Prinzip und Definitionen

2020-08-11 08:07

Kapazität und Energie einer Batterie oder eines Speichersystems

Die Kapazität einer Batterie oder eines Akkus ist die Energiemenge, die gemäß der spezifischen Temperatur, dem Lade- und Entladestromwert und der Lade- oder Entladezeit gespeichert wird.

Bewertungskapazität und C-Rate

Die C-Rate wird verwendet, um den Lade- und Entladestrom einer Batterie zu skalieren. Für eine gegebene Kapazität ist die C-Rate ein Maß, das angibt, bei welchem Strom eine Batterie geladen wird und entladen, um seine definierte Kapazität zu erreichen. 

Eine 1C- (oder C / 1-) Ladung lädt eine Batterie, die beispielsweise 1000 Ah bei 1000 A während einer Stunde hat, so dass die Batterie am Ende der Stunde eine Kapazität von 1000 Ah erreicht; Eine 1C- (oder C / 1-) Entladung entlädt die Batterie mit der gleichen Geschwindigkeit.
Eine Ladung von 0,5 ° C oder (C / 2) lädt eine Batterie mit einer Nennleistung von beispielsweise 1000 Ah bei 500 A, sodass das Aufladen der Batterie mit einer Nennkapazität von 1000 Ah zwei Stunden dauert.
Eine 2C-Ladung lädt eine Batterie mit einer Nennleistung von beispielsweise 1000 Ah bei 2000 A, sodass das Laden der Batterie mit einer Nennkapazität von 1000 Ah theoretisch 30 Minuten dauert.
Die Ah-Bewertung ist normalerweise auf der Batterie angegeben.
Letztes Beispiel: Eine Blei-Säure-Batterie mit einer Nennkapazität von C10 (oder C / 10) von 3000 Ah sollte in 10 Stunden mit einer aktuellen Ladung oder Entladung von 300 A geladen oder entladen werden.

Warum ist es wichtig, die C-Rate oder C-Bewertung einer Batterie zu kennen?

Die C-Rate ist ein wichtiges Datenelement für eine Batterie, da für die meisten Batterien die gespeicherte oder verfügbare Energie von der Geschwindigkeit des Lade- oder Entladestroms abhängt. Im Allgemeinen haben Sie für eine bestimmte Kapazität weniger Energie, wenn Sie in einer Stunde entladen, als wenn Sie in 20 Stunden entladen. Umgekehrt speichern Sie weniger Energie in einer Batterie mit einer aktuellen Ladung von 100 A während 1 Stunde als mit einer aktuellen Ladung von 10 A während 10 h.

Formel zur Berechnung des im Ausgang des Batteriesystems verfügbaren Stroms

Wie berechnet man Ausgangsstrom, Leistung und Energie einer Batterie anhand der C-Rate?
Die einfachste Formel lautet:

I = Cr * Er
oder
Cr = I / Er
Wo
Er = in Ah gespeicherte Nennenergie (vom Hersteller angegebene Nennkapazität der Batterie)
I = Lade- oder Entladestrom in Ampere (A)
Cr = C-Rate der Batterie
Die Gleichung zum Erhalten der Lade- oder Lade- oder Entladezeit "t" gemäß Strom und Nennkapazität lautet:
t = Er / I.
t = Zeit, Dauer des Ladens oder Entladens (Laufzeit) in Stunden
Beziehung zwischen Cr und t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien sind heutzutage unglaublich beliebt. Sie finden sie in Laptops, PDAs, Handys und iPods. Sie sind so verbreitet, weil sie Pfund für Pfund zu den energiereichsten wiederaufladbaren Batterien gehören, die es gibt.

In letzter Zeit waren auch Lithium-Ionen-Batterien in den Nachrichten. Das liegt daran, dass diese Batterien gelegentlich in Flammen aufgehen können. Es ist nicht sehr häufig - nur zwei oder drei Akkus pro Million haben ein Problem - aber wenn es passiert, ist es extrem. In einigen Situationen kann die Ausfallrate steigen, und wenn dies passiert, kommt es zu einem weltweiten Batterierückruf, der Hersteller Millionen von Dollar kosten kann.

