Akumulatorji – Jih res poznamo

Posted on Posted in Koristne informacije

Članek spisal:
Gregor Maček
www.ecat.si

 

ORIS VSEBINE ČLANKA

Ko nanese beseda na baterije ali akumulatorje, se nam zdi to trivialna tematika, češ tu pa res ni več nič novega za povedati. Pa je to res? Nove in nove tehnologije celic se rojevajo iz meseca v mesec, pa tudi stare tehnologije se izboljšujejo z uporabo novih tehnologij (predvsem je zadnje čase popularna t.i. nano tehnologija) in materialov.

V osnovi celice lahko razdelimo v dve skupini: primarne in sekundarne celice. Enostavno povedano, primarne celice po uporabi zavržemo in jih ne moremo ponovno napolniti (navadno jim rečemo “baterije”), sekundarne pa po uporabi lahko ponovno napolnimo in uporabimo večkrat (navadno jim rečemo “akumulatorji”). Tu bi rad mogoče poudaril še to, da imamo Slovenci dokaj enoznačno poimenovanje primarnih in sekundarnih celic (baterije/akumulatorji), dočim je v angleščini vse skupaj “battery” in šele iz podrobnejšega opisa gre razbrati, za kakšen tip celic gre.

 

LOČITEV CELIC NA PRIMARNE (BATERIJE) IN SEKUNDARNE (AKUMULATORJI)
ZGODOVINA PRIMARNIH CELIC, OPIS DELOVANJA, NAJPOGOSTEJŠI TIPI

Primarna celica energijo jemlje iz razpada ene od elektrod. Ko elektroda razpade, je baterija “prazna” in se je ne da ponovno napolniti, saj ene elektrode praktično ni več. Ko elektroda razpade, lahko elektrolit včasih tudi izteče iz same celice in poškoduje okolico. Zato je bila razvita t.i. alkalna baterija, ki ima elektrolit na bazični osnovi (manj agresiven),sama celica pa je “oblečena” v posebno “srajčko”, ki ščiti pred morebitnim izlitjem elektrolita. No, vsaj naj bi ščitili,čeprav iz prakse vsi poznamo tudi primere izlitja takšnih baterij, sploh neznanih znamk, čeprav tudi boljše znamke niso povsem imune na to (meni osebno, pa tudi sodelavcu,so “stekle” AA baterije priznane znamke Duracell).

Akumulator_clanek_1

 

 

 

 

 

Najpogostejši tip primarnih baterij, uporabljen dandanes je t.i. Leclanchejeva celica (in njena novejša izvedenka – cinkoglje),ki jo lahko najdemo praktično povsod. Razviti so bili tudi drugi tipi primarnih celic z višjo kapaciteto npr. cinkmangan,cink-zrak (gumbne baterije za slušne aparate), litijeve baterije (ne smemo jih zamenjati z litijevimi akumulatorji!), ki so ravno tako v uporabi v veliko napravicah, s katerimi se srečujemo vsak dan …

Večina primarnih celic je znana po nizkem samo praznjenju ter relativno visoki notranji upornosti, kar pomeni, da so zelo primerne za porabnike z nizko porabo (ure, daljinski upravljalniki, …), niso pa primerne za močnejše porabnike, saj zaradi velike notranje upornosti ne zmorejo zagotavljati visokih praznilnih tokov.

Uporaba primarnih celic za pogon električnega vozila ali drugega, cikličnega porabnika, bi prej ali slej pomenila finančni bankrot, saj bi morali kupiti vsakič nov baterijski paket, zato se v ta namen vedno uporablja akumulatorje – sekundarne celice.

No, da pa temu ni vedno tako dokazuje starejša gospa, ki je tedensko hodila kupovat baterijo za mobitel. No – čez nekaj tednov se je le potožila prodajalcu, da si ni mislila, da je telefoniranje tako drag špas in prodajalec jo je takrat podučil, da se da mobitel tudi napolniti … 

 

PREDNOSTI IN SLABOSTI PRIMARNIH CELIC

Prednosti:

  • Nizko samo praznjenje – možnost dolgotrajnega hranjenja brez bistvene izgube kapacitete
  • Cenenost
  • Visoka kapaciteta glede na maso in volumen
  • Dobra zmogljivost tudi ob nizkih temperaturah

Slabosti:

  • Visoka notranja upornost – nezmožnost zagotavljanja visokih praznilnih tokov
  • Možnost zgolj enkratne uporabe
SEKUNDARNE CELICE
TIPI SEKUNDARNIH CELIC, OPISANIH V ČLANKU

Poznamo več tipov sekundarnih celic in poskušal bom zaobjeti večino dandanes uporabljanih celic ter opisati njihove prednosti in slabosti. V startu pa moramo vedeti, da idealne celice ni. Ko se odločamo, kakšen tip celice bomo uporabili za našo aplikacijo, moramo vedno delati kompromise med različnimi, navadno izključujočimi se, možnostmi.

