Všetko, čo potrebujete vedieť o li

Pokiaľ niekto Tony Stark nezasiahne a nevymyslí reaktor oblúku alebo nevyjde výskum v oblasti solárnych satelitov (SPS) pre bezdrôtový prenos energie, my ľudia musíme na napájanie našich prenosných alebo vzdialených elektronických zariadení závisieť od batérií. Najbežnejším typom nabíjateľných batérií, ktoré nájdete v spotrebnej elektronike, je lítium-iónový alebo lítium-polymérový typ. V tomto článku by nás zaujímali lítium-iónové batérie, pretože tie majú tendenciu byť užitočnejšie ako všetky ostatné typy. Či už je to malá power banka alebo notebook alebo niečo také veľké ako nový model 3 spoločnosti Tesla, všetko je napájané lítium-iónovou batériou.

Čím sú tieto batérie špeciálne? Čo by ste o ňom mali vedieť predtým, ako ho použijete vo svojich projektoch / návrhoch? Ako tieto batérie bezpečne nabijete alebo vybijete? Ak by ste chceli vedieť odpovede na všetky tieto otázky, dostali ste sa k správnemu článku, len sa pohodlne usaďte a prečítajte si, zatiaľ čo sa budem snažiť, aby to bolo čo najzaujímavejšie.

História lítium-iónových batérií

Myšlienka lítium-iónovej batérie bola prvýkrát objavená spoločnosťou GN Lewis v roku 1912, ale uskutočniteľnou sa stala až v roku 1970 a na komerčné trhy sa dostala prvá lítiová batéria nenabíjateľná. Neskôr v 80. rokoch sa inžinieri pokúsili vyrobiť prvú nabíjateľnú batériu s použitím lítia ako anódového materiálu a boli čiastočne úspešní. Nevšimli si, že tieto typy lítiových batérií sú počas nabíjania nestabilné a vo vnútri batérie by došlo ku skratu, ktorý by zvyšoval teplotu a spôsoboval tepelný únik.

V roku 1991 explodovala v Japonsku jedna taká lítiová batéria použitá v mobile na mužskú tvár. Až po tomto incidente sa zistilo, že s Li-ion batériami by sa malo narábať mimoriadne opatrne. Obrovský počet týchto typov batérií, ktoré sa dostali na trh, potom výrobcovia stiahli z dôvodu bezpečnosti. Neskôr po rozsiahlom výskume spoločnosť Sony predstavila pokrokové lítium-iónové batérie s novou chémiou, ktorá sa používa dodnes. Poďme si skončiť s hodinami histórie a pozrime sa na chémiu lítium-iónovej batérie.

Chémia a fungovanie lítium-iónových batérií

Ako je zrejmé z názvu, lítiové iónové batérie používajú na svoju prácu lítiové ióny. Lítium je veľmi ľahký kov s vysokou hustotou energie. Táto vlastnosť umožňuje, aby bola batéria ľahká a poskytovala vysoký prúd s malým tvarovým faktorom. Hustota energie je množstvo energie, ktoré je možné uložiť na jednotku objemu batérie, čím vyššia je hustota energie, tým menšia bude batéria. Napriek ohromujúcim vlastnostiam kovového lítia ho nemožno použiť ako elektródu priamo v batériách, pretože lítium je kvôli svojej kovovej povahe veľmi nestabilné. Preto používame lítium-ióny, ktoré majú viac alebo menej rovnaké vlastnosti ako lítny kov, ale sú nekovové a ich použitie je porovnateľne bezpečnejšie.

Anóda lítiovej batérie je zvyčajne vyrobená z uhlíka a katóda batérie je vyrobená z oxidu kobaltu alebo iného oxidu kovu. Použitý elektrolyt spájajúci tieto dve elektródy bude jednoduchý soľný roztok, ktorý obsahuje ióny lítia. Pri vybíjaní sa kladne nabité ióny lítia pohybujú smerom ku katóde a bombardujú ju, až kým sa kladne nabitá nestane. Pretože je katóda pozitívne nabitá, priťahuje k nej záporne nabité elektróny. Tieto elektróny sú vyrobené tak, aby prúdili naším obvodom, a tým napájajú tento obvod.

Podobne sa pri nabíjaní stáva pravý opak. Elektróny z nábojov prúdia do batérie, a preto sa lítiové ióny pohybujú smerom k anóde, vďaka čomu katóda stráca kladný náboj.

