Акумулаторни батерии. Видове и основни характеристики Ключови думи



Дата01.12.2017
Размер117.92 Kb.
Размер117.92 Kb.

Акумулаторни батерии. Видове и основни характеристики

Ключови думи


Акумулаторни батерии, литиеви, киселинни, никел-кадмиеви

Цел


Настоящата тема дава базисни знания за различните технологии, характеристики и приложения на акумулаторните батерии. Представя сравнителен анализ между основните им параметри, предимства и недостатъци.

Въведение


Акумулаторните батерии, като устройства за съхраняване на електрическата енергия, са широко използвани в електронните устройства. Намират приложение на практика във всички сфери на промишлеността, бита, транспорта и т.н., както и в частност в системите с възобновяема енергия. Тема " Приложение на системи за непрекъсваемо захранване в системи с възобновяеми енергийни източници" от настоящия учебен курс, предлага основни блокови схеми на UPS устройства, при които акумулаторната батерия е един от основните елементи. Допълнително тяхното приложение е разгледано в теми "Проектиране на автономни фотоволтаични системи", "Приложение на програма PVSyst за проектиране на автономни фотоволтаични системи", "Основни характеристики на хибридните фотоволтаични системи" в дисциплината "Слънчева енергетика". Поради това тук да не се навлиза в детайли на приложението им във ВЕИ, а да се акцентува предимно на характеристиките на различните видове акумулатори.

Темата е структурирана в три части, като се разглеждат последователно основните технически характеристики, сравнителен анализ между отделните технологии и характеристики на най-разпространените видове акумулаторни батерии, базирани на литиева основа.


Информационен блок

Основни характеристики на батериите


Основните технически параметри, характеризиращи акумулаторните батерии са:

1. Капацитет (C или Q), [Ah]. Изразява количеството електричество, което напълно зареден акумулатор може да отдаде в товара до пълното му разреждане. Акумулаторът се смята за напълно разреден при намаляване на напрежението му до минимално допустимото. Капацитетът условно определя колко ампера могат да бъдат осигурени за 1 час. За батерии с по-малък капацитет се използва и производната дименсия милиамперчас (mAh). Следната зависимост дава възможност за изчисляването му:



(1)


където: ток на разреждане; – време на разреждане до нормално допустимо напрежение.

Производителите на акумулаторни батерии посочват номиналния капацитет, съответстващ на определен разряден ток, температура и крайно напрежение. Този параметър зависи от допълнителни фактори: големина на разрядния ток, температура, брой цикли зареждане-разреждане и др.

2. Специфичен капацитет [Ah/kg]. Определя се от отношението между Q и теглото на акумулатора - амперчаса на килограм. Зависи основно от вида на акумулатора. Например, за литиевите акумулатори типичните му стойности са 3-4 пъти по-големи от тези на оловните акумулатори.

3. Електродвижещо напрежение [V]. Измерва се във волтове и отразява потенциалната разлика между електродите на батерията при отворена верига. Неговата стойност се дава с уравнението на Гибс – Хелмхолц:



(2)


където: – топлинен еквивалент на протичащата реакция; – абсолютна температура на акумулатора; – температурен коефициент на изменение на електродвижещото напрежение; n – брой на електроните в уравнението на токообразуващата реакция; F – константа на Фарадей.

Поляризацията на химичните източници намалява електродвижещото напрежение според уравнението:



(3)

където: – електродвижещо напрежение на химическия източник; – електродвижещо напрежение на поляризация

4. Вътрешно съпротивление [Ω]. Това е съществен параметър, тъй като ограничава тока на акумулатора. Зависи от множество фактори, по-съществени от които са: съпротивление и разположение на електродите; съпротивление на електролита, степен на поляризация и др. Те завият основно от концентрацията и температурата на електролита, токът през товара и др. Може да се заключи, че се променя в широк диапазон в процеса на експлоатация - десети до хилядни от ома. Например, типични стойности за вътрешното съпротивление на литиево-йонни батерии са в диапазона 150 ÷ 300 [mΩ]. Вътрешното съпротивление може да се изрази с две компоненти:

(4)

където: – активното съпротивление на електродите и електролита; – съпротивление на поляризация

5. Напрежение [V]. Дефинирани са максимално, минимално и номинално напрежение, съответно: –получено на изводите при напълно зареден акумулатор; – напрежението на изводите при напълно разреден акумулатор; – посочено от производителя.

Стойностите на напреженията под товар, могат да се определят със зависимостта:



(5)

където: I [A] – ток през товара; r [Ω] – вътрешно съпротивление на акумулаторната батерията; [V] – напрежение на празен ход.

6. Енергия на акумулатора (Wh). Подобно на капацитета, този показател показва енергията за 1 час, отдадена в товара. Дименсията ватчас [Wh] показва, че енергията може да се определи от произведението на Q [Ah] и номиналното напрежение на акумулатора U[V]. Например, при капацитет 2 [Ah] и напрежение 3,7 [V] енергията е 7,4 [Wh].

