Принцип та визначення

2020-08-11 08:07

Ємність та енергія акумулятора або системи зберігання

Ємність акумулятора або акумулятора - це кількість енергії, яка зберігається відповідно до конкретної температури, значення заряду та струму розряду та часу заряду або розряду.

Рейтинг потужності та коефіцієнт С

C-коефіцієнт використовується для масштабування струму заряду та розряду акумулятора. Для даної ємності коефіцієнт С - це показник, який вказує, на який струм заряджається акумулятор і скидається для досягнення визначеної потужності. 

Заряд 1С (або С / 1) завантажує акумулятор, який оцінюється в 1000 Ач на 1000 А протягом однієї години, тому наприкінці години акумулятор досягає ємності 1000 Ач; 1С (або С / 1) розряд виряджає акумулятор з такою ж швидкістю.
Зарядка 0,5 C або (C / 2) завантажує акумулятор, який відповідає, наприклад, 1000 Ач на 500 А, тому для заряджання акумулятора потрібно номінальна потужність 1000 Ач;
Зарядка 2С завантажує акумулятор, який оцінюється в 1000 Ач при 2000 А, тому теоретично потрібно 30 хвилин, щоб зарядити акумулятор номінальною потужністю 1000 Ач;
Акумулятор зазвичай позначений на батареї.
Останній приклад, свинцево-кислотний акумулятор ємністю C10 (або C / 10) номінальною потужністю 3000 Ач повинен заряджатись або розряджатися протягом 10 годин із струмом або розрядом 300 А.

Чому важливо знати коефіцієнт С або коефіцієнт С акумулятора

Коефіцієнт С - важлива інформація для акумулятора, тому що для більшості акумуляторів енергія, що зберігається або доступна, залежить від швидкості струму заряду або розряду. Як правило, для даної ємності у вас буде менше енергії, якщо ви розрядитесь за одну годину, ніж якщо ви розрядитесь за 20 годин, навпаки, ви будете накопичувати менше енергії в акумуляторі з струмом 100 А протягом 1 год, ніж при струмі струму в 10 А протягом 10 год.

Формула для розрахунку струму, наявного на виході акумуляторної системи

Як обчислити вихідний струм, потужність та енергію акумулятора відповідно до норми С?
Найпростіша формула:

I = Cr * Er
або
Cr = I / Er
Де
Er = номінальна енергія, що зберігається в Ах (номінальна ємність акумулятора, задана виробником)
I = струм заряду або розряду в амперах (А)
Cr = коефіцієнт струму акумулятора
Рівняння для отримання часу заряду або заряду або розряду "t" відповідно до струму та номінальної потужності:
t = Er / I
t = час, тривалість заряду або розряду (час виконання) в годинах
Зв'язок між Cr і t:
Cr = 1 / т
t = 1 / Кр

Як працюють літій-іонні батареї

Літій-іонні акумулятори надзвичайно популярні в наші дні. Ви можете знайти їх на ноутбуках, КПК, мобільних телефонах та iPod-і. Вони настільки поширені, адже фунт за фунт - це одні з найенергійніших акумуляторних батарей.

Літій-іонні батареї також останнім часом є новинами. Це тому, що ці батареї мають здатність періодично спалахувати. Це не дуже часто - лише два-три акумуляторні батареї на мільйон мають проблеми - але коли це трапляється, це надзвичайно. У деяких ситуаціях рівень відмов може підвищитися, і коли це станеться, ви отримаєте всесвітній акумулятор, який може коштувати виробникам мільйонів доларів.

Тож питання полягає в тому, що робить ці батареї настільки енергійними та настільки популярними? Як вони спалахнули полум’ям? І чи можете ви щось зробити, щоб запобігти проблемі чи допомогти акумуляторам тривати довше? У цій статті ми відповімо на ці питання та інше.

