Periaate ja määritelmät

2020-08-11 08:07

Akun tai säilytysjärjestelmän kapasiteetti ja energia

Pariston tai akun kapasiteetti on varastoidun energian määrä tietyn lämpötilan, lataus- ja purkuvirran arvon sekä lataus- tai purkausajan mukaan.

Nimelliskapasiteetti ja C-luokka

C-nopeutta käytetään akun lataus- ja purkuvirran skaalaamiseen. Tietyllä kapasiteetilla C-nopeus on mitta, joka ilmaisee akun latausvirran ja virran purettu saavuttamaan määritelty kapasiteettinsa. 

1C (tai C / 1) -lataus lataa akun, jonka nimellisarvo on esimerkiksi 1000 Ah 1000 A: n lämpötilassa yhden tunnin aikana, joten tunnin lopussa akku saavuttaa 1000 Ah: n kapasiteetin; 1C (tai C / 1) -purkaus tyhjentää akun samalla nopeudella.
0,5C tai (C / 2) -lataus lataa akun, jonka nimellisarvo on esimerkiksi 1000 Ah 500 A: lla, joten akun lataaminen nimelliskapasiteetilla 1000 Ah kestää kaksi tuntia;
2C-lataus lataa akun, jonka nimellisarvo on esimerkiksi 1000 Ah 2000 A: lla, joten akun lataaminen nimelliskapasiteetilla 1000 Ah kestää teoriassa 30 minuuttia;
Ah-luokitus on yleensä merkitty akkuun.
Viimeinen esimerkki lyijyakku, jonka C10 (tai C / 10) nimelliskapasiteetti on 3000 Ah, tulisi ladata tai purkaa 10 tunnissa virran ollessa 300 A.

Miksi on tärkeää tietää akun C-luokka tai C-luokka

C-nopeus on tärkeä tieto akulle, koska suurimman osan akkuihin varastoitu tai saatavissa oleva energia riippuu lataus- tai purkausvirran nopeudesta. Yleensä tietyllä kapasiteetilla sinulla on vähemmän energiaa, jos purkaudut yhdessä tunnissa kuin jos purkaudut 20 tunnissa, käänteisesti säästät vähemmän energiaa akussa, jonka virtavara on 100 A 1 tunnin aikana, kuin nykyisellä varauksella. 10 A 10 tunnin aikana.

Kaava akkujärjestelmän ulostulossa käytettävissä olevan virran laskemiseksi

Kuinka laskea akun lähtövirta, teho ja energia C-arvon mukaan?
Yksinkertaisin kaava on:

I = Cr * Er
tai
Cr = I / Er
Missä
Er = Ah: na varastoitu nimellisenergia (akun nimellinen kapasiteetti valmistajan ilmoittamana)
I = varaus- tai purkausvirta ampeereissa (A)
Cr = akun C-nopeus
Yhtälö latausajan saamiseksi tai purkamiseksi "t" virran ja nimelliskapasiteetin mukaan on:
t = Er / I
t = aika, varauksen tai purkauksen kesto (ajonaika) tunneissa
Cr: n ja t: n suhde:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Kuinka litium-ioni-akut toimivat

Litium-ioni-akut ovat uskomattoman suosittuja nykyään. Löydät ne kannettavista tietokoneista, PDA-tietokoneista, matkapuhelimista ja iPodista. Ne ovat niin yleisiä, että koska kiloa puntaa varten, ne ovat eräitä energiatehokkaimpia ladattavia akkuja.

Litium-ioni-akut ovat olleet myös viime aikoina uutisissa. Tämä johtuu siitä, että näillä akkuilla on mahdollisuus räjähtää liekkeihin satunnaisesti. Se ei ole kovin yleistä - vain kahdella tai kolmella akulla miljoonassa on ongelma - mutta kun se tapahtuu, se on äärimmäinen. Joissakin tilanteissa vikaantumisaste voi nousta, ja kun se tapahtuu, lopulta tapahtuu maailmanlaajuinen akun palautus, joka voi maksaa valmistajille miljoonia dollareita.

