- Lítium-ion akkumulátorok előzményei
- Li-ion akkumulátor Kémia és munka
- Bevezetés a lítium-ion akkumulátorokba
- Egy 18650-es cellának a legegyszerűbb módja
- Li-ion akkumulátor (soros és párhuzamos cellák)
Hacsak néhány Tony Stark nem lép be és nem találja ki az ívreaktort, vagy a Napenergia-műholdak (SPS) vezeték nélküli energiaátvitelre irányuló kutatása nem sikerül, nekünk, embereknek az akkumulátoroktól kell függenünk a hordozható vagy távoli elektronikus eszközeink áramellátása érdekében. A fogyasztói elektronikában megtalálható újratölthető elemek leggyakoribb típusa a lítiumion vagy a lítiumpolimer. Ebben a cikkben érdeklődésünk a lítium-ion akkumulátorokra vonatkozik, mivel ezek általában hasznosabbak, mint az összes többi típus. Legyen az egy kis energiabank, laptop vagy valami akkora, mint a Tesla új Model 3 modellje, mindent lítium-ion akkumulátor működtet.
Mitől különlegesek ezek az elemek? Mit kell tudni róla, mielőtt felhasználna egyet a projektjeiben? Hogyan fogja ezeket az elemeket biztonságosan feltölteni vagy kisütni? Ha kíváncsi ezekre a kérdésekre a válaszokra, akkor a megfelelő cikkre jutott, csak dőljön hátra és olvassa végig, miközben megpróbálom ezt a lehető legérdekesebbnek tartani.
Lítium-ion akkumulátorok előzményei
A lítium-ion akkumulátor ötletét először GN Lewis találta ki 1912-ben, de ez csak az 1970-es években vált megvalósíthatóvá, és az első nem újratölthető lítium akkumulátort forgalomba hozták. Később, az 1980-as években a mérnökök megpróbálták elkészíteni az első újratölthető akkumulátort anódanyagként lítiummal, és részben sikeresek voltak. Nem vették észre, hogy az ilyen típusú lítium akkumulátorok instabilak a töltési folyamat során, és ez rövidzárlatot hoz létre az akkumulátor belsejében, ami növeli a hőmérsékletet és termikus elszökést okoz.
1991-ben az egyik ilyen mobilban használt lítium akkumulátor felrobbant egy férfi arcán Japánban. Csak az eset után jött rá, hogy a lítium-ion akkumulátorokat rendkívül körültekintően kell kezelni. Az ilyen típusú, piacra került elemeket a gyártók biztonsági kérdéssel kapcsolatban visszahívták. Később, sok kutatás után, a Sony bemutatta a fejlett lítium-ion akkumulátorokat egy új vegyszerrel, amelyet a mai napig használnak. Végezzük el a történelemórákat itt, és vizsgáljuk meg a lítium-ion akkumulátor kémiai tulajdonságait.
Li-ion akkumulátor Kémia és munka
Amint a név nyilvánvalóan jelzi, a lítiumion akkumulátorok a lítiumionokat használják a munka elvégzéséhez. A lítium nagyon könnyű fém, nagy energiasűrűséggel, ez a tulajdonság lehetővé teszi, hogy az akkumulátor könnyű legyen és nagy áramot biztosítson, kis alakkal. Az energia sűrűsége az az energiamennyiség, amely az akkumulátor egységnyi térfogatában tárolható, minél nagyobb az energia sűrűség, annál kisebb lesz az akkumulátor. A lítium fém elsöprő tulajdonságai ellenére nem használható közvetlenül elektródaként az elemekben, mivel a lítium fémes jellege miatt nagyon instabil. Ezért olyan lítium-ionokat használunk, amelyek többé-kevésbé ugyanazzal a tulajdonsággal rendelkeznek, mint egy lítium-fém, de nem fémes és viszonylag biztonságosabb használni.
