Põhimõte ja mõisted

2020-08-11 08:07

Aku või salvestussüsteemi maht ja energia

Aku või aku maht on salvestatud energia hulk vastavalt konkreetsele temperatuurile, laadimis- ja tühjenemisvoolu väärtusele ning laadimis- või tühjenemisajale.

Nimivõimsus ja C-määr

C-määra kasutatakse aku laadimis- ja tühjendusvoolu skaalamiseks. Teatud mahu korral on C-määr mõõt, mis näitab, millisel voolul aku on laetud ja tühjendatakse, et saavutada kindlaksmääratud võimsus. 

1 C (või C / 1) laadimine laadib ühe tunni jooksul aku, mille nimivõimsus on näiteks 1000 Ah 1000 A juures, nii et tunni lõpus saavutab aku võimsuse 1000 Ah; 1C (või C / 1) tühjendus tühjendab aku samal kiirusel.
0,5 C või (C / 2) laadimisega laaditakse aku, mille nimivõimsus on näiteks 1000 Ah 500 A juures, nii et aku laadimiseks nimivõimsusega 1000 Ah kulub kaks tundi;
2C laadimisega laaditakse aku, mille nimivõimsus on 2000 A, näiteks 1000 Ah, nii et aku laadimiseks nimivõimsusega 1000 Ah kulub teoreetiliselt 30 minutit;
Ah-reiting on tavaliselt märgitud akule.
Viimane näide - pliiaku, mille nimivõimsus on C10 (või C / 10) 3000 Ah, tuleks laadida või tühjendada 10 tunni jooksul, praeguse laadimise või tühjenemisega 300 A.

Miks on oluline teada aku C-määra või C-reitingut?

C-määr on aku jaoks oluline teave, kuna enamiku akude jaoks sõltub salvestatud või saadaolev energia laadimis- või tühjendusvoolu kiirusest. Üldiselt kulub teil teatud võimsuse korral vähem energiat, kui tühjendate ühe tunni jooksul, kui tühjendate 20 tunni jooksul, vastupidiselt, siis akule, mille voolutugevus on 100 A 1 tunni jooksul, salvestate vähem energiat kui praeguse laadimisega 10 A 10 tunni jooksul.

Valem akusüsteemi väljundis saadaoleva voolu arvutamiseks

Kuidas arvutada aku väljundvoolu, võimsust ja energiat vastavalt C-kiirusele?
Lihtsaim valem on:

I = Cr * Er
või
Cr = I / Er
Kus
Er = Ah-s salvestatud nimienergia (tootja antud aku nimimaht)
I = laadimis- või tühjenemisvool amprites (A)
Cr = aku C määr
Laadimise või laadimise või tühjenemise aja "t" saamiseks voolu ja nimivõimsuse jaoks mõeldud võrrand on järgmine:
t = Er / I
t = aeg, laadimise või tühjenemise kestus (käitusaeg) tundides
Cr ja t seos:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Kuidas liitium-ioon akud töötavad?

Liitium-ioon akud on nendel päevadel uskumatult populaarsed. Neid leiate sülearvutitest, pihuarvutitest, mobiiltelefonidest ja iPodidest. Nad on nii tavalised, sest naela kilo jaoks on nad ühed energilisemad saadaolevad akud.

Liitium-ioon akusid on viimasel ajal ka uudistes olnud. Sellepärast, et nendel akudel on võime aeg-ajalt leeki puhkeda. See pole eriti tavaline - probleem on vaid kahel või kolmel akul miljonil -, kuid kui see juhtub, on see äärmuslik. Mõnes olukorras võib tõrke määr tõusta ja kui see juhtub, siis lõpetate kogu maailmas aku tagasivõtmise, mis võib tootjatele maksta miljoneid dollareid.

Seega on küsimus selles, mis muudab need akud nii energiliseks ja populaarseks? Kuidas nad leegi puhkevad? Ja kas on midagi, mida saate teha probleemi vältimiseks või akude kauem kestmiseks? Selles artiklis vastame neile ja paljudele muudele küsimustele.