Dandanes se največ uporablja naslednje tipe sekundarnih celic, ki jih bom tudi obdelal v tem članku:

  • Svinčev akumulator (kislinski) (Pb, SLA)
  • Svinec-gel akumulator (PbGel, AGM, VRLA)
  • Nikelj-kadmij celice (NiCd)
  • Nikelj-kovinski hidrid celice (NiMH, LDS NiMH)
  • Litij-ion celice (LiIon)
  • Litij-polimer celice (LiPoly)
  • Litij-železo-fosfat celice (LiFePO4)
  • Drugi, bolj eksotični tipi celic

 

SVINČEV (PB, SLA) IN SVINEC-GEL (PBGEL, AGM, VRLA) AKUMULATOR
ZGODOVINA CELICE

Svinčev akumulator je leta 1859 odkril francoski raziskovalec G. Plante in je najstarejša polnilna celica, ki je bila izumljena in tudi praktično uporabljana. Svinčeve celice imajo praviloma zelo nizko notranjo upornost, kar zagotavlja visoke praznilne tokove (in dobro razmerje moč/teža). Posledično je ta tip akumulatorjev zelo popularen in ga najdemo v skoraj vsakem avtomobilu kot zagonski akumulator.

Kot je že razvidno iz imena, je svinčev akumulator grajen iz svinčevih plošč, ki služijo kot elektrode in žveplene kisline, ki služi kot elektrolit. Približno 60% teže akumulatorja odpade na svinčene plošče, preostalih 40% pa na ohišje, elektrolit,priključke itd.

Svinec spada med težke kovine in že majhne vrednosti svinca lahko, sploh pri otrocih,povzročajo poškodbe možganov, sluha … , zato je potrebno poskrbeti, da svinčevih akumulatorjev ne odlagamo skupaj z navadnimi odpadki, temveč jih recikliramo ali pa zavržemo v poseben zabojnik.

Akumulator_clanek_2

 

 

 

 

 

 

 

 

PREDNOSTI IN SLABOSTI

Ob izbiri svinčevega akumulatorja za pogon električnega vozila moramo vedeti, da bo življenjska doba akumulatorja precej kratka, sploh če bodo tokovi višji od priporočenih (kar praviloma bodo). Tako se na prvi pogled”poceni” akumulatorji ob redni uporabi izkažejo za enako drage kot naprednejši (litijevi), če ne celo dražji. Drug problem so tresljaji, ki lahko ob postavitvi akumulatorja tako, da svinčene plošče “ležijo” (kar si niti ne moremo privoščiti pri vseh tipih akumulatorjev!), kmalu uniči akumulator,če sunek povzroči, da se svinčeni plošči zaradi sunka pričneta dotikati(določeni akumulatorji so zaščiteni tudi pred tem s posebnim “ogrodjem”).

Akumulator_clanek_3

 

 

 

 

 

 

PRINCIP POLNJENJA

Polnjenje svinčevega akumulatorja je “napetostno”: akumulatorju dovajamo fiksno napetost (odvisna od tipa in načina delovanja akumulatorja (ciklično,stand-by), navadno med 13,8 in 14,4 V) in akumulator se polni najprej z maksimalnim tokom, ki ga je zmožen zagotoviti polnilec. Tu je treba paziti, dane presežemo največjega dovoljenega toka za polnjenje samega akumulatorja, ki je pri SLA akumulatorjih bistveno višji kot pri cikličnih akumulatorjih in je naveden v dokumentaciji posameznega akumulatorja ali celo na nalepki na njem. Ko akumulator doseže nastavljeno napetost, se tok prične počasi zmanjševati in navadno, ko tok pade pod 1/20 začetnega, smatramo, da je akumulator poln. V izogib sulfatizaciji – pojav, ko se na svinčenih ploščah tvorijo “obloge”, ki zmanjšujejo kapaciteto in tokovno zmogljivost – boljši polnilci občasno (približno enkrat tedensko) napetost za krajši čas dvignejo tudi nad “običajno” mejo (npr. na 15,5 V). To je posebej pomembno pri cikličnih sistemih (UPS, fotovoltaika …), saj na ta način bistveno podaljšamo življenjsko dobo ter uporabno kapaciteto takšnega akumulatorja.

