- Historie lithium-iontové baterie
- Chemie Li-ion baterie a práce
- Úvod do lithium-iontových baterií
- Nejjednodušší způsob použití buňky 18650
- Li-ion baterie (články v sérii a paralelně)
Pokud někdo Tony Stark nezasáhne a nevymyslí obloukový reaktor nebo nevyjde výzkum v oblasti solárních energetických satelitů (SPS) pro bezdrátový přenos energie, musíme se my lidé při napájení našich přenosných nebo vzdálených elektronických zařízení spoléhat na baterie. Nejběžnějším typem dobíjecích baterií, které najdete ve spotřební elektronice, je lithium-iontový nebo lithium-polymerový typ. V tomto článku bychom se zajímali o Li-ion baterie, protože mají tendenci být užitečnější než všechny ostatní typy. Ať už je to malá power banka nebo notebook nebo něco tak velkého jako nový model 3 společnosti Tesla, vše je napájeno lithium-iontovou baterií.
Čím jsou tyto baterie speciální? Co byste o tom měli vědět, než jeden použijete ve svých projektech / návrzích? Jak tyto baterie bezpečně nabijete nebo vybijete? Pokud jste zvědaví na odpovědi na všechny tyto otázky, pak jste přistáli na správném článku, jen se posaďte a přečtěte si, zatímco se budu snažit, aby to bylo co nejzajímavější.
Historie lithium-iontové baterie
Myšlenka lithium-iontové baterie byla poprvé vytvořena GN Lewisem v roce 1912, ale uskutečnitelná se stala až v roce 1970 a na komerční trhy byla uvedena první lithiová baterie nenabíjecí. Později v 80. letech se inženýři pokusili vyrobit první dobíjecí baterii s použitím lithia jako anodového materiálu a byli částečně úspěšní. Nevšimli si, že tyto typy lithiových baterií byly během procesu nabíjení nestabilní a uvnitř baterie by došlo ke zkratu, který by zvyšoval teplotu a způsoboval tepelný únik.
V roce 1991 explodovala v Japonsku jedna taková lithiová baterie používaná v mobilních zařízeních na obličej muže. Teprve po tomto incidentu bylo zjištěno, že s Li-ion bateriemi je třeba zacházet velmi opatrně. Obrovský počet těchto typů baterií, které byly uvedeny na trh, poté výrobci kvůli bezpečnosti přečetli. Později po důkladném výzkumu společnost Sony představila moderní Li-ion baterie s novou chemií, která se používá dodnes. Pojďme zde ukončit lekce historie a podívejme se na chemii lithium-iontové baterie.
Chemie Li-ion baterie a práce
Jak název zjevně naznačuje, lithium-iontové baterie používají k provedení práce lithiové ionty. Lithium je velmi lehký kov s vysokou hustotou energie, tato vlastnost umožňuje, aby baterie měla nízkou hmotnost a poskytovala vysoký proud s malým tvarovým faktorem. Hustota energie je množství energie, které lze uložit na jednotku objemu baterie, čím vyšší bude hustota energie, tím menší bude baterie. Navzdory ohromujícím vlastnostem kovového lithia jej nelze použít jako elektrodu přímo v bateriích, protože lithium je díky své kovové povaze vysoce nestabilní. Proto používáme lithiové ionty, které mají víceméně stejnou vlastnost jako lithiový kov, ale jsou nekovové a jejich použití je relativně bezpečnější.
Normálně je anoda lithiové baterie vyrobena z uhlíku a katoda baterie je vyrobena z oxidu kobaltu nebo jiného oxidu kovu. Použitý elektrolyt spojující tyto dvě elektrody bude jednoduchý solný roztok, který obsahuje ionty lithia. Při vybíjení se kladně nabité ionty lithia pohybují směrem ke katodě a bombardují ji, dokud není kladně nabitá. Protože je katoda kladně nabitá, přitahuje k ní záporně nabité elektrony. Tyto elektrony jsou nuceny proudit naším obvodem, čímž napájejí obvod.
Podobně při nabíjení dochází k přesnému opaku. Elektrony z nábojů proudí do baterie, a proto se lithiové ionty pohybují směrem k anodě, čímž katoda ztrácí svůj kladný náboj.
