijev železov fosfat (LiFePO4)
Litijev železov fosfat (LiFePO4) je v Avstraliji znana litijeva tehnologija zaradi široke uporabe in primernosti za širok spekter uporabe.
Zaradi nizkih cen, visoke varnosti in dobre specifične energije je to močna možnost za številne aplikacije.
Celična napetost LiFePO4 3,2 V / celica je tudi litijeva tehnologija, ki jo izbiramo za zaprto zamenjavo svinčeve kisline v številnih ključnih aplikacijah.
LiPO baterija
Med vsemi možnostmi litija je več razlogov, zakaj je bil LiFePO4 izbran za idealno litijevo tehnologijo za nadomestitev SLA. Glavni razlogi so v njegovih ugodnih lastnostih, če pogledamo glavne aplikacije, kjer SLA trenutno obstaja. Tej vključujejo:
- Podobna napetost SLA (3,2 V na celico x 4 = 12,8 V), zaradi česar so idealni za zamenjavo SLA.
- Najvarnejša oblika litijevih tehnologij.
- Okolju prijazen fosfat ni nevaren in je tako prijazen tako okolju kot nevarnosti za zdravje.
- Široko temperaturno območje
Značilnosti in prednosti LiFePO4 v primerjavi s SLA
Spodaj je nekaj glavnih značilnosti litij-železovega fosfatnega akumulatorja, ki dajejo pomembne prednosti SLA v različnih aplikacijah. To nikakor ni popoln seznam, vendar vsebujejo ključne točke. Kot SLA je bila izbrana baterija 100AH AGM, saj je to ena najpogosteje uporabljenih velikosti v aplikacijah z globokim ciklom. Ta 100AH AGM je bila primerjana s 100AH LiFePO4, da bi primerjali podobno kot čim bližje.
Funkcija - teža:
Primerjava
- LifePO4 je manj kot polovica teže SLA
- AGM globinski cikel - 27,5Kg
- LiFePO4 - 12,2 kg
Prednosti
- Poveča učinkovitost porabe goriva
- Pri prikolicah in čolnih se vlečna teža zmanjša.
- Poveča hitrost
- Pri uporabi čolnov lahko hitrost vode povečate
- Zmanjšanje skupne teže
- Daljše trajanje
Teža ima velik pomen pri številnih aplikacijah, zlasti pri vleki ali hitrosti, na primer pri prikolicah in čolnih. Druge aplikacije, vključno s prenosnimi programi za razsvetljavo in kamero, kjer je treba nositi baterije.
Funkcija - večja življenjska doba cikla:
Primerjava
- Do 6 krat življenjske dobe cikla
- AGM globinski cikel - 300 ciklov pri 100% DoD
- LiFePO4 - 2000 ciklov pri 100% DoD
Prednosti
- Nižji skupni stroški lastništva (stroški na kWh precej nižji od življenjske dobe baterije za LiFePO4)
- Zmanjšanje stroškov nadomestitve - zamenjajte AGM do 6-krat, preden LiFePO4 potrebuje zamenjavo
Večja življenjska doba cikla pomeni, da so dodatni stroški akumulatorja LiFePO4 več kot porabljeni za življenjsko dobo baterije. Če se uporablja vsakodnevno, bo treba AGM zamenjati cca. 6-krat preden LiFePO4 potrebuje zamenjavo
Lastnost - Ravna krivulja praznjenja:
Primerjava
- Pri izpustu 0,2C (20A)
- AGM - pade pod 12 V po
- 1,5 ure izvajanja
- LiFePO4 - po približno 4 urah izvajanja pade pod 12 V
Prednosti
- Učinkovitejša uporaba zmogljivosti baterije
- Moč = Volti x Amperov
- Ko napetost začne padati, bo akumulator moral dovajati večje ojačevalce za zagotavljanje enake količine energije.
- Višja napetost je boljša za elektroniko
- Daljši čas izvajanja opreme
- Popolna uporaba zmogljivosti tudi pri visoki stopnji praznjenja
- AGM @ 1C izpust = 50% zmogljivost
- LiFePO4 @ 1C izpust = 100% zmogljivost
Ta funkcija je malo znana, vendar je velika prednost in daje številne prednosti. Z ravno krivuljo praznjenja LiFePO4 priključna napetost drži nad 12 V, kar lahko izkoristi do 85-90%. Zaradi tega je za napajanje enake količine energije (P = VxA) potrebno manj amperov, zato učinkovitejša uporaba zmogljivosti vodi do daljšega izvajanja. Uporabnik tudi prej ne bo opazil upočasnjevanja naprave (na primer golf voziček).
Skupaj s tem je učinek Peukertovega zakona z litijem veliko manj pomemben kot učinek AGM. Posledica tega je, da imate na voljo velik odstotek zmogljivosti baterije, ne glede na stopnjo praznjenja. Pri 1C (ali 100A praznjenju za 100AH baterijo) vam bo možnost LiFePO4 še vedno dala 100AH v primerjavi s samo 50AH za AGM.
Lastnost - Povečana uporaba zmogljivosti:
Primerjava
- Priporočen AGM DoD = 50%
- LiFePO4 priporočen DoD = 80%
- AGM globok cikel - 100AH x 50% = 50Ah uporabno
- LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
- Razlika = 30Ah ali 60% večja poraba zmogljivosti
Prednosti
- Daljši čas delovanja ali baterija manjše zmogljivosti za zamenjavo
Povečana uporaba razpoložljive zmogljivosti pomeni, da lahko uporabnik bodisi pridobi do 60% več časa izvajanja iz iste možnosti zmogljivosti v LiFePO4, ali pa se odloči za baterijo LiFePO4 manjše zmogljivosti, obenem pa doseže enak čas izvajanja kot AGM z večjo zmogljivostjo.
Funkcija - Večja učinkovitost polnjenja:
Primerjava
- AGM - Polna polnjenje traja cca. 8 ur
- LiFePO4 - Polni naboj je lahko le 2 uri
Prednosti
- Baterija je napolnjena in pripravljena za ponovno uporabo hitreje
Še ena močna prednost pri mnogih aplikacijah. Zaradi nižje notranje odpornosti med drugimi dejavniki lahko LiFePO4 sprejme naboj po veliko večji hitrosti kot AGM. To jim omogoča polnjenje in pripravljenost za uporabo veliko hitrejšo, kar ima številne prednosti.
Lastnost - Nizka stopnja samoizvajanja:
Primerjava
- AGM - izpust na 80% SOC po 4 mesecih
- LiFePO4 - Po osmih mesecih do 80%
Prednosti
- Lahko ga hranimo dlje časa
Ta funkcija je velika za rekreacijska vozila, ki jih je mogoče uporabljati le nekaj mesecev na leto, preden jih skladiščite preostanek leta, kot so prikolice, čolni, motorna kolesa in Jet smuči itd. Poleg tega je LiFePO4 se ne kalcificira, zato se akumulator verjetno tudi trajno poškoduje, tudi če ga dlje časa puščate. Baterija LiFePO4 ne poškoduje, če je ne pustite v skladišču v popolnoma napolnjenem stanju.
Če torej vaše aplikacije zahtevajo katero koli od zgoraj naštetih funkcij, boste zagotovo zaslužili denarja za dodatno porabljeno baterijo LiFePO4. V naslednjih tednih bo sledil nadaljnji članek, ki bo vključeval varnostne vidike LiFePO4 in različnih litijevih kemij.
100% varno plačilo