Úvod do lítium-iónových batérií

Dosť bolo teórie o lítium-iónových batériách, teraz sa poďme prakticky o týchto bunkách dozvedieť, aby sme si mohli byť istí, že ich použijeme v našich projektoch. Najbežnejšie používanou lítium-iónovou batériou je 18650 Cells, takže o tejto téme pojednáme v tomto článku. Typická bunka 18650 je zobrazená na obrázku nižšie

Rovnako ako všetky batérie má aj lítium-iónová batéria menovité napätie a kapacitu. Menovité napätie pre všetky lítiové články bude 3,6 V, takže potrebujete vyššiu napäťovú špecifikáciu, aby ste ju dosiahli, musíte skombinovať dva alebo viac článkov v sérii. Štandardne budú mať všetky lítium-iónové články nominálne napätie iba ~ 3,6 V. Toto napätie je možné nechať klesnúť až na 3,2 V pri úplnom vybití a po úplnom nabití dosiahnuť až 4,2V. Vždy pamätajte na to, že vybitie batérie pod 3,2 V alebo nabíjanie nad 4,2 V batériu trvale poškodí a môže sa tiež stať receptom na zábavnú pyrotechniku. Umožňuje rozčleniť terminológiu použitú v batérii 18650, aby sme lepšie porozumeli. Majte na pamäti, že tieto vysvetlenia sú použiteľné iba pre jeden článok 18650, neskôr sa k lítium-iónovým batériám dostaneme viac, kde je viac ako jeden článok zapojený do série alebo paralelne, aby sme dosiahli oveľa vyššie hodnoty napätia a prúdu.

Menovité napätie: Menovité napätie je skutočné menovité napätie článku 18650. Predvolene je to 3,6 V a zostane rovnaké pre všetkých 18 650 článkov aj napriek jeho výrobcom.

Napätie pri úplnom vybití: Článku 18650 by sa nikdy nemalo nechať vybiť pod 3,2 V, v opačnom prípade sa zmení vnútorný odpor batérie, ktorý ju trvale poškodí a môže tiež viesť k výbuchu

Plné nabitie: Nabíjacie napätie pre lítium-iónový článok je 4,2 V. Je potrebné dbať na to, aby sa napätie článku v žiadnom okamihu nezvýšilo o 4,2 V.

mAh hodnotenie: Kapacita bunky sa bežne uvádza v hodnotách mAh (Milli Ampérhodina). Táto hodnota sa bude líšiť v závislosti od typu bunky, ktorú ste si kúpili. Napríklad predpokladajme, že naša bunka je 2 000 mAh, čo nie je nič iné ako 2 Ah (ampér / hod.). To znamená, že ak z tejto batérie vytiahneme 2A, vydrží 1 hodinu a podobne, ak z tejto batérie vytiahneme 1A, vydrží aj 2 hodiny. Ak teda chcete vedieť, ako dlho bude batéria slúžiť na napájanie (prevádzková doba), musíte ju vypočítať pomocou hodnotenia mAh.

Čas chodu (v hodinách) = odoberaný prúd / mAh hodnotenie

Odber by mal byť v rámci limitu ratingu C.

Hodnotenie C: Ak ste sa niekedy pýtali, aké je maximálne množstvo prúdu, ktoré môžete čerpať z batérie, vašu odpoveď možno získať z hodnotenia C batérie. Hodnotenie C batérie sa pre každú batériu opäť mení, predpokladajme, že batéria, ktorú máme, je 2Ah batéria s hodnotením 3C. Hodnota 3C znamená, že batéria môže vydávať 3-násobok menovitej hodnoty Ah ako jej maximálny prúd. V takom prípade môže dodávať až 6A (3 * 2 = 6) ako maximálny prúd. Normálne má 1 650 buniek iba hodnotenie 1C.

Maximálny prúd odoberaný z batérie = hodnotenie C * hodnotenie Ah

Nabíjací prúd: Ďalšou dôležitou špecifikáciou batérie, ktorú si treba všimnúť, je jej nabíjací prúd. To, že batéria dokáže dodať maximálny prúd 6 A, ešte neznamená, že sa môže nabíjať aj 6 A. Maximálny nabíjací prúd batérie bude uvedený v údajovom liste batérie, pretože sa líši v závislosti od batérie. Normálne to bude 0,5 ° C, čo znamená polovicu hodnoty hodnotenia Ah. Pre batériu s hodnotením 2 Ah bude nabíjací prúd 1 A (0,5 * 2 = 1).

Čas nabíjania: Minimálny čas potrebný na nabitie jedného článku 18650 je možné vypočítať pomocou hodnoty nabíjacieho prúdu a hodnoty Ah batérie. Napríklad nabíjanie batérie 2Ah s nabíjacím prúdom 1A bude trvať približne 2 hodiny, za predpokladu, že nabíjačka používa na nabíjanie článku iba metódu CC.

Vnútorný odpor (IR): Zdravie a kapacitu batérie je možné predpovedať zmeraním vnútorného odporu batérie. Toto nie je nič iné ako hodnota odporu medzi anódovými (kladnými) a katódovými (zápornými) svorkami batérie. Typická hodnota IR bunky bude uvedená v údajovom liste. Čím viac sa bude odvíjať od skutočnej hodnoty, tým bude batéria menej efektívna. Hodnota IR pre bunku 18650 bude v rozmedzí mili ohmov a na meranie hodnoty IR sú vyhradené prístroje.