7. Специфична енергия [J/kg], [Wh/kg]. Определя отношението на запасената в акумулатора енергия към единица маса и се използва за сравняване на източници с различно напрежение и различни технологии. Типични стойности за литиево-йонни батерии е в диапазона 100 ÷ 250 [Wh/kg] или 0,36 ÷ 0,9 [МJ/kg].

8. Енергийна плътност [Wh/l]. Показва енергията запасена в единица обем активно вещество. Измерва се във ватчас на литър (или кубичен сантиметър).При литиево-йонните батерии е в диапазона 80 ÷ 620 [Wh/l].

9. Саморазреждане. Процес, при който поради химични процеси в акумулатора количеството електричество намалява с времето дори той да е на празен ход. Обикновено се определя в % за месец (типични стойности между няколко десети от % и малко над 1%) или за година.

10. Експлоатационен срок. Представлява максималният брой цикли заряд-разряд, при които акумулаторът отдава посочения в техническата документация процент от първоначалния заряд. Типичните стойности за съвременните литиеви акумулатори са между 500 и 5000 цикъла.

Видове батерии и сравнителен анализ между основните технологии


Най-общо сравнение между основните технологии акумулаторни батерии е предложено в табл.1 и табл.2. От данните се вижда, че едни от най-перспективните акумулатори са на литиева основа. Сравнение между разрядните характеристики в графичен вид е показано на фиг.1.

Табл.1. Сравнение между номиналното напрежение и специфичната при различни технологии акумулаторни батерии.



Технология на акумулаторните батерии

Номинално напрежение

Специфична енергия (теоретична)

Оловен (киселинен)

2,0

252

Никел - железен

1,2

313

Никел - кадмиев

1,2

224

Никел - хидроген

1,2

434

Никел - метал - хидрид

1,2

800

Никел-цинк

1,6

372

Сребро-цинк

1,9

524

Литиево-йонни

4,0

766

Табл. 2 Сравнение между основните характеристики на оловен, никел-манган-хидриден и литиево-йонен акумулатор.

Характеристика

Оловен акумулатор

Никел-металхидриден акумулатор

Литиево-йоннен акумулатор

Маса (кг)

25

14

8

Скорост на заряд (часа)

8

1

2-3

Напрежение

2.0

1.2

3.6

Токсичност

Значителна

Ниска

Ниска

Предимства

Ниска цена; отсъствие на загуба на капацитет при непълно разреждане; възможност за постоянен подзаряд; херметичните конструкции не отделят вредни газове при заряд.

Дълъг експлоатациоенн срок; бърз заряд; отсъствие на токсични материали; продължителен експлоатационен срок

Високо напрежение, високи специфична енергия и енергоемкост; голям срок на съхранение (10 и повече години); голям брой цикли заряд-разряд (до 3000); малък саморазряд; срок на работа 6-10 години и малък саморазряд и др.

Недостатъци

Кратък

експлоатационен срок; малка специфична енергия; експлоатационният срок се понижава съществено при дълбок разряд или значителен разряден ток



Чувствителни към високи температури; значителен саморазряд .

Висока цена; нестабилни при високи и ниски температури.

На фиг.2 са показани зарядната (1) и разрядната (2) характеристики на оловен акумулатор. Характерни са три участъка: начален - първите два часа; работен - продължителен, без значително изменение на напрежението; краен - напрежението се изменя бързо и в двата режима.



Фиг.1. Разрядна характеристика на литиев източник (2) с манганово-цинков източник (1).

Фиг.2. Зарядна (1) и разрядна (2) характеристика на оловен акумулатор.

Изборът на технология следва да се съобрази с конкретното приложение - режим на работа при заряд и разряд, околна среда, характеристики на товара и т.н. Това налага да се познават техните основни предимства и недостатъци. На три технологии - оловен, никел-манган-хидрид и литиево-йонен акумулатор са предложени в табл. 2. На останалите на най-използвани видове могат да се систематизират по следния начин:

Никел-кадмиеви акумулатори. Предимства: голяма механична якост; дълъг експлоатационен срок; херметична конструкция; работа при ниски температури; бърз заряд. Недостатъци: по-голямо вътрешно съпротивление в сравнение с оловните; температури над водят до голям саморазряд, капацитетът им намалява при непълен разряд; имат по-малка специфична енергоемкост в сравнение на никел-цинковите акумулатори. Процесът на загуба на капацитет при непълно разреждане се нарича още "ефект памет". Той скъсява значително експлоатационния срок на този тип акумулатори.

