Prinsip dan definisi

2020-08-11 08:07

Kapasiti dan tenaga bateri atau sistem penyimpanan

Kapasiti bateri atau penumpuk adalah jumlah tenaga yang disimpan mengikut suhu, cas dan nilai arus semasa tertentu dan masa pengisian atau pelepasan.

Kapasiti penilaian dan kadar C

C-rate digunakan untuk mengukur arus pengisian dan pengecasan bateri. Untuk kapasiti tertentu, C-rate adalah ukuran yang menunjukkan berapa arus bateri dicas dan habis untuk mencapai kapasiti yang ditentukan. 

Cas 1C (atau C / 1) memuatkan bateri yang dinilai pada, katakanlah, 1000 Ah pada 1000 A selama satu jam, sehingga pada akhir jam bateri mencapai kapasiti 1000 Ah; Pelepasan 1C (atau C / 1) mengeringkan bateri pada kadar yang sama.
Cas 0.5C atau (C / 2) memuatkan bateri yang dinilai pada, katakanlah, 1000 Ah pada 500 A sehingga memerlukan dua jam untuk mengecas bateri pada kapasiti penarafan 1000 Ah;
Cas 2C memuatkan bateri yang dinilai pada, katakanlah, 1000 Ah pada 2000 A, jadi secara teori diperlukan 30 minit untuk mengecas bateri pada kapasiti penarafan 1000 Ah;
Peringkat Ah biasanya ditandakan pada bateri.
Contoh terakhir, bateri asid plumbum dengan kapasiti berkadar C10 (atau C / 10) 3000 Ah harus dicas atau dicas dalam 10 jam dengan cas atau pelepasan semasa 300 A.

Mengapa penting untuk mengetahui kadar C atau penilaian C bateri

C-rate adalah data penting bagi bateri kerana bagi kebanyakan bateri tenaga yang disimpan atau tersedia bergantung pada kelajuan arus cas atau pelepasan. Secara amnya, untuk kapasiti tertentu, anda akan mempunyai lebih sedikit tenaga jika anda habis dalam satu jam daripada jika anda habis dalam 20 jam, sebaliknya anda akan menyimpan lebih sedikit tenaga dalam bateri dengan cas 100 A semasa 1 jam daripada dengan cas semasa 10 A selama 10 h.

Formula untuk mengira Arus yang tersedia dalam output sistem bateri

Bagaimana mengira arus keluaran, kuasa dan tenaga bateri mengikut kadar C?
Formula paling mudah adalah:

Saya = Cr * Er
atau
Cr = I / Er
Di mana
Er = tenaga dinilai yang disimpan di Ah (kapasiti bateri yang diberi oleh pengeluar)
I = arus cas atau pelepasan di Amperes (A)
Cr = kadar C bateri
Persamaan untuk mendapatkan masa pengisian atau pengisian atau pelepasan "t" mengikut kapasiti semasa dan dinilai adalah:
t = Er / I
t = masa, tempoh cas atau pelepasan (runtime) dalam beberapa jam
Hubungan antara Cr dan t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Bagaimana Bateri Lithium-ion Berfungsi

Bateri ion litium sangat popular hari ini. Anda boleh mendapatkannya di komputer riba, PDA, telefon bimbit dan iPod. Ia sangat biasa kerana, paun demi paun, mereka adalah bateri boleh dicas semula paling bertenaga yang ada.

Bateri ion litium juga menjadi berita akhir-akhir ini. Ini kerana bateri ini kadang-kadang mampu meletup api. Ia tidak biasa - hanya dua atau tiga pek bateri per juta yang mempunyai masalah - tetapi apabila ia berlaku, ia melampau. Dalam beberapa keadaan, kadar kegagalan boleh meningkat, dan apabila itu berlaku, anda akan mendapat penarikan bateri di seluruh dunia yang boleh menelan belanja berjuta-juta dolar kepada pengeluar.

