Kapacitet og energi i et batteri eller opbevaringssystem
Kapaciteten til et batteri eller akkumulator er den mængde energi, der er lagret i henhold til specifik temperatur, opladning og afladningsstrømværdi og tidspunkt for opladning eller afladning.
Bedømmelseskapacitet og C-sats
C-hastighed bruges til at skalere batteriets opladnings- og afladningsstrøm. For en given kapacitet er C-hastighed et mål, der angiver, hvilken strøm et batteri oplades og udladet for at nå sin definerede kapacitet.
En 1C (eller C / 1) -opladning indlæser et batteri, der er klassificeret til f.eks. 1000 Ah ved 1000 A i løbet af en time, så ved slutningen af timen når batteriet en kapacitet på 1000 Ah; en 1C (eller C / 1) -afladning tømmer batteriet med den samme hastighed.
En opladning på 0,5 C eller (C / 2) indlæser et batteri, der er klassificeret til f.eks. 1000 Ah ved 500 A, så det tager to timer at oplade batteriet med en kapacitet på 1000 Ah;
En 2C-opladning indlæser et batteri, der er klassificeret til f.eks. 1000 Ah ved 2000 A, så det tager teoretisk 30 minutter at oplade batteriet ved klassificeringskapaciteten på 1000 Ah;
Ah-graden er normalt markeret på batteriet.
Sidste eksempel skal et blybatteri med en C10 (eller C / 10) nominel kapacitet på 3000 Ah oplades eller aflades på 10 timer med en strømopladning eller afladning på 300 A.
Hvorfor er det vigtigt at kende C-rate eller C-rating for et batteri
C-hastighed er en vigtig data for et batteri, fordi den lagrede eller tilgængelige energi for de fleste batterier afhænger af hastigheden på opladnings- eller afladningsstrømmen. Generelt vil du have mindre energi for en given kapacitet, hvis du tømmer i løbet af en time, end hvis du tømmer om 20 timer, omvendt vil du opbevare mindre energi i et batteri med en strømopladning på 100 A i løbet af 1 time end med en strømladning på 10 A i løbet af 10 timer
Formel til beregning af strøm tilgængelig i batterisystemets output
Hvordan beregnes udgangsstrøm, strøm og energi i et batteri i henhold til C-hastighed?
Den enkleste formel er:
I = Cr * Er
eller
Cr = I / Er
Hvor
Er = nominel energi lagret i Ah (nominel kapacitet på batteriet givet af producenten)
I = ladningsstrøm eller afladning i Amperes (A)
Cr = C-hastighed for batteriet
Ligning for at få tidspunktet for opladning eller opladning eller afladning "t" i henhold til den aktuelle og nominelle kapacitet er:
t = Er / I
t = tid, varighed af opladning eller afladning (driftstid) i timer
Forholdet mellem Cr og t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr
Sådan fungerer litiumionbatterier
Lithium-ion-batterier er utroligt populære i disse dage. Du kan finde dem på bærbare computere, PDA'er, mobiltelefoner og iPods. De er så almindelige, for pund for pund er de nogle af de mest energiske genopladelige batterier, der er tilgængelige.
Lithium-ion-batterier har også været i nyheden sidst. Det skyldes, at disse batterier lejlighedsvis kan sprænge i flammer. Det er ikke meget almindeligt - kun to eller tre batteripakker pr. Million har et problem - men når det sker, er det ekstremt. I nogle situationer kan svigtfrekvensen stige, og når det sker, ender du med et verdensomspændende batteriopkald, der kan koste producenterne millioner af dollars.
Så spørgsmålet er, hvad gør disse batterier så energiske og så populære? Hvordan sprænger de sig i ild? Og er der noget, du kan gøre for at forhindre problemet eller hjælpe dine batterier vare længere? I denne artikel besvarer vi disse spørgsmål og meget mere.