Сребърно-цинкови акумулатори. Предимства: Осигуряват голям разряден ток и по-високо напрежение; имат значително по-голяма енергоемкост на единица маса (130 Wh/kg) в сравнение с никел-кадмиевите акумулатори (25-30 Wh/kg); имат висок КПД и голяма механична якост; работят в широк температурен диапазон. Недостатъци: малък брой цикли заряд-разряд, което ги прави предпочитани за специализирана употреба, изискваща голям разряден ток, малка маса, компактност и др. Например, военни цели и др.

Сребърно-кадмиеви акумулатори. Предимства: голями специфична енергоемност и експлоатационен срок; по-голям брой цикли заряд-разряд в сравнение със сребърно-цинковите акумулатори; позволяват продължително съхранение в заредено и разредено състояние. Недостатъци: сравнително скъпи.

Никел-цинкови акумулатори. Предимства: голям брой цикли заряд-разряд; по-евтини в сравнение със сребърно-цинковите акумулатори. Недостатъци: по-малка специфична енергоемкост.

На фиг.3 са показани типични характеристики на разряд на различни видове акумулатори. Те са получени спрямо акумулатори с еднаква маса при равни условия на разряд.

Фиг.3. Характеристики на разряд: 1. Ni-Fe; 2. Pb; 3. Ni-Cd; 4. Ag-Cd; 5. Ni-Zn; 6. Ag-Zn.


Акумулаторни батерии на основа литий (Li)


Литиево-йонните батерии са предложени за първи път от М. С. Уитингам през 1970 година. Той използва титаниев сулфид като катод и метален литий като анод. Литият е най-лекият от всички метали, има най-голям електрохимичен потенциал и предоставя най-голяма специфична енергия на тегло. Проблемът при първите прототипи е, че литият се отлага върху анода и създава нежелани разклонения в структурата на батерията. Те създават късо съединение, при което температурата се покачва до тази на топене на лития. В резултат на това са разработени литиево-йонни акумулаторно батерии, които съдържат в анода и катода литиеви йони. През 1981 година „Bell laboratories” разработват работещ модел на литиево-йонна батерия с анод от графит. През 1991 година Сони (Sony) пуска на пазара първата комерсиална литиево-йонна батерия. Катодът на която се състои от оксид на лития и по-конкретно литий-кобалт оксид .

Литиево-йоните батерии дължат името си на движението на електрони през електролита на акумулатора. В процес на зареждане катодът се свързва към положителния полюс на източника, който е с по-високо напрежение от това на акумулатора. Посоката на тока в този режим е от катода към анода във вътрешната верига. При разреждане (при захранване на товар), токът е със същата посока, но през външната верига - през товара. При съвременните литиево-йонни акумулатори катодът се изработва от различни окиси, например литиево-кобалтов окис или материали с тунелна структура като литий-манган-оксид и др. Анодът е графит с примеси от литий, а електролитът между тях е съставен от литиеви соли в органичен разтворител.

При литиево-кобалтовите акумулатори () се използва катод от пресовани частици с големина около 5 микрометра. Анодът е от въглерод във вид на графит. Напрежението на литиево-кобалтовите акумулатори варира в диапазона 3,7V-4,25V , максималният капацитет достига до около 10 Ah, а специфичния до 140 [Ah/kg]. Тази технология се използва предимно за батерии с малък капацитет, тъй като влошават параметрите си при напрежение над 4,25V.

Основата литий-манган-оксид () се използва за множество литиево-манганови акумулатори, но основно приложение намират две равновидности. В първата катодът е от , напрежението варира в границите 3,8V - 4,35V, максимален капацитет до около 3Ah и специфичен между 100 - 130 Ah/kg. Отличават се с по-стабилни характеристики в сравнение с литиево-кобалтовите, тъй като параметрите им зависят по-слабо от температурата. Имат ниско вътрешно съпротивление, което позволява бързо зареждане и работа при значителен ток, например 20-30 А. Произвеждат се като тип "монета" с капацитет 1-50 mAh и цилиндрични до 3 Аh. Втората разновидност са литий-манган-титанови акумулатори. Катодът и анодът са съответно манганов и литиво-титанов окис. Номиналното им напрежение е 1,5 V, а минималното 1,2 V. Капацитетът е в границите 1 - 20 mAh, като типичен ток на разреждане е 0,1 mA. Намират приложение в електронни устройства с малка постояннотокова консумация.

Акумулаторите на основа литий-желязо-фосфат () са създадени са през 1996 г. в Тексаския Университет. Катодът е и се означават като LFP. Напрежението им варира в диапазона 3V - 3,3V, но могат да работят и в по-широк напреженов толеранс 2,8V - 3,6V. Максималният капацитет е 7000 Ah, а специфичният е 170 Ah/kg при цена малко по-ниска от тази на литиево-мангановите акумулатори. Отличават се със слабо влияние на температурата върху параметрите и типичен експлоатационен срок от 2000 цикъла заряд-разряд. Очевидно, характеристиките на акумулатори са едни от най-добрите. Основно се прилагат в преносими компютри, електроинструменти и превозни средства, при напрежения обикновено от 12V, 24V, 36V и 48V. Броят на циклите заряд-разряд може да достигне до 5000 чрез прибавяне на итрий в материала на катода. При това номиналното напрежение не се променя, но капацитетът може да достигне 10000Ah при широк работен температурен диапазон: - . Намират основно приложение в транспортната техника.

