Princips un definīcijas

2020-08-11 08:07

Akumulatora vai akumulācijas sistēmas jauda un enerģija

Baterijas vai akumulatora ietilpība ir enerģijas daudzums, kas tiek uzkrāts atbilstoši noteiktai temperatūrai, lādēšanas un izlādes strāvas vērtībai un uzlādes vai izlādes laikam.

Nominālā ietilpība un C likme

C likme tiek izmantota, lai izmērītu akumulatora uzlādes un izlādes strāvu. Dotajai ietilpībai C likme ir mērs, kas norāda, ar kādu strāvu akumulators tiek uzlādēts un izlādēts, lai sasniegtu noteikto jaudu. 

Ar 1C (vai C / 1) lādēšanu tiek ielādēts akumulators, kura nominālais spriegums ir, piemēram, 1000 Ah pie 1000 A vienas stundas laikā, tāpēc stundas beigās akumulators sasniedz 1000 Ah jaudu; 1C (vai C / 1) izlāde akumulatoru izlādējas ar tādu pašu ātrumu.
Ar 0,5C vai (C / 2) lādēšanu tiek ielādēts akumulators, kura nominālais spriegums ir, piemēram, 1000 Ah pie 500 A, tāpēc akumulatora uzlādēšana ar nominālo jaudu 1000 Ah ir nepieciešama divas stundas;
Ar 2C lādēšanu tiek ielādēts akumulators, kura nominālais spriegums ir, teiksim, 1000 Ah pie 2000 A, tāpēc teorētiski akumulatora uzlādēšana ar nominālo jaudu 1000 Ah prasa 30 minūtes;
Ah vērtējums parasti tiek norādīts uz akumulatora.
Pēdējais piemērs - svina skābes akumulators ar C10 (vai C / 10) nominālo ietilpību 3000 Ah ir jāuzlādē vai jāizlādē 10 stundās ar pašreizējo lādiņu vai izlādi 300 A.

Kāpēc ir svarīgi zināt akumulatora C likmi vai C reitingu?

C likme ir svarīgs akumulatora dati, jo lielākajai daļai akumulatoru uzkrātā vai pieejamā enerģija ir atkarīga no uzlādes vai izlādes strāvas ātruma. Parasti noteiktā ietilpībā jums būs mazāk enerģijas, ja izlādēsities vienā stundā nekā tad, ja izlādēsities 20 stundās, savukārt akumulatorā ar pašreizējo lādiņu 100 A 1 stundas laikā jūs patērēsit mazāk enerģijas nekā ar pašreizējo lādiņu 10 A 10 stundu laikā.

Formula, lai aprēķinātu pašreizējo pieejamo akumulatora sistēmas izejā

Kā aprēķināt akumulatora izejas strāvu, jaudu un enerģiju pēc C likmes?
Vienkāršākā formula ir:

I = Cr * Er
vai
Cr = I / Er
Kur
Er = nominālā enerģija, kas uzkrāta Ah (akumulatora nominālā ietilpība, ko norādījis ražotājs)
I = uzlādes vai izlādes strāva ampēros (A)
Cr = akumulatora C likme
Vienādojums, lai iegūtu uzlādes vai uzlādes laiku vai izlādi "t" atbilstoši pašreizējai un nominālajai jaudai:
t = Er / I
t = laiks, lādēšanas vai izlādes ilgums (izpildlaiks) stundās
Saistība starp Cr un t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Kā darbojas litija jonu akumulatori

Litija jonu akumulatori ir neticami populāri šajās dienās. Tos varat atrast klēpjdatoros, plaukstdatoros, mobilajos tālruņos un iPod. Viņi ir tik izplatīti, jo, lai iegūtu mārciņu par mārciņu, ir dažas no enerģētiski pieejamākajām uzlādējamām baterijām.

Pēdējā laikā jaunumos ir arī litija jonu akumulatori. Tas ir tāpēc, ka šīm baterijām ir iespēja reizēm uzliesmot liesmām. Tas nav ļoti bieži - tikai diviem vai trim akumulatoriem uz miljonu ir problēma - bet, kad tas notiek, tas ir ārkārtīgi. Dažās situācijās kļūmju līmenis var pieaugt, un, kad tas notiek, jūs galu galā atsaucat akumulatora atsaukšanu visā pasaulē, kas ražotājiem var maksāt miljoniem dolāru.