Літій-іонні батареї популярні, оскільки мають ряд важливих переваг перед конкуруючими технологіями:

• Вони, як правило, набагато легші, ніж інші типи акумуляторних батарей такого ж розміру. Електроди літій-іонного акумулятора виготовлені з легкого літію та вуглецю. Літій також є високореакційним елементом, що означає, що в його атомних зв’язках може зберігатися багато енергії. Це означає, що літій-іонні акумулятори мають дуже високу щільність енергії. Ось спосіб отримати погляд на щільність енергії. Типовий літій-іонний акумулятор може зберігати 150 ват-годин електроенергії в 1 кілограмі акумулятора. Акумулятор NiMH (гідрид нікелю-металу) може зберігати, можливо, 100 ват-годин на кілограм, хоча 60-70 ват-годин можуть бути більш типовими. Свинцево-кислотна батарея може зберігати лише 25 ват-годин на кілограм. Використовуючи свинцево-кислотну технологію, потрібно 6 кілограмів, щоб накопичити стільки ж енергії, що і 1-кілограмовий літій-іонний акумулятор. Це величезна різниця
• Вони тримають свою плату. Літій-іонний акумулятор втрачає лише близько 5 відсотків заряду в місяць, порівняно з 20-відсотковою втратою на місяць для акумуляторів NiMH.
• Вони не мають ефекту пам’яті, а це означає, що вам не доведеться повністю розряджати їх перед зарядкою, як це стосується деяких інших хімічних батарей.
• Літій-іонні акумулятори можуть підтримувати сотні циклів заряду / розряду.

Це не означає, що літій-іонні батареї бездоганні. Вони також мають кілька недоліків:

• Вони починають деградувати, як тільки виходять із заводу. Вони триватимуть лише два-три роки з дати виготовлення, використовуєте ви їх чи ні.
• Вони надзвичайно чутливі до високих температур. Нагрівання призводить до того, що літій-іонні акумуляторні батареї руйнуються набагато швидше, ніж зазвичай.
• Якщо ви повністю розрядите літій-іонний акумулятор, він зіпсується.
• Літій-іонний акумулятор повинен мати вбудований комп'ютер для управління акумулятором. Це робить їх ще дорожчими, ніж вони є.
• Є невеликий шанс, що якщо літій-іонний акумулятор вийде з ладу, він вибухне полум’ям.

Багато з цих характеристик можна зрозуміти, дивлячись на хімію всередині літій-іонної клітини. Ми розглянемо це далі.

Літій-іонні акумуляторні батареї бувають будь-яких форм і розмірів, але всі вони виглядають приблизно однаково зсередини. Якби ви взяли окремо акумуляторну батарею для ноутбуків (те, що ми НЕ рекомендуємо через можливість вимкнути акумулятор і почати пожежу), ви знайдете наступне:

• Літій-іонні осередки можуть бути або циліндричними батареями, які виглядають майже ідентично осередкам АА, або можуть бути призматичними, це означає, що вони є квадратними або прямокутними комп’ютером, що включає:
• Один або кілька датчиків температури для контролю температури акумулятора
• Перетворювач напруги та ланцюг регулятора для підтримки безпечного рівня напруги та струму
• Екранований роз'єм для ноутбука, який дозволяє надходити живлення та інформацію в акумуляторну батарею
• Кран напруги, який відстежує енергетичну ємність окремих комірок в акумуляторній батареї
• Монітор стану заряду акумулятора - це невеликий комп'ютер, який обробляє весь процес зарядки, щоб переконатися, що батареї заряджаються максимально швидко та повноцінно.

Якщо акумуляторна батарея стає занадто гарячою під час заряджання або використання, комп'ютер вимкне струм живлення, щоб спробувати охолодити речі. Якщо ви залишаєте свій ноутбук у надзвичайно гарячому автомобілі та намагаєтесь користуватися ним, цей комп'ютер може заважати вам живитись, поки все не охолоне. Якщо комірки коли-небудь повністю розряджаються, акумуляторна батарея вимкнеться, оскільки стільники зруйновані. Він також може відслідковувати кількість циклів заряду / розряду та надсилати інформацію, щоб лічильник батарей ноутбука міг повідомити, скільки заряду залишилося в акумуляторі.

