Kapasitet og energi til et batteri eller lagringssystem
Kapasiteten til et batteri eller akkumulator er energimengden som er lagret i henhold til spesifikk temperatur, lading og utladningsstrømverdi og tid for lading eller utladning.
Ratingkapasitet og C-rate
C-hastighet brukes til å skalere ladnings- og utladningsstrømmen til et batteri. For en gitt kapasitet er C-rate et mål som indikerer ved hvilken strøm et batteri lades og utladet for å nå sin definerte kapasitet.
En 1C (eller C / 1) lading laster et batteri som er vurdert til, for eksempel, 1000 Ah ved 1000 A i løpet av en time, så på slutten av timen når batteriet en kapasitet på 1000 Ah; en 1C (eller C / 1) utladning tapper batteriet med samme hastighet.
En lading på 0,5 C eller (C / 2) laster et batteri som er vurdert til, for eksempel, 1000 Ah ved 500 A, så det tar to timer å lade batteriet med en kapasitet på 1000 Ah;
En 2C-lading laster et batteri som er vurdert til, for eksempel, 1000 Ah ved 2000 A, så det tar teoretisk 30 minutter å lade batteriet med en kapasitet på 1000 Ah;
Ah-karakteren er normalt merket på batteriet.
Siste eksempel bør et blysyrebatteri med en C10 (eller C / 10) nominell kapasitet på 3000 Ah lades eller tømmes på 10 timer med en strømoppladning eller utladning på 300 A.
Hvorfor er det viktig å kjenne C-rate eller C-rating for et batteri
C-rate er en viktig data for et batteri fordi energien som er lagret eller tilgjengelig for de fleste batterier avhenger av hastigheten på ladnings- eller utladningsstrømmen. Generelt vil du ha mindre energi for en gitt kapasitet hvis du tømmer ut i løpet av en time enn hvis du tømmer ut på 20 timer, omvendt vil du lagre mindre energi i et batteri med en strømladning på 100 A i løpet av 1 time enn med en strømladning på 10 A i løpet av 10 timer.
Formel for å beregne strøm tilgjengelig i batterisystemets utgang
Hvordan beregne utgangsstrøm, strøm og energi til et batteri i henhold til C-hastighet?
Den enkleste formelen er:
I = Cr * Er
eller
Cr = I / Er
Hvor
Er = nominell energi lagret i Ah (nominell kapasitet på batteriet gitt av produsenten)
I = ladnings- eller utladningsstrøm i Amperes (A)
Cr = C-hastighet på batteriet
Ligning for å få ladetid eller lading eller utladning "t" i henhold til gjeldende og vurdert kapasitet er:
t = Er / jeg
t = tid, varighet av lading eller utladning (kjøretid) i timer
Forholdet mellom Cr og t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr
Slik fungerer litiumionbatterier
Litium-ion-batterier er utrolig populære i disse dager. Du finner dem på bærbare datamaskiner, PDA-er, mobiltelefoner og iPod-er. De er så vanlige fordi de er noen av de mest energiske oppladbare batteriene som er tilgjengelige.
Litium-ion-batterier har også vært i nyhetene i det siste. Det er fordi disse batteriene har muligheten til å sprenges i flammer av og til. Det er ikke veldig vanlig - bare to eller tre batteripakker per million har et problem - men når det skjer, er det ekstremt. I noen situasjoner kan sviktfrekvensen stige, og når det skjer ender du med en verdensomspennende tilbakekalling av batteri som kan koste produsenter millioner av dollar.
Så spørsmålet er, hva gjør disse batteriene så energiske og så populære? Hvordan sprenger de i flamme? Og er det noe du kan gjøre for å forhindre problemet eller hjelpe batteriene til å vare lenger? I denne artikkelen skal vi svare på disse spørsmålene og mer.
