Kapacita a energie baterie nebo úložného systému
Kapacita baterie nebo akumulátoru je množství energie uložené podle specifické teploty, hodnoty nabíjecího a vybíjecího proudu a doby nabití nebo vybití.
Hodnocení kapacity a C-sazba
C-rate se používá pro změnu nabíjecího a vybíjecího proudu baterie. Pro danou kapacitu je míra C míra, která udává, v jakém proudu je baterie nabita a vybitá, aby dosáhla své definované kapacity.
Nabíjení 1C (nebo C / 1) nabíjí baterii o jmenovité hodnotě 1 000 Ah při 1 000 A během jedné hodiny, takže na konci hodiny dosáhne baterie kapacitu 1 000 Ah; výboj 1C (nebo C / 1) vybíjí baterii stejnou rychlostí.
Nabíjení 0,5 C nebo (C / 2) nabíjí baterii o jmenovité hodnotě řekněme 1 000 Ah při 500 A, takže nabití baterie při jmenovité kapacitě 1 000 Ah trvá dvě hodiny;
Nabíjení 2C nabíjí baterii o jmenovité hodnotě 1 000 Ah při 2000 A, takže nabíjení baterie při jmenovité kapacitě 1 000 Ah trvá teoreticky 30 minut;
Hodnocení Ah je obvykle vyznačeno na baterii.
Poslední příklad by měl být olověný akumulátor s jmenovitou kapacitou C10 (nebo C / 10) 3000 Ah nabitý nebo vybitý za 10 hodin při současném nabití nebo vybití 300 A.
Proč je důležité znát hodnotu C nebo C baterie
Rychlost C je důležitá data pro baterii, protože pro většinu baterií je uložená nebo dostupná energie závislá na rychlosti nabíjecího nebo vybíjecího proudu. Obecně platí, že pro danou kapacitu budete mít méně energie, pokud se vybijete za jednu hodinu, než když se vybijete za 20 hodin, naopak budete ukládat méně energie v baterii při současném nabití 100 A během 1 hodiny než při současném nabití 10 A během 10 hodin.
Vzorec pro výpočet proudu dostupného na výstupu z bateriového systému
Jak vypočítat výstupní proud, výkon a energii baterie podle C-kurzu?
Nejjednodušší vzorec je:
I = Cr * Er
nebo
Cr = I / Er
Kde
Er = jmenovitá energie uložená v Ah (jmenovitá kapacita baterie udaná výrobcem)
I = proud nabití nebo vybití v ampérech (A)
Cr = C-rychlost baterie
Rovnice pro získání času nabíjení nebo nabíjení nebo vybíjení „t“ podle aktuální a jmenovité kapacity je:
t = Er / I
t = čas, doba nabíjení nebo vybití (provozní doba) v hodinách
Vztah mezi Cr at:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr
Jak lithium-iontové baterie fungují
Lithium-iontové baterie jsou neuvěřitelně populární v těchto dnech. Najdete je v notebookech, PDA, mobilních telefonech a iPodech. Jsou tak běžné, protože jsou to některé z energeticky nejvýhodnějších dobíjecích baterií, které jsou k dispozici.
Lithium-iontové baterie byly také v poslední době ve zprávách. Je to proto, že tyto baterie mají příležitost občas propálit plameny. Není to příliš běžné - problém mají pouze dvě nebo tři baterie na milion - ale když se to stane, je to extrémní. V některých situacích se míra poruch může zvýšit, a když k tomu dojde, skončíte s celosvětovým stahováním baterií, které může stát výrobce miliony dolarů.
Otázkou tedy je, co dělá tyto baterie tak energetickými a tak populárními? Jak propuknou v plamen? A existuje něco, co můžete udělat, abyste tomuto problému předešli nebo aby vaše baterie vydržely déle? V tomto článku odpovíme na tyto otázky a další.