Akumulator_clanek_4

 

 

 

 

 

 

TIPI CELIC

Obstaja več različnih tipov svinčevih akumulatorjev glede na namen uporabe (SLA/ciklični-trakcijski) in samo tehnologijo(kislinski/gel).

SLA akumulatorji lahko zagotavljajo visok tok, a ne prenašajo dobro cikličnega praznjenja in polnjenja, trakcijski akumulatorji pa omogočajo prav to, a ne zagotavljajo tako visokega toka.

Ker pa ima svinčev (kislinski) akumulator kar nekaj pomanjkljivosti (predvsem potrebo po vzdrževanju – kontroliranju nivoja elektrolita ter tipu montaže – le pokončna), je bil “nadgrajen” st.i. gel izvedbo (tudi VRLA, AGM), kjer je žvepleno kislino kot elektrolit zamenjala posebna “gel” izvedba elektrolita.

Akumulator_clanek_5

 

 

 

 

 

 

 

 

Posledično tak akumulator ne potrebuje vzdrževanja (smatra se kot “zaprt”, čeprav ima vseeno varnostni ventil za primer izpusta plinov ob pretiranem polnjenju) in je lahko montiran v poljubni legi (pokončno, ležeče …) ter se dan danes široko uporablja v raznih “backup” aplikacijah (alarmni sistemi, UPS enote), pa tudi v določenih električnih vozilih. Je pa tokovna zmogljivost gel akumulatorja praviloma nižja od kislinskega, kar velja pri izbiri vzeti v zakup.

Ne glede na to, je svinčev akumulator tip akumulatorja, ki se danes uporablja v številnih (sploh cenejših) električnih vozilih (vozički za golf, invalidski vozički, nekateri poceni električni skiroji, kolesa itd.).

 

NICD IN NIMH AKUMULATORJI
ZGODOVINA CELIC

Akumulator_clanek_6

 

 

 

 

 

 

Nikelj-kadmij (NiCd) akumulator je bil odkrit praktično istočasno s svinčevim(1899) in po kar nekaj izboljšavah se je kapaciteta močno zvišala (skoraj na polovico kapacitete primerljivo velike in težke primarne celice), kar je bistven napredek napram svinčevem akumulatorju.

NiCd celice s bile dolgo časa uporabljane kot nadomestek za baterije običajnih velikosti (AAA, AA, C, D …), a so imele določene pomanjkljivosti in zato niso mogle povsem nadomestiti navadnih, ne polnilnih baterij.

Na podlagi slabosti NiCd celic (kapaciteta, spominski efekt, vsebnost težkih kovin) so bile razvite NiMH celice, kjer je strupen kadmij zamenjal kovinski hidrid. Tovrstne celice imajo tudi bistveno višjo kapaciteto napram NiCd celicam in sicer kar 2 do 3-kratno! Spominski efekt je sicer opazen, vendar bistveno manj kot pri NiCd celicah.

NiMH celice so dandanes vsestransko uporabne kot nadomestek za primarne celice (AA, AAA, C, D …), saj ponujajo dobro zmogljivost za relativno ugodno ceno. Tudi nekaj bolj in manj znanih električnih vozil ima za osnovo NiMH celice,kot so npr. Toyota Prius, Honda Insight, Honda Civic Hybrid, Ford Escape Hybrid etc.

V letu 2005 je Sanyo z velikim pompom oznanil novo serijo NiMH celic, imenovanih Eneloop. Te celice naj bi kombinirale dobre lastnosti primarnih celic (nizko samo praznjenje, dobre zmogljivosti ob nizkih temperaturah) z dobrimi lastnostmi NiMH akumulatorjev (polnjenje, nizka notranja upornost). Po letu dni takšne celice obdržijo okrog 70-85 % začetne kapacitete, kar jih dela zelo primerne tudi za nizko-tokovne porabnike, precej dobro pa se obnesejo tudi ob nizkih temperaturah.

Akumulator_clanek_7

 

 

 

 

 

 

 

Glede na razvoj dogodkov v preteklih letih lahko rečem, da so s tem tipom celic pri Sanyu dobro uspeli, saj so tovrstni akumulatorji postali zelo popularni – tako med amaterji kot med profesionalnimi uporabniki (npr. raziskava medameriškimi profesionalnimi fotografi je pokazala, da Sanyo Eneloop uporablja čez 80% fotografov, predvsem za napajanje bliskavic, saj se dobro obnesejo tudi v hladnejših pogojih in jih ni treba polniti tik pred uporabo).

