Sve što trebate znati o li

Ako neki Tony Stark ne uskoči i ne izmisli Arc reaktor ili ne provede istraživanje solarnih satelita (SPS) za bežični prijenos energije, mi ljudi moramo ovisiti o Baterijama za napajanje svojih prijenosnih ili udaljenih elektroničkih uređaja. Najčešća vrsta punjivih baterija koju možete pronaći u potrošačkoj elektronici je litij-ionska ili litij-polimerna. U ovom ćemo članku zanimati Li-ion baterije, jer su korisnije od svih ostalih vrsta. Bila to mala banka energije ili laptop, ili nešto veliko poput Teslinog novog modela 3, sve napaja litij-ionska baterija.

Po čemu su ove baterije posebne? Što biste trebali znati o tome prije nego što ga upotrijebite u svojim projektima / nacrtima? Kako ćete sigurno napuniti ili isprazniti ove baterije? Ako ste znatiželjni znati odgovore na sva ova pitanja, našli ste se na pravom članku, samo se naslonite i pročitajte dok ću ja pokušati ovo učiniti što zanimljivijim.

Povijest litij-jonske baterije

Ideju o litij-jonskoj bateriji prvi je smislio GN Lewis 1912. godine, ali postala je izvediva tek 1970-ih i prva litijeva baterija koja se ne može puniti puštena je u promet. Kasnije 1980-ih inženjeri su pokušali izraditi prvu punjivu bateriju koristeći litij kao anodni materijal i djelomično su uspjeli. Nisu primijetili da su ove vrste litijevih baterija nestabilne tijekom postupka punjenja i to bi stvorilo kratki spoj u bateriji povećavajući temperaturu i uzrokujući toplotni odbjeg.

1991. godine jedna takva litijeva baterija koja se koristi u mobilnom uređaju eksplodirala je preko muškarčeva lica u Japanu. Tek nakon ovog incidenta shvatilo se da s Li-ion baterijama treba postupati krajnje oprezno. Ogroman broj ovih vrsta baterija koje su se pojavile na tržištu proizvođači su ih opozvali zbog sigurnosnih pitanja. Kasnije, nakon mnogo istraživanja, Sony je predstavio napredne Li-ion baterije s novom kemijom koja se koristi do danas. Završimo ovdje lekcije iz povijesti i istražimo kemiju litij-ionske baterije.

Li-ion baterija Kemija i rad

Kao što naziv očito pokazuje, litij-ionske baterije koriste litij-ione kako bi obavile posao. Litij je vrlo lagan metal s velikom gustoćom energije, ovo svojstvo omogućuje bateriji da bude lagane težine i pruža veliku struju s malim faktorom oblika. Gustina energije je količina energije koja se može pohraniti u jedinici volumena baterije, što je veća gustoća energije to će baterija biti manja. Unatoč silnim svojstvima metala litija, ne može se koristiti kao elektroda izravno u baterijama, jer je litij zbog svoje metalne prirode vrlo nestabilan. Stoga koristimo litij-ione koji više ili manje imaju isto svojstvo metala litija, ali je nemetalan i razmjerno je sigurniji za upotrebu.

Obično je anoda litijeve baterije izrađena od ugljika, a katoda baterije koristi se kobaltovim oksidom ili nekim drugim metalnim oksidom. Elektrolit koji se koristi za povezivanje ove dvije elektrode bit će jednostavna otopina soli koja sadrži litijeve ione. Prilikom pražnjenja pozitivno nabijeni litijevi ioni pomiču se prema katodi i bombardiraju je dok ne postane pozitivno nabijena. Budući da je katoda pozitivno nabijena, privlači negativno nabijene elektrone prema sebi. Ti su elektroni stvoreni da teku kroz naš krug i tako napajaju krug.

Slično se tijekom punjenja događa upravo suprotno. Elektroni iz naboja ulaze u bateriju i stoga se litijevi ioni kreću prema anodi čineći da katoda izgubi pozitivan naboj.

Uvod u litij-jonske baterije

Dosta je teorije o litij-jonskim baterijama, sada praktično upoznajmo te stanice kako bismo bili sigurni u to što ih koriste u našim projektima. Litij-ionska baterija koja se najčešće koristi je ćelije 18650, pa ćemo o tome raspravljati u ovom članku. Tipična ćelija 18650 prikazana je na donjoj slici

Kao i sve baterije, Li-ion baterija također ima napon i kapacitet. Nominalni napon za sve litijeve ćelije bit će 3,6 V, tako da su vam potrebne veće specifikacije napona, morate kombinirati dvije ili više ćelija u nizu da biste to postigli. Prema zadanim postavkama sve litij-ionske stanice imat će nominalni napon od samo ~ 3.6V. Ovaj napon se može spustiti na 3,2 V kad je potpuno prazan i popeti se do 4,2 V kada je potpuno napunjen. Uvijek imajte na umu da će pražnjenje baterije ispod 3,2 V ili punjenje iznad 4,2 V trajno oštetiti bateriju, a može postati i recept za vatromet. Omogućujemo raščlambu terminologija uključenih u bateriju 18650 kako bismo mogli bolje razumjeti. Imajte na umu da su ova objašnjenja primjenjiva samo za jednu ćeliju od 18650, kasnije ćemo ubaciti više u Li-ion baterije, gdje je više ili više ćelija spojeno u seriju ili paralelno kako bi se postigle mnogo veće vrijednosti napona i struje.