Metódy nabíjania: Existuje mnoho metód, ktoré sa praktizujú na nabitie li-iónového článku. Najčastejšie sa ale používa trojstupňová topológia. Tri kroky sú CC, CV a udržovacie nabíjanie. V režime CC (konštantný prúd) je článok nabitý konštantným nabíjacím prúdom zmenou vstupného napätia. Tento režim bude aktívny, kým sa batéria nenabije na určitú úroveň, potom dôjde k zmene CV (konštantné napätie)začne režim, pri ktorom sa nabíjacie napätie udržiava zvyčajne na hodnote 4,2 V. Konečným režimom je impulzné nabíjanie alebo udržovacie nabíjanie, pri ktorom sa do batérie prenášajú malé impulzy prúdu, aby sa zlepšila životnosť batérie. Existujú aj oveľa zložitejšie nabíjačky, ktoré zahŕňajú 7 krokov nabíjania. Tejto téme sa nebudeme veľmi venovať, pretože je ďaleko od rozsahu tohto článku. Ak by vás však zaujímala zmienka o komentári, môžem napísať samostatný článok o nabíjaní lítium-iónových článkov.

Stav nabitia (SOC)%: Stav nabitia nie je nič iné ako kapacita batérie, podobne ako v prípade nášho mobilného telefónu. Kapacitu batérie nie je možné jednoznačne vypočítať pomocou jej napäťového ventilu. Normálne sa počíta pomocou prúdovej integrácie na určenie zmeny kapacity batérie v priebehu času.

Hĺbka vybitia (DOD)%: DOD udáva, do akej miery je možné batériu vybiť. Žiadna batéria nebude mať 100% vybitie, pretože, ako vieme, batéria sa poškodí. Normálne je pre všetky batérie nastavená 80% hĺbka vybitia.

Rozmer bunky: Ďalšou jedinečnou a zaujímavou vlastnosťou bunky 18650 je jej rozmer. Každá bunka bude mať priemer 18 mm a výšku 650 mm, vďaka čomu bude mať táto bunka názov 18650.

Ak chcete viac definícií terminológie, pozrite si dokumentáciu terminológií batérie MIT, kde nájdete ďalšie technické parametre týkajúce sa batérie.

Najjednoduchší spôsob použitia bunky 18650

Ak ste úplným nováčikom a práve začínate s 18650 článkami na napájanie vášho projektu, najjednoduchším spôsobom by bolo použitie hotových modulov, ktoré dokážu bezpečne nabiť a vybiť vaše 18650 články. Iba takýmto modulom je modul TP4056, ktorý dokáže spracovať jeden článok 18650.

Ak projekt vyžaduje ako vstupné napätie viac ako 3,6 V, možno budete chcieť spojiť dva články série 18650 do série a získať napätie 7,4 V. V takom prípade by mal byť pre bezpečné nabíjanie a vybíjanie batérií užitočný modul ako lítium-iónový batériový modul 2S 3A.

Na spojenie dvoch alebo viacerých článkov 18650 nemôžeme použiť obvyklú techniku ​​spájkovania na spojenie oboch, namiesto toho sa použije bodové zváranie. Aj pri kombinovaní 18650 buniek v sérii alebo paralelne by sa malo postupovať opatrnejšie, o čom sa pojednáva v nasledujúcom odseku.

Lítium-iónová batéria (články v sérii a paralelne)

Pri napájaní malej prenosnej elektroniky alebo malých zariadení by stačil jeden článok 18650 alebo nanajvýš ich dvojica v sérii. V tomto type aplikácie je zložitosť menšia, pretože počet použitých batérií je menší. Ale pre väčšie použitie, ako je elektrický cyklus / moped alebo automobil Tesla, budeme musieť spojiť veľa týchto článkov sériovo a paralelne, aby sme dosiahli požadované výstupné napätie a kapacitu. Napríklad auto Tesla obsahuje viac ako 6800 lítiových článkov, každý s hodnotami 3,7 V a 3,1 Ah. Obrázok nižšie ukazuje, ako je usporiadané vo vnútri podvozku automobilu.

S takým veľkým počtom článkov, ktoré je potrebné monitorovať, potrebujeme vyhradený obvod, ktorý by tieto články mohol bezpečne nabíjať, monitorovať a vybíjať. Tento dedikovaný systém sa nazýva Battery monitoring System (BMS). Úlohou BMS je monitorovať napätie každého článku každého lítium-iónového článku a tiež skontrolovať jeho teplotu. Okrem toho niektoré BMS tiež monitorujú nabíjací a vybíjací prúd systému.

Pri kombinovaní viac ako dvoch článkov do jedného balenia je potrebné dbať na to, aby mali rovnakú chémiu, napätie, hodnotu Ah a vnútorný odpor. Tiež pri nabíjaní bunky BMS zaisťuje, že sú účtované rovnomerne vypúšťaná rovnomerne tak, že v danom okamihu všetky batérie udržiavať rovnaké napätie, toto je nazývané Balancing Cell. Okrem toho sa musí dizajnér starať aj o chladenie týchto batérií pri nabíjaní a vybíjaní, pretože pri vysokých teplotách nereagujú dobre.

Dúfam, že vám tento článok poskytne dostatok podrobností, aby ste si boli istí Li-ion článkami. Ak máte nejaké konkrétne pochybnosti, neváhajte odísť v sekcii komentárov a pokúsim sa čo najlepšie odpovedať späť. Dovtedy šťastné drotárstvo.