Jadi persoalannya, apa yang menjadikan bateri ini begitu bertenaga dan sangat popular? Bagaimana mereka terbakar? Dan adakah yang boleh anda lakukan untuk mengelakkan masalah atau membantu bateri anda bertahan lebih lama? Dalam artikel ini, kami akan menjawab soalan-soalan ini dan banyak lagi.

Bateri ion litium sangat popular kerana mempunyai beberapa kelebihan penting berbanding teknologi yang bersaing:

• Mereka biasanya jauh lebih ringan daripada jenis bateri boleh dicas semula yang lain dengan saiz yang sama. Elektrod bateri lithium-ion terbuat dari litium dan karbon ringan. Lithium juga merupakan unsur yang sangat reaktif, yang bermaksud bahawa banyak tenaga dapat disimpan dalam ikatan atomnya. Ini diterjemahkan menjadi ketumpatan tenaga yang sangat tinggi untuk bateri lithium-ion. Berikut adalah cara untuk mendapatkan perspektif mengenai ketumpatan tenaga. Bateri lithium-ion khas boleh menyimpan 150 watt-jam elektrik dalam 1 kilogram bateri. Pek bateri NiMH (nikel-logam hidrida) dapat menyimpan mungkin 100 watt-jam per kilogram, walaupun 60 hingga 70 watt-jam mungkin lebih biasa. Bateri asid plumbum boleh menyimpan hanya 25 watt-jam per kilogram. Dengan menggunakan teknologi asid plumbum, diperlukan 6 kilogram untuk menyimpan jumlah tenaga yang sama dengan bateri lithium-ion seberat 1 kilogram. Itu perbezaan yang sangat besar
• Mereka memegang tanggungjawab mereka. Pek bateri lithium-ion kehilangan hanya sekitar 5 peratus cajnya setiap bulan, berbanding dengan kerugian 20 peratus sebulan untuk bateri NiMH.
• Mereka tidak mempunyai kesan ingatan, yang bermaksud bahawa anda tidak perlu melepaskannya sepenuhnya sebelum mengisi semula, seperti beberapa kimia bateri lain.
• Bateri ion litium dapat menangani beratus-ratus kitaran pengisian / pelepasan.

Ini tidak bermaksud bahawa bateri lithium-ion tidak sempurna. Mereka juga mempunyai beberapa kekurangan:

• Mereka mula menjatuhkan maruah sebaik sahaja meninggalkan kilang. Mereka hanya akan bertahan dua atau tiga tahun dari tarikh pembuatan sama ada anda menggunakannya atau tidak.
• Mereka sangat sensitif terhadap suhu tinggi. Haba menyebabkan pek bateri lithium-ion merosot lebih cepat daripada yang biasa berlaku.
• Sekiranya bateri lithium-ion anda habis sepenuhnya, ia akan hancur.
• Pek bateri lithium-ion mesti mempunyai komputer yang terpasang untuk menguruskan bateri. Ini menjadikan mereka lebih mahal daripada yang ada.
• Ada kemungkinan kecil bahawa, jika bateri lithium-ion gagal, ia akan terbakar.

Banyak ciri ini dapat difahami dengan melihat kimia di dalam sel ion lithium. Kami akan melihatnya seterusnya.

Pek bateri ion litium terdapat dalam pelbagai bentuk dan saiz, tetapi semuanya kelihatan sama di bahagian dalam. Sekiranya anda melepaskan bateri komputer riba (sesuatu yang TIDAK kami sarankan kerana kemungkinan kekurangan bateri dan menyalakan api) anda akan dapati perkara berikut:

• Sel-sel lithium-ion boleh berupa bateri silinder yang kelihatan hampir sama dengan sel AA, atau boleh menjadi prismatik, yang bermaksud mereka berbentuk persegi atau segi empat tepat Komputer, yang terdiri daripada:
• Satu atau lebih sensor suhu untuk memantau suhu bateri
• Litar penukar dan pengatur voltan untuk mengekalkan tahap voltan dan arus yang selamat
• Penyambung notebook terlindung yang membolehkan kuasa dan maklumat mengalir masuk dan keluar dari pek bateri
• Tekan voltan, yang memantau kapasiti tenaga setiap sel dalam pek bateri
• Monitor keadaan pengecasan bateri, yang merupakan komputer kecil yang menangani keseluruhan proses pengisian untuk memastikan bateri mengecas secepat mungkin dan sepenuhnya.