Батериите на основа никел-манган-кобалт-оксид () могат да бъдат оптимизирани за висока специфична енергия или висока специфична мощност. При тях приоритет може да има само единия фактор, но не и двата. Технологията се състои в определяне на количествата никел и манган. Например, могат да се посочаст следните зависимости: при капацитет от 2250 mAh специфичната мощност е малка; при увеличаването й капацитетът спада до 1500 mAh; използването на силициев анод води до увеличаване на капацитета до 4000 mAh, но намаля специфичната мощност и жизнения цикъл. Тези батерии се предпочитат за електрически инструменти и задвижващи системи за автомобили.

Литий-никел-кобалт-алуминий оксид (). Характеризират се с голяма специфична мощност, енергия и дълъг експлоатационен срок. Имат перспектива за развитие в автомобилите задвижвания, но за сега се използват рядко на потребителския пазар. Техни недостатъци са висока цена, която е резултат от повишените разходи за производство и ниската безопасност. Този вид акумулатори са с най-висока цена, спрямо останалите видове.

Структурата на литиево-полимерните (Li-Pol) представлява: катод от или ; анод от същия лист от графит и литий; сепаратор, разположен между тях от полимер, през който се движат йоните между анода и катода. Сепараторът се явява основната разлика между полимерните и литиево-йонните акумулатори, при които електролитът е в органичен разтворител. Технологията позволява по-голяма издръжливост на акумулаторите, намаляване на производствените разходи, възможност за различни конструктивни оформления, намаляване на теглото и дебелината и др.


Речник


  • Lead Acid - Оловен киселинен акумулатор

  • NiCd - никел-кадмиев акумулатор

  • NiMH - никел-металхидриден акумулатор

  • Li-ion - литиево - йонен акумулатор

Резюме


Настоящата тема предложи обща информация на видовете акумулаторни батерии, характеристики, приложение, предимства и недостатъци. Разгледаната тема е обект на широко научно и приложно развитие в последните години, в много отрасли на промишлеността: ВЕИ, транспортна техника, комуникации, захранващи системи и др. Поради това е достъпно значително количество актуална литература, предназначена за масова и специализирана употреба. Заинтересованите читатели могат да разширят знанията си чрез посочените литературни източници.

Литература


  1. Vincent C., B Scrosati, Modern Batteries, Butterworth-Heinemann 2003

  2. Dhameja S., Electric Vehicle Battery Systems, Butterworth–Heinemann 2002

  3. Crompton T.R., Battery Reference Book, Reed Educational and Professioan Publishing. 2000

  4. Jossen A, Garche J, Sauer D, "Operation conditions of batteries in PV applications" Solar Energy 76, pages: 759–769, 2004

  5. Hadjipaschalis I, Poullikkas A, Efthimiou V, Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 pages: 1513–1522, 2009

  6. Lee J., Kim S., Cao R., Choi N., Liu M., Lee K, Cho J., "Metal–Air Batteries with High Energy Density: Li–Air versus Zn–Air", Advanced Energy materials 1, pages: 34-50, 2011

  7. Lu J., Amine K., "Recent Research Progress on Non-aqueous Lithium-Air Batteries from Argonne National Laboratory", Energies 6, pages: 6016-6044, 2013

  8. Yang M, Lin B, Yeh S, Tsai J, "The New High Power Design of 8Ah Li-ion Battery for HEV Application", The World Electric Vehicle Journal, Vol 2, pages: 19-24, Issue 2, 2008

  9. Oguz Y., Oguz H., Yabanova I., Oguz E., Kırkbas A., "Efficiency Analysis of Isolated Wind-Photovoltaic Hybrid Power System with Battery Storage for Laboratory General Illumination for Education Purposes", International Journal Of Renewable Energy Research, Vol.2, No.3, 2012

Блок за контрол на знанията

Примери:


  1. Текст

Решени задачи:


Текст

Задачи за решаване:


Текст

Тест

Въпрос тип 1 - ДА/НЕ:



Въпрос тип 2- „един верен от много”


Текст

Въпрос тип 3- „подреждане на отговори”:


Текст

Въпрос тип 4 - „Изображение – въпрос”:


Текст

доц. д-р инж. Борислав Димитров



кат. ЕТЕТ




Сподели с приятели:


©zdrasti.info 2017
отнасят до администрацията

    Начална страница