Úvod do lithium-iontových baterií
Dostatek teorie o lithium-iontových bateriích, pojďme se nyní o těchto buňkách prakticky seznámit, abychom si mohli být jisti, že je použijí v našich projektech. Nejběžněji používanou lithium-iontovou baterií je 18650 Cells, takže o ní v tomto článku pojednáme. Na obrázku níže je znázorněna typická buňka 18650
Stejně jako všechny baterie má i lithium-iontová baterie jmenovité napětí a kapacitu. Jmenovité jmenovité napětí pro všechny lithiové články bude 3,6 V, takže potřebujete vyšší specifikaci napětí, musíte dosáhnout dvou nebo více článků v sérii. Ve výchozím nastavení budou mít všechny lithium-iontové články jmenovité napětí pouze ~ 3,6 V. Je možné povolit, aby toto napětí při úplném vybití kleslo až na 3,2 V a při plném nabití dosáhlo až 4,2 V. Vždy pamatujte, že vybití baterie pod 3,2 V nebo nabíjení nad 4,2 V baterii trvale poškodí a může se také stát receptem na zábavní pyrotechniku. Umožňuje rozebrat terminologii použitou v baterii 18650, abychom lépe porozuměli. Mějte na paměti, že tato vysvětlení jsou použitelná pouze pro jeden článek 18650, později se k lithium-iontovým bateriím dostaneme více, kde je více než jeden článek zapojen do série nebo paralelně, abychom získali mnohem vyšší napětí a proud.
Jmenovité napětí: Jmenovité napětí je skutečné jmenovité napětí článku 18650. Ve výchozím nastavení je 3,6 V a navzdory jeho výrobcům zůstane stejný pro všech 18650 článků.
Napětí při úplném vybití: Článku 18650 by nikdy nemělo být dovoleno vybít se pod 3,2 V, pokud to neuděláte, změní to vnitřní odpor baterie, což baterii trvale poškodí a může také vést k výbuchu
Plné nabíjecí napětí: Nabíjecí napětí pro lithium-iontový článek je 4,2V. Je třeba dbát na to, aby se napětí článku v daném okamžiku nezvýšilo o 4,2 V.
Hodnocení mAh: Kapacita buňky se obvykle udává jako hodnocení mAh (hodina Milli Ampere). Tato hodnota se bude lišit v závislosti na typu buňky, kterou jste zakoupili. Předpokládejme například, že naše buňka je 2 000 mAh, což není nic jiného než 2 Ah (ampér / hod). To znamená, že pokud z této baterie čerpáme 2A, vydrží 1 hodinu a podobně, pokud z této baterie čerpáme 1A, vydrží 2 hodiny. Takže pokud chcete vědět, jak dlouho bude baterie napájet (Run-time), musíte ji vypočítat pomocí mAh Hodnocení.
Doba chodu (v hodinách) = odebíraný proud / mAh hodnocení
Kde by odebíraný proud měl být v limitu ratingu C.
Hodnocení C: Pokud jste někdy uvažovali o tom, jaké je maximální množství proudu, které můžete odebírat z baterie, můžete svou odpověď získat z hodnocení C baterie. Hodnocení C baterie se pro každou baterii opět mění, předpokládejme, že baterie, kterou máme, je 2Ah baterie s hodnocením 3C. Hodnota 3C znamená, že baterie může vydávat trojnásobek jmenovité hodnoty Ah jako maximální proud. V tomto případě může dodávat až 6A (3 * 2 = 6) jako maximální proud. Normálně 18650 buněk má pouze hodnocení 1C.
Maximální proud odebíraný z baterie = C Hodnocení * Ah Hodnocení
Nabíjecí proud: Další důležitou specifikací baterie, kterou si musíte všimnout, je její nabíjecí proud. To, že baterie může dodávat maximální proud 6A, ještě neznamená, že se může nabíjet 6A. Maximální nabíjecí proud baterie bude uveden v datovém listu baterie, protože se liší podle baterie. Normálně to bude 0,5 ° C, což znamená polovinu hodnoty hodnocení Ah. U baterie s hodnocením 2 Ah bude nabíjecí proud 1 A (0,5 * 2 = 1).
Doba nabíjení: Minimální dobu nabíjení požadovanou pro nabití jednoho článku 18650 lze vypočítat pomocí hodnoty nabíjecího proudu a hodnoty Ah baterie. Například nabíjení baterie 2Ah s nabíjecím proudem 1A bude trvat přibližně 2 hodiny, za předpokladu, že nabíječka používá k nabíjení článku pouze metodu CC.
Vnitřní odpor (IR): Zdraví a kapacitu baterie lze předpovědět měřením vnitřního odporu baterie. To není nic jiného než hodnota odporu mezi anodovou (kladnou) a katodovou (zápornou) svorkou baterie. Typická hodnota IR buňky bude uvedena v datovém listu. Čím více se odchýlí od skutečné hodnoty, tím méně efektivní bude baterie. Hodnota infračerveného záření pro buňku 18650 bude v rozsahu miliomů a pro měření hodnoty infračerveného záření existují speciální nástroje.
