- Historie om litiumionbatterier
- Li-ion batterikjemi og arbeid
- Introduksjon til litiumionbatterier
- Enkleste måten å bruke en 18650-celle på
- Li-ion batteripakke (celler i serie og parallell)
Med mindre noen Tony Stark går inn og oppfinner buereaktoren eller forskningen i solenergisatellitter (SPS) for trådløs energioverføring kommer gjennom, må vi mennesker være avhengige av batterier for å drive våre bærbare eller eksterne elektroniske enheter. Den vanligste typen oppladbare batterier som du finner i forbrukerelektronikk, er enten litiumion eller litiumpolymer. I denne artikkelen vil vår interesse være over Li-ion-batterier, siden de pleier å være mer nyttige enn alle andre typer. Det være seg en liten kraftbank eller en bærbar datamaskin eller noe så stort som Teslas nye modell 3 alt blir drevet av et litiumionbatteri.
Hva gjør disse batteriene spesielle? Hva bør du vite om det før du bruker en i prosjektene / designene dine? Hvordan vil du lade eller lade ut disse batteriene trygt? Hvis du er nysgjerrig på å vite svarene på alle disse spørsmålene, har du kommet til riktig artikkel, bare lene deg tilbake og lese gjennom mens jeg vil prøve å holde dette så interessant som mulig.
Historie om litiumionbatterier
Ideen om litiumionbatteri ble først laget av GN Lewis i 1912, men det ble bare mulig på 1970-tallet, og det første ikke-oppladbare litiumbatteriet ble satt i kommersielle markeder. Senere på 1980-tallet forsøkte ingeniører å lage det første oppladbare batteriet ved bruk av litium som anodemateriale og var delvis vellykkede. De la ikke merke til at disse typer litiumbatterier var ustabile under ladeprosessen, og det ville skape en kort innside i batteriet som økte temperaturen og forårsaket en termisk rømning.
I 1991 eksploderte et slikt litiumbatteri som ble brukt i mobil over en manns ansikt i Japan. Først etter denne hendelsen ble det innsett at Li-ion-batterier skulle håndteres med ekstrem forsiktighet. Et stort antall av disse typer batterier som var på markedet ble deretter tilbakekalt av produsentene på grunn av sikkerhetsproblemer. Senere etter mye forskning introduserte Sony de avanserte Li-ion-batteriene med en ny kjemi som brukes til dags dato. La oss avslutte historieleksjonene her og se på kjemien til et litiumionbatteri.
Li-ion batterikjemi og arbeid
Som navnet tydeligvis tilsier, bruker Lithium Ion-batteriene Lithium-ioner for å få jobben gjort. Litium er et veldig lett metall med høy energitetthet, denne egenskapen gjør at batteriet kan være lett i vekt og gi høy strøm med en liten formfaktor. Energitetthet er mengden energi som kan lagres i per volumsenhet på batteriet, jo høyere energitetthet jo mindre blir batteriet. Til tross for de overveldende egenskapene til litiummetall, kan det ikke brukes som en elektrode direkte i batteriene, siden litium er svært ustabilt på grunn av dets metalliske natur. Derfor bruker vi litiumioner som mer eller mindre har den samme egenskapen til et litiummetall, men det er ikke-metallisk og er relativt tryggere å bruke.
Normalt er anoden til et litiumbatteri laget av karbon og katoden til batteriet er laget med koboltoksid eller noe annet metalloksid. Elektrolytten som brukes til å koble disse to elektrodene, vil være en enkel saltløsning som inneholder litiumioner. Ved utlading beveger de positivt ladede litiumionene seg mot katoden og bombarderer den til den blir positivt ladet. Siden katoden er positivt ladet, tiltrekker den seg negativt ladede elektroner mot den. Disse elektronene er laget for å strømme gjennom kretsen vår, og dermed drive kretsen.
På samme måte skjer det motsatte mens du lader. Elektroner fra ladningene strømmer inn i batteriet, og derfor beveger litiumionene seg mot anoden, slik at katoden mister sin positive ladning.
