Alapelv és meghatározások

2020-08-11 08:07

Az akkumulátor vagy a tárolórendszer kapacitása és energiája

Az elem vagy akkumulátor kapacitása a meghatározott hőmérsékleti, töltési és kisülési áramérték, valamint a töltési vagy kisülési idő függvényében tárolt energiamennyiség.

Minősítési kapacitás és C-arány

A C-sebesség az akkumulátor töltési és kisülési áramának skálázására szolgál. Egy adott kapacitás esetén a C-sebesség egy olyan mérték, amely jelzi, hogy az akkumulátor milyen töltöttséggel és milyen töltöttséggel rendelkezik a meghatározott kapacitás elérése érdekében kiürül. 

Az 1C (vagy C / 1) töltés egy akkumulátort tölt, például 1000 Ah névleges feszültséggel 1000 A mellett egy óra alatt, tehát az óra végén az akkumulátor eléri az 1000 Ah kapacitást; Az 1C (vagy C / 1) kisülés ugyanolyan sebességgel üríti az akkumulátort.
Egy 0,5 C vagy (C / 2) töltés olyan akkumulátort tölt be, amely névlegesen 1000 Ah 500 A feszültséggel rendelkezik, tehát két óra eltelte tölt az akkumulátort 1000 Ah névleges kapacitással;
A 2C töltés egy olyan akkumulátort tölt, amely például 1000 A névleges feszültséggel rendelkezik 2000 A-nál, tehát elméletileg 30 percig tart az akkumulátor töltése 1000 Ah névleges kapacitással;
Az Ah besorolást általában az akkumulátor jelöli.
Utolsó példa: 3000 Ah névleges kapacitású C10 (vagy C / 10) ólomsav-akkumulátor töltése vagy lemerülése 10 óra alatt, 300 A áram töltése vagy kisütése mellett.

Miért fontos tudni az akkumulátor C-értékét vagy C-besorolását?

A C-sebesség fontos elem az akkumulátor számára, mivel a legtöbb elemnél a tárolt vagy rendelkezésre álló energia függ a töltési sebességtől vagy a kisülési áramtól. Általában egy adott kapacitásnál kevesebb energiája lesz, ha egy órán belül merül le, mint ha 20 órán belül merül fel, fordítva kevesebb energiát tárol egy akkumulátorban, amelynek áramerőssége 100 A 1 óra alatt, mint egy aktuális töltésnél. 10 A 10 óra alatt.

Az akkumulátor rendszer kimeneti áramának kiszámításához szükséges képlet

Hogyan lehet kiszámítani az akkumulátor kimeneti áramát, teljesítményét és energiáját a C-arány szerint?
A legegyszerűbb képlet:

I = Cr * Er
vagy
Cr = I / Er
Ahol
Er = Ah-ban tárolt névleges energia (az akkumulátor névleges kapacitása a gyártó által megadva)
I = töltési vagy kisülési áram amperben (A)
Cr = az akkumulátor C-sebessége
Az egyenlet a töltés vagy töltés idejének "t" megszerzésére a jelenlegi és névleges kapacitás szerint:
t = Er / I
t = idő, töltés vagy ürítés időtartama (futási idő) órában
Cr és t közötti kapcsolat:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Hogyan működnek a lítium-ion akkumulátorok?

Lítium-ion akkumulátorok hihetetlenül népszerű manapság. Megtalálhatja őket laptopokban, PDA-kban, mobiltelefonokban és iPod-okban. Annyira gyakoriak, mert fontért fontért a legaktívabb újratölthető akkumulátorok.

A lítium-ion akkumulátorok szintén a legfrissebb hírek. Ennek oka az, hogy ezek az akkumulátorok képesek időnként lángba rohanni. Ez nem túl gyakori - csak millió vagy két vagy három akkumulátorral van probléma - de amikor ez megtörténik, az extrém. Bizonyos helyzetekben a meghibásodások aránya emelkedhet, és amikor ez megtörténik, akkor világszerte felmerül az akkumulátor visszahívása, amely a gyártók számára millió dollárt fizethet.

