עקרון והגדרות

2020-08-11 08:07

קיבולת ואנרגיה של סוללה או מערכת אחסון

הקיבולת של מצבר או מצבר הינה כמות האנרגיה הנאגרת בהתאם לטמפרטורה ספציפית, לטעינה ולפריקה בערך הנוכחי וזמן הטעינה או הפריקה.

יכולת דירוג ושיעור C

קצב ה- C משמש לקנה מידה של זרם הטעינה והפריקה של סוללה. עבור קיבולת נתונה, קצב ה- C הוא מדד המציין באיזה זרם סוללה נטענת ו משוחרר כדי להגיע ליכולתו המוגדרת. 

מטען של 1C (או C / 1) טוען סוללה שמדורגת, למשל, 1000 אה ב 1000 A במהלך שעה אחת, כך שבסוף השעה הסוללה מגיעה לקיבולת של 1000 Ah; פריקה של 1C (או C / 1) מנקזת את הסוללה באותו קצב.
טעינה של 0.5 סנטימטרים או (C / 2) טוענת סוללה שמדורגת, למשל, 1000 Ah ב 500 A כך שנדרש שעתיים לטעון את הסוללה בהספק הדירוג של 1000 Ah;
טעינה של 2C טוענת סוללה שמדורגת למשל 1000 Ah ב 2000 A, כך שלוקח תיאורטית 30 דקות לטעון את הסוללה בהספק הדירוג של 1000 Ah;
דירוג Ah מסומן בדרך כלל בסוללה.
דוגמה אחרונה, סוללה של חומצת עופרת בעלת קיבולת מדורגת C10 (או C / 10) של 3000 אה צריכה להיטען או לפרוק תוך 10 שעות עם טעינה או פריקה נוכחית של 300 A.

מדוע חשוב לדעת את דרגת ה- C או את דירוג ה- C של סוללה

קצב C הוא נתונים חשובים עבור סוללה מכיוון שלרוב הסוללות האנרגיה המאוחסנת או הזמינה תלויה במהירות טעינה או זרם הפריקה. באופן כללי, עבור קיבולת נתונה תהיה לך פחות אנרגיה אם תפרוק בשעה אחת מאשר אם תפרוק תוך 20 שעות, באופן הפוך תאחסני פחות אנרגיה בסוללה עם טעינה נוכחית של 100 A במהלך שעה אחת מאשר עם טעינה נוכחית של 10 א במשך 10 שעות.

נוסחה לחישוב הזרם הזמין בפלט של מערכת הסוללות

כיצד לחשב זרם יציאה, עוצמה ואנרגיה של סוללה לפי קצב C?
הנוסחה הפשוטה ביותר היא:

I = Cr * Er
אוֹ
Cr = I / Er
איפה
Er = אנרגיה מדורגת המאוחסנת באח (קיבולת מדורג של הסוללה שניתנה על ידי היצרן)
I = זרם טעינה או שחרור באמפרס (א)
Cr = קצב C של הסוללה
המשוואה כדי לקבל את זמן הטעינה או הטעינה או הפריקה "t" בהתאם לקיבולת הנוכחית והמדורגת היא:
t = Er / I
t = זמן, משך הטעינה או השחרור (זמן ריצה) בשעות
הקשר בין Cr ל- t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

כיצד סוללות ליתיום-יון עובדות

בטריות ליתיום פופולריים להפליא בימינו. אתה יכול למצוא אותם במחשבים ניידים, מחשבי כף יד, טלפונים סלולריים ואייפוד. הם כל כך נפוצים מכיוון שהם, קילו למשקל לירה, הם חלק מהסוללות הנטענות הכי אנרגטיות שקיימות.

סוללות ליתיום-יון היו גם חדשות לאחרונה. הסיבה לכך היא שלסוללות אלה יש יכולת לפרוץ להבות מדי פעם. זה לא מאוד נפוץ - רק לשניים או שלוש חבילות סוללה למיליון יש בעיה - אבל כשזה קורה, זה קיצוני. במצבים מסוימים, שיעור הכישלון יכול לעלות, וכשזה קורה אתה בסופו של דבר זוכר סוללה עולמי שיכול לעלות ליצרנים מיליוני דולרים.