Lithium-iontové baterie jsou oblíbené, protože mají oproti konkurenčním technologiím řadu důležitých výhod:
- Obvykle jsou mnohem lehčí než jiné typy dobíjecích baterií stejné velikosti. Elektrody lithium-iontové baterie jsou vyrobeny z lehkého lithia a uhlíku. Lithium je také vysoce reaktivní prvek, což znamená, že v jeho atomových vazbách může být uloženo velké množství energie. To se promítá do velmi vysoké energetické hustoty lithium-iontových baterií. Zde je způsob, jak získat pohled na hustotu energie. Typická lithium-iontová baterie dokáže uložit 150 wattů elektřiny do 1 kilogramu baterie. Akumulátor NiMH (hydrid nikel-kov) může uložit asi 100 watt-hodin na kilogram, i když typičtější může být 60 až 70 watt-hodin. Olověná baterie může uložit pouze 25 watt-hodin na kilogram. Při použití technologie olověných kyselin je zapotřebí 6 kilogramů k uložení stejného množství energie, jaké dokáže lithium-iontová baterie o hmotnosti 1 kilogramu zvládnout. To je obrovský rozdíl
- Oni drží jejich poplatek. Lithium-iontová baterie ztratí za měsíc jen asi 5 procent svého nabití, v porovnání se ztrátou 20 procent za měsíc u baterií NiMH.
- Nemají žádný paměťový efekt, což znamená, že je nemusíte před dobíjením úplně vybít, jako u jiných baterií.
- Lithium-iontové baterie zvládnou stovky cyklů nabíjení / vybíjení.
To neznamená, že lithium-iontové baterie jsou bezchybné. Mají také několik nevýhod:
- Jakmile opustí továrnu, začnou se zhoršovat. Budou trvat pouze dva nebo tři roky od data výroby, ať už je používáte nebo ne.
- Jsou velmi citlivé na vysoké teploty. Teplo způsobuje, že lithium-iontové baterie se degradují mnohem rychleji, než by normálně byly.
- Pokud zcela vybijete lithium-iontovou baterii, je zničená.
- Lithium-iontová baterie musí mít palubní počítač pro správu baterie. Díky tomu jsou ještě dražší, než již jsou.
- Existuje malá šance, že pokud dojde k selhání lithium-iontové baterie, vypálí se.
Mnoho z těchto charakteristik lze pochopit při pohledu na chemii uvnitř lithium-iontové buňky. Podíváme se na to další.
Lithium-iontové baterie jsou dodávány ve všech tvarech a velikostech, ale všechny vypadají zevnitř stejně. Pokud byste měli rozebrat baterii notebooku (něco, co nedoporučujeme z důvodu možnosti zkratování baterie a spuštění ohně), najdete následující:
- Lithium-iontové články mohou být buď válcové baterie, které vypadají téměř stejně jako články AA, nebo mohou být hranolové, což znamená, že jsou čtvercové nebo obdélníkové. Počítač, který obsahuje:
- Jeden nebo více teplotních senzorů pro sledování teploty baterie
- Napěťový měnič a obvod regulátoru pro udržení bezpečné úrovně napětí a proudu
- Stíněný konektor notebooku, který umožňuje tok energie a informací dovnitř a ven z baterie
- Napěťová baterie, která monitoruje energetickou kapacitu jednotlivých článků v baterii
- Monitor stavu nabití baterie, což je malý počítač, který zpracovává celý proces nabíjení, aby bylo zajištěno, že se baterie nabíjejí co nejrychleji a plně.
Pokud se během nabíjení nebo používání baterie příliš zahřeje, počítač vypne tok energie a zkusí věci ochladit. Pokud necháte notebook v extrémně horkém autě a pokusíte se jej používat, může vám tento počítač zabránit v napájení, dokud se věci nevychladnou. Pokud se články zcela vybijí, baterie se vypne, protože jsou zničené. Může také sledovat počet cyklů nabíjení / vybíjení a odesílat informace, aby měřič baterie notebooku mohl zjistit, kolik energie v baterii zbývá.
Je to docela sofistikovaný malý počítač a čerpá energii z baterií. Tento odběr energie je jedním z důvodů, proč lithium-iontové baterie ztratí každý měsíc při nečinnosti 5 procent své energie.