Liitium-ioonakud on populaarsed, kuna neil on konkureerivate tehnoloogiate ees mitmeid olulisi eeliseid:

• Need on üldiselt palju kergemad kui muud tüüpi sama suurusega laetavad akud. Liitium-ioon aku elektroodid on valmistatud kergest liitiumist ja süsinikust. Liitium on ka väga reageeriv element, mis tähendab, et selle aatomisidemesse saab salvestada palju energiat. See tähendab liitium-ioon akude väga suurt energiatihedust. Siin on viis energiatiheduse kohta perspektiivi saamiseks. Tüüpiline liitiumioonaku mahutab ühe kilogrammi akuga 150 vatt tundi elektrit. NiMH (nikkelmetallhüdriid) akukomplekt mahutab ehk 100 vatt tundi kilogrammi kohta, ehkki 60–70 vatt tundi võib olla tüüpilisem. Pliiaku mahutab kilogrammi kohta vaid 25 vatt-tundi. Plihappe tehnoloogiat kasutades kulub 6 kilogrammi sama energiakoguse salvestamiseks, mida 1 kilogrammi liitiumioonakuga saab hakkama. See on tohutu erinevus
• Nad hoiavad oma süüd. Liitium-ioonakud kaotavad oma laadimisest vaid umbes 5 protsenti kuus, võrreldes NiMH-akude kaotusega 20 protsenti kuus.
• Neil pole mäluefekti, mis tähendab, et te ei pea neid enne laadimist täielikult tühjendama, nagu mõne teise aku korral.
• Liitium-ioonakud saavad hakkama sadade laadimis- / tühjenemistsüklitega.

See ei tähenda, et liitium-ioonakud oleksid veatud. Neil on ka mõned puudused:

• Nad hakkavad lagunema kohe, kui nad tehasest lahkuvad. Need kestavad ainult kaks või kolm aastat alates valmistamiskuupäevast, sõltumata sellest, kas kasutate neid või mitte.
• Nad on eriti tundlikud kõrgete temperatuuride suhtes. Kuumus põhjustab liitium-ioon akude lagunemist palju kiiremini kui tavaliselt.
• Kui tühjendate liitiumioonaku täielikult, on see rikutud.
• Liitium-ioonakul peab aku haldamiseks olema pardaarvuti. See muudab need veelgi kallimaks kui nad praegu on.
• On väike võimalus, et kui liitium-ioon aku patarei ebaõnnestub, puhkeb see leeki.

Paljusid neist omadustest saab mõista, kui vaadata liitium-ioonraku sees olevat keemiat. Vaatame seda järgmisena.

Liitium-ioonakud on igasuguse kuju ja suurusega, kuid kõik seestpoolt näevad välja sarnased. Kui võtaksite kaasa sülearvuti aku (midagi sellist, mida me EI soovita aku tühjendamise ja tulekahju tekkimise võimaluse tõttu soovitada), leiate järgmise:

• Liitium-ioonelemendid võivad olla kas silindrilised patareid, mis näevad välja peaaegu identsed AA-elementidega, või need võivad olla prismakujulised, mis tähendab, et need on ruudukujulised või ristkülikukujulised. Arvuti, mis sisaldab:
• Üks või mitu temperatuuriandurit aku temperatuuri jälgimiseks
• Pingemuundur ja regulaatori vooluring pinge ja voolu ohutu taseme hoidmiseks
• Varjestatud sülearvuti pistik, mis laseb toitel ja infol voolata akust sisse ja välja
• Pingekraan, mis jälgib akus olevate üksikute elementide energiamahtu
• Aku laadimisoleku monitor, mis on väike arvuti, mis tegeleb kogu laadimisprotsessiga, et veenduda akude võimalikult kiire ja täieliku laadimisega.

Kui aku läheb laadimise või kasutamise ajal liiga kuumaks, seiskab arvuti vooluhulga, et proovida asju jahtuda. Kui jätate sülearvuti eriti kuuma autosse ja proovite sülearvutit kasutada, võib see arvuti takistada teil toite sisselülitamist, kuni asjad jahtuvad. Kui elemendid tühjenevad kunagi, lülitub aku välja, kuna elemendid on rikutud. Samuti võib see jälgida laadimis- / tühjenemistsüklite arvu ja saata teavet välja, nii et sülearvuti akumõõtur näitab teile, kui palju laetust aku on jäänud.

See on üsna keerukas väike arvuti ja see võtab akudest energiat. See energiatarve on üks põhjus, miks liitium-ioonakud kaotavad tühikäigul istudes iga kuu 5 protsenti oma energiast.