אז השאלה היא מה הופך את הסוללות האלו לאנרגטיות וכל כך פופולריות? איך הם פורצים באש? והאם אתה יכול לעשות משהו כדי למנוע את הבעיה או לעזור לסוללות שלך להחזיק מעמד זמן רב יותר? במאמר זה נענה על שאלות אלה ועוד.

סוללות ליתיום-יון פופולריות מכיוון שיש להן מספר יתרונות חשובים על פני טכנולוגיות מתחרות:

• בדרך כלל הם קלים בהרבה מסוגים אחרים של סוללות נטענות באותו גודל. האלקטרודות של סוללת ליתיום-יון עשויות ליתיום ופחמן קל. ליתיום הוא גם מרכיב תגובתי ביותר, כלומר ניתן לאחסן הרבה אנרגיה בקשרים האטומיים שלו. זה מתורגם לצפיפות אנרגיה גבוהה מאוד עבור סוללות ליתיום-יון. הנה דרך לקבל פרספקטיבה על צפיפות האנרגיה. סוללת ליתיום-יון טיפוסית יכולה לאחסן 150 שעות ואט חשמל בקילוגרם של סוללה. חבילת סוללות NiMH (ניקל-מתכת הידריד) יכולה לאחסן אולי 100 ואט שעות לקילוגרם, אם כי 60 עד 70 ואט שעות עשויות להיות אופייניות יותר. סוללת חומצה עופרת יכולה לאחסן רק 25 וואט לקילוגרם. השימוש בטכנולוגיית חומצת עופרת לוקח 6 קילוגרם לאחסון אותה כמות אנרגיה שמצבר סוללת ליתיום-יון של 1 קילוגרם יכול להתמודד. זה הבדל עצום
• הם מחזיקים באחריותם. חבילת סוללות ליתיום-יון מאבדת רק כחמישה אחוזים מהמטען שלה בחודש, לעומת הפסד של 20 אחוזים בחודש עבור סוללות NiMH.
• אין להם אפקט זיכרון, מה שאומר שאתה לא צריך לפרוק אותם לחלוטין לפני הטעינה מחדש, כמו בכימיה מסוימת אחרת של סוללות.
• סוללות ליתיום-יון מסוגלות להתמודד עם מאות מחזורי טעינה / פריקה.

זה לא אומר שסוללות ליתיום-יון הן ללא רבב. יש להם גם כמה חסרונות:

• הם מתחילים להשפיל ברגע שהם עוזבים את המפעל. הם יימשכו רק שנתיים או שלוש מיום הייצור בין אם אתה משתמש בהם או לא.
• הם רגישים במיוחד לטמפרטורות גבוהות. החום גורם לחבילות סוללות ליתיום-יון להתפרק מהר הרבה יותר ממה שהיו בדרך כלל.
• אם אתה מפרק לחלוטין סוללת ליתיום-יון, זה נהרס.
• חבילת סוללות ליתיום-יון חייבת להיות בעלת מחשב לוח על מנת לנהל את הסוללה. זה הופך אותם ליקרים עוד יותר מכפי שהם כבר.
• יש סיכוי קטן שאם חבילת סוללת ליתיום-יון תיכשל, היא תתפרץ באש.

ניתן להבין רבים מהתכונות הללו על ידי התבוננות בכימיה שבתא ליתיום-יון. נביט בזה בהמשך.

חבילות סוללות ליתיום-יון מגיעות בכל הצורות והגדלים, אך כולן נראות זהות מבפנים. אם היית מפרק חבילת סוללות למחשבים ניידים (דבר שאנחנו לא ממליצים לו בגלל האפשרות לקצר מצבר ולהפעיל שריפה) היית מוצא את הדברים הבאים:

• תאי הליתיום-יון יכולים להיות סוללות גליליות שנראות כמעט זהות לתאי AA, או שהם יכולים להיות פריסמטיים, מה שאומר שהם ריבועים או מלבניים. המחשב הכולל:
• חיישני טמפרטורה אחד או יותר לפיקוח על טמפרטורת הסוללה
• ממיר מתח ומעגל ווסת לשמירה על רמות מתח וזרם בטוחים
• מחבר מחברת מוגן שמאפשר לחשמל ומידע לזרום אל תוך הסוללה ומחוצה לה
• ברז מתח, המפקח על קיבולת האנרגיה של תאים בודדים בחבילת הסוללה
• צג מצב טעינת סוללה, שהוא מחשב קטן המטפל בכל תהליך הטעינה כדי לוודא שהסוללות נטענות במהירות ובאופן מלא ככל האפשר.

