- Lithium-ion-batterihistorik
- Li-ion batterikemi og arbejde
- Introduktion til lithiumionbatterier
- Den nemmeste måde at bruge en 18650-celle på
- Li-ion batteripakke (celler i serie og parallel)
Medmindre nogle Tony Stark træder ind og opfinder buereaktoren eller forskningen i solenergisatellitter (SPS) til trådløs energioverførsel kommer igennem, er vi mennesker afhængige af batterier til at drive vores bærbare eller eksterne elektroniske enheder. Den mest almindelige type genopladelige batterier, som du finder i forbrugerelektronik, er enten lithiumion eller lithiumpolymer-type. I denne artikel ville vores interesse være over Li-ion-batterier, da de har tendens til at være mere nyttige end alle andre typer. Det være sig en lille powerbank eller en bærbar computer eller noget så stort som Teslas nye Model 3 alt får strøm fra et lithium-ion-batteri.
Hvad gør disse batterier specielle? Hvad skal du vide om det, før du bruger en i dine projekter / design? Hvordan oplader eller aflader du disse batterier sikkert? Hvis du er nysgerrig efter at kende svarene på alle disse spørgsmål, er du kommet til den rigtige artikel, bare læne dig tilbage og læse igennem, mens jeg vil prøve at holde dette så interessant som muligt.
Lithium-ion-batterihistorik
Idéen om litiumionbatteri blev først opfundet af GN Lewis i 1912, men det blev først muligt i 1970'erne, og det første ikke-genopladelige lithiumbatteri blev sat på kommercielle markeder. Senere i 1980'erne forsøgte ingeniører at fremstille det første genopladelige batteri ved hjælp af lithium som anodemateriale og var delvist succesrige. De bemærkede ikke, at disse typer lithiumbatterier var ustabile under opladningsprocessen, og det ville skabe en kortslutning inde i batteriet, der øger temperaturen og forårsager en termisk løbsk.
I 1991 eksploderede et sådant lithiumbatteri, der blev brugt i mobilen, over en mands ansigt i Japan. Først efter denne hændelse blev det klar over, at Li-ion-batterier skulle håndteres med ekstrem forsigtighed. Et stort antal af disse typer batterier, der var på markedet, blev derefter tilbagekaldt af producenterne på grund af sikkerhedsspørgsmål. Senere efter meget research introducerede Sony de avancerede Li-ion-batterier med en ny kemi, der bruges indtil dato. Lad os afslutte historielektionerne her og se på kemien i et lithium-ion-batteri.
Li-ion batterikemi og arbejde
Som navnet naturligvis indikerer, bruger Lithium Ion-batterier Lithium-ioner til at få arbejdet gjort. Lithium er et meget let metal med høj energitæthed, denne egenskab gør det muligt for batteriet at være let i vægt og give høj strøm med en lille formfaktor. Energitæthed er den mængde energi, der kan lagres i pr. Enhed volumen af batteriet, jo højere energitætheden er, desto mindre bliver batteriet. På trods af de overvældende egenskaber ved lithiummetal kan det ikke bruges som en elektrode direkte i batterierne, da lithium er yderst ustabilt på grund af dets metalliske natur. Derfor bruger vi lithiumioner, som mere eller mindre har den samme egenskab som et lithiummetal, men det er ikke-metallisk og er forholdsvis sikrere at bruge.
Normalt er anoden på et lithiumbatteri lavet af kulstof, og batteriets katode er fremstillet ved hjælp af koboltoxid eller et andet metaloxid. Den anvendte elektrolyt, der forbinder disse to elektroder, vil være en simpel saltopløsning, der indeholder lithiumioner. Ved afladning bevæger de positivt ladede lithiumioner sig mod katoden og bombarderer den, indtil den bliver positivt ladet. Nu da katoden er positivt ladet, tiltrækker den negativt ladede elektroner mod den. Disse elektroner er lavet til at strømme gennem vores kredsløb og dermed give strøm til kredsløbet.
Tilsvarende under opladning sker det nøjagtige modsatte. Elektroner fra ladningerne strømmer ind i batteriet, og derfor bevæger lithiumionerne sig mod anoden, hvilket får katoden til at miste sin positive ladning.
