Akumuliatoriaus įkrovimas yra esminis procesas, kurio metu elektros energija paverčiama į cheminę energiją ir kaupiama. Šis energijos virsmas yra pagrindinis akumuliatorių, kaip energijos kaupiklių, veikimo principas.
Pagrindinis energijos virsmas įkrovimo metu
Kuo daugiau energijos sukaupiama akumuliatoriuje, tuo ilgiau jis gali tiekti elektros energiją įrenginiams. Akumuliatoriaus įkrovimo metu vyksta fundamentalus energijos virsmas: elektros energija virsta chemine energija.
Pagrindinė idėja yra atpažinti, kad elektros energija, tiekiama įkrovimo įrenginio, yra saugoma akumuliatoriuje vykstant cheminėms reakcijoms. Todėl teisingas atsakymas, susijęs su energijos virsmais įkrovimo metu, yra elektros energijos virtimas chemine energija.
Akumuliatoriaus vidinė energija virsta elektros energija iškrovimo metu, kai cheminė energija transformuojama atgal į elektros energiją, tiekiant ją vartotojui.
Akumuliatoriaus talpa ir įkrovimo spartos (C koeficientas)
Baterijos ar akumuliatoriaus talpa yra energijos kiekis, sukauptas atsižvelgiant į konkrečią temperatūrą, įkrovos ir iškrovos srovės vertę bei įkrovimo ar iškrovimo laiką. C koeficientas naudojamas akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo srovei išmatuoti.
Tam tikros talpos C dažnis yra matas, nurodantis, kokia srove akumuliatorius yra įkraunamas ar iškraunamas, kad pasiektų nustatytą pajėgumą. Pavyzdžiui, 1C (arba C/1) įkrova įkrauna akumuliatorių, kurio vardinė vertė, tarkime, 1000 Ah, esant 1000 A per valandą, taigi valandos pabaigoje akumuliatorius pasiekia 1000 Ah talpą.
Kodėl svarbu žinoti akumuliatoriaus C ar C reitingą? C sparta yra svarbūs akumuliatoriaus duomenys, nes daugumos akumuliatorių energija kaupiama ar turima energijos priklauso nuo įkrovimo ar iškrovos spartos. Paprastai tam tikroje talpoje jūs turėsite mažiau energijos, jei išsikrausite per vieną valandą, nei iškrovus per 20 valandų, atvirkščiai, akumuliatoriuje, kurio srovė 100 A per 1 valandą, sukaupsite mažiau energijos, nei esant dabartinei įkrovai 10 A per 10 h. Ah įvertinimas paprastai nurodomas ant akumuliatoriaus.
Kaip apskaičiuoti akumuliatoriaus išėjimo srovę, galią ir energiją pagal C koeficientą? Paprasčiausia formulė:
I = Cr * ErarbaCr = I / Er
Kur:
- Er = vardinė energija, laikoma Ah (vardinė akumuliatoriaus talpa, kurią nurodo gamintojas)
- I = įkrovimo ar iškrovimo srovė amperuose (A)
- Cr = akumuliatoriaus C greitis
Lygtis, norint gauti įkrovimo ar iškrovimo laiką „t“ pagal esamą ir vardinę talpą:
t = Er / I
t = laikas, įkrovimo ar iškrovimo trukmė (veikimo laikas) valandomis.
Cr ir t santykis:
Cr = 1 / tt = 1 / Cr
Ličio jonų akumuliatorių veikimo principai ir energijos saugojimas
Ličio jonų akumuliatoriai yra nepaprastai populiarūs dėl daugelio pranašumų, palyginti su konkuruojančiomis technologijomis:
- Lengvumas ir didelis energijos tankis: Elektrodai pagaminti iš lengvo ličio ir anglies. Ličio jonų akumuliatoriams reikalingas labai didelis energijos tankis. Įprasta ličio jonų baterija gali laikyti 150 vatų elektros energijos 1 kilograme akumuliatoriaus, o tai yra žymiai daugiau nei NiMH (100 Wh/kg) ar švino rūgšties (25 Wh/kg) akumuliatoriai. Liitis taip pat yra labai reaktyvus elementas, reiškiantis, kad jo atominėse jungtyse gali būti kaupiama daug energijos.
- Įkrovos išlaikymas: Ličio jonų akumuliatorių blokas praranda tik apie 5 procentus energijos per mėnesį, palyginti su 20 procentų nuostolių per mėnesį NiMH akumuliatoriais.
- Nėra atminties efekto: Prieš įkraunant visiškai nereikia jų visiškai iškrauti.