Seveda so to tehnologijo “zavohala” tudi druga podjetja, ki izdelujejo akumulatorje in taisto funkcionalnost sedaj ponujajo pod drugimi komercialnimi imeni (skupni imenovalec pa je low-self-discharge (LSD) besedna zveza).

PREDNOSTI IN SLABOSTI

Prednosti:

  • Višja kapaciteta napram svinčevim akumulatorjem: tako glede na težo, kot na volumen, ki ga celice zasedajo.
  • Podobna napetostna krivulja kot standardno uporabljane primarne celice (baterije): posledično možna enostavna zamenjava klasičnih baterij s ponovno uporabnimi akumulatorji (AA, C, D, AAA …)
  • Relativno enostaven osnovni princip polnjenja (tokovno, 1/10 – 1/15 C)
  • Dokaj varne za uporabo: tudi ob pretiranem polnjenju ali praznjenju se celica sicer lahko poškoduje, ne bo pa takšno ravnanje povzročilo npr. požara (kot se lahko zgodi pri določenih litijevih akumulatorjih)
  • Robustnost: sploh NiCd celice so zelo robustne in jih je težko uničiti, tudi če jih dejansko zlorabljamo čez vse dovoljene in nedovoljene meje.
  • Tokovna zmogljivost: celice sicer niso tako tokovno zmogljive kot npr. SLA ali litij-polimer akumulatorji, jih pa po drugi strani lahko močno obremenimo brez, da bi tvegali hujše poškodbe celic. Obstajajo tudi (modelarske) izvedbe NiCd in NiMH celic z izredno nizko notranjo upornostjo in posledično odlično tokovno zmogljivostjo. Notranja upornost NiCd inNiMH celic se s segrevanjem niža, tako da če potrebujemo veliko tokovno zmogljivost pomaga, če celice pred uporabo ogrejemo (40-50 stopinj)!

Slabosti:

  • Visoko samo praznjenje: NiCd celice so znane po relativno visokem odstotku samo praznjenja. To ni problem, če takšne celice uporabljamo v napravah z višjo porabo, kjer jih pogosto polnimo. Niso pa takšne celice primerne za uporabo z nizko-tokovnimi porabniki, saj je samo praznjenje celice pogosto večje od priklopljenega porabnika. Navadno višja tokovna zmogljivost NiCd celice pomeni tudi višje samo praznjenje. NiMH celice so glede samo praznjenja primerljive NiCd (razen v nadaljevanju opisanega LSD tipa).
  • Spominski efekt: Če NiCd celice večkrat izpraznimo le do določene meje (ne do konca), si celica to mejo “zapomni” in čez nekaj(precej) takšnih ciklov bo celica imela le še to kapaciteto, nato pa bo napetost drastično padla. Temu se izognemo, če celice pred polnjenjem izpraznimo, kar pa lahko vodi do obrata polaritete. NiMH celice imajo nekoliko manj izrazit spominski efekt, niso pa brez njega, kot je ponekod zmotno zaslediti oz. je bilo pompozno oglaševano ob pojavu NiMH celic.
  • Obrat polaritete: Če imamo več celic vezanih zaporedno, navadno nimajo vse povsem iste napetosti. Ko jih globoko praznimo, slej ko prej ena od celic pade na 0 V, ostale celice pa imajo še nekaj napetosti. Če paket praznimo naprej, se pri tej celici zgodi, da se ji polariteta obrne, kar ireverzibilno poškoduje celico > veliko zmanjšanje kapacitete. Ob nadaljnji uporabi se ta problem še povečuje (saj je ta celica vedno prva prazna in vedno pride do obrata polaritete prav na nji) in čez čas celica odpove (sploh ne prevaja več), kar vidimo kot odpoved celotnega paketa.
  • Okoljska nevarnost (kadmij): NiCd akumulatorji vsebujejo med 6% (industrijski akumulatorji) in 18% (“komercialno” dobavljivi akumulatorji) kadmija, ki je strupena težka kovina. Zaradi tega moramo NiCd akumulatorje ločeno odlagati, saj pomenijo precejšnje tveganje za okolje. Pri NiMH celicah je ta problem bistveno manjši, vseeno pa tudi NiMH celice spadajo v posebne odpadke.
PRINCIP POLNJENJA

NiCd in NiMh celice polnimo po istem postopku – s tokovno omejitvijo. Polniti začnemo z nizkim tokom (nekaj 10mA) nekaj minut (temu pravimo formiranje), potem pa tok povečujemo do dovoljene meje (odvisno od ti pa celic, navadno 1-2 C) in polnimo pri stalnem toku. Temu načinu pravimo polnjenje s konstantnim tokom.