Introduktion til lithiumionbatterier
Nok af teorien om lithiumionbatterier, lad os nu praktisk kende til disse celler, så vi kan være sikre på dem for at bruge det i vores projekter. Det mest almindeligt anvendte litiumionbatteri er 18650-cellerne, så det vil diskutere omtrent det samme i denne artikel. En typisk 18650-celle er vist på billedet nedenfor
Som alle batterier har Li-ion-batteriet også en spændings- og kapacitetsvurdering. Den nominelle spænding for alle lithiumceller er 3,6 V., så du har brug for højere spændingsspecifikationer, du skal kombinere to eller flere celler i serie for at nå det. Som standard har alle lithiumionceller en nominel spænding på kun ~ 3,6V. Denne spænding kan få lov til at gå op til 3,2 V, når den er fuldt afladet, og gå så højt som 4,2 V, når den er fuldt opladet. Husk altid, at afladning af batteriet under 3,2 V eller opladning over 4,2 V vil beskadige batteriet permanent og måske også blive en opskrift på fyrværkeri. Lad os opdele terminologierne i et 18650 batteri, så vi kan forstå bedre. Husk at disse forklaringer kun gælder for en enkelt 18650-celle, vi kommer senere ind i Li-ion-batteripakker, hvor mere end en celle er forbundet i serie eller parallel for at få meget højere spændings- og strømværdier.
Nominel spænding: Den nominelle spænding er den aktuelle spændingsvurdering af en 18650-celle. Som standard er den 3,6V og forbliver den samme for alle 18650-celler på trods af dens fabrikanter.
Fuld afladningsspænding: En 18650-celle bør aldrig få lov til at aflade under 3,2 V, hvis det ikke gøres, ændres batteriets interne modstand, hvilket vil beskadige batteriet permanent og kan også føre til eksplosion
Fuld opladningsspænding: Opladningsspændingen til lithiumionceller er 4,2V. Man skal være opmærksom på, at cellespændingen ikke øges med 4,2 V på et givet tidspunkt.
mAh-klassificering: En celles kapacitet angives normalt i form af mAh (Milli Ampere-timers) vurdering. Denne værdi varierer afhængigt af typen af celle, du har købt. Lad os for eksempel antage, at vores celle her er 2000mAh, hvilket kun er 2Ah (ampere / time). Dette betyder, at hvis vi trækker 2A fra dette batteri, varer det i 1 time, og hvis vi trækker 1A fra dette batteri, holder det i 2 timer. Så hvis du vil vide, hvor længe batteriet får dig til at projicere (driftstid), skal du beregne det ved hjælp af mAh-klassificeringen.
Kørselstid (i timer) = Strøm trukket / mAh-vurdering
Hvor den nuværende trukket skal være inden for C-grænseværdien.
C-vurdering: Hvis du nogensinde har spekuleret på, hvad der er den maksimale strøm, du kan trække fra et batteri, kan dit svar fås fra C-klassificeringen af batteriet. C-klassificeringen af batteriet ændres igen for hvert batteri, lad os antage, at det batteri, vi har, er et 2Ah-batteri med 3C-klassificering. Værdien 3C betyder, at batteriet kan afgive 3 gange den nominelle Ah-klassificering som sin maksimale strøm. I dette tilfælde kan den levere op til 6A (3 * 2 = 6) som den maksimale strøm. Normalt har 18650 celler kun en 1C-vurdering.
Maksimal strøm trukket fra batteri = C Rating * Ah Rating
Opladningsstrøm: En anden vigtig specifikation for et batteri, der skal bemærkes, er dets opladningsstrøm. Bare fordi et batteri kan levere en maksimal strøm på 6A, betyder det ikke, at det kan oplades med 6A. Den maksimale ladestrøm for et batteri vil blive nævnt i databladet for batteriet, da det varierer afhængigt af batteriet. Normalt vil det være 0,5 ° C, hvilket betyder halvdelen af Ah-værdien. For et 2Ah-batteri er opladningsstrømmen 1A (0,5 * 2 = 1).
Opladningstid: Den mindste opladningstid, der kræves for en enkelt 18650-celle at oplade til, kan beregnes ved hjælp af værdien af opladningsstrømmen og Ah-værdien for batteriet. For eksempel tager en 2Ah batteriopladning med 1A opladningsstrøm ca. 2 timer at oplade, forudsat at opladeren kun bruger CC-metoden til at oplade cellen.
Intern modstand (IR): Et batteris helbred og kapacitet kan forudsiges ved at måle batteriets interne modstand. Dette er intet andet end modstandsværdien mellem batteriets anode (positive) og katode (negative) terminaler. Den typiske værdi af IR for en celle vil blive nævnt i databladet. Jo mere det kører fra den faktiske værdi, jo mindre effektivt er batteriet. Værdien af IR for en 18650-celle vil være i området mellem ohm, og der er dedikerede instrumenter til at måle værdien af IR.