Joten kysymys on, mikä tekee näistä akkuista niin energisiä ja niin suosittuja? Kuinka ne räjähtävät liekissä? Ja voitko tehdä mitään estääksesi ongelman tai auttaaksesi akkuja kestämään kauemmin? Tässä artikkelissa vastaamme näihin kysymyksiin ja enemmän.

Litium-ioni-akut ovat suosittuja, koska niillä on useita tärkeitä etuja verrattuna kilpaileviin tekniikoihin:

• Ne ovat yleensä paljon kevyempiä kuin muun tyyppiset samankokoiset akut. Litium-ioni-akun elektrodit ovat kevyitä litiumia ja hiiltä. Litium on myös erittäin reaktiivinen elementti, mikä tarkoittaa, että atomisidoksissa voidaan varastoida paljon energiaa. Tämä tarkoittaa erittäin suurta energiatiheyttä litium-ioni-akkuille. Tässä on tapa saada näkökulma energian tiheyteen. Tyypillinen litium-ioni-akku voi varastoida 150 wattituntia sähköä kilogrammassa akkua. NiMH (nikkelimetallihydridi) akku voi varastoida ehkä 100 wattituntia kilogrammaa kohti, vaikkakin 60–70 wattituntia voisi olla tyypillisempi. Lyijyakku voi varastoida vain 25 watituntia kilogrammaa kohti. Lyijyhappoteknologiaa käyttämällä kuluu 6 kiloa saman määrän energiaa, jonka 1 kilogramman litium-ioniakku pystyy käsittelemään. Se on valtava ero
• He pidävät vastuunsa. Litium-ioni-akku menettää vain noin 5 prosenttia latauksestaan kuukaudessa, kun taas NiMH-akkujen häviö on 20 prosenttia kuukaudessa.
• Niillä ei ole muistivaikutusta, mikä tarkoittaa, että sinun ei tarvitse tyhjentää niitä kokonaan ennen lataamista, kuten joissakin muissa akkukemioissa.
• Litium-ioni-akut pystyvät käsittelemään satoja lataus- / purkausjaksoja.

Tämä ei tarkoita, että litium-ioni-akut ovat virheettömiä. Heillä on myös muutama haitta:

• Ne alkavat heikentyä heti poistuessaan tehtaalta. Ne kestävät vain kaksi tai kolme vuotta valmistuspäivästä riippumatta siitä, käytätkö niitä.
• Ne ovat erittäin herkkiä korkeille lämpötiloille. Kuumuus litium-ioni-akkupakkauksia hajoaa paljon nopeammin kuin normaalisti.
• Jos purkaat litiumioniakun kokonaan, se pilaantuu.
• Litiumioniakkupaketilla on oltava sisäänrakennettu tietokone akun hallintaan. Tämä tekee niistä entistä kalliimpia kuin he jo ovat.
• On pieni mahdollisuus, että jos litium-ioni-akku vioittuu, se räjähtää liekissä.

Monet näistä ominaisuuksista voidaan ymmärtää tarkastelemalla kemiaa litium-ioni-kennon sisällä. Tarkastelemme tätä seuraavaksi.

Litium-ioni-akkupakkauksia on kaiken muotoisia ja kokoisia, mutta ne näyttävät sisäpuolelta suunnilleen samanlaisia. Jos tarvitset erilleen kannettavan tietokoneen akkupakkauksen (jota emme suosittele akun oikosulun ja tulipalon mahdollisuuden vuoksi), löydät seuraavan:

• Litium-ionikennot voivat olla joko lieriömäisiä paristoja, jotka näyttävät melkein identtisiltä AA-kennojen kanssa, tai ne voivat olla prismaisia, mikä tarkoittaa, että ne ovat neliömäisiä tai suorakaiteen muotoisia. Tietokone, joka käsittää:
• Yksi tai useampi lämpötila-anturi akun lämpötilan seuraamiseksi
• Jännitemuunnin ja säädinpiiri pitämään jännitteen ja virran turvalliset tasot
• Suojattu kannettavan tietokoneen liitin, jonka avulla virta ja tiedot voivat virtata akusta ja ulos
• Jännitehana, joka tarkkailee akun yksittäisten kennojen energiakapasiteettia
• Akun lataustilan valvonta, joka on pieni tietokone, joka käsittelee koko latausprosessin varmistaaksesi, että akut latautuvat mahdollisimman nopeasti ja täydellisesti.