Sekiranya pek bateri menjadi terlalu panas semasa pengisian atau penggunaan, komputer akan mematikan aliran kuasa untuk cuba menyejukkan keadaan. Sekiranya anda meninggalkan komputer riba di dalam kereta yang sangat panas dan cuba menggunakan komputer riba, komputer ini mungkin menghalang anda daripada menghidupkannya sehingga keadaan menjadi sejuk. Sekiranya sel-sel habis sepenuhnya, pek bateri akan mati kerana sel-selnya hancur. Ia juga dapat melacak jumlah kitaran pengisian / pelepasan dan menghantar maklumat sehingga meter bateri komputer riba dapat memberitahu anda berapa banyak cas yang tersisa di dalam bateri.

Ini adalah komputer kecil yang cukup canggih, dan menggunakan tenaga dari bateri. Kekurangan kuasa ini adalah salah satu sebab mengapa bateri lithium-ion kehilangan 5 peratus kuasa mereka setiap bulan ketika duduk dalam keadaan tidak aktif.

Sel Lithium-ion

Seperti kebanyakan bateri, anda mempunyai casing luar yang diperbuat daripada logam. Penggunaan logam sangat penting di sini kerana bateri bertekanan. Sarung logam ini mempunyai semacam lubang bolong sensitif tekanan. Sekiranya bateri menjadi sangat panas sehingga berisiko meletup akibat tekanan berlebihan, bolong ini akan melepaskan tekanan tambahan. Bateri mungkin tidak akan berguna selepas itu, jadi ini adalah sesuatu yang harus dielakkan. Pengudaraan itu ada di sana sebagai langkah keselamatan. Begitu juga suis Pekali Suhu Positif (PTC), sebuah peranti yang seharusnya dapat mengelakkan bateri terlalu panas.

Sarung logam ini memegang spiral panjang yang terdiri daripada tiga kepingan nipis yang disatukan:

• Elektrod positif
• Elektrod negatif
• Pemisah

Di dalam sarung ini kepingan ini terendam dalam pelarut organik yang bertindak sebagai elektrolit. Ether adalah salah satu pelarut biasa.

Pemisah adalah kepingan plastik berlubang mikro yang sangat nipis. Seperti namanya, ia memisahkan elektrod positif dan negatif sambil membolehkan ion melewatinya.

Elektrod positif terbuat dari Lithium kobalt oxide, atau LiCoO2. Elektrod negatif terbuat dari karbon. Apabila bateri mengecas, ion litium bergerak melalui elektrolit dari elektrod positif ke elektrod negatif dan melekat pada karbon. Semasa pembuangan, ion litium bergerak kembali ke LiCoO2 dari karbon.

Pergerakan ion litium ini berlaku pada voltan yang cukup tinggi, sehingga setiap sel menghasilkan 3.7 volt. Ini jauh lebih tinggi daripada 1.5 volt khas sel alkali AA biasa yang anda beli di pasar raya dan membantu menjadikan bateri lithium-ion lebih padat dalam peranti kecil seperti telefon bimbit. Lihat Bagaimana Bateri Berfungsi untuk perincian mengenai kimia bateri yang berbeza.

Kami akan melihat bagaimana memanjangkan hayat bateri lithium-ion dan menerangkan mengapa mereka boleh meletup seterusnya.