אם חבילת הסוללה מתחממת מדי במהלך טעינה או שימוש, המחשב יכבה את זרימת הכוח כדי לנסות לקרר דברים. אם אתה משאיר את המחשב הנייד במכונית לוהטת במיוחד ומנסה להשתמש במחשב הנייד, מחשב זה עשוי למנוע ממך להפעיל עד שהמצב יתקרר. אם התאים ייפרקו אי פעם לחלוטין, חבילת הסוללה תיסגר מכיוון שהתאים הרוסים. זה עשוי גם לעקוב אחר מספר מחזורי הטעינה / הפריקה ולשלוח מידע כך שמד הסוללה של המחשב הנייד יוכל לומר לך כמה טעינה נותרת בסוללה.

זה מחשב קטן ומתוחכם, והוא שואב כוח מהסוללות. משיכת חשמל זו היא אחת הסיבות לכך שסוללות ליתיום-יון מאבדות 5 אחוז מהעוצמה שלהן מדי חודש כאשר הן יושבות במצב סרק.

תאי ליתיום

כמו ברוב הסוללות יש לך מארז חיצוני עשוי מתכת. השימוש במתכת חשוב במיוחד כאן מכיוון שהמצבר בלחץ. למארז המתכת הזה יש סוג של פתח אוורור רגיש ללחץ. אם הסוללה אי פעם תתחמם כל כך שהיא תסתכן בהתפוצצות מלחץ יתר, האוורור הזה ישחרר את הלחץ הנוסף. הסוללה ככל הנראה תהיה חסרת תועלת לאחר מכן, כך שזה דבר שיש להימנע ממנו. האוורור נמצא שם בהחלט כאמצעי בטיחות. כך גם מתג מקדם הטמפרטורה החיובי (PTC), מכשיר שאמור למנוע מהסוללה להתחמם יתר על המידה.

מארז מתכת זה מחזיק בספירלה ארוכה המורכבת משלושה סדינים דקים לחוצים זה לזה:

• אלקטרודה חיובית
• אלקטרודה שלילית
• מפריד

בתוך המקרה היריעות הללו שקועות בממס אורגני המשמש כאלקטרוליט. אתר הוא ממס נפוץ אחד.

המפריד הוא גיליון דק מאוד של פלסטיק מחורר מיקרו. כפי שמשתמע מהשם, הוא מפריד בין האלקטרודות החיוביות והשליליות תוך מתן אפשרות ליונים לעבור דרכם.

האלקטרודה החיובית עשויה מתחמוצת ליתיום קובלט, או LiCoO2. האלקטרודה השלילית עשויה מפחמן. כאשר הסוללה נטענת, יוני ליתיום עוברים דרך האלקטרוליט מה אלקטרודה החיובית לאלקטרודה השלילית ומתחברים לפחמן. במהלך הפריקה, יוני הליתיום עוברים בחזרה ל- LiCoO2 מהפחמן.

התנועה של יוני הליתיום הללו מתרחשת במתח גבוה למדי, ולכן כל תא מייצר 3.7 וולט. זה גבוה בהרבה מ 1.5 וולט האופייניים לתא אלקליין AA רגיל שאתה קונה בסופרמרקט ועוזר להפוך סוללות ליתיום-יון לקומפקטיות יותר במכשירים קטנים כמו טלפונים סלולריים. ראה כיצד סוללות עובדות לקבלת פרטים על כימיקלים שונים של מצברים.

נבדוק כיצד להאריך את חיי סוללת ליתיום-יון ונחקור מדוע הם יכולים להתפוצץ הלאה.