Tātad jautājums ir, kas padara šīs baterijas tik enerģiskas un tik populāras? Kā viņi uzliesmo liesmā? Un vai jūs varat kaut ko darīt, lai novērstu problēmu vai palīdzētu akumulatoriem ilgāk darboties? Šajā rakstā mēs atbildēsim uz šiem un vēl citiem jautājumiem.

Litija jonu akumulatori ir populāri, jo tiem ir vairākas svarīgas priekšrocības salīdzinājumā ar konkurējošām tehnoloģijām:

• Parasti tie ir daudz vieglāki nekā cita veida tāda paša izmēra uzlādējamās baterijas. Litija jonu akumulatora elektrodi ir izgatavoti no viegla litija un oglekļa. Litijs ir arī ļoti reaģējošs elements, kas nozīmē, ka tā atomu saitēs var uzglabāt daudz enerģijas. Tas nozīmē, ka litija jonu akumulatoriem ir ļoti augsts enerģijas blīvums. Šis ir veids, kā iegūt enerģijas blīvuma perspektīvu. Tipisks litija jonu akumulators var uzglabāt 150 vatstundas elektroenerģijas 1 kilogramā akumulatora. NiMH (niķeļa-metāla hidrīda) akumulators var uzglabāt varbūt 100 vatstundas uz kilogramu, lai gan 60 līdz 70 vatstundas varētu būt raksturīgākas. Svina-skābes akumulators var uzglabāt tikai 25 vatstundas uz kilogramu. Izmantojot svina-skābes tehnoloģiju, nepieciešams 6 kilogrami, lai saglabātu tādu pašu enerģijas daudzumu, kādu spēj apstrādāt 1 kilograma litija jonu akumulators. Tā ir milzīga atšķirība
• Viņi tur savu atbildību. Litija jonu akumulatoru pakete mēnesī zaudē tikai apmēram 5 procentus no uzlādes, salīdzinot ar NiMH akumulatoriem 20 procentiem mēnesī.
• Tiem nav atmiņas efekta, kas nozīmē, ka pirms uzlādēšanas tie nav pilnībā jāizlādē, tāpat kā dažās citās akumulatoru ķīmijās.
• Litija jonu akumulatori var izturēt simtiem uzlādes / izlādes ciklu.

Tas nenozīmē, ka litija jonu akumulatori ir nevainojami. Viņiem ir arī daži trūkumi:

• Viņi sāk degradēties, tiklīdz viņi atstāj rūpnīcu. Tie ilgs tikai divus vai trīs gadus no izgatavošanas dienas neatkarīgi no tā, vai jūs tos izmantojat vai nelietojat.
• Viņi ir īpaši jutīgi pret augstām temperatūrām. Karstums izraisa litija jonu akumulatoru noārdīšanos daudz ātrāk nekā parasti.
• Ja pilnībā izlādējat litija jonu akumulatoru, tas tiek sabojāts.
• Litija jonu akumulatora komplektam jābūt iebūvētam datoram, lai pārvaldītu akumulatoru. Tas padara tos vēl dārgākus nekā tie jau ir.
• Pastāv neliela iespējamība, ka, ja litija jonu akumulators neizdosies, tas eksplodēs liesmā.

Daudzas no šīm īpašībām var saprast, aplūkojot ķīmiju litija jonu šūnā. Mēs apskatīsim šo nākamo.

Litija jonu akumulatoru komplekti ir dažādu formu un izmēru, taču iekšpusē tie visi izskatās aptuveni vienādi. Ja jūs ņemtu līdzi klēpjdatora akumulatora komplektu (kaut ko tādu, ko mēs neieteiktu, jo ir iespēja īslaicīgi izņemt akumulatoru un uzsākt ugunsgrēku), jūs atradīsit sekojošo:

