Capaciteit en energie van een batterij of opslagsysteem
De capaciteit van een batterij of accu is de hoeveelheid energie die is opgeslagen volgens een specifieke temperatuur, laad- en ontlaadstroomwaarde en laad- of ontlaadtijd.
Beoordelingscapaciteit en C-tarief
C-rate wordt gebruikt om de laad- en ontlaadstroom van een batterij te schalen. Bij een gegeven capaciteit is C-rate een maat die aangeeft bij welke stroom een accu wordt geladen en ontladen om zijn gedefinieerde capaciteit te bereiken.
Een 1C (of C / 1) lading laadt een batterij met een vermogen van bijvoorbeeld 1000 Ah bij 1000 A gedurende één uur, dus aan het einde van het uur bereikt de batterij een capaciteit van 1000 Ah; een 1C (of C / 1) ontlading voert de batterij met hetzelfde tempo leeg.
Een lading van 0,5 C of (C / 2) laadt een batterij met een nominaal vermogen van bijvoorbeeld 1000 Ah bij 500 A, dus het duurt twee uur om de batterij op te laden met de nominale capaciteit van 1000 Ah;
Een 2C-lading laadt een batterij met een nominaal vermogen van bijvoorbeeld 1000 Ah bij 2000 A, dus het duurt theoretisch 30 minuten om de batterij op te laden met een nominale capaciteit van 1000 Ah;
De Ah-waarde staat normaal gesproken op de accu.
Laatste voorbeeld: een loodzuuraccu met een C10 (of C / 10) nominale capaciteit van 3000 Ah moet in 10 uur worden opgeladen of ontladen met een huidige lading of ontlading van 300 A.
Waarom is het belangrijk om de C-rate of C-rating van een batterij te kennen?
C-rate is een belangrijk gegeven voor een batterij omdat voor de meeste batterijen de opgeslagen of beschikbare energie afhangt van de snelheid van de laad- of ontlaadstroom. Over het algemeen heeft u voor een gegeven capaciteit minder energie als u in een uur ontlaadt dan wanneer u in 20 uur ontlaadt, omgekeerd slaat u minder energie op in een batterij met een stroomlading van 100 A gedurende 1 uur dan met een huidige lading van 10 A gedurende 10 uur.
Formule om de beschikbare stroom te berekenen in de output van het batterijsysteem
Hoe de uitgangsstroom, het vermogen en de energie van een batterij berekenen volgens de C-rate?
De eenvoudigste formule is:
Ik = Cr * Er
of
Cr = I / Er
Waar
Er = nominale energie opgeslagen in Ah (nominale capaciteit van de batterij opgegeven door de fabrikant)
I = laad- of ontlaadstroom in Ampère (A)
Cr = C-rate van de batterij
Vergelijking om de laadtijd of laad- of ontlaadtijd "t" te krijgen volgens de huidige en nominale capaciteit is:
t = Er / I
t = tijd, duur van opladen of ontladen (runtime) in uren
Verband tussen Cr en t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr
Hoe lithium-ionbatterijen werken
Lithium-ion batterijen zijn tegenwoordig ongelooflijk populair. Je vindt ze op laptops, PDA's, mobiele telefoons en iPods. Ze komen zo vaak voor omdat ze, pond voor pond, enkele van de meest energieke oplaadbare batterijen zijn die er zijn.
Lithium-ionbatterijen zijn de laatste tijd ook in het nieuws. Dat komt omdat deze batterijen af en toe in brand kunnen vliegen. Het is niet erg gebruikelijk - slechts twee of drie batterijpakketten per miljoen hebben een probleem - maar als het gebeurt, is het extreem. In sommige situaties kan het uitvalpercentage stijgen, en als dat gebeurt, krijg je een wereldwijde terugroepactie van de batterij die fabrikanten miljoenen dollars kan kosten.
De vraag is dus: wat maakt deze batterijen zo energiek en zo populair? Hoe barsten ze in vlammen uit? En is er iets dat u kunt doen om het probleem te voorkomen of ervoor te zorgen dat uw batterijen langer meegaan? In dit artikel beantwoorden we deze vragen en meer.