Introduksjon til litiumionbatterier
Nok av teori om litiumionbatterier, la oss praktisk talt bli kjent med disse cellene, slik at vi kan være trygge på dem for å bruke den i våre prosjekter. Det mest brukte litiumionbatteriet er 18650-celler, så vil diskutere omtrent det samme i denne artikkelen. En typisk 18650-celle er vist på bildet nedenfor
Som alle batterier har Li-ion-batteriet også en spennings- og kapasitetsvurdering. Nominell spenningsvurdering for alle litiumceller vil være 3,6V, slik at du trenger spesifikasjoner for høyere spenning, må du kombinere to eller flere celler i serie for å oppnå det. Som standard vil alle litiumioncellene ha en nominell spenning på bare ~ 3,6V. Denne spenningen kan få lov til å gå ned til 3,2 V når den er fulladet og gå så høyt som 4,2 V når den er fulladet. Husk alltid at utladning av batteri under 3,2 V eller lading over 4,2 V vil skade batteriet permanent og kan også bli en oppskrift på fyrverkeri. Lar bryte ned terminologiene som er involvert i et 18650 batteri, slik at vi kan forstå bedre. Husk at disse forklaringene bare gjelder for en enkelt 18650-celle, vi vil komme mer inn i Li-ion-batteripakker senere, der mer enn en celle er koblet i serie eller parallell for å få mye høyere spennings- og strømverdier.
Nominell spenning: Den nominelle spenningen er den faktiske spenningen på en 18650-celle. Som standard er den 3,6V og vil være den samme for alle 18650-celler til tross for produsentene.
Full utladningsspenning: En 18650-celle skal aldri få utlading under 3,2 V, hvis du ikke gjør det, vil det endre den interne motstanden til batteriet, som vil skade batteriet permanent og kan også føre til eksplosjon
Fulladadespenning: Ladespenningen for litiumionceller er 4,2V. Det må utvises forsiktighet for at cellespenningen ikke øker 4.2V til enhver tid.
mAh Rating: Kapasiteten til en celle er normalt gitt i form av mAh (Milli Ampere hour) vurdering. Denne verdien vil variere avhengig av hvilken type celle du har kjøpt. La oss for eksempel anta at cellen vår her er 2000mAh, noe som ikke er annet enn 2Ah (Ampere / time). Dette betyr at hvis vi trekker 2A fra dette batteriet, vil det vare i 1 time og tilsvarende hvis vi trekker 1A fra dette batteriet, vil det vare i 2 timer. Så hvis du vil vite hvor lenge batteriet vil drive prosjektet ditt (kjøretid), må du beregne det ved hjelp av mAh-rangering.
Kjøretid (i timer) = Strøm trukket / mAh Rating
Hvor, gjeldende trukket bør være innenfor C-klassifiseringsgrensen.
C Rating: Hvis du noen gang lurte på hva som er den maksimale strømmen du kan trekke fra et batteri, kan svaret ditt fås fra C-klassifiseringen til batteriet. C-klassifiseringen av batteriet endres igjen for hvert batteri, la oss anta at batteriet vi har er et 2Ah-batteri med 3C-klassifisering. Verdien 3C betyr at batteriet kan gi 3 ganger den nominelle Ah-verdien som maksimal strøm. I dette tilfellet kan den levere opptil 6A (3 * 2 = 6) som maksimal strøm. Normalt har 18650 celler bare 1C-vurdering.
Maksimal strøm hentet fra batteri = C Rating * Ah Rating
Ladestrøm: En annen viktig spesifikasjon for et batteri å legge merke til er ladestrømmen. Bare fordi et batteri kan levere en maksimal strøm på 6A, betyr ikke det at det kan lades med 6A. Den maksimale ladestrømmen til et batteri vil bli nevnt i databladet til batteriet, siden det varierer ut fra batteriet. Normalt vil den være 0,5 C, noe som betyr halvparten av verdien av Ah-karakteren. For et 2Ah-batteri vil ladestrømmen være 1A (0,5 * 2 = 1).
Ladetid: Den minste ladetiden som kreves for en enkelt 18650-celle å lade til, kan beregnes ved å bruke verdien av ladestrøm og Ah-klassifisering av batteriet. For eksempel vil det ta omtrent 2 timer å lade et 2Ah batterilading med 1A ladestrøm, forutsatt at laderen bare bruker CC-metoden for å lade cellen.
Intern motstand (IR): Et batteris helse og kapasitet kan forutsies ved å måle batteriets indre motstand. Dette er ingenting annet enn verdien av motstand mellom batteriets anode (positive) og katode (negative) terminaler. Den typiske verdien av IR for en celle vil bli nevnt i databladet. Jo mer det driver fra den faktiske verdien, desto mindre effektivt blir batteriet. Verdien av IR for en 18650-celle vil være i området mellom ohm, og det er dedikerte instrumenter for å måle verdien av IR.