Це досить складний маленький комп'ютер, і він черпає живлення від батарей. Цей витяг живлення є однією з причин того, що літій-іонні батареї втрачають 5 відсотків своєї енергії щомісяця, коли сидіти в режимі очікування.

Літій-іонні клітини

Як і у більшості акумуляторів, у вас зовнішній корпус з металу. Тут особливо важливо використання металу, оскільки акумулятор знаходиться під тиском. У цьому металевому корпусі є якийсь вентиляційний отвір, чутливий до тиску. Якщо батарея коли-небудь нагріється, що ризикує вибухнути від перенапруги, цей вентиляційний отвір випустить зайвий тиск. Можливо, акумулятор згодом буде марний, тому цього слід уникати. Вентиляційний отвір суворо існує в якості запобіжного заходу. Так само перемикач позитивного температурного коефіцієнта (PTC) - пристрій, який повинен утримувати акумулятор від перегріву.

Цей металевий корпус містить довгу спіраль, що складається з трьох тонких аркушів, стиснених разом:

• Позитивний електрод
• Негативний електрод
• Роздільник

Всередині корпусу ці листи занурені в органічний розчинник, який виконує роль електроліту. Ефір - один загальний розчинник.

Сепаратор - це дуже тонкий лист мікроперфорованого пластику. Як випливає з назви, він розділяє позитивні та негативні електроди, дозволяючи іонам проходити крізь нього.

Позитивний електрод виготовлений з оксиду кобальту літію, або LiCoO2. Негативний електрод виконаний з вуглецю. Коли акумулятор заряджається, іони літію переміщуються через електроліт від позитивного електрода до негативного електрода і приєднуються до вуглецю. Під час вивантаження іони літію повертаються назад до LiCoO2 з вуглецю.

Рух цих іонів літію відбувається при досить високій напрузі, тому кожна клітина виробляє 3,7 вольт. Це набагато вище, ніж 1,5 вольт, типовий для звичайної лужної клітини АА, яку ви купуєте в супермаркеті, і допомагає зробити літій-іонні акумулятори більш компактними в маленьких пристроях, таких як стільникові телефони. Дивіться, як працюють батареї, щоб отримати детальну інформацію про різні батареї.

Ми розглянемо, як продовжити термін експлуатації літій-іонної батареї та дослідимо, чому вони можуть вибухнути далі.

Літій-іонний акумулятор

Літій-іонні акумуляторні батареї дорогі, тому якщо ви хочете змусити вас тривати довше, слід пам’ятати про деякі речі:

• Літій-іонна хімія віддає перевагу частковому розряду перед глибоким розрядом, тому краще уникати взяття акумулятора аж до нуля. Оскільки літій-іонна хімія не має «пам’яті», ви не заподієте шкоди акумулятору з частковим розрядом. Якщо напруга літій-іонної комірки опуститься нижче певного рівня, вона руйнується.
• Вік літій-іонних батарей. Вони тривають лише два-три роки, навіть якщо вони сидять на невикористаній полиці. Тому не "уникайте використання" батареї з думкою, що акумулятор прослужить п'ять років. Це не стане. Крім того, якщо ви купуєте новий акумулятор, ви хочете переконатися, що він справді новий. Якщо він сидить на полиці в магазині рік, це не триватиме дуже довго. Важливі дати виготовлення.
• Уникайте тепла, яке погіршує акумулятори.

Вибух акумуляторів

Тепер, коли ми знаємо, як довше працювати літій-іонні батареї, давайте розберемося, чому вони можуть вибухнути.

Якщо акумулятор нагріється достатньо, щоб запалити електроліт, ви збираєтеся отримати пожежу. В Інтернеті є відеокліпи та фотографії, які показують, наскільки серйозними можуть бути ці пожежі. Стаття CBC "Літо вибухового ноутбука" містить у собі кілька таких випадків.