Tehát a kérdés az, mi teszi ezeket az akkumulátorokat olyan energiává és népszerűvé? Hogyan gyulladnak fel lángba? És tehet-e valamit a probléma megelőzéséhez vagy az akkumulátorok hosszabb élettartamához? Ebben a cikkben válaszolunk ezekre és még sok más kérdésre.

A lítium-ion akkumulátorok népszerűek, mivel számos fontos előnye van a versengő technológiákkal szemben:

• Általában sokkal könnyebbek, mint az azonos méretű más típusú újratölthető akkumulátorok. A lítium-ion akkumulátor elektródái könnyű lítiumból és szénből készülnek. A lítium szintén erősen reaktív elem, ami azt jelenti, hogy sok energiát tárolhat atomi kötéseiben. Ez a lítium-ion akkumulátorok nagyon magas energiasűrűségét eredményezi. Így lehet képet szerezni az energia sűrűségéről. Egy tipikus lítium-ion akkumulátor 150 watt-órányi villamos energiát képes tárolni 1 kg-os elemben. A NiMH (nikkel-fém-hidrid) akkumulátorcsomag talán 100 watt-órát képes kilogrammonként tárolni, bár a 60-70 watt-óra jellemzőbb lehet. Az ólom-sav akkumulátor kilogrammonként csak 25 watt-órát képes tárolni. Az ólom-sav technológiával 6 kilogrammba kerül ugyanannyi energia tárolása, mint amit egy kilogramm lítium-ion akkumulátor képes kezelni. Ez egy hatalmas különbség
• Ők tartják a vádjukat. A lítium-ion akkumulátorcsomag havi töltésének csak kb. 5% -át veszíti el, szemben a NiMH akkumulátorok havi 20% -os veszteségével.
• Nincsenek memóriahatásaik, ami azt jelenti, hogy nem kell teljesen kiürítenie őket újratöltés előtt, mint más akkumulátor-vegyszereknél.
• A lítium-ion akkumulátorok több száz töltési / kisütési ciklust tudnak kezelni.

Ez nem azt jelenti, hogy a lítium-ion akkumulátorok hibátlanok. Néhány hátrányuk is van:

• Amint elhagyják a gyárat, elkezdenek romlani. Csak a gyártás dátuma után két vagy három évig tartanak, függetlenül attól, hogy használja-e őket.
• Rendkívül érzékenyek a magas hőmérsékletre. A hő miatt a lítium-ion akkumulátorok sokkal gyorsabban romlanak le, mint általában.
• Ha teljesen lemeríti a lítium-ion akkumulátort, az tönkremegy.
• A lítium-ion akkumulátornak fedélzeti számítógéppel kell rendelkeznie az akkumulátor kezeléséhez. Ez még drágábbá teszi őket, mint már vannak.
• Kis esély van arra, hogy ha egy lítium-ion akkumulátor meghibásodik, az lángba robbant.

Ezen tulajdonságok közül sok megérthető egy lítium-ion cella belsejében levő kémia vizsgálatával. Ezt a következőt nézzük meg.

A lítium-ion akkumulátorok bármilyen formájú és méretűek, de belülről mindegyikük azonos. Ha szét akarja venni egy laptop akkumulátort (amit nem javasolunk az akkumulátor lemerülésének és a tüzet elindításának lehetősége miatt), akkor az alábbiakat találja:

• A lítium-ioncellák lehetnek hengeres elemek, amelyek szinte azonosak az AA-cellákkal, vagy prizmatikusak is lehetnek, vagyis négyzet vagy téglalap alakúak. A számítógép, amely a következőket tartalmazza:
• Egy vagy több hőmérséklet-érzékelő az akkumulátor hőmérsékletének figyelésére
• Feszültség átalakító és szabályozó áramkör a biztonságos feszültség és áram fenntartására
• Árnyékolt notebook csatlakozó, amely lehetővé teszi az energia és az információk áramlását az akkumulátorból és az akkumulátorból
• Feszültségszelep, amely figyeli az akkumulátor egység egyes celláinak energiakapacitását
• Az akkumulátor töltöttségi állapotának monitorja, amely egy kicsi számítógép, amely kezeli a teljes töltési folyamatot, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az akkumulátorok a lehető leggyorsabban és teljesebben töltenek-e.