Kehidupan dan Kematian Bateri Lithium-ion

Pek bateri ion litium mahal, jadi jika anda ingin menjadikan bateri tahan lebih lama, berikut adalah beberapa perkara yang perlu diingat:

• Kimia ion litium lebih suka pembuangan separa daripada pelepasan dalam, jadi sebaiknya elakkan bateri turun menjadi sifar. Oleh kerana kimia lithium-ion tidak mempunyai "memori", anda tidak akan merosakkan pek bateri dengan pelepasan separa. Sekiranya voltan sel lithium-ion turun di bawah tahap tertentu, ia akan musnah.
• Umur bateri ion litium. Mereka hanya bertahan dua hingga tiga tahun, walaupun mereka duduk di rak yang tidak digunakan. Oleh itu, jangan "elakkan menggunakan" bateri dengan pemikiran bahawa pek bateri akan bertahan lima tahun. Tidak akan. Sekiranya anda membeli pek bateri baru, anda juga ingin memastikan ia benar-benar baru. Sekiranya selama setahun ia duduk di rak di kedai, ia tidak akan bertahan lama. Tarikh pembuatan adalah penting.
• Elakkan panas, yang menurunkan bateri.

Bateri Meletup

Sekarang kita tahu bagaimana memastikan bateri lithium-ion berfungsi lebih lama, mari kita lihat mengapa ia boleh meletup.

Sekiranya bateri cukup panas untuk menyalakan elektrolit, anda akan terbakar. Terdapat klip video dan foto di Web yang menunjukkan betapa seriusnya kebakaran ini. Artikel CBC, "Summer of the Exploding Laptop," mengumpulkan beberapa insiden ini.

Apabila kebakaran seperti ini berlaku, kebiasaannya disebabkan oleh kekurangan bateri dalaman. Ingat dari bahagian sebelumnya bahawa sel-sel lithium-ion mengandungi kepingan pemisah yang memisahkan elektrod positif dan negatif. Sekiranya kepingan itu tertusuk dan elektrod menyentuh, bateri akan menjadi panas dengan cepat. Anda mungkin pernah mengalami kepanasan yang dapat dihasilkan oleh bateri sekiranya anda pernah memasukkan bateri 9 volt biasa ke dalam poket anda. Sekiranya duit syiling terpendek di kedua terminal, bateri menjadi agak panas.

Dalam kegagalan pemisah, jenis pendek yang sama berlaku di dalam bateri lithium-ion. Oleh kerana bateri lithium-ion sangat bertenaga, ia menjadi sangat panas. Panas menyebabkan bateri mengeluarkan pelarut organik yang digunakan sebagai elektrolit, dan haba (atau percikan yang berdekatan) dapat menyalakannya. Setelah itu berlaku di dalam salah satu sel, kepanasan api melambung ke sel-sel lain dan seluruh bungkus akan terbakar.

Penting untuk diperhatikan bahawa kebakaran sangat jarang berlaku. Namun, hanya memerlukan beberapa kebakaran dan sedikit media liputan untuk meminta penarikan balik.

Teknologi Lithium yang berbeza

Pertama, perlu diketahui bahawa terdapat banyak jenis bateri "Lithium Ion". Perkara yang perlu diperhatikan dalam definisi ini merujuk kepada "keluarga bateri".
Terdapat beberapa bateri "Lithium Ion" yang berbeza dalam keluarga ini yang menggunakan bahan yang berbeza untuk katod dan anodnya. Hasilnya, mereka menunjukkan ciri-ciri yang sangat berbeza dan oleh itu sesuai untuk aplikasi yang berbeza.

Besi Lithium Fosfat (LiFePO4)

Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) adalah teknologi litium yang terkenal di Australia kerana penggunaan dan kesesuaiannya yang luas untuk pelbagai aplikasi.
Ciri-ciri harga rendah, keselamatan tinggi dan tenaga khusus yang baik, menjadikan ini pilihan yang kuat untuk banyak aplikasi.
Voltan sel LiFePO4 3.2V / sel juga menjadikannya teknologi litium pilihan untuk penggantian asid plumbum tertutup dalam sejumlah aplikasi utama.