Die Frage ist also, was macht diese Batterien so energisch und so beliebt? Wie gehen sie in Flammen auf? Und können Sie das Problem verhindern oder die Lebensdauer Ihrer Batterien verlängern? In diesem Artikel beantworten wir diese und weitere Fragen.

Lithium-Ionen-Batterien sind beliebt, weil sie gegenüber konkurrierenden Technologien eine Reihe wichtiger Vorteile bieten:

• Sie sind im Allgemeinen viel leichter als andere Arten von wiederaufladbaren Batterien derselben Größe. Die Elektroden einer Lithium-Ionen-Batterie bestehen aus leichtem Lithium und Kohlenstoff. Lithium ist auch ein hochreaktives Element, was bedeutet, dass viel Energie in seinen Atombindungen gespeichert werden kann. Dies führt zu einer sehr hohen Energiedichte für Lithium-Ionen-Batterien. Hier ist eine Möglichkeit, eine Perspektive auf die Energiedichte zu erhalten. Ein typischer Lithium-Ionen-Akku kann 150 Wattstunden Strom in 1 Kilogramm Akku speichern. Ein NiMH-Akku (Nickel-Metallhydrid) kann möglicherweise 100 Wattstunden pro Kilogramm speichern, obwohl 60 bis 70 Wattstunden typischer sein könnten. Eine Blei-Säure-Batterie kann nur 25 Wattstunden pro Kilogramm speichern. Mit der Blei-Säure-Technologie werden 6 Kilogramm benötigt, um die gleiche Energiemenge zu speichern, die ein 1-Kilogramm-Lithium-Ionen-Akku verarbeiten kann. Das ist ein großer Unterschied
• Sie halten ihre Ladung. Ein Lithium-Ionen-Akku verliert nur etwa 5 Prozent seiner Ladung pro Monat, verglichen mit einem monatlichen Verlust von 20 Prozent bei NiMH-Akkus.
• Sie haben keinen Memory-Effekt, was bedeutet, dass Sie sie nicht wie bei einigen anderen Batteriechemien vor dem Aufladen vollständig entladen müssen.
• Lithium-Ionen-Batterien können Hunderte von Lade- / Entladezyklen verarbeiten.

Das heißt nicht, dass Lithium-Ionen-Batterien einwandfrei sind. Sie haben auch einige Nachteile:

• Sie beginnen sich zu verschlechtern, sobald sie die Fabrik verlassen. Sie halten nur zwei oder drei Jahre ab Herstellungsdatum, unabhängig davon, ob Sie sie verwenden oder nicht.
• Sie sind extrem empfindlich gegen hohe Temperaturen. Durch Hitze werden Lithium-Ionen-Akkus viel schneller abgebaut als normalerweise.
• Wenn Sie einen Lithium-Ionen-Akku vollständig entladen, ist er ruiniert.
• Ein Lithium-Ionen-Akku muss über einen Bordcomputer verfügen, um den Akku zu verwalten. Dies macht sie noch teurer als sie bereits sind.
• Es besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass ein Lithium-Ionen-Akku bei einem Ausfall in Flammen aufbricht.

Viele dieser Eigenschaften lassen sich anhand der Chemie in einer Lithium-Ionen-Zelle verstehen. Wir werden uns das als nächstes ansehen.

Lithium-Ionen-Akkus gibt es in allen Formen und Größen, aber innen sehen sie alle ungefähr gleich aus. Wenn Sie einen Laptop-Akku zerlegen würden (etwas, das wir NICHT empfehlen, da die Möglichkeit besteht, einen Akku kurzzuschließen und ein Feuer zu entfachen), würden Sie Folgendes feststellen:

• Die Lithium-Ionen-Zellen können entweder zylindrische Batterien sein, die fast identisch mit AA-Zellen aussehen, oder sie können prismatisch sein, was bedeutet, dass sie quadratisch oder rechteckig sind. Der Computer, der Folgendes umfasst:
• Ein oder mehrere Temperatursensoren zur Überwachung der Batterietemperatur
• Ein Spannungswandler- und Reglerkreis zur Aufrechterhaltung eines sicheren Spannungs- und Stromniveaus
• Ein abgeschirmter Notebook-Anschluss, über den Strom und Informationen in den Akku und aus diesem heraus fließen können
• Ein Spannungsabgriff, der die Energiekapazität einzelner Zellen im Akkupack überwacht
• Ein Batterieladezustandsmonitor, ein kleiner Computer, der den gesamten Ladevorgang abwickelt, um sicherzustellen, dass die Batterien so schnell und vollständig wie möglich aufgeladen werden.