Ha az akkumulátor túl melegszik töltés vagy használat közben, a számítógép leállítja az áramot, hogy megpróbálja hűteni a dolgokat. Ha hagyja laptopját rendkívül forró autóban, és megpróbálja használni a laptopot, ez a számítógép megakadályozhatja, hogy bekapcsolja mindaddig, amíg a dolgok lehűlnek. Ha a cellák valaha teljesen lemerülnek, akkor az akkumulátor leáll, mert a cellák tönkremennek. Ezenkívül nyomon követheti a töltési / kisütési ciklusok számát és információkat küldhet, így a laptop akkumulátormérője megmondhatja, hogy mekkora töltöttség maradt az akkumulátorban.

Ez egy nagyon kifinomult kis számítógép, és energiát fogyaszt az akkumulátorokból. Ez az energiafogyasztás az egyik oka annak, hogy a lítium-ion akkumulátorok havonta havonta ülve havonta 5% -ot veszítik el.

Lítium-ion cellák

Mint a legtöbb akkumulátor esetében, van egy fémből készült külső tok. A fém használata itt különösen fontos, mivel az akkumulátor nyomás alatt van. Ennek a fémtoknak van valamilyen nyomásérzékeny szellőzőnyílása. Ha az akkumulátor olyan melegszik, hogy a túlnyomás miatt felrobbanhat, ez a szellőzőnyílás felszabadítja az extra nyomást. Az akkumulátor később valószínűleg felesleges lesz, tehát ezt el kell kerülni. A szellőzőnyílás szigorúan ott van, mint biztonsági intézkedés. Ugyanaz a helyzet a pozitív hőmérsékleti együttható (PTC) kapcsolóval, amely állítólag megakadályozza az akkumulátor túlmelegedését.

Ez a fémtok hosszú spirállal rendelkezik, amely három, egymáshoz préselt vékony lemezt tartalmaz:

• Pozitív elektróda
• Negatív elektróda
• Elválasztó

A házon belül ezeket a lemezeket egy szerves oldószerbe merítik, amely elektrolitként működik. Az éter az egyik általános oldószer.

Az elválasztó egy nagyon vékony mikro perforált műanyag lap. Ahogy a neve is sugallja, elválasztja a pozitív és a negatív elektródákat, miközben lehetővé teszi az ionok átjutását.

A pozitív elektród lítium-kobalt-oxidból vagy LiCoO2-ból készül. A negatív elektróda szénből készül. Az akkumulátor töltésekor a lítium-ionok az elektroliton keresztül mozognak a pozitív elektródról a negatív elektródra és kapcsolódnak a szénhez. A kisülés során a lítium-ionok a szénből visszajutnak a LiCoO2-be.

Ezeknek a lítium-ionoknak a mozgása meglehetősen magas feszültséggel történik, tehát minden cella 3,7 voltot termel. Ez sokkal magasabb, mint a szupermarketben vásárolt normál AA alkáli cellákra jellemző 1,5 volt, és ez segíti a lítium-ion akkumulátorok kompaktabbá tételét olyan kis eszközökben, mint a mobiltelefonok. Lásd: Hogyan működnek az elemek az akkumulátorok működésével kapcsolatban.

Megvizsgáljuk, hogyan lehet meghosszabbítani a lítium-ion akkumulátor élettartamát, és megvizsgáljuk, hogy miért robbanhatnak fel a következők.