Lithium-ion-batterier er populære, fordi de har en række vigtige fordele i forhold til konkurrerende teknologier:
- De er generelt meget lettere end andre typer genopladelige batterier i samme størrelse. Elektroderne i et lithium-ion-batteri er lavet af let lithium og carbon. Lithium er også et meget reaktivt element, hvilket betyder, at der kan opbevares en masse energi i dets atombindinger. Dette omsættes til en meget høj energitæthed for lithium-ion-batterier. Her er en måde at få et perspektiv på energitætheden. Et typisk lithium-ion-batteri kan opbevare 150 watt timer elektricitet i 1 kg batteri. En NiMH-batteri (nikkel-metalhydrid) kan muligvis opbevare 100 watt timer pr. Kg, selvom 60 til 70 watt timer måske er mere typisk. Et bly-syre batteri kan kun opbevare 25 watt timer pr. Kg. Ved hjælp af bly-syre teknologi tager det 6 kg at opbevare den samme mængde energi, som et 1 kg lithium-ion-batteri kan håndtere. Det er en enorm forskel
- De holder deres ansvar. En lithium-ion-batteripakke mister kun ca. 5 procent af sin opladning pr. Måned sammenlignet med et 20-procentigt tab pr. Måned for NiMH-batterier.
- De har ingen hukommelseseffekt, hvilket betyder, at du ikke behøver at udlade dem helt, inden du genoplades, som med nogle andre batterikemi.
- Lithium-ion-batterier kan håndtere hundredvis af opladnings- / afladningscyklusser.
Det betyder ikke, at lithium-ion-batterier er fejlfri. De har også et par ulemper:
- De begynder at nedværdiges, så snart de forlader fabrikken. De varer kun to eller tre år fra fremstillingsdatoen, uanset om du bruger dem eller ej.
- De er ekstremt følsomme over for høje temperaturer. Varme får lithium-ion-batteripakker til at nedbrydes meget hurtigere, end de normalt ville.
- Hvis du helt aflader et lithium-ion-batteri, er det ødelagt.
- En lithium-ion-batteripakke skal have en indbygget computer til at styre batteriet. Dette gør dem endnu dyrere, end de allerede er.
- Der er en lille chance for, at hvis et lithium-ion-batteri ikke fungerer, sprænger det i flamme.
Mange af disse egenskaber kan forstås ved at se på kemi inden i en lithium-ion-celle. Vi ser på det næste.
Lithium-ion-batteripakker findes i alle former og størrelser, men de ser alle ens ud på indersiden. Hvis du skulle adskille en bærbar batteripakke (noget, som vi IKKE anbefaler på grund af muligheden for at kortslutte et batteri og starte en brand), ville du finde følgende:
- Lithium-ion-cellerne kan være enten cylindriske batterier, der ser næsten identiske med AA-celler, eller de kan være prismatiske, hvilket betyder, at de er firkantede eller rektangulære Computeren, der omfatter:
- En eller flere temperatursensorer til overvågning af batteritemperaturen
- En spændingskonverter og regulatorkredsløb til opretholdelse af sikre niveauer af spænding og strøm
- Et afskærmet notebook-stik, der lader strøm og information flyde ind og ud af batteriet
- En spændingshane, der overvåger energikapaciteten for de enkelte celler i batteripakken
- En monitorladning for batteriopladning, som er en lille computer, der håndterer hele opladningsprocessen for at sikre, at batterierne oplades så hurtigt og fuldt som muligt.
Hvis batteripakken bliver for varm under opladning eller brug, lukker computeren strømmen til at forsøge at køle tingene ned. Hvis du forlader din bærbare computer i en ekstremt varm bil og forsøger at bruge den bærbare computer, kan denne computer muligvis forhindre dig i at tænde, indtil ting køler af. Hvis cellerne nogensinde bliver helt afladet, lukkes batteripakken, fordi cellerne er ødelagt. Det kan også holde styr på antallet af opladnings- / afladningscyklusser og sende oplysninger, så den bærbare batteris måler kan fortælle dig, hvor meget opladning der er tilbage i batteriet.
Det er en temmelig sofistikeret lille computer, og den trækker strøm fra batterierne. Denne magttrækning er en af grundene til, at lithium-ion-batterier mister 5 procent af deres strøm hver måned, når de sidder i tomgang.
