- Litija jonu akumulatoru vēsture
- Li-ion akumulatoru ķīmija un darbība
- Ievads litija jonu akumulatoros
- Vieglākais veids, kā izmantot 18650 šūnu
- Li-ion akumulatoru bloks (elementi virknē un paralēli)
Ja vien Tonijs Stārks neieies un neizgudros loka reaktoru vai neizdosies izpētīt Saules enerģijas satelītus (SPS) bezvadu enerģijas pārraidei, mums, cilvēkiem, mūsu portatīvo vai attālo elektronisko ierīču barošanai ir jābūt atkarīgiem no Baterijām. Visizplatītākais uzlādējamo bateriju veids, ko atrodat plaša patēriņa elektronikā, ir vai nu litija jonu, vai litija polimēra tipa. Šajā rakstā mūsu interese būtu par litija jonu akumulatoriem, jo tie parasti ir noderīgāki nekā visi citi veidi. Vai tā būtu maza enerģijas banka, klēpjdators vai kaut kas tik liels kā Tesla jaunais 3. modelis - visu darbina litija jonu akumulators.
Ar ko šīs baterijas ir īpašas? Kas jums par to būtu jāzina, pirms to izmantojat savos projektos / projektos? Kā jūs droši uzlādējat vai izlādējat šīs baterijas? Ja vēlaties uzzināt atbildes uz visiem šiem jautājumiem, tad esat nonācis pareizajā rakstā, vienkārši sēdiet un izlasiet, kamēr es centīšos to saglabāt pēc iespējas interesantāku.
Litija jonu akumulatoru vēsture
Ideja par litija jonu akumulatoru pirmo reizi tika izveidota GN Lūisa 1912. gadā, taču tas kļuva iespējams tikai 1970. gados un pirmais neuzlādējamais litija akumulators tika laists tirgū. Vēlāk 1980. gados inženieri mēģināja izgatavot pirmo uzlādējamo akumulatoru, kā anoda materiālu izmantojot litiju, un daļēji guva panākumus. Viņi nepamanīja, ka šāda veida litija akumulatori uzlādes procesā bija nestabili, un tas akumulatorā radīs īsu saīsinājumu, paaugstinot temperatūru un izraisot termisku aizplūšanu.
1991. gadā Japānā viena šāda mobilajos tālruņos izmantotā litija baterija uzsprāga virs vīrieša sejas. Tikai pēc šī incidenta tika saprasts, ka ar litija jonu akumulatoriem jārīkojas ļoti piesardzīgi. Pēc tam ražotāji atsauca milzīgu skaitu šāda veida bateriju, kas bija tirgū. Vēlāk pēc daudziem pētījumiem Sony iepazīstināja ar modernām litija jonu baterijām ar jaunu ķīmiju, kas tiek izmantota līdz šim. Noslēgsim vēstures stundas šeit un izpētīsim litija jonu akumulatora ķīmiju.
Li-ion akumulatoru ķīmija un darbība
Kā nosaukums acīmredzami norāda, litija jonu akumulatori darba veikšanai izmanto litija jonus. Litijs ir ļoti viegls metāls ar augstu enerģijas blīvumu. Šī īpašība ļauj akumulatoram būt mazam svaram un nodrošināt lielu strāvu ar nelielu formas koeficientu. Enerģijas blīvums ir enerģijas daudzums, ko var uzglabāt akumulatora tilpuma vienībā, jo lielāks enerģijas blīvums, jo mazāks būs akumulators. Neskatoties uz lielajām litija metāla īpašībām, to nevar izmantot kā elektrodu tieši akumulatoros, jo litijs ir ļoti nestabils sava metāliskā rakstura dēļ. Tāpēc mēs izmantojam litija jonus, kuriem vairāk vai mazāk ir tāda pati metāla litija īpašība, bet tas ir nemetālisks un ir salīdzinoši drošāks lietošanā.
Parasti litija akumulatora anods ir izgatavots no oglekļa, un akumulatora katods tiek izgatavots, izmantojot kobalta oksīdu vai kādu citu metāla oksīdu. Elektrolīts, ko izmanto, savienojot šos divus elektrodus, būs vienkāršs sāls šķīdums, kas satur litija jonus. Izlādējot pozitīvi uzlādētos litija jonus, virzieties uz katoda pusi un bombardējiet to, līdz tas kļūst pozitīvi uzlādēts. Tā kā katods ir pozitīvi uzlādēts, tas pret to piesaista negatīvi lādētus elektronus. Šie elektroni liek plūst caur mūsu ķēdi, tādējādi darbinot ķēdi.