Opladningsmetoder: Der er mange metoder, der praktiseres til at oplade en li-ion-celle. Men det mest anvendte er 3-trins topologi. De tre trin er CC, CV og vedligeholdelsesopladning. I tilstanden CC (konstant strøm) oplades cellen med en konstant ladestrøm ved at variere indgangsspændingen. Denne tilstand vil være aktiv, indtil batteriet oplades til et bestemt niveau, derefter CV (konstant spænding)tilstand starter, hvor opladningsspændingen typisk opretholdes på 4,2 V. Den endelige tilstand er pulsopladning eller vedligeholdelsesopladning, hvor der sendes små strømimpulser til batteriet for at forbedre batteriets livscyklus. Der er også meget mere komplekse opladere, der involverer 7-trins opladning. Vi kommer ikke meget dybt ind i dette emne, da det er langt uden for denne artikels anvendelsesområde. Men hvis du er interesseret i at vide omtale i kommentarsektionen og må jeg skrive en separat artikel om opladning af Li-ion-celler.
Opladningstilstand (SOC)%: Opladningstilstanden er intet andet end batteriets kapacitet svarende til dem, der vises på vores mobiltelefon. Kapaciteten på et batteri kan ikke beregnes klart med dets spændingsventil, det beregnes normalt ved hjælp af strømintegration for at bestemme ændringen i batterikapacitet over tid.
Dybde af afladning (DOD)%: Hvor langt batteriet kan aflades, gives af DOD. Intet batteri vil have 100% afladning, da vi som bekendt vil beskadige batteriet. Normalt er der 80% afladningsdybde for alle batterier.
Celledimension: Et andet unikt og interessant træk ved 18650-cellen er dens dimension. Hver celle har en diameter på 18 mm og en højde på 650 mm, hvilket gør, at denne celle får sit navn 18650.
Hvis du vil have flere terminologidefinitioner, skal du se i dokumentationen til MIT-batteriterminologier, hvor du er sikker på at finde flere tekniske parametre relateret til et batteri.
Den nemmeste måde at bruge en 18650-celle på
Hvis du er en helt nybegynder og lige er kommet i gang med 18650 celler til at drive dit projekt, så er den nemmeste måde at bruge færdige moduler, som sikkert kan oplade og aflade dine 18650-celler. Kun et sådant modul er TP4056-modulet, som kan håndtere en enkelt 18650-celle.
Hvis du projekterer brug for mere end 3,6 V som indgangsspænding, vil du måske kombinere to 18650 celler i serie for at opnå en spænding på 7,4 V. I et sådant tilfælde skal et modul som 2S 3A Li-ion-batterimodul være nyttigt til opladning og afladning af batterierne sikkert.
For at kombinere to eller flere 18650 celler kan vi ikke bruge konventionel loddeteknik til at skabe forbindelse mellem begge i stedet for en proces kaldet plettsvejsning. Også når man kombinerer 18650 celler i serie eller parallel, skal man være mere forsigtig, hvilket diskuteres i det følgende afsnit.
Li-ion batteripakke (celler i serie og parallel)
At drive lille bærbar elektronik eller små enheder ville en enkelt 18650-celle eller højst et par af dem i serie gøre tricket. I denne type applikationer er kompleksiteten mindre, da antallet af involverede batterier er mindre. Men til større applikationer som en elektrisk cyklus / knallert eller en Tesla-bil er vi nødt til at forbinde mange af disse celler i serie og parallel for at opnå den ønskede udgangsspænding og kapacitet. For eksempel indeholder Tesla-bilen over 6800 lithiumceller, der hver har en rating på 3.7V og 3.1Ah. Billedet nedenfor viser, hvordan det er anbragt inde i bilens chassis.
Med dette mange antal celler, der skal overvåges, har vi brug for et dedikeret kredsløb, som bare kan oplade, overvåge og aflade disse celler sikkert. Dette dedikerede system kaldes et BMS (Battery monitoring System). Opgaven med BMS er at overvåge den enkelte cellespænding for hver lithiumioncelle og også kontrollere for dens temperatur. Bortset fra det overvåger nogle BMS også systemets opladnings- og afladningsstrøm.
Når man kombinerer mere end to celler for at danne en pakke, skal man være opmærksom på, at de har samme kemi, spænding, Ah-klassificering og intern modstand. Også under opladning af cellerne sørger BMS for, at de oplades jævnt og aflades jævnt, så alle batterier til enhver tid opretholder den samme spænding, dette kaldes en Cell Balancing. Bortset fra dette skal designeren også bekymre sig om at køle disse batterier under opladning og afladning, da de ikke reagerer godt under høje temperaturer.
Håber, at denne artikel har givet dig nok detaljer til, at du kan få lidt tillid til Li-ion-celler. Hvis du er i tvivl, er du velkommen til at efterlade det i kommentarfeltet, og jeg vil gøre mit bedste for at svare tilbage. Indtil da lykkelig tinkering.