חיי סוללת ליתיום-יון ומוות

חבילות סוללות ליתיום-יון הן יקרות, כך שאם אתה רוצה לגרום לשלך להימשך זמן רב יותר, הנה כמה דברים שכדאי לזכור:

• כימיה של ליתיום יון מעדיפה פריקה חלקית על פריקה עמוקה, ולכן עדיף להימנע מהורדת הסוללה עד לאפס. מכיוון שלכימיה של ליתיום-יון אין "זיכרון", אינך פוגע בחבילת הסוללה עם פריקה חלקית. אם המתח של תא ליתיום-יון יורד מתחת לרמה מסוימת, הוא נהרס.
• סוללות ליתיום-יון מזדקנות. הם נמשכים רק שנתיים שלוש, גם אם הם יושבים על מדף ללא שימוש. אז אל "הימנע משימוש" בסוללה מתוך מחשבה שחבילת הסוללה תימשך חמש שנים. זה לא. כמו כן, אם אתה קונה חבילת סוללה חדשה, אתה רוצה לוודא שהיא באמת חדשה. אם הוא יושב על מדף בחנות במשך שנה, הוא לא יימשך זמן רב. תאריכי ייצור חשובים.
• הימנע מחום, שמשפיל את הסוללות.

מצברים מתפוצצים

כעת כשאנחנו יודעים לשמור על סוללות ליתיום-יון לעבוד זמן רב יותר, בואו נראה מדוע הן יכולות להתפוצץ.

אם הסוללה מתחממת מספיק בכדי להצית את האלקטרוליט, אתה תבערה. יש באינטרנט קטעי וידיאו שמראים עד כמה יכול להיות שהשריפות הללו יכולות להיות חמורות. מאמר ה- CBC, "קיץ המחשב הנייד המתפוצץ", מסיים כמה מהאירועים הללו.

כאשר שריפה כמו זו מתרחשת, היא בדרך כלל נגרמת על ידי קיצור פנימי בסוללה. נזכיר מהקטע הקודם שתאי ליתיום-יון מכילים גיליון מפריד המרחיק את האלקטרודות החיוביות והשליליות. אם הסדין הזה נוקב והאלקטרודות נוגעות, הסוללה מתחממת מהר מאוד. יתכן וחוויתם את סוג החום שהסוללה יכולה לייצר אם אי פעם הכנסתם לכיסכם סוללה רגילה של 9 וולט. אם מטבע קצר בין שני המסופים, הסוללה מתחממת למדי.

בתקלת מפריד, אותו סוג קצר קורה בתוך סוללת הליתיום-יון. מכיוון שמצברי ליתיום-יון כל כך אנרגטיים, הם מתחממים מאוד. החום גורם לסוללה לפרוק את הממס האורגני המשמש כאלקטרוליט, והחום (או ניצוץ סמוך) יכול להדליק אותו. ברגע שזה קורה באחד התאים, חום האש נופל לתאים האחרים והחבילה כולה עולה באש.

חשוב לציין כי שריפות הן נדירות ביותר. ובכל זאת, נדרשות רק כמה שריפות וקצת תקשורת כיסוי כדי להיזכר בזכרון.

טכנולוגיות ליתיום שונות

ראשית, חשוב לציין כי ישנם סוגים רבים של סוללות "ליתיום יון". הנקודה שיש לציין בהגדרה זו מתייחסת ל"משפחת מצברים ".
ישנן מספר סוללות "ליתיום יון" במשפחה זו המשתמשות בחומרים שונים לקתודה ולאנודה שלהם. כתוצאה מכך הם מציגים מאפיינים שונים מאוד ולכן הם מתאימים ליישומים שונים.

ליתיום ברזל פוספט (LiFePO4)

ליתיום ברזל פוספט (LiFePO4) היא טכנולוגית ליתיום ידועה באוסטרליה, בגלל השימוש הרחב שלה והתאמתה למגוון רחב של יישומים.
מאפיינים של מחיר נמוך, בטיחות גבוהה ואנרגיה ספציפית טובה, הופכים את זה לאופציה חזקה עבור יישומים רבים.
מתח תאים LiFePO4 של 3.2 וולט / תא הופך אותו גם לטכנולוגיית הליתיום שבחרת להחלפת חומצת עופרת אטומה במספר יישומי מפתח.