Lademetoder: Det er mange metoder som praktiseres for å lade en li-ion-celle. Men det mest brukte er 3-trinns topologi. De tre trinnene er CC, CV og vedlikeholdslading. I CC- modus (konstant strøm) blir cellen ladet med en konstant ladestrøm ved å variere inngangsspenningen. Denne modusen vil være aktiv til batteriet lades til et visst nivå, deretter CV (konstant spenning)modus starter der ladespenningen opprettholdes typisk på 4,2 V. Den endelige modusen er pulslading eller vedlikeholdslading der små strømpulser føres til batteriet for å forbedre batteriets livssyklus. Det er også mye mer komplekse ladere som involverer 7-trinns lading. Vi kommer ikke mye inn på dette emnet siden det er langt utenfor omfanget av denne artikkelen. Men hvis du er interessert i å vite omtale i kommentarseksjonen og kan jeg skrive en egen artikkel om lading av Li-ion-celler.
State of Charge (SOC)%: Ladetilstanden er bare batterikapasiteten, som den som er vist på mobiltelefonen vår. Kapasiteten til et batteri kan ikke beregnes tydelig med spenningsventilen, det beregnes normalt ved hjelp av strømintegrasjon for å bestemme endringen i batterikapasiteten over tid.
Dybde av utladning (DOD)%: Hvor langt batteriet kan tømmes, er gitt av DOD. Intet batteri vil ha 100% utladning, ettersom vi vet det, vil det skade batteriet. Normalt settes en 80% dybde for utladning for alle batterier.
Celledimensjon: Et annet unikt og interessant trekk ved 18650-cellen er dens dimensjon. Hver celle har en diameter på 18 mm og en høyde på 650 mm, noe som gjør at denne cellen får navnet 18650.
Hvis du vil ha flere terminologidefinisjoner, kan du se i dokumentasjonen til MIT-batteriterminologier, hvor du er sikker på å finne flere tekniske parametere knyttet til et batteri.
Enkleste måten å bruke en 18650-celle på
Hvis du er en helt nybegynner og akkurat er i gang med 18650 celler for å drive prosjektet ditt, så er den enkleste måten å bruke ferdige moduler som trygt kan lade og tømme 18650-cellene dine. Bare en slik modul er TP4056-modulen som kan håndtere en enkelt 18650-celle.
Hvis du projiserer krever mer enn 3,6 V som inngangsspenning, vil du kanskje kombinere to 18650 celler i serie for å oppnå en spenning på 7,4 V. I slike tilfeller bør en modul som 2S 3A Li-ion-batterimodul være nyttig når du lader og tømmer batteriene trygt.
For å kombinere to eller flere 18650 celler kan vi ikke bruke konvensjonell loddeteknikk for å lage forbindelse mellom begge i stedet for en prosess som kalles punktsveising. Også når man kombinerer 18650 celler i serie eller parallell, bør man være mer forsiktig, som blir diskutert i det følgende avsnittet.
Li-ion batteripakke (celler i serie og parallell)
For å drive liten bærbar elektronikk eller små enheter ville en enkelt 18650-celle eller høyst et par av dem i serie gjøre susen. I denne typen applikasjoner er kompleksiteten mindre siden antallet involverte batterier er mindre. Men for større applikasjoner som en elektrisk syklus / moped eller en Tesla-bil, må vi koble mange av disse cellene i serie og parallell for å oppnå ønsket utgangsspenning og kapasitet. For eksempel inneholder Tesla-bilen over 6800 litiumceller hver med rating 3.7V og 3.1Ah. Bildet nedenfor viser hvordan det er ordnet inne i chassiset på bilen.
Med dette mange antall celler som skal overvåkes, trenger vi en dedikert krets som bare kan lade, overvåke og tømme disse cellene trygt. Dette dedikerte systemet kalles et Battery Monitoring System (BMS). Jobben til BMS er å overvåke den individuelle cellespenningen til hver litiumioncelle og også kontrollere temperaturen. Bortsett fra at noen BMS også overvåker lade- og utladningsstrømmen til systemet.
Når du kombinerer mer enn to celler for å danne en pakke, må du passe på at de har samme kjemi, spenning, Ah-vurdering og intern motstand. Også når batteriene lades, sørger BMS for at de lades jevnt og lades ut jevnt slik at alle batteriene til enhver tid holder den samme spenningen, dette kalles en Cell Balancing. Bortsett fra dette, må designeren også bekymre seg for å kjøle ned disse batteriene mens de lades og tømmes, siden de ikke reagerer bra under høye temperaturer.
Håper denne artikkelen har gitt deg nok detaljer til at du kan bli litt trygg på Li-ion-celler. Hvis du er i tvil, er du velkommen til å legge igjen kommentarfeltet, og jeg vil prøve mitt beste for å svare tilbake. Inntil da lykkelig flikking.