• Litija jonu elementi var būt vai nu cilindriski akumulatori, kas izskatās gandrīz identiski AA elementiem, vai arī tie var būt prizmatiski, tas nozīmē, ka tie ir kvadrātveida vai taisnstūrveida. Dators, kurā ietilpst:
• Viens vai vairāki temperatūras sensori, lai uzraudzītu akumulatora temperatūru
• Sprieguma pārveidotājs un regulatora ķēde, lai uzturētu drošu sprieguma un strāvas līmeni
• Ekranēts piezīmjdatora savienotājs, kas ļauj enerģijai un informācijai ienākt un izkļūt no akumulatora
• Sprieguma krāns, kas uzrauga akumulatora blokā esošo atsevišķo elementu enerģijas ietilpību
• Akumulatora uzlādes stāvokļa monitors, kas ir mazs dators, kas apstrādā visu lādēšanas procesu, lai pārliecinātos, ka akumulatori tiek uzlādēti pēc iespējas ātrāk un pilnīgāk.

Ja akumulatora komplekts uzlādēšanas vai lietošanas laikā kļūst pārāk karsts, dators izslēgs strāvas padevi, lai mēģinātu atdzist. Ja atstājat klēpjdatoru īpaši karstā automašīnā un mēģināt izmantot klēpjdatoru, šis dators var neļaut jums ieslēgties, līdz lietas atdziest. Ja šūnas kādreiz pilnībā izlādējas, akumulators tiks izslēgts, jo elementi ir sagrauti. Tas var arī sekot līdzi uzlādes / izlādes ciklu skaitam un izsūtīt informāciju, lai klēpjdatora akumulatora mērītājs varētu pateikt, cik daudz uzlādes ir atstāts akumulatorā.

Tas ir diezgan sarežģīts mazs dators, un tas patērē akumulatorus. Šis enerģijas patēriņš ir viens no iemesliem, kāpēc litija jonu akumulatori katru mēnesi zaudē 5 procentus no enerģijas, sēžot dīkstāvē.

Litija jonu šūnas

Tāpat kā lielākajai daļai bateriju, jums ir ārējais korpuss, kas izgatavots no metāla. Īpaši svarīga šeit ir metāla izmantošana, jo akumulators ir zem spiediena. Šajā metāla korpusā ir sava veida spiedienjutīgs ventilācijas caurums. Ja akumulators kādreiz kļūst tik karsts, ka tas var eksplodēt no pārspiediena, šī ventilācija atbrīvos papildu spiedienu. Pēc tam akumulators, iespējams, būs bezjēdzīgs, tāpēc no tā vajadzētu izvairīties. Ventilācijas atvere ir stingri tur kā drošības līdzeklis. Tāpat ir pozitīvā temperatūras koeficienta (PTC) slēdzis - ierīce, kas, domājams, neļauj akumulatoram pārkarst.

Šis metāla korpuss satur garu spirāli, kas sastāv no trim plānām, savstarpēji saspiestām loksnēm:

• Pozitīvs elektrods
• Negatīvs elektrods
• Atdalītājs

Korpusa iekšpusē šīs loksnes ir iegremdētas organiskā šķīdinātājā, kas darbojas kā elektrolīts. Ēters ir viens parasts šķīdinātājs.

Atdalītājs ir ļoti plānas mikro perforētas plastmasas loksne. Kā norāda nosaukums, tas atdala pozitīvos un negatīvos elektrodus, vienlaikus ļaujot joniem iziet cauri.

Pozitīvais elektrods ir izgatavots no litija kobalta oksīda vai LiCoO2. Negatīvais elektrods ir izgatavots no oglekļa. Kad akumulators ir uzlādējies, litija joni pārvietojas caur elektrolītu no pozitīvā elektroda uz negatīvo elektrodu un piestiprina pie oglekļa. Izlādes laikā litija joni no oglekļa pārvietojas atpakaļ uz LiCoO2.

Šo litija jonu kustība notiek ar diezgan augstu spriegumu, tāpēc katra šūna rada 3,7 voltus. Tas ir daudz lielāks nekā 1,5 volti, kas raksturīgi normālai AA sārma baterijai, kuru iegādājaties lielveikalā, un tas palīdz padarīt litija jonu akumulatorus kompaktākus mazās ierīcēs, piemēram, mobilajos tālruņos. Lai iegūtu sīkāku informāciju par dažādām akumulatoru ierīcēm, skat.