Lítium-ion akkumulátor élettartama és halála

A lítium-ion akkumulátorok drágák, tehát ha azt akarja, hogy a tied hosszabb ideig tartson, vegye figyelembe néhány szempontot:

• A lítium-ion kémia inkább a részleges kisülést, mint a mély kisülést részesíti előnyben, ezért érdemes kerülni az akkumulátort egészen nullára. Mivel a lítium-ion kémiában nincs „memória”, részleges kisülés esetén az akkumulátor nem árthat. Ha a lítium-ion cella feszültsége egy bizonyos szint alá esik, akkor ez tönkremegy.
• A lítium-ion akkumulátorok életkora Csak két-három évig tartanak, még akkor is, ha fel nem használt polcon ülnek. Tehát ne kerülje az akkumulátort azzal a gondolattal, hogy az akkumulátor öt évig tart. Nem fog. Ezenkívül, ha új akkumulátort vásárol, ellenőriznie kell, hogy valóban új-e. Ha egy éven át egy polcon ül a boltban, akkor nem fog sokáig tartani. A gyártási dátumok fontosak.
• Kerülje a hőt, mert az lemeríti az elemeket.

Robbanó elemek

Most, hogy tudjuk, hogyan lehet a lítium-ion akkumulátorokat hosszabb ideig működni, nézzük meg, miért robbanhatnak fel.

Ha az akkumulátor elegendően felforrósodik ahhoz, hogy meggyulladja az elektrolitot, tüzet okozhat. Vannak videoklipek és fotók az interneten, amelyek megmutatják, hogy ezek a tüzek milyen súlyosak lehetnek. A CBC „A robbanó laptop nyárja” cikke ezeket az eseményeket foglalja össze.

Amikor ilyen tűz fordul elő, általában az akkumulátor belső rövidzárlatát okozza. Emlékezzünk az előző szakaszból arra, hogy a lítium-ion cellák elválasztó lapot tartalmaznak, amely a pozitív és a negatív elektródákat elválasztja egymástól. Ha az adat megsérül, és az elektródák megérinnek, az akkumulátor nagyon gyorsan felmelegszik. Valószínűleg megtapasztalta az akkumulátor által termelt hőt, ha valaha normál 9 voltos akkumulátort helyezett a zsebébe. Ha egy érme rövidre esik a két csatlakozón, az akkumulátor meglehetősen felforrósodik.

Az elválasztó meghibásodása esetén ugyanolyan rövidzárlat történik a lítium-ion akkumulátor belsejében. Mivel a lítium-ion akkumulátorok annyira energikusak, nagyon felforrósodnak. A hő miatt az akkumulátor kiszabadítja az elektrolitként használt szerves oldószert, és a hő (vagy egy közeli szikra) meggyújthatja azt. Amint ez megtörténik az egyik cellában, a tűz hője a többi cellába esik, és az egész csomag lángba megy.

Fontos megjegyezni, hogy a tüzek nagyon ritkák. Ennek ellenére csak néhány tüzet és egy kis adathordozót kell igénybe vennie lefedettség a visszahívás sürgetésére.

Különböző lítium technológiák

Először is fontos megjegyezni, hogy sokféle „lítium-ion” elem van. A meghatározásban meg kell jegyezni az „elemcsaládot”.
Számos különböző „lítium-ion” elem található ebben a családban, amelyek különböző anyagokat használnak katódjukhoz és anódjukhoz. Ennek eredményeként nagyon különböző tulajdonságokkal rendelkeznek, és ezért különféle alkalmazásokra alkalmasak.

Lítium-vas-foszfát (LiFePO4)

A lítium-vas-foszfát (LiFePO4) egy jól ismert lítium-technológia Ausztráliában, széles körű felhasználása és sokféle alkalmazásra való alkalmassága miatt.
Az alacsony ár, a magas biztonság és a jó fajlagos energia jellemzõi erõs lehetõséget jelentenek sok alkalmazás számára.
A 3,2 V / LiFePO4 cellafeszültség a választott lítium-technológiává is teszi a zárt ólomsav-cserére számos kulcsfontosságú alkalmazásban.