Napetost na celicah pri polnjenju stalno raste, ko pa so celice polne, pa napetost na celicah pade za približno 1 % (15mV/celico). Ta padec napetosti uporabimo za indikacijo končanja polnjenja (t. i. delta-peak metoda). Pri NiMH celicah ta je padec napetosti manjši (0,5 %), zato mora biti odčitavanje napetosti izvedeno natančnejše in posledično s polnilcem za NiCd ne smemo polniti NiMH celic. Problem pri detekciji napolnjenosti se lahko pojavi tudi ob polnjenju več zaporedno vezanih celic, saj v primeru okvare ene od celic v paketu padec napetosti ni tako očiten. Zato se navadno pri hitrih polnilcih za NiCd in NiMH uporablja tudi časovna in temperaturna limita, ki izklopi polnjenje v kolikor delta-peak metoda izklopa odpove.

Akumulator_clanek_8

 

 

 

 

 

 

Polnjenje celic z visokimi polnilnimi tokovi je sicer pri veliki večini celic dovoljeno, a dokazano skrajšuje življenjsko dobo celic, zato (v kolikor za to ni potrebe) priporočamo polnjenje s tokom 1 C ali manj razen za celice, ki so med uporabo obremenjene z visokimi tokovi. Počasno polnjenje takšnih celic lahko celice »poleni« in jim zviša notranjo upornost.

Še en, enostaven in v praksi pogosto uporabljen princip polnjenja pa je polnjenje s konstantnim tokom 1/10 do 1/15 C»v nedogled«. Tako nizek tok navadno celice ne poškoduje tudi, če jo z njim polnimo dalj časa, saj odvečno energijo celica brez hujših poškodb odvaja kot toploto. Ta metoda za same celice ni najboljša (jim skrajšuje življenjsko dobo),ampak je zaradi svoje enostavnosti vseeno precej pogosta rešitev v enostavnih napravah, sploh pri NiCd celicah, ki so nekoliko bolj »robustne« in neobčutljive kot NiMH celice.

V preteklosti so se pojavljali tudi “naprednejši” tipi polnjenja (npr. refleksno), ki pa so sedaj, s pojavom novejših celic,precej zamrli in praktično ne dobimo več polnilcev, ki bi to omogočali.

 

LITIJEVI AKUMULATORJI
ZGODOVINA CELIC, OPIS RAZNOLIKOSTI

Akumulatorji na osnovi litija so danes uporabljani v veliko napravah (prenosni računalniki, predvajalniki, telefoni …),obstaja pa več izvedb teh celic (litij-ion, litij-polimer, LiFePO4 …) in zanje lahko rečemo, da so trenutno najbolj popularen tip akumulatorjev. Imajo daleč največjo zmogljivost akumuliranja električne energije, ne kažejo znakov spominskega efekta, imajo nizko samo praznjenje ter zagotavljajo zadosten tok (relativno nizka notranja upornost).

Poleg pogoste uporabe v napravah za široko potrošnjo so litijevi akumulatorji uporabljani tudi v vojaških ter vesoljskih aplikacijah, pa seveda tudi za pogon električnih vozil. Litijevih akumulatorjev (sekundarna celica) ne smemo za menjevati z litijevimi baterijami (primarna celica), saj gre za povsem različen tip baterije, čeprav je v obeh primerih uporabljen litij kot del celice.

PRINCIP POLNJENJA

Vse litijeve celice polnimo najprej s konstantnim tokom, ko pa je dosežena določena napetost (to se zgodi pri cca. 80% napolnjenosti) pa s konstantno napetostjo, pri čemer tok počasi pada proti 0. V osnovi je takšno polnjenje podobno polnjenju svinčevega akumulatorja, pri čemer pa je potrebno biti bistveno bolj natančen pri definiciji najvišje napetosti, ki nikakor ne sme biti presežena.

Akumulator_clanek_9

 

 

 

 

 

 

Kot je že omenjeno, se v prvem delu polnilnega cikla v celico pretoči okrog 80% elektrine, pri čemer pa sta časovno oba dela cikla približno enaka. To pomeni, da lahko v polovici polnilnega časa celico napolnimo na celih 80%, polnjenje preostalih 20% pa traja bistveno dlje.