Mēs apskatīsim, kā pagarināt litija jonu akumulatora kalpošanas laiku, un izpētīsim, kāpēc tie var eksplodēt nākamreiz.

Litija jonu akumulatora darbības laiks un nāve

Litija jonu akumulatori ir dārgi, tāpēc, ja vēlaties, lai tie kalpotu ilgāk, atcerieties dažas lietas:

• Litija jonu ķīmija dod priekšroku daļējai izlādei, nevis dziļajai izlādei, tāpēc vislabāk ir izvairīties no akumulatora ņemšanas līdz galam. Tā kā litija jonu ķīmijai nav "atmiņas", jūs nekaitējat akumulatora blokam ar daļēju izlādi. Ja litija jonu šūnas spriegums nokrītas zem noteikta līmeņa, tas tiek sagrauts.
• Litija jonu akumulatoru vecums. Viņi ilgst tikai divus līdz trīs gadus, pat ja viņi sēž uz plaukta neizmantoti. Tāpēc nevajag "izvairīties no akumulatora lietošanas" ar domu, ka akumulators ilgs piecus gadus. Tā nebūs. Turklāt, ja jūs pērkat jaunu akumulatora komplektu, vēlaties pārliecināties, vai tas tiešām ir jauns. Ja tas jau gadu ir sēdējis veikalā pie plaukta, tas ilgi nekalpos. Ražošanas datumi ir svarīgi.
• Izvairieties no karstuma, kas pasliktina baterijas.

Eksplodējošas baterijas

Tagad, kad mēs zinām, kā litija jonu baterijas darboties ilgāk, apskatīsim, kāpēc tās var eksplodēt.

Ja akumulators kļūst pietiekami karsts, lai aizdedzinātu elektrolītu, jūs iegūsit uguni. Tīmeklī ir videoklipi un fotoattēli, kas parāda, cik nopietni šie ugunsgrēki var būt. CBC rakstā “Eksplodējošā klēpjdatora vasara” ir aprakstīti vairāki no šiem gadījumiem.

Kad notiek tāds ugunsgrēks, to parasti izraisa iekšējs akumulatora īssavienojums. No iepriekšējās sadaļas atgādiniet, ka litija jonu šūnās ir atdalītāja lapa, kas pozitīvos un negatīvos elektrodus tur atsevišķi. Ja šī lapa tiek sadurta un elektrodi pieskaras, akumulators ļoti ātri uzkarst. Iespējams, ka esat pieredzējis tāda veida siltumu, kādu akumulators var radīt, ja kādreiz kabatā esat ievietojis parasto 9 voltu akumulatoru. Ja monēta saīsina pāri abiem spailēm, akumulators kļūst diezgan karsts.

Atdalītāja kļūmes gadījumā tāda paša veida īss notiek litija jonu akumulatora iekšpusē. Tā kā litija jonu baterijas ir tik enerģiskas, tās ļoti sakarst. Karstums liek akumulatoram izvadīt organisko šķīdinātāju, ko izmanto kā elektrolītu, un siltums (vai tuvumā esoša dzirkstele) to var aizdedzināt. Kad tas notiek vienas kameras iekšpusē, uguns karstums nonāk līdz citām kamerām un viss iepakojums uzliesmo liesmās.

Ir svarīgi atzīmēt, ka ugunsgrēki ir ļoti reti. Tomēr tas prasa tikai dažus ugunsgrēkus un nedaudz informācijas nesēju pārklājums, lai nekavējoties atsauktu.

Dažādas litija tehnoloģijas

Pirmkārt, ir svarīgi atzīmēt, ka ir daudz veidu “litija jonu” akumulatori. Punkts, kas jāpiezīmē šajā definīcijā, attiecas uz “bateriju saimi”.
Šajā saimē ir vairākas dažādas “litija jonu” baterijas, kuru katodam un anodam ir izmantoti dažādi materiāli. Tā rezultātā tiem piemīt ļoti atšķirīgas īpašības, un tāpēc tie ir piemēroti dažādiem lietojumiem.