Jos akku kuumenee liian kuumaan lataamisen tai käytön aikana, tietokone sammuttaa virran virran yrittääkseen jäähtyä. Jos jätät kannettavan tietokoneen erittäin kuumaan autoon ja yrität käyttää kannettavaa tietokonetta, tämä tietokone saattaa estää sinua käynnistämästä, kunnes asiat jäähtyvät. Jos kennot tyhjenevät kokonaan, akku sammuu, koska kennot pilaantuvat. Se voi myös seurata lataus- / purkaussyklien lukumäärää ja lähettää tietoja, jotta kannettavan tietokoneen akkumittari voi kertoa, kuinka paljon varausta on jäljellä akussa.

Se on melko hienostunut pieni tietokone, ja se kuluttaa virtaa akkuista. Tämä virrankulutus on yksi syy siihen, miksi litium-ioni-akut menettävät 5 prosenttia voimastaan kuukausittain lepotilassa istuessaan.

Litium-ioni-solut

Kuten useimpien akkujen tapauksessa, myös ulkokotelo on valmistettu metallista. Metallin käyttö on tässä erityisen tärkeää, koska akku on paineistettu. Tässä metallikotelossa on jonkinlainen paineherkkä tuuletusaukko. Jos akku koskaan kuumenee niin, että se voi räjähtää ylipaineen vuoksi, tämä ilmaus vapauttaa ylimääräisen paineen. Akku on todennäköisesti turhia myöhemmin, joten tämä on jotain vältettävää. Ilma-aukko on ehdottomasti turvallisuustoimenpide. Samoin on positiivisen lämpötilan kerroin (PTC) -kytkin, laite, jonka on tarkoitus pitää akku ylikuumenemasta.

Tässä metallikotelossa on pitkä spiraali, joka käsittää kolme ohutta levyä, jotka on puristettu yhteen:

• Positiivinen elektrodi
• Negatiivinen elektrodi
• Erotin

Kotelon sisällä nämä levyt upotetaan orgaaniseen liuottimeen, joka toimii elektrolyyttinä. Eetteri on yksi yleinen liuotin.

Erotin on erittäin ohut mikrolävistetyn muovilevyn levy. Kuten nimestä voi päätellä, se erottaa positiiviset ja negatiiviset elektrodit antaen samalla ionien kulkea.

Positiivinen elektrodi on valmistettu litiumkobolttioksidista tai LiCoO2: sta. Negatiivinen elektrodi on valmistettu hiilestä. Kun akku latautuu, litiumionit siirtyvät elektrolyytin läpi positiivisesta elektrodista negatiiviseen elektrodiin ja kiinnittyvät hiileen. Purkamisen aikana litiumionit siirtyvät hiilestä takaisin LiCoO2: een.

Näiden litium-ionien liike tapahtuu melko korkealla jännitteellä, joten jokainen kenno tuottaa 3,7 volttia. Tämä on paljon suurempi kuin supermarketista ostamasi normaalin AA-alkalisolun tyypillinen 1,5 volttia, ja se auttaa tekemään litium-ioni-akkuista pienempiä pienissä laitteissa, kuten matkapuhelimissa. Katso paristojen käytöstä yksityiskohdat erilaisista akkukemioista.

Tarkastellaan kuinka pidentää litium-ioni-akun käyttöikää ja selvitetään miksi ne voivat räjähtää seuraavaksi.