Litij-ion in litij-polimer celice navadno polnimo s tokom 1 C (dandanes so na voljo že tudi litij-polimer celice, ki jih je mogoče polniti z višjimi tokovi 2-3C), LiFePO4 celice pa lahko brez poškodb polnimo tudi z višjimi polnilnimi tokovi.

ŽIVLJENJSKA DOBA, NASVETI ZA PODALJŠEVANJE

Na hitro rečeno, je glede življenjske dobe danes zmagovalec LiFePO4 celica. Napram Li-ion ali Li-polimer celicam omogoča višje število ciklov in daljšo življenjsko dobo (do 10 let), pa tudi višji polnilni tok.

Če primerjamo Litij-polimer celico z Litij-ionsko, lahko rečemo, da ima Litij-polimer celica načeloma krajšo življenjsko dobo: nekje 500 ciklov do 80 % nazivne kapacitete in 1000 ciklov do nazivne kapacitete 65% nazivne kapacitete, pri čemer pa lahko za podaljšanje življenjske dobe veliko naredimo tudi uporabniki sami.Posebna izvedba litij-polimer celic (“thin film reghargable lithiumbattery”) pa je pokazala življensko dobo nad 10.000 ciklov, a je žal šele v laboratorijski fazi.

Akumulator_clanek_10

 

 

 

 

 

 

Izpraznjenje celic pod skrajno dovoljeno spodnjo mejo (odvisno od tipa) lahko celico poškoduje do te mere, da sploh ne prevaja več(praznjenje pod dovoljeno mejo in nad skrajno spodnjo mejo pa se odraža v zmanjševanju kapacitete celice). V tem primeru lahko včasih celico oživimo z zelo dolgotrajnim polnjenjem z zelo majhnim tokom – vendar pa je kapaciteta takšne celice potem bistveno zmanjša, življenjska doba pa vprašljiva.

Življenjska doba litij-ion celic je močno odvisna od shranjevanja: shranjujmo jih na hladnem in napolnjene na polovico (3,6-3,7 V na celico – shranjevanje 100% napolnjenih litij-ion celic za daljši čas jih uničuje!). Pri litij-polimer celicah stopnja napolnjenosti shranjenih celic ni tako pomembna, za daljša obdobja pa se vseeno priporoča shranjevanje pri napetosti okrog 3,8 V na celico. Za LiFePO4 celice stopnja napolnjenosti načeloma ni tako pomembna,vseeno pa večina proizvajalcev priporoča hranjenje pri polovici kapacitete (3,3V na celico).

Akumulator_clanek_11

 

 

 

 

 

 

Notranja upornost litijevih celic se z nižanjem temperature viša, tako da imajo mrzle celice manjšo tokovno zmogljivost.Po drugi strani pa celicam škodi tudi pretirano gretje, tako da je najoptimalnejša temperatura za delovanje litijevih celic okrog sobne (20-30 stopinj).

VEZAVA CELIC, BMS

Litijeve celice v večini primerov (zaporedna vezava) zahtevajo zaščitno elektroniko (BMS -Battery Management System), ki meri napetost vsake posamezne (zaporedno vezane)celice in izklopi paket, če je napetost ene (katerakoli) od celic izven dovoljenih meja.Nekatere BMS enote nadzorujejo tudi temperaturo celic in skrbijo za balansiranje –izenačevanje celic.

Akumulator_clanek_12

 

 

 

 

 

 

Z zaščitno elektroniko je paket zaščiten pred pretiranim izpraznjenjem oz. prenapolnjenjem ter na ta način ščiti vsakoposamezno celico pred prenizko ali previsoko napetostjo, po drugi strani pa nas omejuje na kapaciteto najšibkejše celice v paketu.

Balansiranje oz. izenačevanje celic enostavno pomeni to, da posebna elektronika skrbi za to, da imajo posamezne celice v paketu enako napetost, kar je še posebej pomembno pri polnjenju, ko celica ne sme preseči maksimalne dovoljene napetosti celice. Običajno je vezje za balansiranje narejeno tako, da nadzira napetost posameznih celic in ko ena od celic doseže pred nastavljeno napetost, le-to prazni preko uporov (ostale celice pa se med tem še vedno polnijo). Bolj napredne verzije omogočajo izenačevanje tudi med praznjenjem ali skozi celoten potek polnjenja.