Līdzīgi uzlādes laikā notiek tieši pretējais. Elektroni no lādiņiem ieplūst akumulatorā, un tādējādi litija joni virzās uz anoda pusi, liekot katodam zaudēt pozitīvo lādiņu.
Ievads litija jonu akumulatoros
Pietiekami daudz teoriju par litija jonu akumulatoriem, tagad praktiski iepazīsimies ar šīm šūnām, lai mēs varētu būt pārliecināti par to izmantošanu to izmantošanā savos projektos. Visbiežāk lietotā litija jonu baterija ir 18650 šūnas, tāpēc šajā rakstā tiks apspriests aptuveni tas pats. Tipiska 18650 šūna ir parādīta zemāk esošajā attēlā
Tāpat kā visām baterijām, arī litija jonu akumulatoriem ir sprieguma un jaudas rādītāji. Visu litija šūnu nominālais spriegums būs 3,6 V, tāpēc jums nepieciešama augstāka sprieguma specifikācija, lai to sasniegtu, ir jāapvieno divas vai vairākas šūnas virknē. Pēc noklusējuma visu litija jonu šūnu nominālais spriegums būs tikai ~ 3,6 V. Šim spriegumam var ļaut pazemināties līdz pat 3,2 V, kad tas ir pilnībā izlādējies, un līdz pat 4,2 V, kad tas ir pilnībā uzlādēts. Vienmēr atcerieties, ka, izlādējot akumulatoru zem 3,2 V vai uzlādējot to virs 4,2 V, akumulators tiks neatgriezeniski bojāts un tas var kļūt arī par uguņošanas receptēm. Ļauj sadalīt terminoloģijas, kas saistītas ar 18650 akumulatoru, lai mēs varētu labāk saprast. Paturiet prātā, ka šie paskaidrojumi ir piemērojami tikai vienai 18650 šūnai, vēlāk mēs vairāk iekļausimies litija jonu akumulatoros, kur vairāk nekā viena šūna ir savienota virknē vai paralēli, lai iegūtu daudz augstāku sprieguma un strāvas līmeni.
Nominālais spriegums: nominālais spriegums ir 18650 šūnu faktiskais spriegums. Pēc noklusējuma tas ir 3,6 V un paliks nemainīgs visām 18650 šūnām, neraugoties uz tā ražotajiem.
Pilna izlādes spriegums: 18650 šūnai nekad nevajadzētu ļaut izlādēties zemāk par 3,2 V, ja tas netiks izdarīts, mainīsies akumulatora iekšējā pretestība, kas neatgriezeniski sabojās akumulatoru un var izraisīt arī eksploziju
Pilnas uzlādes spriegums: litija jonu šūnas uzlādes spriegums ir 4,2 V. Jāuzmanās, lai šūnas spriegums nevienā brīdī nepalielinātu 4.2V.
mAh vērtējums: Šūnas jauda parasti tiek norādīta mAh (Milli ampēra stundā) vērtējumā. Šī vērtība mainīsies atkarībā no iegādāto šūnu veida. Piemēram, pieņemsim, ka mūsu šūna šeit ir 2000mAh, kas ir nekas cits kā 2Ah (ampēri / stundā). Tas nozīmē, ka, ja mēs no šī akumulatora izvelkam 2A, tas kalpos 1 stundu un līdzīgi, ja no šī akumulatora mēs ņemsim 1A, tas kalpos 2 stundas. Tātad, ja vēlaties uzzināt, cik ilgi akumulators darbosies, lai to projektētu (izpildes laiks), jums tas jāaprēķina, izmantojot mAh reitingu.
Ekspluatācijas laiks (stundās) = Pašreizējais / mAh vērtējums
Kur, strāvas stiprumam jābūt C kategorijas robežās.