Nominalni napon: Nominalni napon je stvarni naziv napona ćelije 18650. Po defaultu je 3,6 V i ostat će isti za svih 18650 ćelija unatoč proizvodnji.

Puni napon pražnjenja: Stanica 18650 nikada se ne smije prazniti ispod 3,2 V, ako to ne učini, promijenit će se unutarnji otpor baterije što će trajno oštetiti bateriju, a može dovesti i do eksplozije

Napon punog punjenja: Napon punjenja za litij-ionsku ćeliju je 4,2 V. Treba paziti da napon ćelije u bilo kojem trenutku ne poraste za 4,2 V.

Ocjena mAh: Kapacitet stanice obično se daje u smislu ocjene mAh (Milli Ampere sat). Ova će vrijednost varirati ovisno o vrsti ćelije koju ste kupili. Na primjer, pretpostavimo da je naša ćelija ovdje 2000mAh što nije ništa drugo do 2Ah (Amper / sat). To znači da će, ako iz ove baterije izvučemo 2A, trajati 1 sat, a slično ako iz ove baterije izvučemo 1A, trajat će 2 sata. Dakle, ako želite znati koliko dugo će baterija napajati vaš projekt (vrijeme rada), tada ga morate izračunati pomoću ocjene mAh.

Vrijeme izvođenja (u satima) = Izvučena struja / mAh

Gdje, povučena struja treba biti unutar ograničenja ocjene C.

Ocjena C: Ako ste se ikad zapitali koja je maksimalna količina struje koju možete izvući iz baterije, vaš odgovor možete dobiti iz ocjene C baterije. C ocjena baterije ponovno se mijenja za svaku bateriju, pretpostavimo da je baterija koja imamo 2Ah s ocjenom 3C. Vrijednost 3C znači da baterija može izlaziti 3 puta više od nazivne vrijednosti Ah kao maksimalna struja. U tom slučaju može napajati do 6A (3 * 2 = 6) kao maksimalnu struju. Obično 18650 ćelija ima samo ocjenu 1C.

Maksimalna struja izvučena iz baterije = C Ocjena * Ah Ocjena

Struja punjenja: Još jedna važna specifikacija baterije koju treba primijetiti je struja punjenja. Samo zato što baterija može napajati maksimalnu struju od 6A ne znači da se može puniti sa 6A. Maksimalna struja punjenja baterije spomenut će se u tehničkom listu baterije, jer se ona razlikuje ovisno o bateriji. Obično će biti 0,5 ° C, što znači polovinu vrijednosti ocjene Ah. Za bateriju od 2Ah struja punjenja bit će 1A (0,5 * 2 = 1).

Vrijeme punjenja: Minimalno vrijeme punjenja potrebno za punjenje pojedine ćelije od 18650 može se izračunati pomoću vrijednosti struje punjenja i Ah baterije. Na primjer, punjenje baterije od 2Ah s 1A struje punjenja trajat će približno 2 sata, pod pretpostavkom da punjač koristi samo CC metodu za punjenje ćelije.

Unutarnji otpor (IR): Zdravlje i kapacitet baterije mogu se predvidjeti mjerenjem unutarnjeg otpora baterije. To nije ništa drugo do vrijednost otpora između anodnog (pozitivnog) i katodnog (negativnog) terminala baterije. Tipična vrijednost IR stanice će se spomenuti u tehničkom listu. Što se više udaljava od stvarne vrijednosti, baterija će biti manje učinkovita. Vrijednost IR-a za ćeliju 18650 bit će u rasponu od mili ohma, a postoje namjenski instrumenti za mjerenje vrijednosti IR-a.