- Ilgas ciklo tarnavimo laikas: Ličio jonų akumuliatoriai gali valdyti šimtus įkrovimo/iškrovimo ciklų.
Ličio jonų elementų struktūra ir chemija
Kaip ir daugumos akumuliatorių, ličio jonų elementas turi išorinį metalinį korpusą, kuris yra ypač svarbus, nes akumuliatorius yra veikiamas slėgio. Šiame korpuse yra slėgiui jautri ventiliacijos anga, skirta išleisti perteklinį slėgį, jei akumuliatorius perkaito. Taip pat yra teigiamos temperatūros koeficiento (PTC) jungiklis, kuris neleidžia akumuliatoriui perkaisti.
Metaliniame korpuse yra ilga spiralė, susidedanti iš trijų suspaustų plonų lakštų:
- Teigiamas elektrodas: Pagamintas iš ličio kobalto oksido (LiCoO2).
- Neigiamas elektrodas: Pagamintas iš anglies.
- Skyriklis: Labai plonas mikroperforuoto plastiko lakštas, atskiriantis teigiamus ir neigiamus elektrodus, bet leidžiantis jonams praeiti.
Korpuso viduje šie lakštai yra panardinami į organinį tirpiklį, kuris veikia kaip elektrolitas (pvz., eteris).
Kai akumuliatorius įkraunamas, ličio jonai juda per elektrolitą iš teigiamo elektrodo į neigiamą elektrodą ir prisijungia prie anglies. Iškrovimo metu ličio jonai iš anglies juda atgal į LiCoO2. Šių ličio jonų judėjimas vyksta esant gana aukštai įtampai, todėl kiekviena ląstelė sukuria 3,7 volto. Tai yra daug daugiau nei 1,5 volto, būdingo normaliam AA šarminiam elementui.
Akumuliatoriaus valdymo sistema (BMS)
Ličio jonų akumuliatorių bloke turi būti įmontuotas kompiuteris (akumuliatoriaus valdymo sistema - BMS), kuris valdo akumuliatorių. Šis kompiuteris apima:
- Vieną ar kelis temperatūros jutiklius akumuliatoriaus temperatūrai stebėti.
- Įtampos keitiklio ir reguliatoriaus grandinę saugiam įtampos ir srovės lygiui palaikyti.
- Įtampos čiaupą, kuris stebi atskirų akumuliatoriaus elementų energijos talpą.
- Akumuliatoriaus įkrovos būsenos monitorių, kuris atlieka visą įkrovimo procesą, siekiant įsitikinti, kad akumuliatoriai įkraunami kuo greičiau ir pilnai.
Jei įkrovimo ar naudojimo metu akumuliatorius tampa per karštas, kompiuteris išjungs energijos srautą, kad pabandytų atvėsti. Jei elementai kada nors visiškai išsikraus, baterija išsijungs, nes elementai yra sugadinti. Šis energijos sunaudojimas yra viena iš priežasčių, kodėl ličio jonų akumuliatoriai praranda 5 procentus savo energijos kiekvieną mėnesį sėdėdami nenaudojami.
Ižanginis video apie Nissan Leaf ličio akumuliatorius.
Ličio jonų akumuliatorių ilgaamžiškumas ir saugumo aspektai
Ličio jonų akumuliatoriai turi keletą trūkumų:
- Jie pradeda degraduoti, kai tik išeina iš gamyklos ir trunka tik dvejus ar trejus metus nuo pagaminimo dienos.
- Jie yra ypač jautrūs aukštai temperatūrai. Dėl karščio ličio jonų akumuliatoriai skaidosi daug greičiau, nei įprastai.
- Jei visiškai iškraunate ličio jonų akumuliatorių, jis sugadinamas.
Sprogstančios baterijos gali būti sukeltos vidinio akumuliatoriaus trumpojo jungimo. Jei separatorius praduriamas ir elektrodai liečiasi, akumuliatorius labai greitai įkaista. Dėl karščio akumuliatorius pašalina organinį tirpiklį, naudojamą kaip elektrolitas, o šiluma (arba šalia jo esanti kibirkštis) gali jį uždegti. Nors gaisrai yra labai reti, jie pabrėžia cheminės energijos saugojimo ir kontrolės svarbą.