C vērtējums: Ja kādreiz esat domājis, kāds ir maksimālais strāvas daudzums, ko varat iegūt no akumulatora, tad atbildi varat iegūt no akumulatora C vērtējuma. Akumulatora C vērtējums atkal mainās katram akumulatoram, pieņemsim, ka mūsu rīcībā esošais akumulators ir 2Ah akumulators ar 3C vērtējumu. Vērtība 3C nozīmē, ka akumulators var izvadīt trīs reizes lielāku par nominālo Ah rādītāju kā tā maksimālo strāvu. Šajā gadījumā tā var piegādāt līdz 6A (3 * 2 = 6) kā maksimālo strāvu. Parasti 18650 šūnām ir tikai 1C vērtējums.
Maksimālā strāva, kas iegūta no akumulatora = C vērtējums * Ah vērtējums
Uzlādes strāva: Vēl viena svarīga akumulatora specifikācija, ko pamanīt, ir tā uzlādes strāva. Tas, ka akumulators var piegādāt maksimālo strāvu 6A, nenozīmē, ka to var uzlādēt ar 6A. Maksimālā akumulatora uzlādes strāva tiks minēta akumulatora datu lapā, jo tā mainās atkarībā no akumulatora. Parasti tas būs 0,5C, kas nozīmē pusi no Ah vērtējuma vērtības. 2Ah akumulatora uzlādes strāva būs 1A (0,5 * 2 = 1).
Uzlādes laiks: minimālo uzlādes laiku, kas nepieciešams vienas 18650 šūnu uzlādēšanai, var aprēķināt, izmantojot akumulatora uzlādes strāvas vērtību un Ah vērtējumu. Piemēram, 2Ah akumulatora uzlāde ar 1A uzlādes strāvu prasīs aptuveni 2 stundas, pieņemot, ka lādētājs šūnas uzlādēšanai izmanto tikai CC metodi.
Iekšējā pretestība (IR): Akumulatora veselību un ietilpību var paredzēt, izmērot akumulatora iekšējo pretestību. Tas ir nekas cits kā pretestības vērtība starp akumulatora anoda (pozitīvā) un katoda (negatīvā) spailēm. Šūnas tipiskā IR vērtība tiks norādīta datu lapā. Jo vairāk tas novirzās no faktiskās vērtības, jo mazāk akumulators būs efektīvs. IR vērtība 18650 šūnā būs mili omu diapazonā, un IR vērtībai ir paredzēti īpaši instrumenti.
Uzlādes metodes: Li-jonu šūnas uzlādēšanai tiek izmantotas daudzas metodes. Bet visbiežāk tiek izmantota 3 pakāpju topoloģija. Trīs darbības ir CC, CV un trickle uzlāde. Jo CC (Constant pašreizējais) režīmā šūna ir uzlādēts ar nemainīgu uzlādes strāvu, mainot ievades spriegumu. Šis režīms būs aktīvs, līdz akumulators tiks uzlādēts līdz noteiktam līmenim, tad CV (pastāvīgais spriegums)režīms sākas tur, kur uzlādes spriegums parasti tiek uzturēts 4,2 V. Pēdējais režīms ir impulsa uzlāde vai uzlāde, kad akumulatoram tiek nodoti mazi strāvas impulsi, lai uzlabotu akumulatora dzīves ciklu. Ir arī daudz sarežģītāki lādētāji, kas saistīti ar 7 pakāpju uzlādi. Mēs daudz neiedziļināsimies šajā tēmā, jo tā ir tālu ārpus šī raksta darbības jomas. Bet, ja jūs interesē zināt pieminēšanu komentāru sadaļā, es drīkstu uzrakstīt atsevišķu rakstu par litija jonu uzlādi.
Uzlādes stāvoklis (SOC)%: uzlādes stāvoklis ir nekas cits kā akumulatora ietilpība, līdzīgi tiem, kas parādīti mūsu mobilajā tālrunī. Akumulatora jaudu nevar precīzi aprēķināt, izmantojot tā sprieguma vārstu, to parasti aprēķina, izmantojot strāvas integrāciju, lai noteiktu akumulatora kapacitātes izmaiņas laika gaitā.
Izlādes dziļums (DOD)%: cik tālu akumulatoru var izlādēt, norāda DOD. Nevienam akumulatoram nebūs 100% izlādes, jo, kā zināms, tas sabojās akumulatoru. Parasti visām baterijām tiek noteikts 80% izlādes dziļums.