Normál esetben a lítium elem anódja szénből készül, az elem katódja pedig kobalt-oxid vagy más fém-oxid felhasználásával készül. A két elektróda összekapcsolására használt elektrolit egyszerű sóoldat lesz, amely lítiumionokat tartalmaz. A pozitív töltésű lítiumionok a katód felé haladva mozognak, és addig bombázzák, amíg pozitív töltésűvé nem válik. Mivel a katód pozitív töltésű, a negatív töltésű elektronokat vonzza felé. Ezeket az elektronokat áramkörünkön keresztül áramlik, ezáltal táplálva az áramkört.
Hasonlóképpen a töltés közben pont az ellenkezője történik. A töltésekből származó elektronok az akkumulátorba áramlanak, és így a lítiumionok az anód felé haladnak, így a katód elveszíti pozitív töltését.
Bevezetés a lítium-ion akkumulátorokba
Elég elmélet a lítium-ion akkumulátorokról, most ismerkedjünk meg gyakorlatilag ezekről a cellákról, hogy biztosak lehessünk bennük abban, hogy projektjeinkben használják. A leggyakrabban használt lítium-ion akkumulátor az 18650 Cells, ezért ebben a cikkben ugyanezt fogjuk tárgyalni. Egy tipikus 18650-es cellát mutat az alábbi kép
Mint minden elem, a Li-ion akkumulátor is rendelkezik feszültséggel és kapacitással. Az összes lítiumelem névleges feszültsége 3,6 V lesz, ezért nagyobb feszültségre van szükség, két vagy több cellát kell egymás után kombinálnia annak eléréséhez. Alapértelmezés szerint az összes lítiumion cellának csak ~ 3,6 V névleges feszültsége lesz. Ez a feszültség teljesen lemerülve 3,2 V-ig lemehet, és teljesen feltöltve akár 4,2 V-ra is felmehet. Mindig emlékezzen arra, hogy az akkumulátor 3,2 V alatti lemerítése vagy 4,2 V feletti töltése tartósan károsítja az akkumulátort, és a tűzijáték receptjévé is válhat. Lehetővé teszi az 18650-es akkumulátor terminológiájának lebontását, hogy jobban megértsük. Ne feledje, hogy ezek a magyarázatok csak egyetlen 18650-es cellára vonatkoznak, később többet fogunk kapni a Li-ion akkumulátorokba, ahol több cellát sorosan vagy párhuzamosan csatlakoztatunk, hogy sokkal magasabb feszültség- és áramértékeket kapjunk.
Névleges feszültség: A névleges feszültség egy 18650 cella tényleges feszültsége. Alapértelmezés szerint 3,6 V, és a gyártása ellenére az összes 18650 cellánál ugyanaz marad.
Teljes kisütési feszültség: Egy 18650 cellát soha nem szabad 3,2 V alatt kisütni, ennek elmulasztása megváltoztatja az akkumulátor belső ellenállását, amely tartósan károsítja az akkumulátort, és robbanáshoz is vezethet
Teljes töltési feszültség: A lítiumioncellák töltőfeszültsége 4,2 V. Vigyázni kell arra, hogy a cella feszültsége egy adott pillanatban ne növekedjen 4,2 V-ra.
mAh besorolás: A cella kapacitását általában mAh (Milli Amper óra) értékben adják meg. Ez az érték a megvásárolt cella típusától függ. Tegyük fel például, hogy a cellánk itt 2000mAh, ami nem más, mint 2Ah (Amper / óra). Ez azt jelenti, hogy ha ebből az akkumulátorból 2A-t veszünk, akkor 1 órán át fog tartani, és hasonlóan, ha 1A-t húzunk ebből az akkumulátorból, akkor 2 órán át. Tehát, ha tudni akarja, hogy az akkumulátor mennyi ideig fog energiát vetíteni (futási idő), akkor azt az mAh Rating alapján kell kiszámítania.
Futási idő (órában) = áramfelvétel / mAh besorolás
Ahol a felvett áramnak a C besorolási határon belül kell lennie.