Liitium-ioonrakud

Nagu enamikul akudel, on ka teil metallist väliskorpus. Metalli kasutamine on siin eriti oluline, kuna aku on survestatud. Sellel metallkorpusel on mingi survetundlik ventilatsiooniava. Kui aku kuumeneb kunagi nii palju, et ülerõhu korral võib see plahvatada, vabastab see õhuava lisasurve. Aku on pärast seda tõenäoliselt kasutu, nii et seda tuleb vältida. Ventilatsiooniava on turvameetmena rangelt olemas. Nii on ka positiivse temperatuuri koefitsiendi (PTC) lüliti - seade, mis peaks aku hoidma ülekuumenemisest.

See metallkorpus hoiab pikka spiraali, mis koosneb kolmest õhukesest lehest, mis on kokku pressitud:

• Positiivne elektrood
• Negatiivne elektrood
• Eraldaja

Korpuse sees on need lehed sukeldatud orgaanilisse lahustisse, mis toimib elektrolüüdina. Eeter on üks tavalisem lahusti.

Eraldaja on väga õhuke mikroperforeeritud plastist leht. Nagu nimest järeldada võib, eraldab see positiivsed ja negatiivsed elektroodid, lastes samal ajal ioonidel läbi pääseda.

Positiivne elektrood on valmistatud liitium-koobaltikoksiidist või LiCoO2-st. Negatiivne elektrood on valmistatud süsinikust. Kui aku laeb, liitiumiioonid liiguvad positiivse elektroodi kaudu elektrolüüdi kaudu negatiivse elektroodini ja kinnituvad süsiniku külge. Tühjenemise ajal liiguvad liitiumioonid süsinikust tagasi LiCoO2.

Nende liitiumioonide liikumine toimub üsna kõrge pinge korral, nii et iga rakk toodab 3,7 volti. See on palju kõrgem kui supermarketis ostetud tavalise AA leeliselemendi 1,5 volti ja aitab muuta liitium-ioonakud kompaktsemaks väikestes seadmetes, näiteks mobiiltelefonides. Lisateavet erinevate patareikeemiate kohta leiate peatükist Patareide tööpõhimõte.

Vaatame, kuidas pikendada liitium-ioon aku eluiga ja uurime, miks need järgmisena plahvatada võivad.

Liitium-ioon aku eluiga ja surm

Liitium-ioonakud on kallid, nii et kui soovite, et need kestaksid kauem, pidage silmas järgmisi asju:

• Liitiumioonide keemia eelistab osalist tühjenemist sügavale tühjenemisele, seega on kõige parem vältida aku võtmist lõpuni nullini. Kuna liitium-ioonkeemial puudub "mälu", ei kahjusta te osalise tühjenemisega akut. Kui liitium-ioonelemendi pinge langeb alla teatud taseme, on see hävitatud.
• Liitium-ioonakud vananevad. Nad kestavad ainult kaks kuni kolm aastat, isegi kui nad istuvad kasutamata riiulil. Nii et ärge vältige aku kasutamist "mõttega, et aku kestab viis aastat. Ei hakka. Samuti kui soovite osta uut akut, veenduge, et see oleks tõesti uus. Kui see on aasta aega poes riiulil istunud, ei kesta see väga kaua. Tootmiskuupäevad on olulised.
• Vältige kuumust, mis kahjustab patareisid.

Plahvatavad akud

Nüüd, kui me teame, kuidas liitium-ioonakusid kauem töötada, vaatame, miks need võivad plahvatada.

Kui aku kuumeneb elektrolüüdi süttimiseks piisavalt, saate tulekahju. Veebis on videoklippe ja fotosid, mis näitavad, kui tõsised need tulekahjud võivad olla. CBC artikkel "Plahvatava sülearvuti suvi" ümardab mitu neist juhtumitest.

Kui selline tulekahju juhtub, on selle põhjuseks tavaliselt aku sisemine lühis. Eelmisest osast tuletage meelde, et liitium-ioonrakud sisaldavad eralduslehte, mis hoiab positiivsed ja negatiivsed elektroodid lahus. Kui see leht torgatakse ja elektroodid puudutavad, kuumeneb aku väga kiiresti. Võib-olla olete kogenud seda tüüpi soojust, mida aku võib tekitada, kui olete kunagi taskusse pannud tavalise 9-voldise aku. Kui münt lühistab üle kahe klemmi, läheb aku üsna kuumaks.