Wenn der Akku während des Ladevorgangs oder der Verwendung zu heiß wird, schaltet der Computer den Strom ab, um zu versuchen, die Dinge abzukühlen. Wenn Sie Ihren Laptop in einem extrem heißen Auto lassen und versuchen, den Laptop zu verwenden, verhindert dieser Computer möglicherweise, dass Sie sich einschalten, bis sich die Dinge abgekühlt haben. Wenn die Zellen jemals vollständig entladen werden, wird der Akku heruntergefahren, da die Zellen zerstört sind. Es kann auch die Anzahl der Lade- / Entladezyklen verfolgen und Informationen senden, damit der Akku des Laptops Ihnen anzeigen kann, wie viel Ladung noch im Akku vorhanden ist.

Es ist ein ziemlich hoch entwickelter kleiner Computer, der Strom aus den Batterien bezieht. Diese Leistungsaufnahme ist ein Grund, warum Lithium-Ionen-Batterien im Leerlauf jeden Monat 5 Prozent ihrer Leistung verlieren.

Lithium-Ionen-Zellen

Wie bei den meisten Batterien haben Sie ein Außengehäuse aus Metall. Die Verwendung von Metall ist hier besonders wichtig, da die Batterie unter Druck steht. Dieses Metallgehäuse hat eine Art druckempfindliches Entlüftungsloch. Wenn die Batterie jemals so heiß wird, dass sie durch Überdruck explodieren kann, gibt diese Entlüftung den zusätzlichen Druck ab. Die Batterie wird danach wahrscheinlich unbrauchbar sein, daher sollten Sie dies vermeiden. Die Entlüftung ist aus Sicherheitsgründen unbedingt vorhanden. Dies gilt auch für den PTC-Schalter (Positive Temperature Coefficient), ein Gerät, das die Batterie vor Überhitzung schützen soll.

Dieses Metallgehäuse hält eine lange Spirale, die aus drei zusammengedrückten dünnen Blechen besteht:

• Eine positive Elektrode
• Eine negative Elektrode
• Ein Trennzeichen

Im Inneren des Gehäuses sind diese Blätter in ein organisches Lösungsmittel getaucht, das als Elektrolyt fungiert. Ether ist ein übliches Lösungsmittel.

Der Separator ist eine sehr dünne Folie aus mikroperforiertem Kunststoff. Wie der Name schon sagt, werden die positiven und negativen Elektroden getrennt, während Ionen durchgelassen werden.

Die positive Elektrode besteht aus Lithiumkobaltoxid oder LiCoO2. Die negative Elektrode besteht aus Kohlenstoff. Wenn sich die Batterie auflädt, bewegen sich Lithiumionen durch den Elektrolyten von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und binden sich an den Kohlenstoff. Während der Entladung wandern die Lithiumionen vom Kohlenstoff zurück zum LiCoO2.

Die Bewegung dieser Lithiumionen erfolgt bei einer ziemlich hohen Spannung, so dass jede Zelle 3,7 Volt erzeugt. Dies ist viel höher als die 1,5 Volt, die für eine normale AA-Alkalizelle typisch sind, die Sie im Supermarkt kaufen, und trägt dazu bei, Lithium-Ionen-Batterien in kleinen Geräten wie Mobiltelefonen kompakter zu machen. Weitere Informationen zu verschiedenen Batteriechemien finden Sie unter Funktionsweise von Batterien.

Wir werden untersuchen, wie die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus verlängert werden kann und warum sie als nächstes explodieren können.