Lithium-iontové buňky
Stejně jako u většiny baterií máte vnější obal vyrobený z kovu. Použití kovu je zde zvláště důležité, protože baterie je pod tlakem. Toto kovové pouzdro má nějaký druh ventilačního otvoru citlivého na tlak. Pokud se baterie někdy zahřeje tak, že hrozí nebezpečí exploze v důsledku přetlaku, uvolní tento otvor další tlak. Baterie bude poté pravděpodobně zbytečná, proto je tomu třeba vyhnout. Větrání je zde přísně jako bezpečnostní opatření. Stejně tak je to spínač PTC (Positive Temperature Coefficient), zařízení, které má zabránit přehřátí baterie.
Toto kovové pouzdro drží dlouhou spirálu skládající se ze tří tenkých listů stlačených k sobě:
- Pozitivní elektroda
- Negativní elektroda
- Separátor
Uvnitř případu jsou tyto fólie ponořeny do organického rozpouštědla, které působí jako elektrolyt. Ether je jedno běžné rozpouštědlo.
Separátor je velmi tenká vrstva mikroperforovaného plastu. Jak název napovídá, odděluje kladné a záporné elektrody a zároveň umožňuje průchod iontů.
Pozitivní elektroda je vyrobena z oxidu lithného kobaltu nebo LiCoO2. Záporná elektroda je vyrobena z uhlíku. Když se baterie nabíjí, ionty lithia se pohybují elektrolytem z kladné elektrody do záporné elektrody a připojují se k uhlíku. Během vybíjení se lithiové ionty přesunou zpět z uhlíku do LiCoO2.
Pohyb těchto lithných iontů probíhá při poměrně vysokém napětí, takže každá buňka produkuje 3,7 V. To je mnohem vyšší než 1,5 volty typické pro běžnou alkalickou baterii AA, kterou si koupíte v supermarketu, a pomáhá tak vyrábět lithium-iontové baterie kompaktnější v malých zařízeních, jako jsou mobilní telefony. Podrobnosti o různých typech baterií naleznete v části Jak fungují baterie.
Budeme se zabývat tím, jak prodloužit životnost lithium-iontové baterie a prozkoumáme, proč mohou vybít dál.
Životnost a smrt lithium-iontové baterie
Lithium-iontové akumulátory jsou drahé, takže pokud chcete, aby vaše vydržela déle, je třeba mít na paměti několik věcí:
- Chemie lithných iontů upřednostňuje částečný výboj před hlubokým výbojem, takže je nejlepší vyhnout se vybití baterie až na nulu. Protože lithium-iontová chemie nemá „paměť“, nepoškozujete baterii částečným výbojem. Pokud napětí lithium-iontové buňky klesne pod určitou úroveň, je zničeno.
- Lithium-iontové baterie stárnou. Trvají pouze dva až tři roky, i když sedí na polici nevyužité. Nevyhýbejte se proto používání baterie s myšlenkou, že baterie vydrží pět let. To nebude. Také, pokud kupujete novou baterii, chcete se ujistit, že je opravdu nová. Pokud už rok sedí na polici v obchodě, nebude to trvat dlouho. Data výroby jsou důležitá.
- Vyvarujte se tepla, které degraduje baterie.
Vybuchující baterie
Nyní, když víme, jak udržet lithium-iontové baterie déle funkční, pojďme se podívat, proč mohou explodovat.
Pokud se baterie dostatečně zahřeje, aby došlo k vznícení elektrolytu, dojde k požáru. Na webu jsou videoklipy a fotografie, které ukazují, jak závažné mohou být tyto požáry. Článek CBC „Léto explodujícího notebooku“ shrnuje několik těchto incidentů.
Když k takovému požáru dojde, je obvykle způsobeno vnitřní zkratem v baterii. Připomeňme si z předchozí části, že lithium-iontové články obsahují separační vrstvu, která udržuje pozitivní a negativní elektrody odděleně. Pokud dojde k proražení tohoto listu a dotyku elektrod, baterie se rychle zahřeje. Možná jste zažili takové teplo, jaké může baterie produkovat, pokud jste do kapsy vložili normální 9voltovou baterii. Pokud se mince zkratuje přes oba terminály, baterie se zahřeje.