Eraldaja rikke korral toimub sama tüüpi lühis liitium-ioonakus. Kuna liitium-ioonakud on nii energilised, kuumenevad need väga kiiresti. Kuumus põhjustab aku elektrolüüdina kasutatava orgaanilise lahusti õhutamist ja kuumus (või läheduses olev säde) võib selle süüdata. Kui see juhtub ühes kambris, kaskaadi tulekahju satub teistesse kambritesse ja kogu pakk tõuseb leekidesse.

Oluline on märkida, et tulekahjud on väga haruldased. Sellegipoolest võtab see ainult paar tulekahju ja natuke meediat leviala tagasikutsumise kiirendamiseks.

Erinevad liitiumitehnoloogiad

Esiteks on oluline märkida, et liitium-ioonakusid on palju. Selles määratluses tuleb märkida „patareide perekonda“.
Selles perekonnas on mitu erinevat liitiumioonakut, mille katood ja anood kasutavad erinevaid materjale. Selle tulemusel on neil väga erinevad omadused ja seetõttu sobivad nad erinevateks rakendusteks.

Liitium raudfosfaat (LiFePO4)

Liitiumraudfosfaat (LiFePO4) on Austraalias hästi tuntud liitiumitehnoloogia selle laialdase kasutamise ja paljude rakenduste jaoks sobivuse tõttu.
Madala hinna, kõrge ohutuse ja hea spetsiifilise energia omadused muudavad selle paljude rakenduste jaoks heaks võimaluseks.
LiFePO4 raku pinge 3,2 V / rakk muudab ka valitud liitiumitehnoloogia suletud pliihappe asendamiseks mitmetes peamistes rakendustes.

LiPO aku

Kõigist saadaolevatest liitiumivalikutest on mitu põhjust, miks LiFePO4 valiti SLA asendamiseks ideaalseks liitiumitehnoloogiaks. Peamised põhjused tulenevad selle soodsatest omadustest, kui vaadata peamisi rakendusi, kus SLA praegu eksisteerib. Need sisaldavad:

• Sarnane pinge SLA-ga (3,2 V raku kohta x 4 = 12,8 V), muutes need ideaalseks SLA asendamiseks.
• Liitiumitehnoloogiate kõige ohutum vorm.
• Keskkonnasõbralik - fosfaat ei ole ohtlik, seega on see keskkonnale sõbralik ega põhjusta ohtu tervisele.
• Lai temperatuurivahemik.

Programmi omadused ja eelised LiFePO4 kui võrrelda SLA-ga

Allpool on toodud mõned peamised liitiumraudfosfaadi aku omadused, mis annavad SLA-le olulisi eeliseid paljudes rakendustes. See ei ole sugugi täielik loetelu, kuid hõlmab siiski peamisi punkte. SLA-ks on valitud 100AH AGM aku, kuna see on sügavtsüklirakendustes üks sagedamini kasutatavaid suurusi. Seda 100AH AGM-i võrreldi 100AH LiFePO4-ga, et võrrelda võimalikult sarnaseid tooteid.

Funktsioon - Kaal:

Võrdlus

• LifePO4 on vähem kui pool SLA massist
• AGM sügav tsükkel - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

Kasu

• Suurendab kütusesäästlikkust
  • Haagissuvilate ja paatide korral vähendatakse pukseerimiskaalu.
• Suurendab kiirust
  • Paadirakendustes saab vee kiirust suurendada
• Üldmassi vähenemine
• Pikem tööaeg

Kaalul on suur mõju paljudele rakendustele, eriti kui sellega kaasneb pukseerimine või kiirus, näiteks haagissuvila ja paadisõit. Muud rakendused, sealhulgas kaasaskantavad valgustus- ja kaamerarakendused, kus akusid on vaja kaasas kanda.