Коли пожежа, як це трапляється, вона зазвичай викликається внутрішньою короткою батареєю. Згадайте з попереднього розділу, що літій-іонні клітини містять розділовий лист, який тримає позитивні та негативні електроди. Якщо цей лист прорветься, а електроди торкаються, акумулятор нагрівається дуже швидко. Можливо, ви відчули те, яке тепло може виробляти акумулятор, якщо ви коли-небудь клали в кишеню звичайний 9-вольтовий акумулятор. Якщо монета замикається через два клеми, акумулятор стає дуже гарячим.

При несправності сепаратора такий самий короткий час відбувається всередині літій-іонної батареї. Оскільки літій-іонні акумулятори настільки енергійні, вони дуже нагріваються. Нагрівання змушує акумулятор випускати органічний розчинник, що використовується в якості електроліту, і тепло (або блискавка, що знаходиться поблизу) може запалити його. Як тільки це відбувається всередині однієї клітини, тепло вогню каскадує до інших осередків, і вся зграя піднімається полум’ям.

Важливо зазначити, що пожежі трапляються дуже рідко. Все-таки потрібно лише пару пожеж і трохи медіа покриття для швидкого відкликання.

Різні літієві технології

По-перше, важливо зазначити, що існує багато типів літій-іонних акумуляторів. Суть, яку слід зазначити у цьому визначенні, стосується «родини акумуляторів».
У цьому сімействі є декілька різних літій-іонних батарей, які використовують для своїх катодів та анодів різні матеріали. Як результат, вони виявляють дуже різні характеристики і тому підходять для різних застосувань.

Літій фосфат заліза (LiFePO4)

Літій фосфат заліза (LiFePO4) - відома в Австралії літієва технологія завдяки широкому використанню та придатності для широкого спектру застосувань.
Характеристики низької ціни, високої безпеки та хорошої питомої енергії роблять це сильним варіантом для багатьох застосувань.
Напруга електролізера LiFePO4 3,2 В / елемент також робить його літійною технологією вибору для герметичної заміни свинцевої кислоти в ряді ключових застосувань.

Акумулятор LiPO

З усіх наявних літієвих варіантів є кілька причин, чому LiFePO4 був обраний ідеальною літієвою технологією для заміни SLA. Основні причини зводяться до його сприятливих характеристик, коли дивляться на основні програми, де SLA зараз існує. До них належать:

• Схожа напруга на SLA (3,2 В на комірку x 4 = 12,8 В), що робить їх ідеальними для заміни SLA.
• Найбезпечніша форма літієвих технологій.
• Екологічно чистий фосфат не є небезпечним, тому є сприятливим як для навколишнього середовища, так і не для здоров'я.
• Широкий діапазон температур.

Особливості та переваги LiFePO4 в порівнянні зі SLA

Нижче наведено декілька основних особливостей літієво-фосфатного акумулятора, які дають значні переваги SLA у різних сферах застосування. Це далеко не повний перелік, проте він охоплює основні елементи. Акумулятор 100AH AGM був обраний як SLA, оскільки це один з найбільш часто використовуваних розмірів у програмах глибокого циклу. Цей 100AH AGM порівнювали з 100AH LiFePO4, щоб порівняти подібний як можна ближче.

Особливість - Вага:

Порівняння

• LifePO4 менше половини ваги SLA
• AGM глибинний цикл - 27,5 кг
• LiFePO4 - 12,2 кг

Переваги

• Підвищує економічність палива
  • При застосуванні караванів і човнів вага буксирування зменшується.
• Збільшує швидкість
  • У човнових додатках швидкість води може бути збільшена
• Зниження загальної ваги
• Більш тривалий час виконання

Вага має велике значення для багатьох застосувань, особливо в тому випадку, коли буксирування або швидкість руху, як, наприклад, караван і катання на човнах. Інші програми, включаючи портативне освітлення та програми для камер, де потрібно носити акумулятори.