LiPO akkumulátor

A rendelkezésre álló lítium lehetőségek közül számos oka van annak, hogy a LiFePO4-et választották ideális lítium-technológiának az SLA cseréjére. A fő okok kedvező tulajdonságaira vezethetők vissza, amikor a fő alkalmazásokat vizsgálják, ahol jelenleg létezik az SLA. Ezek tartalmazzák:

• Hasonló feszültség az SLA-hoz (3,2 V cellánként x 4 = 12,8 V), így ideálisak az SLA cseréjéhez.
• A lítium-technológiák legbiztonságosabb formája.
• Környezetbarát - a foszfát nem veszélyes, így környezetbarát is, és nem jelent egészségügyi veszélyt.
• Széles hőmérsékleti tartomány.

A Jellemzői és előnyei LiFePO4 összehasonlítva az SLA-val

Az alábbiakban bemutatunk néhány alapvető jellemzőt a lítium-vas-foszfát akkumulátorról, amelyek az SLA jelentős előnyeit biztosítják számos alkalmazásban. Ez mindenképpen nem teljes lista, de lefedi a legfontosabb elemeket. Egy 100AH AGM akkumulátort választottak SLA-nak, mivel ez az egyik leggyakrabban használt méret a mélyciklusú alkalmazásokban. Ezt a 100AH AGM-et összehasonlítottuk egy 100AH LiFePO4-rel annak érdekében, hogy összehasonlítsuk a hasonlókat a lehető legközelebb.

Funkció - Súly:

Összehasonlítás

• A LifePO4 kevesebb, mint az SLA súlyának fele
• AGM mély ciklus - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

Előnyök

• Növeli az üzemanyag-hatékonyságot
  • Lakókocsi és hajó alkalmazás esetén a vontatás súlya csökken.
• Növeli a sebességet
  • Hajó alkalmazásoknál a vízsebesség növelhető
• Az össztömeg csökkentése
• Hosszabb futási idő

A súly sok szempontból nagy jelentőséggel bír, különösen vontatáskor vagy sebességnél, például lakókocsi és csónakázás esetén. Egyéb alkalmazások, beleértve a hordozható világítást és a fényképezőgépet, ahol az akkumulátorokat hordozni kell.

Funkció - nagyobb ciklusélet:

Összehasonlítás

• A ciklus élettartama legfeljebb hat alkalommal
• AGM Mély ciklus - 300 ciklus @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 ciklus @ 100% DoD

Előnyök

• Alacsonyabb birtoklási összköltség (a LiFePO4 akkumulátorára vetített költség kWh-nál jóval alacsonyabb az élettartam során)
• Cserélési költségek csökkentése - cserélje ki az AGM-et legfeljebb hatszor, mielőtt a LiFePO4-et ki kellene cserélni

A hosszabb élettartam azt jelenti, hogy a LiFePO4 akkumulátor előzetes extra költségei meghaladják az akkumulátor élettartama során felmerülő költségeket. Napi használat esetén az AGM-et kb. Hatszor, mielőtt a LiFePO4 cserére szorul

Funkció - lapos kisülési görbe:

Összehasonlítás

• 0,2 ° C (20A) hőmérsékleten kisül
• AGM - 12 V alá esik
• 1,5 óra futási idő
• LiFePO4 - kb. 4 órás futási idő után 12 V alá esik

Előnyök

• Az akkumulátor kapacitásának hatékonyabb felhasználása
• Teljesítmény = Volt x Erősítők
• Amint a feszültség lecsökken, az akkumulátornak nagyobb amperrel kell táplálnia, hogy azonos mennyiségű energiát biztosítson.
• A magasabb feszültség jobb az elektronikában
• A berendezések hosszabb futásiideje
• Teljes kapacitás kihasználása, még magas kisülési sebesség mellett is
• AGM @ 1C kisülés = 50% kapacitás
• LiFePO4 @ 1C kisülés = 100% kapacitás