Lebensdauer und Tod der Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Ionen-Akkus sind teuer. Wenn Sie also eine längere Lebensdauer Ihres Akkus wünschen, sollten Sie Folgendes beachten:

• Die Lithium-Ionen-Chemie bevorzugt eine Teilentladung gegenüber einer Tiefenentladung. Vermeiden Sie daher am besten, die Batterie auf Null zu bringen. Da die Lithium-Ionen-Chemie kein "Gedächtnis" hat, beschädigen Sie den Akku nicht durch eine Teilentladung. Wenn die Spannung einer Lithium-Ionen-Zelle unter ein bestimmtes Niveau fällt, ist sie ruiniert.
• Lithium-Ionen-Batterien altern. Sie halten nur zwei bis drei Jahre, auch wenn sie unbenutzt auf einem Regal sitzen. Vermeiden Sie es daher nicht, den Akku mit dem Gedanken zu verwenden, dass der Akku fünf Jahre hält. Es wird nicht. Wenn Sie einen neuen Akku kaufen, möchten Sie auch sicherstellen, dass er wirklich neu ist. Wenn es seit einem Jahr in einem Regal im Laden steht, wird es nicht lange dauern. Herstellungsdaten sind wichtig.
• Vermeiden Sie Hitze, die die Batterien verschlechtert.

Explodierende Batterien

Nachdem wir nun wissen, wie Lithium-Ionen-Batterien länger funktionieren, schauen wir uns an, warum sie explodieren können.

Wenn die Batterie heiß genug wird, um den Elektrolyten zu entzünden, wird ein Feuer entstehen. Es gibt Videoclips und Fotos im Web, die zeigen, wie schwerwiegend diese Brände sein können. Der CBC-Artikel "Summer of the Exploding Laptop" fasst mehrere dieser Vorfälle zusammen.

Wenn ein Brand wie dieser auftritt, wird er normalerweise durch einen internen Kurzschluss in der Batterie verursacht. Erinnern Sie sich an den vorherigen Abschnitt, dass Lithium-Ionen-Zellen eine Trennschicht enthalten, die die positiven und negativen Elektroden voneinander trennt. Wenn dieses Blatt durchstochen wird und sich die Elektroden berühren, erwärmt sich die Batterie sehr schnell. Möglicherweise haben Sie die Art von Wärme erfahren, die eine Batterie erzeugen kann, wenn Sie jemals eine normale 9-Volt-Batterie in Ihre Tasche gesteckt haben. Wenn eine Münze über die beiden Anschlüsse kurzgeschlossen wird, wird der Akku ziemlich heiß.

Bei einem Separatorausfall tritt dieselbe Art von Kurzschluss in der Lithium-Ionen-Batterie auf. Da Lithium-Ionen-Batterien so energiereich sind, werden sie sehr heiß. Die Hitze bewirkt, dass die Batterie das als Elektrolyt verwendete organische Lösungsmittel entlüftet, und die Hitze (oder ein nahegelegener Funke) kann es entzünden. Sobald dies in einer der Zellen geschieht, strömt die Hitze des Feuers zu den anderen Zellen und die gesamte Packung geht in Flammen auf.

Es ist wichtig zu beachten, dass Brände sehr selten sind. Trotzdem braucht es nur ein paar Feuer und ein wenig Medien Abdeckung, um einen Rückruf zu veranlassen.

Verschiedene Lithiumtechnologien

Zunächst ist zu beachten, dass es viele Arten von „Lithium-Ionen“ -Batterien gibt. Der in dieser Definition zu beachtende Punkt bezieht sich auf eine „Familie von Batterien“.
Innerhalb dieser Familie gibt es mehrere verschiedene „Lithium-Ionen“ -Batterien, die unterschiedliche Materialien für ihre Kathode und Anode verwenden. Dadurch weisen sie sehr unterschiedliche Eigenschaften auf und eignen sich daher für unterschiedliche Anwendungen.

Lithiumeisenphosphat (LiFePO4)

Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) ist eine in Australien bekannte Lithiumtechnologie, die sich durch ihre breite Anwendung und Eignung für ein breites Anwendungsspektrum auszeichnet.
Eigenschaften wie niedriger Preis, hohe Sicherheit und gute spezifische Energie machen dies zu einer starken Option für viele Anwendungen.
Die LiFePO4-Zellenspannung von 3,2 V / Zelle macht es auch zur Lithiumtechnologie der Wahl für den Ersatz versiegelter Blei-Säure in einer Reihe von Schlüsselanwendungen.