Šūnas dimensija: Vēl viena unikāla un interesanta 18650 šūnas iezīme ir tās dimensija. Katrai šūnai būs 18 mm diametrs un 650 mm augstums, kas padara šo šūnu par 18650.
Ja vēlaties vairāk terminoloģijas definīciju, tad apskatiet MIT Battery terminoloģiju dokumentāciju, kur noteikti atradīsit vairāk tehnisko parametru, kas saistīti ar akumulatoru.
Vieglākais veids, kā izmantot 18650 šūnu
Ja esat pilnīgs iesācējs un tikai sākat darbu ar 18650 šūnām, lai darbinātu savu projektu, tad vienkāršākais veids būtu izmantot gatavus moduļus, kas var droši uzlādēt un izlādēt 18650 šūnas. Tikai šāds modulis ir modulis TP4056, kas var apstrādāt vienu 18650 šūnu.
Ja projektam kā ieejas spriegums ir nepieciešams vairāk nekā 3,6 V, tad, iespējams, vēlēsities apvienot divas 18650 šūnas virknē, lai iegūtu 7,4 V spriegumu. Šādā gadījumā izmantojiet moduli, piemēram, 2S 3A litija jonu akumulatoru moduli, lai akumulatorus droši uzlādētu un izlādētu.
Lai apvienotu divas vai vairākas 18650 šūnas, mēs nevaram izmantot parasto lodēšanas tehniku, lai izveidotu savienojumu starp abiem, bet tiek izmantots process, ko sauc par punktmetināšanu. Apvienojot 18650 šūnas virknē vai paralēli, jāpievērš lielāka uzmanība, kas ir aplūkota nākamajā punktā.
Li-ion akumulatoru bloks (elementi virknē un paralēli)
Lai darbinātu mazu pārnēsājamu elektroniku vai mazas ierīces, to izdarītu viena 18650 šūna vai ne vairāk kā pāris no tām. Šāda veida lietojumprogrammās sarežģītība ir mazāka, jo iesaistīto bateriju skaits ir mazāks. Bet, lai iegūtu lielāku pielietojumu, piemēram, elektriskā velosipēda / mopēda vai Tesla automašīnām, mums vajadzēs daudzus šos elementus savienot virknē un paralēli, lai sasniegtu vēlamo izejas spriegumu un jaudu. Piemēram, Tesla automašīnā ir vairāk nekā 6800 litija elementu, kuru katra kategorija ir 3,7 V un 3,1 Ah. Zemāk redzamajā attēlā parādīts, kā tas ir izvietots automašīnas šasijas iekšpusē.
Ņemot vērā tik daudz šūnu, lai uzraudzītu, mums ir nepieciešama īpaša shēma, kas var vienkārši uzlādēt, uzraudzīt un izlādēt šīs šūnas droši. Šo īpašo sistēmu sauc par akumulatora uzraudzības sistēmu (BMS). BMS uzdevums ir uzraudzīt katras litija jonu šūnas atsevišķo šūnu spriegumu un pārbaudīt arī tās temperatūru. Bez tam daži BMS arī uzrauga sistēmas uzlādes un izlādes strāvu.
Kombinējot vairāk nekā divas šūnas, veidojot iepakojumu, jārūpējas, lai tām būtu vienāda ķīmija, spriegums, Ah vērtējums un iekšējā pretestība. Lādējot šūnas, BMS pārliecinās, ka tās tiek vienmērīgi uzlādētas un izlādētas vienmērīgi, lai jebkurā brīdī visām baterijām būtu vienāds spriegums, to sauc par šūnu balansēšanu. Bez tam dizainerim ir jāuztraucas arī par šo akumulatoru atdzesēšanu, kamēr tie tiek uzlādēti un izlādēti, jo tie nereaģē labi augstās temperatūrās.
Ceru, ka šis raksts ir sniedzis jums pietiekami daudz informācijas, lai jūs varētu mazliet pārliecināties par litija jonu šūnām. Ja jums ir kādas šaubas, nekautrējieties atstāt komentāru sadaļā, un es centīšos darīt visu iespējamo, atbildot uz to. Līdz tam priecīga lāpīšana.