Lithium-ionbatterijen zijn populair omdat ze een aantal belangrijke voordelen hebben ten opzichte van concurrerende technologieën:
- Ze zijn over het algemeen veel lichter dan andere soorten oplaadbare batterijen van hetzelfde formaat. De elektroden van een lithium-ionbatterij zijn gemaakt van lichtgewicht lithium en koolstof. Lithium is ook een zeer reactief element, wat betekent dat veel energie kan worden opgeslagen in zijn atomaire bindingen. Dit vertaalt zich in een zeer hoge energiedichtheid voor lithium-ionbatterijen. Hier is een manier om een beeld te krijgen van de energiedichtheid. Een typische lithium-ionbatterij kan 150 wattuur elektriciteit opslaan in 1 kilogram batterij. Een NiMH-batterij (nikkel-metaalhydride) kan misschien 100 wattuur per kilogram opslaan, hoewel 60 tot 70 wattuur misschien meer typerend is. Een loodzuuraccu kan slechts 25 wattuur per kilogram opslaan. Met behulp van loodzuurtechnologie is 6 kilogram nodig om dezelfde hoeveelheid energie op te slaan als een lithium-ionbatterij van 1 kilogram aankan. Dat is een enorm verschil
- Ze houden hun leiding vast. Een lithium-ionbatterijpak verliest slechts ongeveer 5 procent van zijn lading per maand, vergeleken met 20 procent verlies per maand voor NiMH-batterijen.
- Ze hebben geen geheugeneffect, wat betekent dat u ze niet volledig hoeft te ontladen voordat u ze opnieuw oplaadt, zoals bij sommige andere batterijchemie.
- Lithium-ionbatterijen kunnen honderden laad- / ontlaadcycli aan.
Dat wil niet zeggen dat lithium-ionbatterijen onberispelijk zijn. Ze hebben ook een paar nadelen:
- Ze beginnen te vernederen zodra ze de fabriek verlaten. Ze gaan slechts twee of drie jaar mee vanaf de fabricagedatum, of u ze nu gebruikt of niet.
- Ze zijn extreem gevoelig voor hoge temperaturen. Warmte zorgt ervoor dat lithium-ionbatterijen veel sneller verslechteren dan normaal.
- Als u een lithium-ionbatterij volledig ontlaadt, is deze kapot.
- Een lithium-ionbatterij moet een boordcomputer hebben om de batterij te beheren. Hierdoor zijn ze nog duurder dan ze al zijn.
- Er is een kleine kans dat als een lithium-ionbatterijpak uitvalt, deze in brand vliegt.
Veel van deze kenmerken kunnen worden begrepen door te kijken naar de chemie in een lithium-ioncel. We zullen dit hierna bekijken.
Lithium-ion accu-packs zijn er in alle soorten en maten, maar van binnen zien ze er allemaal ongeveer hetzelfde uit. Als u een laptopbatterij uit elkaar zou halen (iets dat we NIET aanbevelen vanwege de mogelijkheid dat een batterij kortsluiting veroorzaakt en brand veroorzaakt), zou u het volgende vinden:
- De lithium-ioncellen kunnen cilindrische batterijen zijn die er bijna identiek uitzien als AA-cellen, of ze kunnen prismatisch zijn, wat betekent dat ze vierkant of rechthoekig zijn.De computer, die bestaat uit:
- Een of meer temperatuursensoren om de accutemperatuur te bewaken
- Een spanningsomvormer en regelaarcircuit om veilige niveaus van spanning en stroom te behouden
- Een afgeschermde notebookconnector die stroom en informatie in en uit de accu laat stromen
- Een spanningsaftakking die de energiecapaciteit van individuele cellen in het accupakket bewaakt
- Een batterijlaadtoestandmonitor, een kleine computer die het hele laadproces afhandelt om ervoor te zorgen dat de batterijen zo snel en volledig mogelijk worden opgeladen.
Als de accu tijdens het opladen of gebruik te warm wordt, zal de computer de stroom uitschakelen om te proberen de dingen af te koelen. Als u uw laptop in een extreem hete auto achterlaat en probeert de laptop te gebruiken, kan deze computer ervoor zorgen dat u pas opstart als alles is afgekoeld. Als de cellen ooit volledig ontladen raken, wordt de batterij uitgeschakeld omdat de cellen kapot zijn. Het kan ook het aantal laad- / ontlaadcycli bijhouden en informatie verzenden, zodat de batterijmeter van de laptop u kan vertellen hoeveel lading er nog in de batterij zit.
Het is een behoorlijk geavanceerde kleine computer en hij haalt stroom uit de batterijen. Dit stroomverbruik is een van de redenen waarom lithium-ionbatterijen elke maand 5 procent van hun vermogen verliezen als ze niet worden gebruikt.