Funktsioon - suurem tsüklielu:

Võrdlus

• Kuni 6-kordne tsükli kestus
• AGM Sügav tsükkel - 300 tsüklit @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 tsüklit @ 100% DoD

Kasu

• Madalamad omamiskulud (LiFePO4 aku hind kogu kWh kohta on palju madalam)
• Asenduskulude vähendamine - asendage AGM kuni 6 korda, enne kui LiFePO4 vajab väljavahetamist

Suurem tsükli kestus tähendab, et LiFePO4 aku lisakulu on rohkem kui aku kogu eluea jooksul tehtud. Igapäevase kasutamise korral tuleb AGM asendada u. 6 korda enne, kui LiFePO4 vajab väljavahetamist

Funktsioon - lameda tühjenemise kõver:

Võrdlus

• 0,2C (20A) juures tühjenemine
• AGM - langeb alla 12 V pärast
• 1,5 tundi jooksuaega
• LiFePO4 - langeb alla umbes 12 V pärast umbes 4-tunnist tööaega

Kasu

• Aku mahutavuse tõhusam kasutamine
• Võimsus = volti x amprit
• Kui pinge hakkab välja langema, peab aku sama hulga energia saamiseks andma suuremat amprit.
• Suurem pinge on elektroonika jaoks parem
• Varustuse pikem tööaeg
• Mahu täielik kasutamine isegi suure tühjenduskiiruse korral
• AGM @ 1C tühjendus = 50% mahutavus
• LiFePO4 @ 1C tühjendus = 100% läbilaskevõime

See funktsioon on vähe tuntud, kuid sellel on tugev eelis ja see pakub mitmeid eeliseid. LiFePO4 lameda tühjenduskõvera korral hoiab klemmipinge üle 12 V võimsuse kasutamisel kuni 85-90%. Seetõttu on sama hulga toite saamiseks vaja vähem ampreid (P = VxA) ja seetõttu viib võimsuse tõhusam kasutamine pikema tööaja. Kasutaja ei märka ka seadme (näiteks golfikäru) aeglustumist varem.

Koos sellega on Peukerti seaduse mõju liitiumile palju vähem oluline kui AGM-il. Selle tulemuseks on suur protsent aku mahutavusest, olenemata tühjenemiskiirusest. 1 C (või 100 A tühjenemise korral 100 AH aku korral) annab LiFePO4 valik teile ikkagi 100 AH, AGM korral ainult 50 AH.

Funktsioon - võimsuse suurem kasutamine:

Võrdlus

• AGM soovitas DoD = 50%
• LiFePO4 soovitatav DoD = 80%
• AGM Sügav tsükkel - 100AH x 50% = 50Ah kasutatav
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Erinevus = 30 Ah või 60% rohkem mahutavust

Kasu

• Suurem tööaeg või väiksema mahutavusega aku asendamiseks

Kättesaadava mahutavuse suurem kasutamine tähendab, et kasutaja saab sama mahuvõimalusega LiFePO4 kaudu saada kuni 60% rohkem tööaega või valida väiksema mahutavusega LiFePO4 aku, saavutades samal ajal sama tööaja kui suurema mahutavusega AGM.

Funktsioon - suurem laadimise efektiivsus:

Võrdlus

• AGM - täielik laadimine võtab umbes 8 tundi
• LiFePO4 - täislaadimine võib olla kuni 2 tundi

Kasu

• Aku on laetud ja jälle kiiremaks kasutamiseks valmis

Veel üks tugev eelis paljudes rakendustes. Muude tegurite hulgas väiksema sisemise takistuse tõttu suudab LiFePO4 aku vastuvõtmist palju kiiremini kui AGM. See võimaldab neid palju kiiremini laadida ja kasutada, mis toob palju eeliseid.

Funktsioon - madal isetühjenemise määr:

Võrdlus

• AGM - tühjendamine 80% SOC-ile 4 kuu pärast
• LiFePO4 - tühjenemine 80% -ni 8 kuu pärast

Kasu

• Võib jätta pikemaks ajaks lattu

See funktsioon on suur harrastussõidukite jaoks, mida võidakse kasutada vaid paar kuud aastas enne ülejäänud aasta lattu laskmist, näiteks haagissuvilad, paadid, mootorrattad ja jetisõidukid jne. Sellega seoses on LiFePO4 ei lubjane ja seetõttu on aku isegi pikema aja jooksul jätmise korral püsivalt kahjustatud. LiFePO4 akut ei kahjusta see, kui jätate selle täielikult laetud olekusse.

Niisiis, kui teie rakendused nõuavad mõnda ülaltoodud funktsiooni, saate kindlasti oma raha väärt LiFePO4 aku jaoks kulutatud lisaraha eest. Järgmistel nädalatel järgneb artikkel, mis sisaldab LiFePO4 ja erinevate liitiumkeemiatoodete ohutusaspekte.