Ez a szolgáltatás kevéssé ismert, de erõs elõnyt jelent, és több elõnnyel jár. A LiFePO4 lapos kisülési görbéjével a kapocs feszültsége 12 V felett marad, akár 85-90% kapacitásfelhasználásig. Emiatt kevesebb amperre van szükség ahhoz, hogy ugyanolyan mennyiségű energiát biztosítsunk (P = VxA), ezért a kapacitás hatékonyabb felhasználása hosszabb futási időt eredményez. A felhasználó azt sem veszi észre, hogy az eszköz (például golfkocsi) korábban lelassul.

Ezzel együtt Peukert törvényének hatása kevésbé jelentős a lítium esetében, mint az AGMé. Ennek eredményeként az akkumulátor kapacitásának nagy százaléka rendelkezésre áll, függetlenül attól, hogy mekkora a kisülési sebesség. 1C (vagy 100A kisülés 100AH akkumulátor esetén) esetén a LiFePO4 opció továbbra is 100AH-t nyújt, szemben az AGM-hez viszonyítva csak 50AH-val.

Funkció - A kapacitás fokozott felhasználása:

Összehasonlítás

• AGM ajánlott DoD = 50%
• A LiFePO4 ajánlott DoD = 80%
• AGM Mély ciklus - 100AH x 50% = 50Ah használható
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Különbség = 30Ah, vagy 60% -kal több kapacitásfelhasználás

Előnyök

• Megnövekedett üzemidő vagy kisebb kapacitású akkumulátor csere céljából

A rendelkezésre álló kapacitás fokozott felhasználása azt jelenti, hogy a felhasználó akár 60% -kal több futási időt szerezhet ugyanabból a kapacitási opcióból a LiFePO4-ben, vagy alternatívaként választhat egy kisebb kapacitású LiFePO4 akkumulátort, miközben továbbra is ugyanazt a futási időt érheti el, mint a nagyobb kapacitású AGM.

Funkció - nagyobb töltési hatékonyság:

Összehasonlítás

• AGM - A teljes feltöltés kb. 8 óra
• LiFePO4 - A teljes töltés akár 2 órát is elérhet

Előnyök

• Az akkumulátor feltöltve és gyorsabban használható

Egy másik jelentős előny számos alkalmazásban. Az egyéb belső tényezők alacsonyabb belső ellenállása miatt a LiFePO4 sokkal nagyobb sebességgel képes felvenni a töltést, mint az AGM. Ez lehetővé teszi számukra, hogy sokkal gyorsabban töltsék fel és készen állnak a használatra, és ez számos előnnyel jár.

Funkció - alacsony önkisülés:

Összehasonlítás

• AGM - 4 hónap elteltével 80% SOC-ra terjed ki
• LiFePO4 - 8 hónap elteltével 80% -ra kerül

Előnyök

• Hosszabb ideig tárolható

Ez a szolgáltatás nagy jelentőséggel bír a kedvtelési célú járműveknél, amelyeket csak egy-két hónapig lehet használni az év hátralevő részében történő tárolás előtt, például lakókocsik, csónakok, motorkerékpárok és jet-ski-k stb. Ezen a ponton a LiFePO4 nem kalcifikálódik, és így még hosszabb ideig történő elhagyása után is kevésbé valószínű, hogy az akkumulátor véglegesen megsérül. A LiFePO4 akkumulátort nem károsítja, ha nem hagyja tárolásban teljesen feltöltött állapotban.

Tehát, ha az alkalmazások indokolják a fenti szolgáltatások valamelyikét, akkor biztosak lesz abban, hogy megszerezte a pénzét a LiFePO4 akkumulátorra fordított többletért. Következő cikk az elkövetkező hetekben fog megjelenni, amely a LiFePO4 és a különféle lítium vegyszerek biztonsági szempontjait tartalmazza.