Lithium-ion-celler
Som med de fleste batterier har du et ydre etui lavet af metal. Brugen af metal er især vigtig her, fordi batteriet er under tryk. Denne metalhus har en slags trykfølsom ventilationshul. Hvis batteriet nogensinde bliver så varmt, at det risikerer at eksplodere fra overtryk, frigiver denne udluftning det ekstra tryk. Batteriet vil sandsynligvis være nytteløst bagefter, så dette er noget, man skal undgå. Ventilationen er strengt der som en sikkerhedsforanstaltning. Det samme er PTC-kontakten (Positive Temperature Coefficient), en enhed, der skal holde batteriet fra overophedning.
Dette metalhus har en lang spiral, der består af tre tynde plader presset sammen:
- En positiv elektrode
- En negativ elektrode
- En separator
Inde i tilfældet er disse ark nedsænket i et organisk opløsningsmiddel, der fungerer som elektrolytten. Ether er et almindeligt opløsningsmiddel.
Separatoren er et meget tyndt ark af mikroperforeret plast. Som navnet antyder, adskiller den de positive og negative elektroder, mens ioner tillades at passere.
Den positive elektrode er fremstillet af Lithium cobaltoxid eller LiCoO2. Den negative elektrode er lavet af kulstof. Når batteriet oplades, bevæger lithiumioner sig gennem elektrolytten fra den positive elektrode til den negative elektrode og fastgøres til carbonet. Under afladning bevæger lithiumionerne sig tilbage til LiCoO2 fra carbonet.
Bevægelsen af disse lithiumioner sker ved en ret høj spænding, så hver celle producerer 3,7 volt. Dette er meget højere end de 1,5 volt, der er typisk for en normal AA-alkalisk celle, som du køber i supermarkedet og hjælper med at gøre lithium-ion-batterier mere kompakte i små enheder som mobiltelefoner. Se, hvordan batterier fungerer for detaljer om forskellige batterikemi.
Vi ser på, hvordan man forlænger et lithium-ion-batteris levetid og undersøger, hvorfor de kan eksplodere næste.
Lithium-ion batterilevetid og død
Lithium-ion-batteripakker er dyre, så hvis du vil gøre din til at vare længere, her er nogle ting, du skal huske på:
- Lithium-ionkemi foretrækker delvis udladning frem for dyb udladning, så det er bedst at undgå at tage batteriet helt ned til nul. Da lithium-ion-kemi ikke har en "hukommelse", beskadiger du ikke batteripakken med en delvis afladning. Hvis spændingen i en lithium-ion-celle falder under et vist niveau, ødelægges det.
- Lithium-ion-batterier ældes. De varer kun to til tre år, selvom de sidder ubrugt på en hylde. Så "undgå at bruge" batteriet med tanken om, at batteripakken vil vare fem år. Det gør det ikke. Hvis du køber en ny batteripakke, vil du også sikre dig, at den virkelig er ny. Hvis den har siddet på en hylde i butikken i et år, varer det ikke meget længe. Fremstillingsdatoer er vigtige.
- Undgå varme, som nedbryder batterierne.
Eksploderende batterier
Nu hvor vi ved, hvordan vi holder lithium-ion-batterier i arbejde længere, lad os se på, hvorfor de kan eksplodere.
Hvis batteriet bliver varmt nok til at antænde elektrolytten, kommer du i brand. Der er videoklip og fotos på Internettet, der viser, hvor alvorlige disse brande kan være. CBC-artiklen "Summer of the Exploding Laptop" afslutter flere af disse hændelser.
Når en brand som denne opstår, skyldes det normalt en intern kort i batteriet. Husk fra det foregående afsnit, at lithium-ion-celler indeholder et separatorark, der holder de positive og negative elektroder fra hinanden. Hvis det ark bliver punkteret, og elektroderne rører, opvarmes batteriet meget hurtigt. Du har måske oplevet den slags varme, et batteri kan producere, hvis du nogensinde har sat et normalt 9-volt batteri i lommen. Hvis en mønt shorts over de to terminaler, bliver batteriet ret varmt.