C besorolás: Ha valaha is kíváncsi volt, mekkora az áram maximális mennyisége, amelyet az akkumulátorból lehívhat, akkor a választ az akkumulátor C besorolásával kaphatja meg. Az akkumulátor C besorolása ismét változik minden egyes elemnél, tegyük fel, hogy a rendelkezésünkre álló akkumulátor egy 2Ah akkumulátor, 3C besorolással. A 3C érték azt jelenti, hogy az akkumulátor a névleges Ah névleges érték háromszorosát képes leadni, mint a maximális áram. Ebben az esetben legfeljebb 6A-t (3 * 2 = 6) tud táplálni, mint maximális áramot. Normál esetben 18650 cellának csak 1C besorolása van.
Az akkumulátorból vett maximális áram = C besorolás * Ah besorolás
Töltési áram: Az akkumulátor másik fontos specifikációja, amelyet észre kell venni, a töltési áram. Az, hogy egy akkumulátor képes 6A maximális áramot szolgáltatni, még nem jelenti azt, hogy 6A-val töltheti. Az akkumulátor maximális töltési áramát megemlítjük az akkumulátor adatlapján, mivel az az akkumulátortól függően változik. Normális esetben 0,5 C lesz, ami az Ah besorolás felét jelenti. 2Ah akkumulátor esetén a töltőáram 1A lesz (0,5 * 2 = 1).
Töltési idő: Az egyetlen 18650-es cellához szükséges minimális töltési idő kiszámítható a töltőáram és az akkumulátor Ah névleges értékének felhasználásával. Például egy 2Ah akkumulátor töltése 1A töltőárammal kb. 2 órát vesz igénybe, feltéve, hogy a töltő csak CC-módszert használ a cella töltésére.
Belső ellenállás (IR): Az akkumulátor egészségi állapota és kapacitása megjósolható az akkumulátor belső ellenállásának mérésével. Ez nem más, mint az akkumulátor anód (pozitív) és katód (negatív) kivezetése közötti ellenállás értéke. A cella IR tipikus értékét az adatlap tartalmazza. Minél többet sodródik a tényleges értéktől, annál kevésbé hatékony az akkumulátor. Az 18650 cellás IR értéke milli ohm tartományban lesz, és vannak külön műszerek az IR értékének mérésére.
Töltési módszerek: Számos módszer létezik a li-ion cellák töltésére. De a leggyakrabban használt háromlépcsős topológia. A három lépés a CC, CV és a csepegtető töltés. A CC (Konstans áram) módban a cella töltődik állandó töltőáram változtatásával a bemeneti feszültséget. Ez az üzemmód addig lesz aktív, amíg az akkumulátor egy bizonyos szintig nem töltődik, majd a CV (állandó feszültség)üzemmód ott kezdődik, ahol a töltési feszültséget általában 4,2 V-on tartják. A végső mód impulzusos töltés vagy csepegtető töltés, ahol az áram kis impulzusait továbbítják az akkumulátorra, hogy javítsák az akkumulátor életciklusát. Sokkal bonyolultabb töltők is vannak, amelyek 7 lépéses töltéssel járnak. Nem fogunk nagyon elmélyülni ebben a témában, mivel messze nem tartozik a cikk hatálya alá. De ha érdekel az említés a megjegyzések részben, és írhatok külön cikket a Li-ion cellák töltéséről.
Töltési állapot (SOC)%: A töltöttségi állapot nem más, mint az akkumulátor kapacitása, hasonló a mobiltelefonunkban láthatóakhoz. Az akkumulátor kapacitását nem lehet egyértelműen kiszámítani a feszültségszeleppel, általában az áramintegráció segítségével számítják ki, hogy meghatározzák az akkumulátor kapacitásának időbeli változását.
A lemerülés mélysége (DOD)%: Az akkumulátor lemerülésének mértékét a DOD adja meg. Egyetlen akkumulátor sem merül ki 100% -ban, mivel tudjuk, hogy károsítja az akkumulátort. Normál esetben az összes elem 80% -os kisütési mélységű.