Litium-ion-batterier er populære fordi de har en rekke viktige fordeler fremfor konkurrerende teknologier:
- De er generelt mye lettere enn andre typer oppladbare batterier i samme størrelse. Elektrodene til et litium-ion-batteri er laget av lett litium og karbon. Litium er også et meget reaktivt element, noe som betyr at mye energi kan lagres i atombindingen. Dette betyr en veldig høy energitetthet for litium-ion-batterier. Her er en måte å få et perspektiv på energitettheten. Et typisk litiumionbatteri kan lagre 150 watt timer strøm i 1 kilo batteri. En NiMH-batteri (nikkel-metallhydrid) kan lagre 100 wattimer per kilo, selv om 60 til 70 watt timer kan være mer typisk. Et bly-syre batteri kan lagre bare 25 watt timer per kilo. Ved å bruke bly-syre teknologi tar det 6 kilo å lagre den samme mengden energi som et 1 kilo litium-ion-batteri kan håndtere. Det er en enorm forskjell
- De holder ansvaret. En litium-ion-batteripakke mister bare omtrent 5 prosent av ladningen per måned, sammenlignet med 20 prosent tap per måned for NiMH-batterier.
- De har ingen minneeffekt, noe som betyr at du ikke trenger å tømme dem helt før du lader opp, som med noen andre batterikjemi.
- Litium-ion-batterier kan håndtere hundrevis av lade- / utladningssykluser.
Det er ikke å si at litium-ion-batterier er feilfrie. De har noen få ulemper også:
- De begynner å fornedre så snart de forlater fabrikken. De vil bare vare to eller tre år fra produksjonsdatoen enten du bruker dem eller ikke.
- De er ekstremt følsomme for høye temperaturer. Varme får litium-ion-batteripakker til å forringes mye raskere enn de normalt ville gjort.
- Hvis du tømmer et litium-ion-batteri helt, er det ødelagt.
- En litium-ion-batteripakke må ha en datamaskin om bord for å håndtere batteriet. Dette gjør dem enda dyrere enn de allerede er.
- Det er liten sjanse for at hvis en litium-ion-batteripakke svikter, vil den briste i flamme.
Mange av disse egenskapene kan forstås ved å se på kjemien i en litium-ion-celle. Vi ser på dette neste.
Litium-ion-batteripakker leveres i alle former og størrelser, men de ser alle like ut på innsiden. Hvis du skulle ta fra hverandre en bærbar batteripakke (noe vi IKKE anbefaler på grunn av muligheten for å kortslute et batteri og starte brann), ville du funnet følgende:
- Litium-ion-cellene kan være sylindriske batterier som ser nesten identiske ut som AA-celler, eller de kan være prismatiske, noe som betyr at de er firkantede eller rektangulære. Datamaskinen, som består av:
- En eller flere temperatursensorer for å overvåke batteritemperaturen
- En spenningsomformer og regulatorkrets for å opprettholde sikre nivåer av spenning og strøm
- En skjermet notebook-kontakt som lar strøm og informasjon flyte inn og ut av batteripakken
- Et spenningskran, som overvåker energikapasiteten til individuelle celler i batteripakken
- En skjerm for batteriladetilstand, som er en liten datamaskin som håndterer hele ladeprosessen for å sikre at batteriene lades så raskt og fullt som mulig.
Hvis batteripakken blir for varm under lading eller bruk, vil datamaskinen slå av strømmen for å prøve å avkjøle ting. Hvis du lar den bærbare datamaskinen ligge i en ekstremt varm bil og prøver å bruke den bærbare datamaskinen, kan det hende at denne datamaskinen forhindrer deg i å slå på før ting er avkjølt. Hvis cellene noen gang blir helt utladet, slås batteripakken av fordi cellene er ødelagt. Det kan også følge med på antall ladings- / utladningssykluser og sende ut informasjon slik at den bærbare datamaskinens batterimåler kan fortelle deg hvor mye lading som er igjen i batteriet.
Det er en ganske sofistikert liten datamaskin, og den henter strøm fra batteriene. Dette kraftuttrekket er en av grunnene til at litium-ion-batterier mister 5 prosent av strømmen hver måned når de sitter uvirksom.