I en separatorfejl sker den samme type kort inde i lithium-ion-batteriet. Da lithium-ion-batterier er så energiske, bliver de meget varme. Varmen får batteriet til at udlufte det organiske opløsningsmiddel, der bruges som en elektrolyt, og varmen (eller en gnist i nærheden) kan tænde det. Når det først sker inden i en af cellerne, brænder varmen fra ilden til de andre celler, og hele pakken går op i flammer.
Det er vigtigt at bemærke, at brande er meget sjældne. Stadig tager det kun et par brande og lidt medier dækning for at få en tilbagekaldelse.
Forskellige litiumteknologier
For det første er det vigtigt at bemærke, at der er mange typer “Lithium Ion” -batterier. Det punkt, der skal bemærkes i denne definition, refererer til en "familie af batterier".
Der er flere forskellige "Lithium Ion" -batterier i denne familie, der bruger forskellige materialer til deres katode og anode. Som et resultat udviser de meget forskellige karakteristika og er derfor egnede til forskellige anvendelser.
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4)
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) er en velkendt lithiumteknologi i Australien på grund af dens brede anvendelse og egnethed til en lang række anvendelser.
Egenskaber ved lav pris, høj sikkerhed og god specifik energi gør dette til en stærk mulighed for mange applikationer.
LiFePO4-cellespænding på 3,2V / celle gør det også til den valgte lithium-teknologi til forseglet blysyreudskiftning i en række nøgleapplikationer.
LiPO-batteri
Af alle tilgængelige lithiumindstillinger er der flere grunde til, at LiFePO4 er blevet valgt som den ideelle lithiumteknologi til udskiftning af SLA. De vigtigste årsager kommer til de gunstige egenskaber, når man ser på de vigtigste applikationer, hvor SLA i øjeblikket findes. Disse inkluderer:
- Lignende spænding som SLA (3,2 V pr. Celle x 4 = 12,8 V), hvilket gør dem ideelle til SLA-udskiftning.
- Den sikreste form for lithiumteknologier.
- Miljøvenligt –phosphat er ikke farligt, og det er også miljøvenligt og ikke sundhedsmæssigt.
- Bredt temperaturområde.
Funktioner og fordele ved LiFePO4 sammenlignet med SLA
Nedenfor er nogle af de vigtigste funktioner i et litiumjernfosfatbatteri, som giver nogle betydelige fordele ved SLA i en række anvendelser. Dette er ikke en komplet liste på alle måder, men det dækker dog nøgleelementerne. Et 100AH AGM-batteri er valgt som SLA, da dette er en af de mest anvendte størrelser i dybcyklus-applikationer. Denne 100AH AGM er blevet sammenlignet med en 100AH LiFePO4 for at sammenligne en lignende for lignende så tæt som muligt.
Funktion - Vægt:
Sammenligning
- LifePO4 er mindre end halvdelen af SLAs vægt
- AGM Dybcyklus - 27,5 kg
- LiFePO4 - 12,2 kg
Fordele
- Øger brændstofeffektiviteten
- I applikationer til campingvogne og båd reduceres bugsevægten.
- Øger hastigheden
- I bådanvendelser kan vandhastigheden øges
- Reduktion i den samlede vægt
- Længere driftstid
Vægt har stor betydning for mange anvendelser, især når det drejer sig om bugsering eller hastighed i involveret, såsom og campingvogn og sejlsport. Andre applikationer, herunder bærbar belysning og kameraapplikationer, hvor batterierne skal bæres.
Funktion - Større cyklusliv:
Sammenligning
- Op til 6 gange cyklusens levetid
- AGM Dyb cyklus - 300 cykler @ 100% DoD
- LiFePO4 - 2000 cykler @ 100% DoD
Fordele
- Lavere samlede ejendomsomkostninger (omkostninger pr. KWh meget lavere i løbet af batteriets levetid til LiFePO4)
- Reduktion i udskiftningsomkostninger - udskift generalforsamlingen op til 6 gange, før LiFePO4 skal udskiftes
Den større cykluslivstid betyder, at de ekstra forudgående omkostninger ved et LiFePO4-batteri er mere end kompenseret for over levetiden til brug af batteriet. Hvis der bruges dagligt, skal en generalforsamling udskiftes ca. 6 gange før LiFePO4 skal udskiftes
Funktion - Flad udladningskurve:
Sammenligning
- Ved 0,2C (20A) udladning
- AGM - falder til under 12V efter
- 1,5 timer køretid
- LiFePO4 - falder til under 12V efter ca. 4 timers køretid
Fordele
- Mere effektiv brug af batterikapacitet
- Power = Volt x Amps
- Når spændingen begynder at falde, bliver batteriet nødt til at levere højere ampere for at give samme mængde strøm.