Litium-ioni-akun käyttöikä ja kuolema

Litium-ioni-akkupaketit ovat kalliita, joten jos haluat pitää sinun kestävän kauemmin, pidä mielessä seuraavat asiat:

• Litiumionikemia suosii osittaista purkamista syväpurkautumiseen, joten on parasta välttää akun ottamista kokonaan nollaan. Koska litium-ionikemiassa ei ole "muistia", et vahingoita akkua osittaisella purkautumisella. Jos litium-ionikennon jännite laskee tietyn tason alapuolelle, se pilaantuu.
• Litium-ioni-akut vanhenevat. He kestävät vain kaksi tai kolme vuotta, vaikka he istuisivat hyllyllä käyttämättöminä. Joten älä "vältä" akun käyttöä ajattelemalla, että akku kestää viisi vuotta. Se ei tule. Lisäksi, jos ostat uuden akun, haluat varmistaa, että se todella on uusi. Jos se on istunut myymälän hyllyllä vuoden, se ei kestä kovin kauan. Valmistuspäivät ovat tärkeitä.
• Vältä kuumuutta, koska se heikentää paristoja.

Räjähtävät paristot

Nyt kun tiedämme kuinka pitää litium-ioni-akut pidempään toimivina, katsotaanpa miksi ne voivat räjähtää.

Jos akku kuumenee tarpeeksi syttyäksesi elektrolyyttiin, saat tulipalon. Webissä on videoleikkeitä ja valokuvia, jotka osoittavat, kuinka vakavat nämä palot voivat olla. CBC: n artikkeli "räjähtävän kannettavan tietokoneen kesä" pyöristää useita näistä tapauksista.

Kun tällainen tulipalo tapahtuu, sen aiheuttaa yleensä akun sisäinen oikosulku. Muista edellisestä osasta, että litium-ioni-solut sisältävät erotuslevyn, joka pitää positiiviset ja negatiiviset elektrodit erillään. Jos arkki puhkeaa ja elektrodit koskettavat, akku kuumenee erittäin nopeasti. Olet ehkä kokenut, millaista lämpöä akku voi tuottaa, jos olet koskaan laittanut normaalin 9 voltin akun taskuun. Jos kolikko oikossa kahden navan välillä, akku kuumenee melko kuuma.

Erottimen vikaantumisen yhteydessä samanlainen lyhyt tapahtuu litium-ioni-akun sisällä. Koska litium-ioniakut ovat niin energisiä, ne kuumenevat hyvin. Lämpö aiheuttaa akun tyhjentämisen elektrolyyttinä käytetystä orgaanisesta liuottimesta, ja lämpö (tai lähellä oleva kipinä) voi sytyttää sen. Kun se tapahtuu yhden kennon sisällä, tulipalon lämpö kaskaduu toisiin kennoihin ja koko pakkaus nousee liekkeihin.

On tärkeää huomata, että tulipalot ovat hyvin harvinaisia. Silti se vie vain pari tulipaloa ja vähän mediaa kattavuus nopeaa markkinoille saattamista varten.

Erilaiset litiumtekniikat

Ensinnäkin on tärkeää huomata, että litium-ioni-paristoja on monen tyyppisiä. Tässä määritelmässä huomioitava kohta viittaa ”paristoperheeseen”.
Tähän perheeseen kuuluu useita erilaisia “litium-ioni” -akkuja, jotka käyttävät katodille ja anodille erilaisia materiaaleja. Seurauksena on, että niillä on hyvin erilaisia ominaisuuksia, ja siksi ne soveltuvat erilaisiin sovelluksiin.

Litiumrautafosfaatti (LiFePO4)

Litiumrautafosfaatti (LiFePO4) on hyvin tunnettu litiumtekniikka Australiassa sen laajan käytön ja sopivuuden vuoksi moniin sovelluksiin.
Matalan hinnan, korkean turvallisuuden ja hyvän ominaisenergian ominaisuudet tekevät tästä vahvan vaihtoehdon moniin sovelluksiin.
LiFePO4-kennojännite, 3,2 V / solu, tekee siitä myös valitun litiumtekniikan suljetun lyijyhapon korvaamiseksi useissa tärkeissä sovelluksissa.