Особливість - велике життя циклу:

Порівняння

• До 6 разів тривалість циклу
• AGM глибокий цикл - 300 циклів при 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 циклів при 100% DoD

Переваги

• Нижня загальна вартість власності (вартість за кВт / год набагато нижча за термін служби акумулятора для LiFePO4)
• Скорочення витрат на заміну - замініть AGM до 6 разів, перш ніж LiFePO4 потребує заміни

Більший термін експлуатації означає, що додаткова вартість батареї LiFePO4 більше, ніж компенсується протягом експлуатації батареї. Якщо застосовується щодня, AGM потрібно буде замінити прибл. 6 разів до необхідності заміни LiFePO4

Особливість - Плоска крива розряду:

Порівняння

• При 0,2С (20А) розряд
• AGM - падає нижче 12В після
• 1,5 години часу виконання
• LiFePO4 - опускається нижче 12В після приблизно 4-х годин виконання

Переваги

• Більш ефективне використання ємності акумулятора
• Потужність = Вольт x Ампер
• Після того, як напруга почне падати, акумулятору потрібно буде подавати більш високі ампери, щоб забезпечити однакову кількість енергії.
• Більш висока напруга краще для електроніки
• Більш тривалий час роботи обладнання
• Повне використання потужності навіть при високій швидкості розряду
• AGM @ 1C розряд = 50% ємності
• Розряд LiFePO4 @ 1C = 100% ємність

Ця функція маловідома, але є сильною перевагою і дає багато переваг. З плоскою кривою розряду LiFePO4 напруга на клемі тримається вище 12 В для використання до 85-90% потужності. Через це потрібно менше амперів для подачі однакової потужності (P = VxA), і тому більш ефективне використання потужності призводить до більш тривалого виконання. Користувач також не помітить сповільнення роботи пристрою (наприклад, кошик для гольфу) раніше.

Поряд з цим ефект від закону Пюкерта на літій значно менший, ніж у АГМ. Це призводить до наявності великого відсотка ємності акумулятора незалежно від швидкості розряду. При 1С (або 100А розряду для акумулятора 100АГ) опція LiFePO4 все одно дасть вам 100AH проти всього 50AH для AGM.

Особливість - збільшення використання ємності:

Порівняння

• Рекомендований дохід AGM = 50%
• Рекомендований LiFePO4 DoD = 80%
• Глибокий цикл AGM - 100AH x 50% = 50Ah
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Різниця = 30Ah або на 60% більше використання потужності

Переваги

• Збільшена тривалість виконання або менша ємність акумулятора для заміни

Збільшення використання наявної ємності означає, що користувач може отримати до 60% більше часу виконання з тієї ж опції ємності в LiFePO4, або ж альтернативно вибирати батарею LiFePO4 меншої ємності, домагаючись того ж часу виконання, що і AGM більшої ємності.

Особливість - Більш висока ефективність заряду:

Порівняння

• AGM - Повна зарядка займає ок. 8 годин
• LiFePO4 - Повна зарядка може становити лише 2 години

Переваги

• Акумулятор заряджений і готовий знову використовуватись швидше

Ще одна вагома перевага в багатьох додатках. Завдяки меншій внутрішній опір серед інших факторів, LiFePO4 може приймати заряд із значно більшою швидкістю, ніж AGM. Це дозволяє заряджати їх та готові до використання набагато швидше, що призводить до багатьох переваг.

Особливість - низька швидкість самозарядження:

Порівняння

• AGM - скидання до 80% СОК через 4 місяці
• LiFePO4 - вивантаження до 80% через 8 місяців

Переваги

• Можна залишити на зберіганні на довший період

Ця особливість є великою для рекреаційних транспортних засобів, які можуть використовуватися лише пару місяців на рік до зберігання на інший рік, таких як каравани, катери, мотоцикли та катання на лижах та ін. Поряд із цим, LiFePO4 не кальцифікується, і навіть після відсутності на тривалий час батарея рідше пошкодиться. Акумулятор LiFePO4 не пошкоджується тим, що не залишається на зберіганні у повністю зарядженому стані.

Отже, якщо ваші програми вимагають будь-якої з перерахованих вище функцій, тоді ви обов'язково отримаєте свої кошти за додаткові витрати на батарею LiFePO4. Наступні статті будуть подані протягом найближчих тижнів, які включатимуть аспекти безпеки LiFePO4 та різних літієвих хімік.