Litija dzelzs fosfāts (LiFePO4)

Litija dzelzs fosfāts (LiFePO4) ir labi pazīstama litija tehnoloģija Austrālijā, pateicoties tās plašajai izmantošanai un piemērotībai plaša spektra lietojumiem.
Īpašības, kas saistītas ar zemu cenu, augstu drošību un labu īpatnējo enerģiju, padara to par spēcīgu iespēju daudziem lietojumiem.
LiFePO4 šūnas spriegums 3,2 V / šūna arī padara to par izvēlēto litija tehnoloģiju slēgtā svina skābes nomaiņai vairākās galvenajās lietojumprogrammās.

LiPO akumulators

No visām pieejamajām litija iespējām ir vairāki iemesli, kāpēc LiFePO4 tika izvēlēts kā ideāla litija tehnoloģija SLA nomaiņai. Galvenie iemesli ir tā labvēlīgās īpašības, aplūkojot galvenos lietojumus, kur pašlaik pastāv SLA. Tie ietver:

• Līdzīgs spriegums kā SLA (3,2 V uz šūnu x 4 = 12,8 V), padarot tos ideālus SLA nomaiņai.
• Litija tehnoloģiju drošākais veids.
• Videi draudzīgs - fosfāts nav bīstams, tāpēc ir draudzīgs gan videi, gan neapdraud veselību.
• Plašs temperatūras diapazons.

Īpašības un priekšrocības LiFePO4 salīdzinot ar SLA

Zemāk ir norādītas dažas litija dzelzs fosfāta akumulatora galvenās iezīmes, kas daudzām lietojumprogrammām sniedz ievērojamas SLA priekšrocības. Tas nebūt nav pilnīgs saraksts, tomēr tas attiecas uz galvenajiem jautājumiem. Par SLA ir izvēlēta 100AH AGM baterija, jo tas ir viens no visbiežāk izmantotajiem izmēriem dziļa cikla lietojumos. Šis 100AH AGM tika salīdzināts ar 100AH LiFePO4, lai salīdzinātu līdzīgus pēc iespējas tuvāk.

Iezīme - Svars:

Salīdzinājums

• LifePO4 ir mazāks par pusi no SLA svara
• AGM dziļais cikls - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

Ieguvumi

• Palielina degvielas efektivitāti
  • Lietojot treileru un laivu, vilkšanas svars ir samazināts.
• Palielina ātrumu
  • Laivu lietojumos ūdens ātrumu var palielināt
• Kopējā svara samazinājums
• Ilgāks izpildes laiks

Svaram ir liela ietekme uz daudziem lietojumiem, it īpaši gadījumos, kad vilcējspēks vai ātrums ir iesaistīts, piemēram, piekabju un laivu pārvadāšanā. Citas lietojumprogrammas, ieskaitot portatīvo apgaismojumu un kameru lietojumprogrammas, kurās ir jāņem baterijas.

Iezīme - lielāks cikla darbības laiks:

Salīdzinājums

• Cikla ilgums līdz 6 reizēm
• AGM dziļais cikls - 300 cikli @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 cikli @ 100% DoD

Ieguvumi

• Zemākas kopējās īpašumtiesību izmaksas (LiFePO4 akumulatora kalpošanas laikā maksa par kWh ir daudz zemāka)
• Aizstāšanas izmaksu samazināšana - nomainiet AGM līdz 6 reizēm, pirms LiFePO4 ir jāmaina

Lielāks cikla darbības laiks nozīmē, ka LiFePO4 akumulatora papildu sākotnējās izmaksas ir lielākas nekā akumulatora lietošanas laikā. Ja AGM lieto katru dienu, AGM būs jāaizstāj apm. 6 reizes pirms LiFePO4 nomaiņa ir nepieciešama

Iezīme - vienotas izlādes līkne:

Salīdzinājums

• Pie izlādes 0,2C (20A)
• AGM - nokrītas zem 12 V pēc
• 1,5 stundas izpildlaika
• LiFePO4 - noslīd zem 12 V pēc aptuveni 4 stundām izpildlaika