Lithium-ioncellen
Zoals bij de meeste batterijen heb je een metalen behuizing. Het gebruik van metaal is hier vooral belangrijk omdat de batterij onder druk staat. Deze metalen behuizing heeft een soort drukgevoelig ontluchtingsgat. Als de batterij ooit zo heet wordt dat hij door overdruk dreigt te exploderen, zal deze opening de extra druk wegnemen. De batterij zal daarna waarschijnlijk onbruikbaar zijn, dus dit is iets om te vermijden. De ventilatieopening is er strikt als veiligheidsmaatregel. Dat geldt ook voor de positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) -schakelaar, een apparaat dat moet voorkomen dat de batterij oververhit raakt.
Deze metalen kast bevat een lange spiraal die bestaat uit drie dunne platen die tegen elkaar zijn gedrukt:
- Een positieve elektrode
- Een negatieve elektrode
- Een scheidingsteken
In de koffer worden deze platen ondergedompeld in een organisch oplosmiddel dat als elektrolyt fungeert. Ether is een veelgebruikt oplosmiddel.
De separator is een zeer dunne plaat van micro geperforeerd plastic. Zoals de naam al aangeeft, scheidt het de positieve en negatieve elektroden terwijl het ionen doorlaat.
De positieve elektrode is gemaakt van lithiumkobaltoxide of LiCoO2. De negatieve elektrode is gemaakt van koolstof. Wanneer de batterij wordt opgeladen, bewegen lithiumionen door de elektrolyt van de positieve elektrode naar de negatieve elektrode en hechten zich aan de koolstof. Tijdens het ontladen gaan de lithiumionen vanuit de koolstof terug naar de LiCoO2.
De beweging van deze lithiumionen gebeurt bij een vrij hoge spanning, dus elke cel produceert 3,7 volt. Dit is veel hoger dan de 1,5 volt die typisch is voor een normale AA-alkalinebatterij die u in de supermarkt koopt, en helpt lithium-ionbatterijen compacter te maken in kleine apparaten zoals mobiele telefoons. Zie Hoe batterijen werken voor details over verschillende batterijchemie.
We zullen bekijken hoe we de levensduur van een lithium-ionbatterij kunnen verlengen en onderzoeken waarom ze vervolgens kunnen ontploffen.
Levensduur en dood van de lithium-ionbatterij
Lithium-ionbatterijen zijn duur, dus als u wilt dat uw batterij langer meegaat, moet u rekening houden met het volgende:
- Lithium-ionenchemie geeft de voorkeur aan gedeeltelijke ontlading boven diepe ontlading, dus het is het beste om te voorkomen dat de batterij helemaal tot nul wordt teruggebracht. Omdat de lithium-ion-chemie geen "geheugen" heeft, beschadigt u de accu niet met een gedeeltelijke ontlading. Als de spanning van een lithium-ioncel onder een bepaald niveau zakt, is deze kapot.
- Lithium-ionbatterijen verouderen. Ze gaan maar twee tot drie jaar mee, ook al staan ze ongebruikt op een plank. Dus "vermijd" het gebruik van de batterij in de gedachte dat het batterijpakket vijf jaar meegaat. Het zal niet. Als u een nieuwe batterij koopt, wilt u er zeker van zijn dat deze echt nieuw is. Als het een jaar op een plank in de winkel heeft gestaan, gaat het niet lang mee. Vervaardigingsdata zijn belangrijk.
- Vermijd hitte, die de batterijen aantast.
Exploderende batterijen
Nu we weten hoe we lithium-ionbatterijen langer kunnen laten werken, gaan we eens kijken waarom ze kunnen ontploffen.
Als de batterij heet genoeg wordt om de elektrolyt te doen ontbranden, krijgt u brand. Er zijn videoclips en foto's op internet die laten zien hoe ernstig deze branden kunnen zijn. Het CBC-artikel, "Summer of the Exploding Laptop", rondt een aantal van deze incidenten af.
Wanneer een dergelijke brand optreedt, wordt dit meestal veroorzaakt door een interne kortsluiting in de batterij. Bedenk uit het vorige gedeelte dat lithium-ioncellen een scheidingsblad bevatten dat de positieve en negatieve elektroden uit elkaar houdt. Als dat laken wordt doorboord en de elektroden elkaar raken, warmt de batterij erg snel op. Misschien heb je wel eens ervaren wat voor soort warmte een batterij kan produceren als je ooit een normale 9 volt batterij in je zak hebt gestopt. Als een muntstuk over de twee polen kortsluit, wordt de batterij behoorlijk heet.