Metode punjenja: Postoje mnoge metode koje se prakticiraju za punjenje li-ionske stanice. Ali najčešće korištena topologija u 3 koraka. Tri koraka su CC, CV i punjenje. U načinu rada CC (konstantna struja) ćelija se puni konstantnom strujom punjenja mijenjanjem ulaznog napona. Ovaj će način rada biti aktivan dok se baterija ne napuni do određene razine, a zatim CV (konstantni napon)način rada započinje tamo gdje se napon punjenja obično održava na 4,2 V. Konačni način rada je pulsno punjenje ili punjenje, pri čemu se mali impulsi struje prenose na bateriju radi poboljšanja životnog ciklusa baterije. Postoje i puno složeniji punjači koji uključuju punjenje u 7 koraka. Nećemo se puno upuštati u ovu temu jer je ona izvan okvira ovog članka. Ali ako vas zanima spominjanje u odjeljku za komentare i možda ću napisati zaseban članak o punjenju Li-ionskih stanica.

Stanje napunjenosti (SOC)%: Stanje napunjenosti nije ništa drugo do kapacitet baterije, sličan onima prikazanim u našem mobilnom telefonu. Kapacitet baterije ne može se jednostavno izračunati s njezinim naponskim ventilom, on se obično izračunava pomoću strujne integracije da bi se odredila promjena kapaciteta baterije tijekom vremena.

Dubina pražnjenja (DOD)%: DOD pokazuje koliko se baterija može isprazniti. Nijedna baterija neće se 100% isprazniti jer znamo da će oštetiti bateriju. Obično je za sve baterije postavljena dubina pražnjenja od 80%.

Dimenzija stanice: Još jedna jedinstvena i zanimljiva značajka ćelije 18650 je njezina dimenzija. Svaka ćelija imat će prečnik od 18 mm i visinu od 650 mm zbog čega je ova stanica dobila ime 18650.

Ako želite više definicija terminologije, pogledajte dokumentaciju terminologije MIT Battery, gdje ćete zasigurno pronaći više tehničkih parametara koji se odnose na bateriju.

Najlakši način korištenja ćelije 18650

Ako ste potpuni novak i tek započinjete s 18650 ćelija za napajanje vašeg projekta, tada bi najlakši način bio koristiti gotove module koji mogu sigurno napuniti i isprazniti 18650 ćelija. Jedini takav modul je TP4056 modul koji može obraditi jednu 18650 ćeliju.

Ako za ulazni napon trebate više od 3,6 V, možda biste trebali kombinirati dvije 18650 ćelija u seriji da biste dobili napon od 7,4 V. U tom slučaju upotrijebite modul poput 2S 3A Li-ion baterijskog modula koji bi trebao biti koristan za sigurno punjenje i pražnjenje baterija.

Da bismo kombinirali dvije ili više 18650 stanica, ne možemo koristiti konvencionalnu tehniku ​​lemljenja da bismo napravili vezu između obje, umjesto toga koristi se postupak koji se naziva točkovno zavarivanje. Također prilikom kombiniranja 18650 stanica u nizu ili paralelno treba voditi više računa o čemu će biti riječi u sljedećem odlomku.

Li-ion baterija (serijske i paralelne ćelije)

Da bi se napajala mala prijenosna elektronika ili mali uređaji, uspjela bi jedna ćelija od 18650 ili najviše njih nekoliko u nizu. U ovoj vrsti primjene složenost je manja jer je broj baterija manji. Ali za veće primjene poput električnih ciklusa / mopeda ili Teslinih automobila trebat ćemo povezati puno tih ćelija u seriju i paralelno kako bismo postigli željeni izlazni napon i kapacitet. Na primjer, automobil Tesla sadrži preko 6800 litijevih ćelija svaka s ocjenom 3,7 V i 3,1 Ah. Slika dolje prikazuje kako je postavljen unutar šasije automobila.

S ovolikim brojem stanica za nadzor potreban nam je namjenski sklop koji te stanice može samo napuniti, nadzirati i isprazniti. Ovaj namjenski sustav naziva se Sustav za nadzor baterije (BMS). Posao BMS-a je nadzirati pojedinačni napon ćelije svake litij-ionske stanice i također provjeravati njezinu temperaturu. Osim toga, neki BMS također nadgleda struju punjenja i pražnjenja sustava.

Kada kombinirate više od dvije stanice kako bi se stvorilo pakiranje, treba paziti da imaju jednaku kemiju, napon, vrijednost Ah i unutarnji otpor. Tijekom punjenja ćelija, BMS osigurava da se one napune ravnomjerno i prazne ravnomjerno, tako da u bilo kojem trenutku sve baterije održavaju isti napon, to se naziva ćelijsko uravnoteženje. Osim toga, dizajner se također mora brinuti o hlađenju ovih baterija tijekom punjenja i pražnjenja, jer ne reagiraju dobro za vrijeme visokih temperatura.

Nadam se da vam je ovaj članak pružio dovoljno detalja da biste postali malo sigurni u Li-ion stanice. Ako imate bilo kakvih posebnih dvojbi, slobodno ostavite to u odjeljku za komentare, a ja ću se potruditi odgovoriti. Do tada veselo petljanje.