Metody nabíjení: Existuje mnoho metod, které se praktikují k nabíjení li-iontového článku. Nejčastěji se však používá třístupňová topologie. Tři kroky jsou CC, CV a udržovací nabíjení. V režimu CC (Constant current) je článek nabíjen konstantním nabíjecím proudem změnou vstupního napětí. Tento režim bude aktivní, dokud se baterie nenabije na určitou úroveň, poté CV (konstantní napětí)režim začíná tam, kde je nabíjecí napětí udržováno typicky na 4,2V. Konečným režimem je pulzní nabíjení nebo udržovací nabíjení, při kterém jsou do baterie předávány malé pulsy proudu, aby se zlepšil její životní cyklus. Existují také mnohem složitější nabíječky zahrnující 7 kroků nabíjení. Tomuto tématu se příliš nebudeme věnovat, protože je daleko mimo rozsah tohoto článku. Pokud vás však zajímá vědět o zmínce v sekci komentářů a mohu vám napsat samostatný článek o nabíjení Li-ion článků.
Stav nabití (SOC)%: Stav nabití není nic jiného než kapacita baterie, podobná těm, které jsou uvedeny v našem mobilním telefonu. Kapacitu baterie nelze jednoduše vypočítat pomocí jejího napěťového ventilu, obvykle se počítá pomocí aktuální integrace k určení změny kapacity baterie v průběhu času.
Hloubka vybití (DOD)%: DOD udává, jak daleko je možné baterii vybít. Žádná baterie nebude mít 100% vybití, protože jak víme, poškodí ji. Normálně je u všech baterií nastavena 80% hloubka vybití.
Dimenze buňky: Další jedinečnou a zajímavou vlastností buňky 18650 je její dimenze. Každá buňka bude mít průměr 18 mm a výšku 650 mm, díky čemuž bude mít tato buňka svůj název 18650.
Pokud chcete více definic terminologie, podívejte se do dokumentace terminologie MIT baterie, kde určitě najdete další technické parametry týkající se baterie.
Nejjednodušší způsob použití buňky 18650
Pokud jste úplným nováčkem a teprve začínáte s 18650 články k napájení vašeho projektu, nejjednodušší způsob by bylo použít hotové moduly, které mohou bezpečně nabít a vybít vaše 18650 buňky. Jediným takovým modulem je modul TP4056, který dokáže zpracovat jednu buňku 18650.
Pokud projekt vyžaduje více než 3,6 V jako vstupní napětí, můžete zkombinovat dva články 18650 v sérii a získat napětí 7,4 V. V takovém případě by měl být pro bezpečné nabíjení a vybíjení baterií užitečný modul, jako je lithium-iontový bateriový modul 2S 3A.
Chcete-li kombinovat dva nebo více článků 18650, nemůžeme použít konvenční techniku pájení k vytvoření spojení mezi oběma, místo toho se používá proces zvaný bodové svařování. Také při kombinování 18650 buněk v sérii nebo paralelně je třeba věnovat větší pozornost, o čemž pojednává následující odstavec.
Li-ion baterie (články v sérii a paralelně)
K napájení malé přenosné elektroniky nebo malých zařízení by stačil jeden článek 18650 nebo maximálně pár v sérii. V tomto typu aplikace je složitost menší, protože počet použitých baterií je menší. Ale pro větší aplikace, jako je elektrický cyklus / moped nebo automobily Tesla, budeme muset spojit mnoho těchto článků sériově a paralelně, abychom dosáhli požadovaného výstupního napětí a kapacity. Například automobil Tesla obsahuje více než 6800 lithiových článků o výkonu 3,7 V a 3,1 Ah. Obrázek níže ukazuje, jak je uspořádáno uvnitř podvozku automobilu.
S tolika počtem článků, které je třeba monitorovat, potřebujeme vyhrazený obvod, který může tyto články bezpečně nabíjet, monitorovat a vybíjet. Tento vyhrazený systém se nazývá systém monitorování baterie (BMS). Úkolem BMS je sledovat napětí jednotlivých článků každého lithium-iontového článku a také kontrolovat jeho teplotu. Kromě toho některé BMS také monitorují nabíjecí a vybíjecí proud systému.
Při kombinování více než dvou článků za účelem vytvoření sady je třeba dbát na to, aby měly stejnou chemii, napětí, hodnotu Ah a vnitřní odpor. Také při nabíjení článků se BMS stará o to, aby byly nabíjeny rovnoměrně a rovnoměrně vybíjeny, takže kdykoli všechny baterie udržují stejné napětí, toto se nazývá vyvažování článků. Kromě toho se designér musí také starat o chlazení těchto baterií při nabíjení a vybíjení, protože při vysokých teplotách nereagují dobře.
Doufám, že vám tento článek poskytne dostatek podrobností, abyste si byli jisti Li-ionovými články. Pokud máte nějaké konkrétní pochybnosti, neváhejte a nechte to v sekci komentářů a já se pokusím ze všech sil odpovědět. Do té doby šťastné vrtání.