Litium-ion-celler
Som med de fleste batterier har du en ytterkant av metall. Bruken av metall er spesielt viktig her fordi batteriet er under trykk. Denne metallkassen har et slags trykkfølsomt luftehull. Hvis batteriet noen gang blir så varmt at det risikerer å eksplodere fra overtrykk, vil denne luften frigjøre det ekstra trykket. Batteriet vil trolig være ubrukelig i etterkant, så dette er noe du bør unngå. Ventilen er strengt tatt der som et sikkerhetstiltak. Så er også PTC-bryteren (Positive Temperature Coefficient), en enhet som skal holde batteriet fra overoppheting.
Denne metallkassen har en lang spiral bestående av tre tynne ark presset sammen:
- En positiv elektrode
- En negativ elektrode
- En separator
Inni saken er disse arkene nedsenket i et organisk løsningsmiddel som fungerer som elektrolytten. Ether er et vanlig løsningsmiddel.
Separatoren er et veldig tynt ark med mikroperforert plast. Som navnet tilsier, skiller den de positive og negative elektrodene samtidig som ionene kan passere.
Den positive elektroden er laget av litiumkoboltoksyd eller LiCoO2. Den negative elektroden er laget av karbon. Når batteriet lades, beveger litioner seg seg gjennom elektrolytten fra den positive elektroden til den negative elektroden og festes til karbonet. Under utslipp beveger litiumionene seg tilbake til LiCoO2 fra karbonet.
Bevegelsen av disse litiumionene skjer med en ganske høy spenning, så hver celle produserer 3,7 volt. Dette er mye høyere enn 1,5 volt som er typisk for en normal AA-alkalisk celle som du kjøper i supermarkedet og hjelper med å gjøre litium-ion-batterier mer kompakte i små enheter som mobiltelefoner. Se hvordan batterier fungerer for detaljer om forskjellige batterikjemier.
Vi skal se på hvordan du kan forlenge levetiden til et litiumionbatteri og utforske hvorfor de kan eksplodere neste gang.
Lithium-ion batterilevetid og død
Litium-ion-batteripakker er dyre, så hvis du vil gjøre din til å vare lenger, her er noen ting du må huske på:
- Litiumionkjemi foretrekker delvis utladning fremfor dyp utladning, så det er best å unngå å ta batteriet helt ned til null. Siden litium-ion-kjemi ikke har et "minne", skader du ikke batteripakken med delvis utladning. Hvis spenningen til en litium-ion-celle faller under et visst nivå, er det ødelagt.
- Litium-ion-batterier eldes. De varer bare to til tre år, selv om de sitter ubrukte på en hylle. Så ikke "unngå å bruke" batteriet med tanken på at batteripakken vil vare i fem år. Det vil det ikke. Hvis du kjøper en ny batteripakke, vil du sørge for at den virkelig er ny. Hvis den har sittet på en hylle i butikken i et år, vil det ikke vare veldig lenge. Produksjonsdatoer er viktig.
- Unngå varme som ødelegger batteriene.
Eksploderende batterier
Nå som vi vet hvordan vi skal holde litium-ion-batterier i arbeid lenger, la oss se på hvorfor de kan eksplodere.
Hvis batteriet blir varmt nok til å antenne elektrolytten, kommer du til å få brann. Det er videoklipp og bilder på nettet som viser hvor alvorlig disse brannene kan være. CBC-artikkelen, "Summer of the Exploding Laptop", runder opp flere av disse hendelsene.
Når en brann som dette skjer, skyldes den vanligvis en intern kortslutning i batteriet. Husk fra forrige seksjon at litium-ion-celler inneholder et skilleark som holder de positive og negative elektrodene fra hverandre. Hvis det arket blir punktert og elektrodene berører, varmes batteriet veldig raskt opp. Du har kanskje opplevd den typen varme et batteri kan produsere hvis du noen gang har satt et normalt 9-volts batteri i lommen. Hvis en mynt shorts over de to terminalene, blir batteriet ganske varmt.
I en separatorsvikt skjer den samme typen kort inne i litium-ion-batteriet. Siden litium-ion-batterier er så energiske, blir de veldig varme. Varmen får batteriet til å lufte det organiske løsningsmidlet som brukes som en elektrolytt, og varmen (eller en gnist i nærheten) kan tenne på det. Når det skjer inne i en av cellene, brenner varmen fra brannen til de andre cellene, og hele flokken går opp i flammer.