Při selhání separátoru dochází ke stejnému druhu zkratu uvnitř lithium-iontové baterie. Protože lithium-iontové baterie jsou tak energetické, jsou velmi horké. Teplo způsobuje, že baterie odvzdušňuje organické rozpouštědlo použité jako elektrolyt a teplo (nebo blízká jiskra) ji může zapálit. Jakmile se to stane uvnitř jedné z buněk, teplo ohně kaskády do ostatních buněk a celé balení stoupá v plamenech.
Je důležité si uvědomit, že požáry jsou velmi vzácné. Přesto to vyžaduje jen pár ohňů a trochu média pokrytí pro rychlé stažení.
Různé lithiové technologie
Zaprvé je důležité si uvědomit, že existuje mnoho typů „lithium-iontových“ baterií. Poznámka k této definici se týká „rodiny baterií“.
V této rodině je několik různých „lithium-iontových“ baterií, které používají pro své katody a anody různé materiály. Výsledkem je, že vykazují velmi odlišné vlastnosti, a proto jsou vhodné pro různé aplikace.
Fosforečnan lithno-železnatý (LiFePO4)
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) je dobře známá lithiová technologie v Austrálii díky svému širokému použití a vhodnosti pro širokou škálu aplikací.
Díky nízké ceně, vysoké bezpečnosti a dobré specifické energii je tato možnost pro mnoho aplikací silnou volbou.
Napětí článku LiFePO4 3,2 V / článek z něj činí lithiovou technologii volby pro výměnu uzavřené olověné kyseliny v řadě klíčových aplikací.
LiPO Baterie
Ze všech dostupných lithiových možností existuje několik důvodů, proč byl LiFePO4 vybrán jako ideální lithiová technologie pro nahrazení SLA. Hlavní důvody spočívají v jeho příznivých vlastnostech při pohledu na hlavní aplikace, kde SLA v současné době existuje. Tyto zahrnují:
- Podobné napětí jako SLA (3,2 V na buňku x 4 = 12,8 V), díky čemuž jsou ideální pro nahrazení SLA.
- Nejbezpečnější forma lithiových technologií.
- Šetrné k životnímu prostředí - fosfát není nebezpečný, a proto je šetrný k životnímu prostředí a nepředstavuje zdravotní riziko.
- Široký teplotní rozsah.
Funkce a výhody LiFePO4 ve srovnání se SLA
Níže jsou uvedeny některé klíčové vlastnosti lithium-železo-fosfátové baterie, které poskytují některé významné výhody SLA v řadě aplikací. Toto není v žádném případě úplný seznam, zahrnuje však klíčové položky. Jako SLA byla vybrána baterie 100AH AGM, protože se jedná o jednu z nejčastěji používaných velikostí v aplikacích s hlubokým cyklem. Tato 100AH AGM byla porovnána s 100AH LiFePO4, aby bylo možné porovnat podobu jako co nejblíže.
Feature - Weight:
Srovnání
- LifePO4 je menší než polovina hmotnosti SLA
- AGM Hluboký cyklus - 27,5 kg
- LiFePO4 - 12,2 kg
Výhody
- Zvyšuje účinnost paliva
- V aplikacích pro přívěsy a karavany se snižuje hmotnost přívěsu.
- Zvyšuje rychlost
- V lodních aplikacích lze zvýšit rychlost vody
- Snížení celkové hmotnosti
- Delší doba běhu
Hmotnost má velký vliv na mnoho aplikací, zejména pokud jde o tažení nebo rychlost, jako je karavan a plavba lodí. Další aplikace včetně přenosného osvětlení a kamerových aplikací, kde je třeba přenášet baterie.
Feature - Greater Cycle Life:
Srovnání
- Až 6krát životnost cyklu
- AGM Hluboký cyklus - 300 cyklů @ 100% DoD
- LiFePO4 - 2000 cyklů @ 100% DoD
Výhody
- Nižší celkové náklady na vlastnictví (náklady na kWh mnohem nižší v průběhu životnosti baterie pro LiFePO4)
- Snížení nákladů na výměnu - vyměňte AGM až 6krát před výměnou LiFePO4
Vyšší životnost cyklu znamená, že dodatečné počáteční náklady na LiFePO4 baterii jsou více než vykompenzovány během životnosti baterie. Pokud se používá AGM denně, bude nutné vyměnit cca. 6krát před výměnou LiFePO4
Funkce - plochá křivka vybití:
Srovnání
- Při výboji 0,2 ° C (20 A)
- AGM - klesne pod 12V po
- 1,5 hodiny běhu
- LiFePO4 - klesne pod 12 V po přibližně 4 hodinách provozu
Výhody
- Efektivnější využití kapacity baterie
- Výkon = volty x ampéry
- Jakmile napětí začne klesat, baterie bude muset dodávat vyšší ampéry, aby zajistila stejné množství energie.