סוללת LiPO

מבין כל אפשרויות הליתיום הקיימות, יש כמה סיבות לכך שנבחרה LiFePO4 כטכנולוגיית הליתיום האידיאלית להחלפת SLA. הסיבות העיקריות מסתכמות במאפיינים החיוביים שלה כשמסתכלים על היישומים העיקריים שבהם קיימת כיום SLA. אלו כוללים:

• מתח דומה ל- SLA (3.2V לתא x 4 = 12.8V) מה שהופך אותם לאידיאליים להחלפת SLA.
• הצורה הבטוחה ביותר של טכנולוגיות הליתיום.
• ידידותי לסביבה - פוספט אינו מסוכן וכך גם ידידותי לסביבה ולא סיכון בריאותי.
• טווח טמפרטורות רחב.

תכונות ויתרונות של LiFePO4 בהשוואה ל- SLA

להלן מספר תכונות עיקריות של סוללת ליתיום ברזל פוספט המעניקים כמה יתרונות משמעותיים של SLA במגוון יישומים. זו אינה רשימה שלמה בכל האמצעים, אולם היא מכסה את פריטי המפתח. סוללת AGAH של 100AH נבחרה כ- SLA, מכיוון שזה אחד הגדלים הנפוצים ביותר ביישומי מחזור עמוק. אסיפה של 100AH זו הושוותה ל- 100AH LiFePO4 על מנת להשוות בין דומים כמו קרוב ככל האפשר.

תכונה - משקל:

השוואה

• LifePO4 הוא פחות ממחצית המשקל של ה- SLA
• מחזור עומק AGM - 27.5 ק"ג
• LiFePO4 - 12.2 ק"ג

יתרונות

• מגביר את יעילות הדלק
  • ביישומי קרוואנים וסירות, משקל הגרירה מופחת.
• מגביר את המהירות
  • ביישומי סירות ניתן להגדיל את מהירות המים
• הפחתה במשקל הכללי
• זמן ריצה ארוך יותר

למשקל יש משמעות רבה ליישומים רבים, במיוחד במקרים בהם גרירה או מהירות מעורבים, כגון קרוואן ושייט. יישומים אחרים כולל תאורה ניידת ויישומי מצלמה בהם יש לשאת את הסוללות.

תכונה - חיי מחזור גדולים יותר:

השוואה

• עד 6 זמן חיי המחזור
• מחזור עומק AGM - 300 מחזורים @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 מחזורים @ 100% DoD

יתרונות

• עלות בעלות כוללת נמוכה יותר (עלות לקוט"ש נמוכה בהרבה לאורך חיי הסוללה עבור LiFePO4)
• הפחתת עלויות החלפה - החלף את אסיפת האסיפה עד 6 פעמים לפני שצריך להחליף את LiFePO4

אורך חיי המחזור גדול יותר פירושו כי העלות הנוספת הנוספת של סוללת LiFePO4 מורכבת יותר משימוש לאורך חיי הסוללה לאורך החיים. אם משתמשים בו מדי יום, יהיה צורך להחליף את אסיפת האסיפה בערך. 6 פעמים לפני שצריך להחליף את LiFePO4

תכונה - עקומת פריקה שטוחה:

השוואה

• בשחרור 0.2C (20A)
• AGM - יורד מתחת ל 12 וולט אחרי
• 1.5 שעות זמן ריצה
• LiFePO4 - יורד מתחת ל 12 וולט לאחר כ -4 שעות של זמן ריצה

יתרונות

• שימוש יעיל יותר בקיבולת הסוללה
• כוח = וולט x אמפר
• ברגע שהמתח יתחיל לרדת, הסוללה תצטרך לספק אמפר גבוה יותר בכדי לספק אותה הכוח.
• מתח גבוה יותר טוב לאלקטרוניקה
• זמן ריצה ארוך יותר לציוד
• שימוש מלא בקיבולת גם בקצב פריקה גבוה
• פריקת AGM @ 1C = קיבולת של 50%
• פריקה של LiFePO4 @ 1C = קיבולת של 100%