Bij een defecte separator treedt dezelfde kortsluiting op in de lithium-ionbatterij. Omdat lithium-ionbatterijen zo energiek zijn, worden ze erg heet. De hitte zorgt ervoor dat de batterij het organische oplosmiddel dat als elektrolyt wordt gebruikt, laat ontsnappen, en de hitte (of een nabijgelegen vonk) kan het aansteken. Als dat eenmaal in een van de cellen gebeurt, stroomt de hitte van het vuur naar de andere cellen en gaat het hele pakket in vlammen op.
Het is belangrijk op te merken dat branden zeer zeldzaam zijn. Toch zijn er maar een paar branden en een beetje media nodig dekking om een terugroepactie te stimuleren.
Verschillende lithiumtechnologieën
Ten eerste is het belangrijk op te merken dat er veel soorten "lithiumion" -batterijen zijn. Het punt om op te merken in deze definitie verwijst naar een "familie van batterijen".
Er zijn verschillende "Lithium Ion" -batterijen binnen deze familie die verschillende materialen gebruiken voor hun kathode en anode. Hierdoor vertonen ze zeer verschillende eigenschappen en zijn ze daarom geschikt voor verschillende toepassingen.
Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4)
Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4) is een bekende lithiumtechnologie in Australië vanwege het brede gebruik en de geschiktheid voor een breed scala aan toepassingen.
Kenmerken van lage prijs, hoge veiligheid en goede specifieke energie, maken dit voor veel toepassingen een sterke optie.
LiFePO4-celspanning van 3,2 V / cel maakt het ook de favoriete lithiumtechnologie voor vervanging van afgedicht loodzuur in een aantal belangrijke toepassingen.
LiPO-batterij
Van alle beschikbare lithiumopties zijn er verschillende redenen waarom LiFePO4 is geselecteerd als de ideale lithiumtechnologie ter vervanging van SLA. De belangrijkste redenen zijn de gunstige eigenschappen bij het bekijken van de belangrijkste toepassingen waarvoor momenteel SLA bestaat. Deze omvatten:
- Vergelijkbare spanning als SLA (3,2 V per cel x 4 = 12,8 V) waardoor ze ideaal zijn voor SLA-vervanging.
- Veiligste vorm van de lithiumtechnologieën.
- Milieuvriendelijk - fosfaat is niet gevaarlijk en dus vriendelijk voor het milieu en geen gezondheidsrisico.
- Breed temperatuurbereik.
Kenmerken en voordelen van LiFePO4 in vergelijking met SLA
Hieronder staan enkele belangrijke kenmerken van een lithium-ijzerfosfaatbatterij die een aantal belangrijke voordelen van SLA bieden in een reeks toepassingen. Dit is beslist geen volledige lijst, maar het omvat wel de belangrijkste items. Als SLA is gekozen voor een 100AH AGM-accu, aangezien dit een van de meest gebruikte maten is in deep-cycle-toepassingen. Deze 100AH AGM is vergeleken met een 100AH LiFePO4 om een like voor een like zo goed mogelijk te vergelijken.
Functie - Gewicht:
Vergelijking
- LifePO4 weegt minder dan de helft van de SLA
- AGM Diepe cyclus - 27,5 kg
- LiFePO4 - 12,2 kg
Voordelen
- Verhoogt het brandstofverbruik
- Bij caravan- en boottoepassingen wordt het trekgewicht verminderd.
- Verhoogt de snelheid
- Bij boottoepassingen kan de watersnelheid worden verhoogd
- Vermindering van het totale gewicht
- Langere looptijd
Gewicht heeft een grote invloed op veel toepassingen, vooral waar het slepen of snelheid betreft, zoals caravan en varen. Andere toepassingen, waaronder draagbare verlichting en cameratoepassingen waarbij de batterijen moeten worden vervoerd.