Det er viktig å merke seg at branner er svært sjeldne. Likevel tar det bare et par branner og litt medier dekning for å be om tilbakekalling.
Ulike litiumteknologier
For det første er det viktig å merke seg at det er mange typer “litiumion” -batterier. Poenget å merke seg i denne definisjonen refererer til en "familie av batterier".
Det er flere forskjellige "litiumion" -batterier i denne familien som bruker forskjellige materialer til katoden og anoden. Som et resultat viser de veldig forskjellige egenskaper og er derfor egnet for forskjellige bruksområder.
Litiumjernfosfat (LiFePO4)
Litium Iron Phosphate (LiFePO4) er en kjent litiumteknologi i Australia på grunn av dens brede bruk og egnethet til en lang rekke bruksområder.
Kjennetegn på lav pris, høy sikkerhet og god spesifikk energi, gjør dette til et sterkt alternativ for mange bruksområder.
LiFePO4 cellespenning på 3,2V / celle gjør det også til den valgte litiumteknologien for forseglet blysyreerstatning i en rekke nøkkelapplikasjoner.
LiPO-batteri
Av alle tilgjengelige litiumalternativer er det flere grunner til at LiFePO4 er valgt som den ideelle litiumteknologien for utskifting av SLA. Hovedårsakene kommer ned til de gunstige egenskapene når man ser på hovedapplikasjonene der SLA for tiden eksisterer. Disse inkluderer:
- Tilsvarende spenning som SLA (3,2 V per celle x 4 = 12,8 V) noe som gjør dem ideelle for SLA-erstatning.
- Den tryggeste formen for litiumteknologiene.
- Miljøvennlig –fosfat er ikke farlig og er så vennlig både for miljøet og ikke helserisiko.
- Bredt temperaturområde.
Funksjoner og fordeler med LiFePO4 sammenlignet med SLA
Nedenfor er noen viktige funksjoner som et litiumjernfosfatbatteri som gir noen betydelige fordeler med SLA i en rekke bruksområder. Dette er ikke en fullstendig liste på alle måter, men den dekker nøkkelelementene. Et 100AH AGM-batteri er valgt som SLA, da dette er en av de mest brukte størrelsene i dypsyklusapplikasjoner. Denne 100AH-generalforsamlingen har blitt sammenlignet med en 100AH LiFePO4 for å sammenligne en lignende for like så nær som mulig.
Funksjon - Vekt:
Sammenligning
- LifePO4 er mindre enn halvparten av vekten til SLA
- AGM Dyp syklus - 27,5 kg
- LiFePO4 - 12,2 kg
fordeler
- Øker drivstoffeffektiviteten
- I applikasjoner med campingvogn og båt reduseres tauingsvekten.
- Øker hastigheten
- I båtapplikasjoner kan vannhastigheten økes
- Reduksjon i totalvekt
- Lengre kjøretid
Vekt har stor betydning for mange bruksområder, spesielt der det er tauing eller hastighet involvert, for eksempel campingvogn og båtliv. Andre bruksområder, inkludert bærbar belysning og kameraapplikasjoner der batteriene må bæres.
Funksjon - Større syklusliv:
Sammenligning
- Inntil 6 ganger syklusens levetid
- AGM Dyp syklus - 300 sykluser @ 100% DoD
- LiFePO4 - 2000 sykluser @ 100% DoD
fordeler
- Lavere totale eierkostnader (kostnad per kWh mye lavere over batteriets levetid for LiFePO4)
- Reduksjon i utskiftingskostnader - erstatt generalforsamlingen opptil 6 ganger før LiFePO4 må byttes ut
Jo større levetid på syklusen betyr at de ekstra kostnadene på forhånd for et LiFePO4-batteri er mer enn kompensert for bruk av batteriet over levetid. Hvis den brukes daglig, må en generalforsamling byttes ut ca. 6 ganger før LiFePO4 må byttes ut
Funksjon - Flat Discharge Curve:
Sammenligning
- Ved 0,2C (20A) utslipp
- AGM - synker under 12V etter
- 1,5 timer kjøretid
- LiFePO4 - synker under 12V etter omtrent 4 timer med kjøretid
fordeler
- Mer effektiv bruk av batterikapasitet
- Kraft = volt x ampere
- Når spenningen begynner å slippe, må batteriet levere høyere forsterkere for å gi samme mengde strøm.