 

LI-ION CELICE
SPLOŠNI OPIS

Glavne komponente litij-ion celice so anoda (navadno ogljena), katoda (navadno kovinski oksid) in elektrolit (litijeva sol v organskem topilu). Litij-ion celice so sicer dražje kot NiCd aliNiMH celice, vendar nudijo širše temperaturno območje delovanja in seveda bistveno večjo kapaciteto glede na maso/prostornino. Slaba stran (praktično vseh) litijevih akumulatorjev je občutljivost na pretirano polnjenje oz. izpraznjenje ter cena.

Akumulator_clanek_13

 

 

 

 

 

 

 

 

PREDNOSTI IN SLABOSTI

Prednosti:

  • Velika izbira različnih dimenzij, oblik in kapacitet.
  • Bistveno boljše razmerje kapaciteta/teža kot pri NiCd in NiMH akumulatorjih.
  • Visoka napetost posamezne celice – potrebnih manj celic za zagotovitev želene napetosti.
  • Brez spominskega efekta.
  • Nižje samo praznjenje (cca. 5-10 % na mesec) napram klasičnim NiCd/NiMH celicam (čez 30% na mesec). Glede na podatke določenih proizvajalcev pri LiIon tehnologiji samo praznjenja skoraj ni, se pa niža kapaciteta glede na življenjsko dobo, svoj (sicer majhen) del porabe pa gre pripisati tudi zaščitni elektroniki, ki jo takšne celice potrebujejo.
  • Komponente so ekološko bistveno bolj neoporečne (ni težkih kovin).

Slabosti:

1. Življenjska doba celic

  • Pri vsakem polnjenju se zaradi spreminjanja notranje oblike kapaciteta celic nekoliko zmanjša. Poveča se tudi notranja upornost celic in posledično zmanjša tokovna zmogljivost celic. Ta problem je bolj občuten pri aplikacijah, kjer potrebujemo večji tok.
  • Polnjenje pri visokih temperaturah skrajšuje življenjsko dobo celic (zmanjšanje kapacitete).
  • Standardna Litij-ion celica napolnjena pri 25 °C nepovratno izgubi cca. 20 % kapacitete na leto. Slaba postavitev(pregrevanje celic) lahko to pospeši: 6 % izguba pri 0 °C, 20 % pri 25 °C in 35 % pri 40 °C. Če celico shranjujemo napolnjeno na 40-60 %, je ta izguba bistveno zmanjšana (2/4/15 %), zato LiIon in LiPo celice vedno (na daljše časovno obdobje) shranjujmo napol polne (ne pa prazne, saj jih lahko to uniči!). Za razliko od LiIon in LiPo celic, življenjska doba LiFePO4 celic ni odvisna od stanja napolnjenosti.

2. Notranja upornost

  • Notranja upornost (povprečnih) Litij-Ion celic je višja napram (povprečnim) NiMH, NiCd, LiPoly in LiFePO4 celicam. Notranja upornost pa se z uporabo še povečuje, kar povzroči padanje napetosti akumulatorja pod večjo obremenitvijo. V praksi to pomeni zmanjšanje kapacitete oz. zgodnje prenehanje delovanja naprav, ki potrebujejo visoke tokovne špice.

3. Varnost

  • Če celico polnimo čez dovoljeno napetost, se celica lahko močno segreje oz. v skrajnih primerih celo eksplodira(nenormalno visok polnilni tok). Tudi globoko izpraznjenje (pod 3,0 V na celico) vodi do nepovratne poškodbe celic, ki lahko povzročijo tudi nepravilnosti pri ponovnem polnjenju. Zato so litij-ion celice običajno opremljene z zaščitno elektroniko, ki preprečuje delovanje celic, če napetost ni znotraj dovoljenega območja (3,0 – 4,2 V). Pri dolgotrajnem shranjevanju celice lahko (sicer minimalna) poraba zaščitne elektronike celico izprazne pod dovoljeno napetost in jo ne moremo več napolniti. Veliko celic tudi ne smemo polniti pri nizkih temperaturah(pod 0°C)
SPECIFIČNI NASVETI

Kot je bilo že opisano, se litij-ion celic ne sme shranjevati napolnjenih, sicer nepovratno izgubljajo kapaciteto, kar je lepo videti pri prenosnih računalnikih, ki stojijo stalno priklopljeni na napajanje in ki jim kot po pravilu celice odpovejo po nekaj letih kljub temu, da uporabniki zatrjujejo »saj akumulatorja skoraj nisem uporabljal/a. Žal sama elektronika v teh akumulatorjih ni naravnana »uporabniško« (možnost nastavitve računalnika na tip »namizni«, kjer bi bil akumulator napolnjen le do 50%), temveč komercialno (kupi nov akumulator, pa bo).