Functie - Langere levensduur:
Vergelijking
- Tot 6 keer de levenscyclus
- AGM Diepe cyclus - 300 cycli @ 100% DoD
- LiFePO4 - 2000 cycli @ 100% DoD
Voordelen
- Lagere totale eigendomskosten (kosten per kWh veel lager gedurende de levensduur van de batterij voor LiFePO4)
- Verlaging van de vervangingskosten - vervang de AGM tot 6 keer voordat de LiFePO4 aan vervanging toe is
De langere levensduur betekent dat de extra initiële kosten van een LiFePO4-batterij meer dan goedgemaakt worden gedurende de levensduur van de batterij. Bij dagelijks gebruik moet een AGM ca. 6 keer voordat de LiFePO4 aan vervanging toe is
Functie - Vlakke ontladingscurve:
Vergelijking
- Bij 0.2C (20A) ontlading
- AGM - zakt daarna onder de 12V
- 1,5 uur looptijd
- LiFePO4 - zakt onder 12 V na ongeveer 4 uur bedrijfstijd
Voordelen
- Efficiënter gebruik van batterijcapaciteit
- Vermogen = Volt x Amp
- Zodra de spanning begint te dalen, moet de batterij hogere ampère leveren om dezelfde hoeveelheid stroom te leveren.
- Een hogere spanning is beter voor elektronica
- Langere looptijd voor apparatuur
- Volledige benutting van de capaciteit, zelfs bij hoge ontladingssnelheid
- AGM @ 1C ontlading = 50% capaciteit
- LiFePO4 @ 1C ontlading = 100% capaciteit
Deze functie is weinig bekend, maar is een sterk voordeel en biedt meerdere voordelen. Met de vlakke ontladingscurve van LiFePO4 blijft de klemspanning boven de 12V voor maximaal 85-90% capaciteitsverbruik. Hierdoor zijn er minder ampère nodig om dezelfde hoeveelheid stroom te leveren (P = VxA) en dus leidt het efficiëntere gebruik van de capaciteit tot een langere looptijd. Ook zal de gebruiker de vertraging van het toestel (golfkar bijvoorbeeld) niet eerder opmerken.
Daarnaast is het effect van de wet van Peukert bij lithium veel minder significant dan die van AGM. Dit resulteert in het beschikbaar hebben van een groot percentage van de capaciteit van de batterij, ongeacht de ontlaadsnelheid. Bij 1C (of 100A ontlading voor een 100AH-batterij) geeft de LiFePO4-optie je nog steeds 100AH versus slechts 50AH voor AGM.
Functie - Verhoogd gebruik van capaciteit:
Vergelijking
- AGM aanbevolen DoD = 50%
- LiFePO4 aanbevolen DoD = 80%
- AGM Deep cycle - 100AH x 50% = 50Ah bruikbaar
- LiFePO4 - 100 Ah x 80% = 80 Ah
- Verschil = 30 Ah of 60% meer capaciteitsgebruik
Voordelen
- Verlengde looptijd of batterij met kleinere capaciteit voor vervanging
Het toegenomen gebruik van de beschikbare capaciteit betekent dat de gebruiker ofwel tot 60% meer looptijd kan halen uit dezelfde capaciteitsoptie in LiFePO4, of als alternatief kan kiezen voor een LiFePO4-batterij met een kleinere capaciteit en toch dezelfde looptijd kan behalen als de AGM met grotere capaciteit.
Functie - grotere oplaadefficiëntie:
Vergelijking
- AGM - Volledig opladen duurt ongeveer. 8 uur
- LiFePO4 - Volledige lading kan slechts 2 uur duren
Voordelen
- Batterij opgeladen en sneller klaar voor gebruik
Nog een sterk voordeel in veel toepassingen. Vanwege de lagere interne weerstand, onder andere, kan LiFePO4 tegen een veel hogere snelheid lading accepteren dan AGM. Hierdoor kunnen ze veel sneller worden opgeladen en klaar voor gebruik, wat tot veel voordelen leidt.
Functie - Lage zelfontlading:
Vergelijking
- AVA - Kwijting aan 80% SOC na 4 maanden
- LiFePO4 - Ontlading tot 80% na 8 maanden
Voordelen
- Kan langere tijd in opslag blijven
Deze functie is groot voor de recreatievoertuigen die slechts een paar maanden per jaar mogen worden gebruikt voordat ze de rest van het jaar worden opgeslagen, zoals caravans, boten, motorfietsen en jetski's enz. Samen met dit punt, LiFePO4 verkalkt niet en dus is de kans kleiner dat de batterij zelfs na langere tijd niet permanent wordt beschadigd. Een LiFePO4-batterij wordt niet beschadigd als deze niet volledig opgeladen wordt opgeslagen.
Dus als uw toepassingen een van de bovenstaande functies rechtvaardigen, weet u zeker dat u uw geld krijgt voor de extra uitgaven die u aan een LiFePO4-batterij besteedt. In de komende weken volgt een vervolgartikel waarin de veiligheidsaspecten van LiFePO4 en verschillende lithiumchemie worden besproken.
100% veilige betaling