Sejtdimenzió: Az 18650-es sejt másik egyedülálló és érdekes tulajdonsága a mérete. Minden cellának 18 mm átmérője és 650 mm magassága lesz, így ez a cella 18650 nevet kap.
Ha további terminológiai definíciókat szeretne, akkor tekintse át az MIT Battery terminológiáinak dokumentációját, ahol biztosan talál további, az akkumulátorral kapcsolatos műszaki paramétereket.
Egy 18650-es cellának a legegyszerűbb módja
Ha teljesen újszülött vagy, és csak most kezded el az 18650 cellát a projekted energiájához, akkor a legegyszerűbb módja az elkészített modulok használata, amelyek biztonságosan feltölthetik és lemeríthetik az 18650 cellát. Csak ez a modul a TP4056 modul, amely egyetlen 18650 cellát képes kezelni.
Ha a projekt több mint 3,6 V-ot igényel bemeneti feszültségként, akkor érdemes két 18650 cellát egyesíteni sorosan, hogy 7,4 V-os feszültséget kapjon. Ebben az esetben használjon olyan modult, mint a 2S 3A Li-ion akkumulátor modul, amely hasznos lehet az akkumulátorok biztonságos töltéséhez és kisütéséhez.
Két vagy több 18650 cella kombinálásához nem alkalmazhatunk hagyományos forrasztási technikát, hogy kapcsolatba lépjünk mindkettő között, helyette egy ponthegesztésnek nevezett eljárást alkalmazunk. 18650 sejt soros vagy párhuzamos kombinálásakor is fokozottabb gondossággal kell eljárni, amelyet a következő bekezdés tárgyal.
Li-ion akkumulátor (soros és párhuzamos cellák)
A kisméretű hordozható elektronika vagy kisméretű készülékek egyetlen 18650-es cellát vagy legfeljebb egy sorozatukat táplálnák. Ebben a fajta alkalmazásban a bonyolultság kisebb, mivel az érintett elemek száma kevesebb. De nagyobb alkalmazásokhoz, mint például egy elektromos kerékpár / moped vagy egy Tesla autók, sok ilyen cellát sorba és párhuzamosan kell csatlakoztatnunk a kívánt kimeneti feszültség és kapacitás eléréséhez. Például a Tesla autó több mint 6800 lítium cellát tartalmaz, amelyek mindegyike 3,7 V és 3,1 Ah teljesítményű. Az alábbi képen látható, hogyan van elrendezve az autó alvázán belül.
Ennyi cellának monitorozásához külön áramkörre van szükségünk, amely csak biztonságosan töltheti fel, felügyeli és ürítheti ezeket a cellákat. Ezt a dedikált rendszert Battery Monitoring System (BMS) néven hívják . A BMS feladata minden lítiumion cella egyedi cellafeszültségének figyelemmel kísérése és hőmérsékletének ellenőrzése. Ettől eltekintve néhány BMS figyeli a rendszer töltési és kisütési áramát is.
Ha kettőnél több cellát egyesít egy csomag kialakításakor, ügyelni kell arra, hogy azonos kémiai, feszültségű, Ah besorolású és belső ellenállással rendelkezzen. A cellák töltése közben a BMS gondoskodik arról is, hogy egyenletesen töltsék és egyenletesen lemerüljenek, hogy az összes elem ugyanazon feszültséget tartsa fenn, ezt cellabalancolásnak nevezik. Ezen kívül a tervezőnek aggódnia kell ezen akkumulátorok töltés és lemerülés közbeni lehűtése miatt is, mivel magas hőmérsékleten nem reagálnak jól.
Remélem, hogy ez a cikk elegendő részletet adott Önnek ahhoz, hogy egy kicsit magabiztos lehessen a Li-ion cellákban. Ha bármilyen kétsége merülne fel, hagyja nyugodtan a megjegyzés rovatban, és megpróbálok minden tőlem telhetőt válaszolni. Addig boldog bütykölés.