Bateri LiPO

Dari semua pilihan litium yang ada, terdapat beberapa sebab mengapa LiFePO4 dipilih sebagai teknologi litium yang ideal untuk penggantian SLA. Sebab utama datang ke ciri baiknya ketika melihat aplikasi utama di mana SLA ada. Ini termasuk:

• Voltan serupa dengan SLA (3.2V setiap sel x 4 = 12.8V) menjadikannya sesuai untuk penggantian SLA.
• Bentuk teknologi litium yang paling selamat.
• Fosfat mesra alam tidak berbahaya dan begitu juga ramah terhadap alam sekitar dan bukan risiko kesihatan.
• Julat suhu yang luas.

Ciri dan faedah dari LiFePO4 jika dibandingkan dengan SLA

Berikut adalah beberapa ciri utama bateri Lithium Iron Phosphate yang memberikan beberapa kelebihan SLA yang ketara dalam pelbagai aplikasi. Ini bukan senarai yang lengkap, namun ia merangkumi perkara-perkara penting. Baterai AGM 100AH telah dipilih sebagai SLA, kerana ini adalah salah satu ukuran yang paling biasa digunakan dalam aplikasi kitaran dalam. AGM 100AH ini telah dibandingkan dengan LiFePO4 100AH untuk membandingkan nilai sesuka mungkin.

Ciri - Berat:

Perbandingan

• LifePO4 kurang daripada separuh berat SLA
• Pusingan dalam AGM - 27.5Kg
• LiFePO4 - 12.2Kg

Kebaikan

• Meningkatkan kecekapan bahan bakar
  • Dalam aplikasi karavan dan kapal, berat penarik dikurangkan.
• Meningkatkan kelajuan
  • Dalam aplikasi perahu, kelajuan air dapat ditingkatkan
• Pengurangan berat badan secara keseluruhan
• Masa berjalan lebih lama

Berat mempunyai pengaruh besar pada banyak aplikasi, terutama di mana penarik atau kecepatan yang terlibat, seperti karavan dan berperahu. Aplikasi lain termasuk pencahayaan mudah alih dan aplikasi kamera di mana bateri perlu dibawa.

Ciri - Kehidupan Kitaran Lebih Besar:

Perbandingan

• Hingga 6 masa hayat kitaran
• AGM Kitaran dalam - 300 kitaran @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 kitaran @ 100% DoD

Kebaikan

• Jumlah kos pemilikan yang lebih rendah (kos per kWh jauh lebih rendah sepanjang hayat bateri untuk LiFePO4)
• Pengurangan kos penggantian - ganti AGM hingga 6 kali sebelum LiFePO4 perlu diganti

Jangka hayat kitaran yang lebih besar bermaksud bahawa kos dimuka tambahan bateri LiFePO4 lebih daripada yang digunakan untuk penggunaan seumur hidup bateri. Sekiranya digunakan setiap hari, AGM perlu diganti lebih kurang. 6 kali sebelum LiFePO4 perlu diganti

Ciri - Keluk Pelepasan Rata:

Perbandingan

• Pada 0.2C (20A) pelepasan
• AGM - turun di bawah 12V selepas
• Waktu operasi 1.5 jam
• LiFePO4 - turun di bawah 12V selepas kira-kira 4 jam waktu proses

Kebaikan

• Penggunaan kapasiti bateri yang lebih cekap
• Kuasa = Voltan x Amps
• Sebaik sahaja voltan mula turun, bateri perlu membekalkan amp yang lebih tinggi untuk memberikan jumlah kuasa yang sama.
• Voltan yang lebih tinggi lebih baik untuk elektronik
• Jangka masa lebih lama untuk peralatan
• Penggunaan kapasiti sepenuhnya walaupun pada kadar pelepasan yang tinggi
• Pelepasan AGM @ 1C = Kapasiti 50%
• Pelepasan LiFePO4 @ 1C = kapasiti 100%