- Vyšší napětí je lepší pro elektroniku
- Delší doba provozu zařízení
- Plné využití kapacity i při vysoké rychlosti vybíjení
- Výboj AGM @ 1C = 50% kapacity
- Výboj LiFePO4 @ 1C = 100% kapacita
Tato funkce je málo známá, ale je silnou výhodou a přináší mnoho výhod. S plochou křivkou vybíjení LiFePO4 udržuje napětí na terminálu nad 12 V pro využití až 85-90% kapacity. Z tohoto důvodu je pro napájení stejného množství energie (P = VxA) zapotřebí méně ampérů, a proto účinnější využití kapacity vede k delší době provozu. Uživatel si také nevšimne zpomalení zařízení (například golfový vozík) dříve.
Spolu s tím je účinek Peukertova zákona mnohem méně významný u lithia než u AGM. To má za následek, že je k dispozici velké procento kapacity baterie bez ohledu na rychlost vybití. Při 1C (nebo 100A vybití pro 100AH baterii) vám volba LiFePO4 stále dá 100AH vs pouze 50AH pro AGM.
Funkce - zvýšené využití kapacity:
Srovnání
- Doporučené AGM DoD = 50%
- LiFePO4 doporučeno DoD = 80%
- AGM Hluboký cyklus - 100AH x 50% = 50 Ah použitelný
- LiFePO4 - 100 Ah x 80% = 80 Ah
- Rozdíl = 30Ah nebo o 60% vyšší využití kapacity
Výhody
- Prodloužená provozní doba nebo baterie s menší kapacitou pro výměnu
Zvýšené využití dostupné kapacity znamená, že uživatel může získat až o 60% delší dobu provozu ze stejné možnosti kapacity v LiFePO4, nebo alternativně zvolit baterii LiFePO4 s menší kapacitou a přitom dosáhnout stejné doby provozu jako větší kapacita AGM.
Funkce - Vyšší účinnost nabíjení:
Srovnání
- AGM - plné nabití trvá cca. 8 hodin
- LiFePO4 - úplné nabití může být nízké až 2 hodiny
Výhody
- Baterie je nabitá a připravena k opětovnému použití rychleji
Další silný přínos v mnoha aplikacích. Vzhledem k nižšímu internímu odporu mezi ostatními faktory může LiFePO4 přijímat poplatek za mnohem větší cenu než AGM. Díky tomu mohou být nabíjeny a připraveny k použití mnohem rychleji, což vede k mnoha výhodám.
Feature - Low Self Discharge Rate:
Srovnání
- AGM - výboj na 80% SOC po 4 měsících
- LiFePO4 - vybití na 80% po 8 měsících
Výhody
- Lze je skladovat delší dobu
Tato vlastnost je velká pro rekreační vozidla, která mohou být používána pouze několik měsíců v roce, než budou uskladněna po zbytek roku, jako jsou karavany, čluny, motocykly a vodní lyže atd. Spolu s tímto bodem, LiFePO4 není vápenatý, a proto i po dlouhodobém ponechání baterie je méně pravděpodobné, že bude trvale poškozena. Baterie LiFePO4 není poškozena tím, že nebude ponechána v úložišti v plně nabitém stavu.
Pokud tedy vaše aplikace zaručují některou z výše uvedených funkcí, zajistíte, aby vaše peníze stály za to, že jste za baterie LiFePO4 zaplatili navíc. Následný článek bude následovat v následujících týdnech, který bude zahrnovat bezpečnostní aspekty LiFePO4 a různé lithiové chemie.
100% bezpečná platba