LiPO-akku

Kaikista käytettävissä olevista litiumvaihtoehdoista on useita syitä, miksi LiFePO4 on valittu ihanteelliseksi litiumteknologiaksi SLA: n korvaamiseksi. Tärkeimmät syyt ovat sen suotuisat ominaisuudet, kun tarkastellaan tärkeimpiä sovelluksia, joissa SLA: ta nykyisin on. Nämä sisältävät:

• Samanlainen jännite kuin SLA: ssa (3,2 V per solu x 4 = 12,8 V), mikä tekee niistä ihanteellisia SLA: n korvaamiseksi.
• Litiumtekniikan turvallisin muoto.
• Ympäristöystävällinen - fosfaatti ei ole vaarallinen, joten se on ystävällinen sekä ympäristölle että ei vaaranna terveyttä.
• Laaja lämpötila-alue.

Ominaisuudet ja edut LiFePO4 verrattuna SLA: han

Alla on joitain tärkeitä ominaisuuksia, litiumrautafosfaattiakkua, joka antaa SLA: lle merkittäviä etuja monissa sovelluksissa. Tämä ei ole kaikilta osiltaan täydellinen luettelo, mutta kattaa kuitenkin avaintiedot. 100AH AGM -akku on valittu SLA: ksi, koska tämä on yksi yleisimmistä kokoista syvän syklin sovelluksissa. Tätä 100AH AGM: ää on verrattu 100AH LiFePO4: een, jotta vertailtaisiin samanlaisia kuin mahdollisimman lähellä.

Ominaisuus - Paino:

Vertailu

• LifePO4 on alle puolet SLA: n painosta
• AGM Syvä sykli - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

hyötyjä

• Lisää polttoainetehokkuutta
  • Asuntovaunu- ja venesovelluksissa hinauspaino pienenee.
• Lisää nopeutta
  • Venesovelluksissa veden nopeutta voidaan lisätä
• Kokonaispainon aleneminen
• Pidempi käyttöaika

Painolla on suuri vaikutus moniin sovelluksiin, etenkin hinaamiseen tai siihen liittyvään nopeuteen, kuten asuntovaunuihin ja veneilyyn. Muut sovellukset, mukaan lukien kannettavat valaistus- ja kamerasovellukset, joissa paristot on kannettava.

Ominaisuus - suurempi pyöräilyikä:

Vertailu

• Jopa 6 kertaa syklin käyttöikä
• AGM Syvä sykli - 300 jaksoa @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 jaksoa @ 100% DoD

hyötyjä

• Alemmat kokonaiskustannukset (LiFePO4: n akun kustannukset ovat paljon alhaisemmat kWh: lta)
• Vaihtokustannusten aleneminen - vaihda yhtiökokous jopa kuusi kertaa ennen kuin LiFePO4 tarvitsee korvaamista

Pidempi käyttöikä tarkoittaa, että LiFePO4-akun ylimääräiset etukäteiskustannukset ovat enemmän kuin akun koko käyttöikä. Jos yhtiökokousta käytetään päivittäin, se on vaihdettava noin. 6 kertaa ennen kuin LiFePO4 tarvitsee korvaamista

Ominaisuus - tasainen purkauskäyrä:

Vertailu

• 0,2 ° C: n lämpötilassa (20A) purkaus
• AGM - laskee alle 12 V: n jälkeen
• 1,5 tuntia ajonaikaa
• LiFePO4 - putoaa alle 12 V: n noin 4 tunnin ajon jälkeen

hyötyjä

• Akun kapasiteetin tehokas käyttö
• Teho = volttia x vahvistinta
• Kun jännite alkaa pudota, akun on syötettävä korkeampia vahvistimia saman määrän virran tuottamiseksi.
• Suurempi jännite on parempi elektroniikalle
• Laitteiden pidempi käyttöaika
• Kapasiteetin täysi käyttö jopa suurella purkausnopeudella
• AGM @ 1C -purkaus = 50% kapasiteetti
• LiFePO4 @ 1C -purkaus = 100% kapasiteetti