תכונה זו ידועה מעט אך היא יתרון חזק והיא מעניקה יתרונות רבים. עם עקומת הפריקה השטוחה של LiFePO4, מתח המסוף מחזיק מעל 12 וולט לשימוש בקיבולת של עד 85-90%. מסיבה זו, נדרשים פחות מגברים על מנת לספק אותה כמות כוח (P = VxA) ולכן השימוש היעיל יותר בקיבולת מביא לזמן ריצה ארוך יותר. המשתמש גם לא יבחין בהאטת המכשיר (עגלת גולף למשל) קודם לכן.

יחד עם זאת השפעת החוק של פוקרט משמעותית הרבה פחות עם ליתיום מזו של ה- AGM. התוצאה היא שזמינה אחוז גדול מהקיבולת של הסוללה, לא משנה מה קצב הפריקה. ב- 1C (או פריקת 100A לסוללת 100AH) אפשרות LiFePO4 עדיין תעניק לך 100AH לעומת 50AH רק עבור AGM.

תכונה - שימוש מוגבר בקיבולת:

השוואה

• א.ד. המליץ על דו"חות = 50%
• LiFePO4 המליץ DoD = 80%
• מחזור עמוק AGM - 100AH x 50% = 50Ah שמיש
• LiFePO4 - 100 אה x 80% = 80 אה
• הפרש = 30Ah או יותר שימוש בקיבולת של 60%

יתרונות

• זמן ריצה מוגבר או סוללה בעלת קיבולת קטנה יותר להחלפה

השימוש המוגבר בקיבולת הזמינה פירושו שהמשתמש יכול להשיג עד 60% יותר זמן ריצה מאותה אפשרות קיבולת ב- LiFePO4, או לחילופין לבחור בסוללת LiFePO4 בעלת קיבולת קטנה יותר, תוך שהוא עדיין משיג אותה זמן ריצה כמו AGM הקיבולת הגדולה יותר.

תכונה - יעילות טעינה גדולה יותר:

השוואה

• AGM - טעינה מלאה אורכת כ- 8 שעות
• LiFePO4 - טעינה מלאה יכולה להיות נמוכה משעתיים

יתרונות

• הסוללה נטענת ומוכנה לשימוש שוב במהירות רבה יותר

יתרון חזק נוסף ביישומים רבים. בשל ההתנגדות הפנימית הנמוכה בין גורמים אחרים, LiFePO4 יכול לקבל חיוב בשיעור גדול בהרבה מאשר AGM. זה מאפשר להם להיות טעונים ומוכנים לשימוש הרבה יותר מהר, מה שמוביל לתועלות רבות.

תכונה - שיעור פריקה עצמית נמוך:

השוואה

• AGM - הפרשה ל- 80% SOC לאחר 4 חודשים
• LiFePO4 - פריקה ל- 80% לאחר 8 חודשים

יתרונות

• ניתן להשאיר באחסון לתקופה ארוכה יותר

תכונה זו היא בגדול לרכבי פנאי אשר עשויים לשמש רק מספר חודשים בשנה לפני שנכנסים לאחסון בשאר ימות השנה כמו קרוואנים, סירות, אופנועי ים, אופנועי ים וכו '. יחד עם נקודה זו, LiFePO4 אינו מסתנן ולכן גם לאחר שנשאר לפרקי זמן ממושכים, הסיכוי שהסוללה נפגעת לצמיתות. סוללת LiFePO4 לא נפגעת בכך שהיא לא נותנת לאחסון במצב טעון לחלוטין.

לכן, אם היישומים שלך מתחייבים לאחת מהתכונות שלעיל, אתה בטוח תקבל את הכסף שלך תמורת כסף נוסף שהוצא על סוללת LiFePO4. מאמר המעקב יעקוב בשבועות הקרובים, אשר יכלול את היבטי הבטיחות ב- LiFePO4 וכימיקות ליתיום שונות.