Ieguvumi

• Efektīvāka akumulatora jaudas izmantošana
• Jauda = voltos x ampēros
• Tiklīdz spriegums sāk kristies, akumulatoram būs jāpiegādā lielāki ampēri, lai nodrošinātu tādu pašu enerģijas daudzumu.
• Augstāks spriegums ir labāks elektronikai
• Ilgāks iekārtas darbības laiks
• Pilna jaudas izmantošana pat ar lielu izlādes ātrumu
• AGM @ 1C izlāde = 50% jauda
• LiFePO4 @ 1C izlāde = 100% ietilpība

Šī funkcija ir maz zināma, taču tai ir liela priekšrocība, un tā sniedz vairākas priekšrocības. Izmantojot LiFePO4 plakano izlādes līkni, spailes spriegums ir lielāks par 12 V, izmantojot jaudu līdz 85-90%. Tāpēc ir nepieciešams mazāk ampēru, lai piegādātu tādu pašu enerģijas daudzumu (P = VxA), un tāpēc efektīvāka jaudas izmantošana rada ilgāku darbības laiku. Lietotājs arī nepamanīs ierīces palēnināšanos (piemēram, golfa grozs) agrāk.

Līdz ar to Peukerta likuma ietekme uz litiju ir daudz mazāk nozīmīga nekā AGM. Tā rezultātā ir pieejams liels akumulatora jaudas procents neatkarīgi no izlādes ātruma. Pie 1C (vai 100A izlādes 100AH akumulatoram) LiFePO4 opcija joprojām sniegs jums 100AH, salīdzinot ar tikai 50AH AGM.

Iezīme - palielināta jaudas izmantošana:

Salīdzinājums

• AGM ieteicamais DoD = 50%
• LiFePO4 ieteicamais DoD = 80%
• AGM Dziļais cikls - 100AH x 50% = 50Ah izmantojams
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Atšķirība = 30Ah vai par 60% lielāka jaudas izmantošana

Ieguvumi

• Palielināts izpildlaiks vai mazākas ietilpības akumulators nomaiņai

Plašāka pieejamās ietilpības izmantošana nozīmē, ka lietotājs no vienas un tās pašas LiFePO4 ietilpības opcijas var iegūt līdz pat 60% lielāku izpildes laiku, vai arī izvēlēties mazākas ietilpības LiFePO4 akumulatoru, vienlaikus panākot tādu pašu darbības laiku kā lielākas ietilpības AGM.

Iezīme - lielāka uzlādes efektivitāte:

Salīdzinājums

• AGM - pilna maksa aizņem apm. 8 stundas
• LiFePO4 - pilna uzlāde var sasniegt 2 stundas

Ieguvumi

• Akumulators ir uzlādēts un gatavs lietošanai ātrāk

Vēl viens spēcīgs ieguvums daudzās lietojumprogrammās. Tā kā starp citiem faktoriem ir zemāka iekšējā pretestība, LiFePO4 var pieņemt lādiņu ar daudz lielāku ātrumu nekā AGM. Tas ļauj tos uzlādēt un gatavs lietošanai daudz ātrāk, radot daudz priekšrocību.

Iezīme - zems pašizlādes līmenis:

Salīdzinājums

• AGM - Izlāde līdz 80% SOC pēc 4 mēnešiem
• LiFePO4 - izlāde līdz 80% pēc 8 mēnešiem

Ieguvumi

• Var atstāt glabāšanā ilgāku laiku

Šī funkcija ir liela atpūtas transportlīdzekļiem, kurus drīkst izmantot tikai dažus mēnešus gadā pirms nodošanas glabāšanā visu atlikušo gadu, piemēram, karavānas, laivas, motocikli un ūdens motocikli utt. Līdztekus šim punktam LiFePO4 neapslāpē un tāpēc pat pēc ilgstoša atstāšanas akumulators tiek neatgriezeniski sabojāts. LiFePO4 akumulatoram nekaitē tas, ka tas netiek atstāts pilnībā uzlādētā stāvoklī.

Tātad, ja jūsu lietojumprogrammas attaisno kādu no iepriekšminētajām funkcijām, jūs noteikti iegūsit naudas summu, kas nepieciešama papildu iztērēšanai LiFePO4 akumulatoram. Nākamajās nedēļās sekos raksts par turpinājumu, kurā būs iekļauti LiFePO4 un dažādu litija ķīmijas drošības aspekti.