LiPO-Akku

Von allen verfügbaren Lithiumoptionen gibt es mehrere Gründe, warum LiFePO4 als ideale Lithiumtechnologie für den Ersatz von SLA ausgewählt wurde. Die Hauptgründe sind die günstigen Eigenschaften bei der Betrachtung der Hauptanwendungen, in denen derzeit SLA bestehen. Diese beinhalten:

• Ähnliche Spannung wie bei SLA (3,2 V pro Zelle x 4 = 12,8 V), wodurch sie ideal für den SLA-Austausch sind.
• Sicherste Form der Lithiumtechnologien.
• Umweltfreundlich - Phosphat ist nicht gefährlich und daher umweltfreundlich und kein Gesundheitsrisiko.
• Breiter Temperaturbereich.

Funktionen und Vorteile von LiFePO4 im Vergleich zu SLA

Im Folgenden sind einige Hauptmerkmale einer Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie aufgeführt, die einige wesentliche Vorteile von SLA in einer Reihe von Anwendungen bieten. Dies ist keineswegs eine vollständige Liste, deckt jedoch die wichtigsten Elemente ab. Als SLA wurde eine 100-Ah-AGM-Batterie ausgewählt, da dies eine der am häufigsten verwendeten Größen in Deep-Cycle-Anwendungen ist. Diese 100AH-Hauptversammlung wurde mit einem 100AH-LiFePO4 verglichen, um ein Gleiches für ein Gleiches so nah wie möglich zu vergleichen.

Merkmal - Gewicht:

Vergleich

• LifePO4 ist weniger als halb so schwer wie SLA
• AGM Deep Cycle - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

Leistungen

• Erhöht die Kraftstoffeffizienz
  • Bei Wohnwagen- und Bootsanwendungen wird das Zuggewicht reduziert.
• Erhöht die Geschwindigkeit
  • Bei Bootsanwendungen kann die Wassergeschwindigkeit erhöht werden
• Reduzierung des Gesamtgewichts
• Längere Laufzeit

Das Gewicht hat einen großen Einfluss auf viele Anwendungen, insbesondere wenn es um das Abschleppen oder die Geschwindigkeit geht, wie z. B. Wohnwagen und Bootfahren. Andere Anwendungen, einschließlich tragbarer Beleuchtungs- und Kameraanwendungen, bei denen die Batterien mitgeführt werden müssen.

Feature - Verlängerung der Lebensdauer:

Vergleich

• Bis zu 6-mal die Zykluslebensdauer
• AGM Deep Cycle - 300 Zyklen bei 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 Zyklen bei 100% DoD

Leistungen

• Niedrigere Gesamtbetriebskosten (Kosten pro kWh über die Lebensdauer der Batterie für LiFePO4 viel niedriger)
• Reduzierung der Wiederbeschaffungskosten - Ersetzen Sie die Hauptversammlung bis zu 6 Mal, bevor der LiFePO4 ausgetauscht werden muss

Die längere Lebensdauer bedeutet, dass die zusätzlichen Vorabkosten eines LiFePO4-Akkus über die Lebensdauer des Akkus mehr als wettgemacht werden. Bei täglicher Anwendung muss eine Hauptversammlung ca. 6 Mal, bevor der LiFePO4 ausgetauscht werden muss

Merkmal - Flache Entladungskurve:

Vergleich

• Bei 0,2 ° C (20 A) Entladung
• Hauptversammlung - fällt nachher unter 12V ab
• 1,5 Stunden Laufzeit
• LiFePO4 - fällt nach ca. 4 Stunden Laufzeit unter 12V ab

Leistungen

• Effizientere Nutzung der Batteriekapazität
• Leistung = Volt x Ampere
• Sobald die Spannung abfällt, muss die Batterie höhere Ampere liefern, um die gleiche Leistung zu liefern.
• Eine höhere Spannung ist besser für die Elektronik
• Längere Laufzeit für Geräte
• Volle Kapazitätsauslastung auch bei hoher Entladerate
• AGM @ 1C Entladung = 50% Kapazität
• LiFePO4 @ 1C-Entladung = 100% Kapazität