- Højere spænding er bedre for elektronik
- Længere driftstid for udstyr
- Fuld brug af kapacitet, selv ved høj udladningshastighed
- AGM @ 1C decharge = 50% kapacitet
- LiFePO4 @ 1C-udladning = 100% kapacitet
Denne funktion er lidt kendt, men er en stærk fordel, og den giver flere fordele. Med den flade udladningskurve på LiFePO4 holder terminalspændingen over 12V for op til 85-90% kapacitetsforbrug. På grund af dette kræves mindre forstærkere for at levere den samme mængde strøm (P = VxA), og derfor fører den mere effektive anvendelse af kapaciteten til længere driftstid. Brugeren vil heller ikke bemærke, at enheden er langsommere (f.eks. Golfvogn).
Sammen med dette er virkningen af Peukerts lovgivning meget mindre signifikant med lithium end den af generalforsamlingen. Dette resulterer i at have en stor procentdel af batteriets kapacitet til rådighed, uanset hvad afladningshastigheden er. Ved 1C (eller 100A-udladning til 100AH-batteri) giver LiFePO4-optionen dig stadig 100AH vs kun 50AH til AGM.
Funktion - Øget brug af kapacitet:
Sammenligning
- Generalforsamling anbefalet DoD = 50%
- LiFePO4 anbefalet DoD = 80%
- AGM Deep-cyklus - 100AH x 50% = 50Ah anvendelig
- LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
- Forskel = 30 Ah eller 60% mere kapacitetsforbrug
Fordele
- Forøget driftstid eller mindre kapacitetsbatteri til udskiftning
Den øgede brug af den tilgængelige kapacitet betyder, at brugeren enten kan opnå op til 60% mere runtime fra den samme kapacitetsindstilling i LiFePO4, eller alternativt vælge et LiFePO4-batteri med mindre kapacitet, mens den stadig opnår den samme runtime som den større AGM-kapacitet.
Funktion - Større opladningseffektivitet:
Sammenligning
- AGM - Fuld opladning tager ca. 8 timer
- LiFePO4 - Fuld opladning kan være helt ned til 2 timer
Fordele
- Batteri opladet og klar til brug igen hurtigere
En anden stærk fordel i mange applikationer. På grund af den lavere interne modstand blandt andre faktorer, kan LiFePO4 acceptere opladning med en meget stor hastighed end generalforsamling. Dette giver dem mulighed for at blive opladet og klar til brug meget hurtigere, hvilket fører til mange fordele.
Funktion - Lav selvafladningsgrad:
Sammenligning
- AGM - Udledning til 80% SOC efter 4 måneder
- LiFePO4 - Udledning til 80% efter 8 måneder
Fordele
- Kan opbevares i opbevaring i en længere periode
Denne funktion er en stor en til fritidskøretøjer, som kun må bruges i et par måneder om året, før de går i opbevaring resten af året, såsom campingvogne, både, motorcykler og jetski osv. Sammen med dette punkt LiFePO4 forkalkes ikke, og selv efter at have været tilbage i længere tid, er det mindre sandsynligt, at batteriet bliver permanent beskadiget. Et LiFePO4-batteri skades ikke ved ikke at blive opbevaret i opladet tilstand.
Så hvis dine applikationer garanterer nogen af ovenstående funktioner, vil du være sikker på at få dine penge værd for det ekstra brugt på et LiFePO4-batteri. Opfølgningsartikel vil følge i de kommende uger, som vil omfatte sikkerhedsaspekterne på LiFePO4 og forskellige lithiumkemier.
100% sikker betaling