- Høyere spenning er bedre for elektronikk
- Lengre driftstid for utstyr
- Full bruk av kapasitet selv med høy utladningshastighet
- AGM @ 1C utladning = 50% kapasitet
- LiFePO4 @ 1C utladning = 100% kapasitet
Denne funksjonen er lite kjent, men er en sterk fordel, og den gir flere fordeler. Med den flate utladningskurven til LiFePO4, holder terminalspenningen over 12V for opptil 85-90% kapasitetsbruk. På grunn av dette kreves det mindre forsterkere for å levere samme mengde strøm (P = VxA), og derfor fører den mer effektive bruken av kapasiteten til lengre driftstid. Brukeren vil heller ikke legge merke til at enheten går tregere (for eksempel golfbil) tidligere.
Sammen med dette er effekten av Peukerts lov mye mindre signifikant med litium enn for generalforsamlingen. Dette resulterer i å ha tilgjengelig en stor prosentandel av batteriets kapasitet uansett utladningshastighet. Ved 1C (eller 100A utladning for 100AH batteri) vil LiFePO4-alternativet fortsatt gi deg 100AH vs bare 50AH for AGM.
Funksjon - Økt kapasitetsbruk:
Sammenligning
- Generalforsamling anbefalt DoD = 50%
- LiFePO4 anbefalte DoD = 80%
- AGM Dyp syklus - 100AH x 50% = 50Ah brukbar
- LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
- Forskjell = 30 Ah eller 60% mer kapasitetsbruk
fordeler
- Økt driftstid eller mindre kapasitet batteri for utskifting
Den økte bruken av den tilgjengelige kapasiteten gjør at brukeren enten kan få tak i opptil 60% mer kjøretid fra det samme kapasitetsalternativet i LiFePO4, eller alternativt velge et LiFePO4-batteri med mindre kapasitet mens han fortsatt oppnår samme driftstid som den større AGM-kapasiteten.
Funksjon - større kostnadseffektivitet:
Sammenligning
- AGM - Full lading tar ca. 8 timer
- LiFePO4 - Full lading kan være så lav som 2 timer
fordeler
- Batteriet ladet og klar til å brukes igjen raskere
En annen sterk fordel i mange applikasjoner. På grunn av lavere indre motstand blant andre faktorer, kan LiFePO4 akseptere lading med mye større hastighet enn generalforsamling. Dette gjør at de kan lades og klar til å brukes mye raskere, noe som fører til mange fordeler.
Funksjon - Lav selvutladningsgrad:
Sammenligning
- AGM - Utslipp til 80% SOC etter 4 måneder
- LiFePO4 - Utslipp til 80% etter 8 måneder
fordeler
- Kan ligge i lagring i en lengre periode
Denne funksjonen er en stor en for fritidskjøretøyene som bare kan brukes i et par måneder i året før de går i lagring resten av året som campingvogner, båter, motorsykler og jetski osv. Sammen med dette punktet, LiFePO4 kalkulerer ikke, og selv etter å ha blitt stående i lengre tid, er det mindre sannsynlig at batteriet blir permanent skadet. Et LiFePO4-batteri skades ikke av at det ikke blir lagret i oppladet tilstand.
Så hvis applikasjonene garanterer noen av funksjonene ovenfor, vil du være sikker på å få pengene dine verdt for den ekstra bruken på et LiFePO4-batteri. Oppfølgingsartikkelen vil følge i løpet av de kommende ukene som vil omfatte sikkerhetsaspektene på LiFePO4 og forskjellige litiumkjemier.
100% sikker betaling