Švino rūgšties akumuliatorių įkrovimo ypatumai
Švino rūgštiniai automobilių akumuliatoriai sudaryti iš šešių sekcijų, kurių kiekviena lygi ~2,1V. Šios sekcijos sujungtos nuosekliai, taip sudarydamos akumuliatoriaus bateriją, kurios įtampa lygi 12,7V. Automobiliams skirti švino rūgštiniai akumuliatoriai nėra atsparūs gilioms iškrovoms. Akumuliatoriaus ilgaamžiškumas priklauso nuo jo įkrovimo lygio.
Dėl to šie akumuliatoriai turi būti pilnai įkrauti visą eksploatavimo laikotarpį, užtikrinant nuolatinę 13,8V ~ 14,5V įkrovimo įtampą (šešių sekcijų akumuliatorių baterijoms). Akumuliatoriaus perkrovimas (per aukšta krovimo įtampa) labiau pažeidžia akumuliatoriaus plokšteles, nei didelis iškrovimas. Jeigu automobiliui užvesti skirtas akumuliatorius naudojamas gilioms iškrovoms, tokio akumuliatoriaus talpa (Ah) palaipsniui mažėja.
Nepalikus iškrauto akumuliatoriaus! Kaip galima greičiau jį įkraukite. Dėl fizinių-cheminių akumuliatoriaus savybių, esant gilioms iškrovoms, prasideda aktyviosios medžiagos, esančios švino plokštelėse, irimas. Šis procesas yra negrįžtamas, todėl iškrautas akumuliatorius greitai praranda talpumą ir galią. Be to, neįkrauto akumuliatoriaus elektrolitas gali užšalti esant žemai temperatūrai (pvz., akumuliatorius, kurio įtampa yra 12,1V, elektrolito tankis 1,18 kg/l, užšąla prie -19°C), o susidarę ledo kristalai suardo švino plokštelių aktyviąją masę ir gadina separatorius.
Bendrosios rekomendacijos akumuliatorių priežiūrai ir saugumui įkrovimo metu
- Akumuliatoriaus išorė turi būti švari ir sausa.
- Nuolat patikrinkite elektrolito lygį akumuliatoriaus sekcijose ir, esant reikalui, papildykite distiliuotu vandeniu (tai netaikoma neaptarnaujamiems akumuliatoriams). Elektrolito lygis turi būti 10 - 15 mm virš švino elementų bloko.
- Eksploatuojant akumuliatorių sunkiomis sąlygomis (nuolat važinėjant mieste, naudojant žibintus ar daug elektros energiją vartojančios įrangos, esant dideliems karščiams ar šalčiams) būtina kas mėnesį patikrinti akumuliatoriaus būklę.
- Nenaudokite jokių papildomų chemikalų ar taip vadinamų "pagerintojų".
- Jeigu elektrolito tankis yra žemiau 1,24 kg/l, įkraukite akumuliatorių.
- Neįkraudinėkite akumuliatoriaus gyvenamose patalpose ir arti galimų ugnies ir kibirkščių šaltinių. Patalpos turi būti gerai vėdinamos, temperatūra ne žemesnė kaip +10°C.
- Naudokite tik tam skirtus nuolatinės srovės įkroviklius ir atidžiai perskaitykite gamintojo rekomendacijas.
Skirtingos ličio technologijos: Ličio geležies fosfatas (LiFePO4)
Yra daugybė „ličio jonų“ akumuliatorių rūšių, kurios sudaro „baterijų šeimą“. Šioje šeimoje yra keletas skirtingų „ličio jonų“ akumuliatorių, kurių katodui ir anodui naudojamos skirtingos medžiagos, todėl jie pasižymi labai skirtingomis savybėmis ir yra tinkami įvairiems tikslams.
Ličio geležies fosfatas (LiFePO4) yra gerai žinoma ličio technologija dėl plataus naudojimo ir tinkamumo daugeliui pritaikymų. Dėl žemos kainos, aukšto saugumo ir geros energijos savybių tai yra puikus pasirinkimas. 3,2 V/LiFePO4 įtampa ląstelėje taip pat leidžia pasirinkti ličio technologiją uždaroms švino rūgštims pakeisti daugelyje pagrindinių programų. LiFePO4 pasižymi tokiomis savybėmis:
- Panaši įtampa kaip ir švino rūgšties akumuliatorių (3,2 V ląstelėje x 4 = 12,8 V), todėl jie idealiai tinka pakeisti švino rūgšties.
- Saugiausia ličio technologijų forma.
- Aplinkai nekenksmingas - fosfatas nėra pavojingas, todėl yra draugiškas aplinkai ir nekelia pavojaus sveikatai.
- Platus temperatūros diapazonas.
tags: #kokie #energijos #virsmai #vyksta #pakraunant #akumuliatoriu