Ciri ini kurang diketahui tetapi merupakan kelebihan yang kuat dan memberikan banyak faedah. Dengan keluk pelepasan rata LiFePO4, voltan terminal bertahan di atas 12V untuk penggunaan kapasiti hingga 85-90%. Oleh kerana itu, diperlukan lebih sedikit amp untuk membekalkan jumlah daya yang sama (P = VxA) dan oleh itu penggunaan kapasiti yang lebih cekap menyebabkan jangka masa yang lebih lama. Pengguna juga tidak akan menyedari perlambatan peranti (kereta golf misalnya) lebih awal.

Bersamaan dengan ini, kesan undang-undang Peukert lebih kurang ketara dengan litium daripada AGM. Ini mengakibatkan terdapatnya peratusan besar kapasiti bateri tidak kira apa pun tahap pengosongannya. Pada 1C (atau pelepasan 100A untuk bateri 100AH), pilihan LiFePO4 masih akan memberi anda 100AH vs hanya 50AH untuk AGM.

Ciri - Peningkatan Penggunaan Kapasiti:

Perbandingan

• AGM mencadangkan DoD = 50%
• LiFePO4 disyorkan DoD = 80%
• AGM Kitaran dalam - 100AH x 50% = 50Ah boleh digunakan
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Perbezaan = 30Ah atau penggunaan kapasiti 60% lebih banyak

Kebaikan

• Peningkatan masa larian atau bateri berkapasiti lebih kecil untuk penggantian

Peningkatan penggunaan kapasiti yang ada bermaksud pengguna dapat memperoleh hingga 60% lebih banyak waktu larian dari pilihan kapasitas yang sama di LiFePO4, atau sebagai alternatif memilih bateri LiFePO4 berkapasitas lebih kecil sambil tetap mencapai jangka waktu yang sama dengan AGM berkapasiti yang lebih besar.

Ciri - Kecekapan Caj yang Lebih Besar:

Perbandingan

• AGM - Caj penuh mengambil masa lebih kurang. 8 jam
• LiFePO4 - Pengecasan penuh serendah 2 jam

Kebaikan

• Bateri dicas dan siap digunakan semula dengan lebih pantas

Manfaat lain yang kuat dalam banyak aplikasi. Oleh kerana rintangan dalaman yang lebih rendah antara faktor lain, LiFePO4 dapat menerima caj pada kadar yang jauh lebih baik daripada AGM. Ini membolehkan mereka dicas dan siap digunakan dengan lebih cepat, yang membawa kepada banyak faedah.

Ciri - Kadar Pelepasan Diri Rendah:

Perbandingan

• AGM - Melepaskan ke 80% SOC selepas 4 bulan
• LiFePO4 - Pelepasan hingga 80% selepas 8 bulan

Kebaikan

• Boleh dibiarkan dalam simpanan untuk jangka masa yang lebih lama

Ciri ini sangat bagus untuk kenderaan rekreasi yang hanya boleh digunakan selama beberapa bulan dalam setahun sebelum masuk ke simpanan untuk sepanjang tahun seperti karavan, kapal, motosikal dan Jet Skis dll. Seiring dengan ini, LiFePO4 tidak berkalsifikasi dan walaupun setelah dibiarkan dalam jangka masa yang lama, bateri cenderung rosak lama. Bateri LiFePO4 tidak rosak kerana tidak disimpan dalam keadaan terisi penuh.

Oleh itu, jika aplikasi anda memerlukan mana-mana ciri di atas, anda pasti akan mendapat wang anda dengan perbelanjaan tambahan untuk bateri LiFePO4. Artikel susulan akan menyusul dalam beberapa minggu mendatang yang akan merangkumi aspek keselamatan pada LiFePO4 dan kimia Lithium yang berbeza.