Tämä ominaisuus on vähän tunnettu, mutta se on vahva etu, ja se tarjoaa useita etuja. LiFePO4: n tasaisen purkauskäyrän avulla päätejännite pysyy yli 12 V: n kapasiteetin käytön jopa 85-90%: iin. Tämän vuoksi tarvitaan vähemmän ampeereja saman määrän virran syöttämiseksi (P = VxA), ja siksi kapasiteetin tehokkaampi käyttö johtaa pidempään ajonaikaan. Käyttäjä ei myöskään huomaa laitteen (esimerkiksi golfkärryn) hidastumista aikaisemmin.

Tämän lisäksi Peukertin lain vaikutus litiumilla on paljon vähemmän merkittävä kuin AGM: n. Tämä johtaa siihen, että käytettävissä on suuri prosenttiosuus akun kapasiteetista riippumatta siitä, mikä on purkautumisnopeus. 1C: n lämpötilassa (tai 100A: n purku 100AH-akulla) LiFePO4-vaihtoehto antaa silti 100AH vs. vain 50AH AGM: lle.

Ominaisuus - kapasiteetin käytön lisääminen:

Vertailu

• Yhtiökokouksen suositus DoD = 50%
• LiFePO4 suositteli DoD = 80%
• AGM Syvä sykli - 100AH x 50% = 50Ah käyttökelpoinen
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Ero = 30Ah tai 60% enemmän kapasiteetin käyttöä

hyötyjä

• Lisääntynyt ajoaika tai pienempi kapasiteettiakku vaihtoa varten

Käytettävissä olevan kapasiteetin lisääntynyt käyttö tarkoittaa, että käyttäjä voi joko saada jopa 60% enemmän käyttöaikaa samasta kapasiteettioptiosta LiFePO4: ssä, tai vaihtoehtoisesti valita pienemmän kapasiteetin LiFePO4-akun saavuttaen samalla saman suoritusajan kuin suuremman kapasiteetin AGM.

Ominaisuus - parempi lataustehokkuus:

Vertailu

• Yhtiökokous - Täysi lataus kestää noin. 8 tuntia
• LiFePO4 - Täysi lataus voi olla jopa 2 tuntia

hyötyjä

• Akku ladattu ja käyttövalmis nopeammin

Toinen vahva etu monissa sovelluksissa. Koska muiden tekijöiden joukossa on alhaisempi sisäinen vastus, LiFePO4 voi hyväksyä latauksen paljon nopeammin kuin AGM. Tämä mahdollistaa niiden lataamisen ja käyttövalmiuden paljon nopeammin, mikä tuottaa monia etuja.

Ominaisuus - alhainen itsepurkautumisaste:

Vertailu

• Yhtiökokous - Vastuu 80%: iin SOC: iin 4 kuukauden kuluttua
• LiFePO4 - vastuuvapaus 80%: iin 8 kuukauden kuluttua

hyötyjä

• Voidaan jättää varastoon pidemmäksi ajaksi

Tämä ominaisuus on suuri huviajoneuvoille, joita voidaan käyttää vain muutama kuukausi vuodessa ennen loppuvuoden varastoon siirtämistä, kuten asuntovaunut, veneet, moottoripyörät ja vesiskootterit jne. LiFePO4 ei kalkkipitoisuutta, joten akku on todennäköisesti vahingoittunut pysyvästi pidemmän aikaa jättämisen jälkeen. LiFePO4-akku ei ole vahingoittunut, koska sitä ei jätetä varastossa täyteen ladattuun tilaan.

Joten, jos sovelluksesi takaavat minkä tahansa yllä mainituista ominaisuuksista, saat varmasti rahasi, jotka ansaitsevat ylimääräisen LiFePO4-akulle käytetyn rahan. Seurantaartikkeli tulee seuraavien viikkojen aikana, ja se sisältää LiFePO4: n ja erilaisten litiumkemikaalien turvallisuusnäkökohdat.