Diese Funktion ist wenig bekannt, stellt jedoch einen starken Vorteil dar und bietet mehrere Vorteile. Mit der flachen Entladungskurve von LiFePO4 liegt die Klemmenspannung bei einer Kapazitätsauslastung von bis zu 85-90% über 12 V. Aus diesem Grund werden weniger Ampere benötigt, um die gleiche Leistung (P = VxA) zu liefern, und daher führt die effizientere Nutzung der Kapazität zu einer längeren Laufzeit. Der Benutzer wird auch die Verlangsamung des Geräts (z. B. Golfwagen) nicht früher bemerken.

Gleichzeitig ist die Wirkung des Peukertschen Gesetzes bei Lithium viel weniger signifikant als bei der Hauptversammlung. Dies führt dazu, dass unabhängig von der Entladerate ein großer Prozentsatz der Kapazität des Akkus verfügbar ist. Bei 1C (oder 100A Entladung für 100AH Batterie) erhalten Sie mit der LiFePO4-Option immer noch 100AH gegenüber nur 50AH für die Hauptversammlung.

Feature - Erhöhte Kapazitätsauslastung:

Vergleich

• Von der Hauptversammlung empfohlener DoD = 50%
• LiFePO4 empfohlen DoD = 80%
• AGM Deep Cycle - 100AH x 50% = 50Ah verwendbar
• LiFePO4 - 100 Ah x 80% = 80 Ah
• Unterschied = 30 Ah oder 60% mehr Kapazitätsauslastung

Leistungen

• Erhöhte Laufzeit oder Batterie mit geringerer Kapazität zum Austausch

Durch die verstärkte Nutzung der verfügbaren Kapazität kann der Benutzer entweder bis zu 60% mehr Laufzeit mit derselben Kapazitätsoption in LiFePO4 erzielen oder sich alternativ für einen LiFePO4-Akku mit geringerer Kapazität entscheiden, während er gleichzeitig die gleiche Laufzeit wie die Hauptversammlung mit größerer Kapazität erreicht.

Feature - Höhere Ladeeffizienz:

Vergleich

• Hauptversammlung - Die volle Ladung dauert ca. 8 Stunden
• LiFePO4 - Die volle Ladung kann bis zu 2 Stunden betragen

Leistungen

• Akku aufgeladen und schneller wieder einsatzbereit

Ein weiterer starker Vorteil in vielen Anwendungen. LiFePO4 kann unter anderem aufgrund des geringeren Innenwiderstands eine Ladung mit einer viel höheren Geschwindigkeit als die Hauptversammlung aufnehmen. Dadurch können sie viel schneller aufgeladen und einsatzbereit sein, was zu vielen Vorteilen führt.

Feature - Niedrige Selbstentladungsrate:

Vergleich

• Hauptversammlung - Entladung auf 80% SOC nach 4 Monaten
• LiFePO4 - Entladung nach 8 Monaten auf 80%

Leistungen

• Kann länger gelagert werden

Diese Funktion ist besonders für Freizeitfahrzeuge geeignet, die nur einige Monate im Jahr verwendet werden dürfen, bevor sie für den Rest des Jahres eingelagert werden, z. B. Wohnwagen, Boote, Motorräder und Jetskis usw. Zusammen mit diesem Punkt LiFePO4 verkalkt nicht und so ist es weniger wahrscheinlich, dass der Akku dauerhaft beschädigt wird, selbst wenn er längere Zeit nicht verwendet wird. Ein LiFePO4-Akku wird nicht beschädigt, wenn er nicht vollständig aufgeladen gelagert wird.

Wenn Ihre Anwendungen eine der oben genannten Funktionen gewährleisten, werden Sie sicher Ihr Geld für die zusätzlichen Ausgaben für einen LiFePO4-Akku erhalten. In den kommenden Wochen wird ein Folgeartikel folgen, der die Sicherheitsaspekte von LiFePO4 und verschiedenen Lithiumchemien enthält.