Druga zadeva, vredna omembe je shranjevanje litij-ionskih celic, kjer močno pomaga, da celico shranjujemo v hladnem(hladilnik). Vendar to velja zgolj za shranjevanje, ob uporabi naj bodo celice na sobni temperaturi, saj imajo mrzle višjo notranjo upornost in posledično slabšo tokovno zmogljivost.

BMS sistem je pri tem tipu celic nujen in precej akumulatorjev za mobilne napravice ima BMS že vgrajen v samo celico.Če pa izdelujemo »custom« paket, pa na uporabo BMSa nikakor ne smemo pozabiti, saj lahko nepravilno polnjenje privede do nesreče, pretirano izpraznjenje pa do poškodbe akumulatorskega paketa.

 

LI-POLYMER CELICE
SPLOŠNI OPIS

Ta tip celic izhaja iz tehnologije Litij-ion celic in je uporabljan v praksi nekje od leta 1996 naprej. Prednosti napram Litij-ion celicam so nižja cena izdelave, poljubna oblika celice in višja kapaciteta pri isti masi. Dodobra so se uveljavile v modelarskem svetu, saj ponujajo izvrstno razmerje moč-masa, pa tudi kapaciteta-masa, najdemo pa jih tudi v številnih napravah iz sveta zabavne elektronike.

Akumulator_clanek_14

 

 

 

 

 

Za razliko od litij-ion celic, ki imajo trdno kovinsko ogrodje, imajo litij-polimer celice ohišje iz posebne plastične folije, kar pomeni, da so precej bolj občutljive na mehanske poškodbe (udarci, predrtje …), kar moramo pri izbiri vzeti v zakup.Smo pa na ta način pridobili cca. 20-30 % kapacitete pri isti teži (pa tudi na tokovni zmogljivosti) in možnost vgradnje celice na manjši prostor. V vsakem primeru pa mora Litij-polymer paket biti zaščiten pred možnimi udarci z ustreznim ohišjem.

PREDNOSTI IN SLABOSTI

Prednosti:

  • Najboljše razmerje moč-masa, izjemno nizka notranja upornost
  • Najboljše razmerje kapaciteta-masa in kapaciteta-volumen
  • Možne poljubne oblike celic in s tem optimizacija dimenzij končnega izdelka
  • (napram litij-ion celicam) Lahko jih hranimo napolnjene na 100% brez zmanjšanja kapacitete

Slabosti:

  • Občutljivost na pretirano izpraznjenje – možno uničenje celic
  • Občutljivost na prenapolnjenje – možno uničenje celic, pa tudi ogenj, eksplozija …
  • Občutljivost na mehanske poškodbe (celica nima trdnega ogrodja)
  • V primeru vezave več celic zaporedno potreba po izenačevanju celic
  • Življenjska doba je omejena tako glede na število ciklov kot »koledarsko«
  • Občutljivost na nizke in visoke temperature
SPECIFIČNI NASVETI

Kot je opisano že v poglavju o življenjski dobi litijevih celic, lahko s pravilno nego litij-celic izredno veliko vplivamo na samo življenjsko dobo. Celice, ki bodo primerno vzdrževane, nam bodo primerno služile kar nekaj časa, po drugi strani pa lahko s samo enkratno nepazljivostjo celice brez pretiranega truda uničimo že s tem, da jih preveč izpraznimo. Zato je uporaba primernega BMS sistema zelo zaželena, če ne celo nujna.

Dostikrat se celica po dolgem času uporabe tudi brez pravega razloga »napihne« (kar se sicer rado zgodi, če celico preveč napolnimo, izpraznimo ali je podvržena močnemu mehanskemu udarcu), kar pomeni, da se ji življenje počasi izteka. Je pa res, da takšna »napihnjena« celica še ni uničena, saj ima še vedno lahko kar nekaj uporabne kapacitete, ne svetujem pa uporabe takšnih celic v »kritičnih« aplikacijah (npr. letalski ali heli model).

 

LIFEPO4 akumulator
SPLOŠNI OPIS

LiFePO4 akumulator je bil odkrit v sklopu raziskovalne skupine teksaške univerze leta 1996.Takratna celica je imela velik problem z visoko notranjo upornostjo, tako da so dejansko uspešne (in uporabne) celice luč sveta (tržno) ugledale šele v letu 2007 in se dan danes uporabljajo v kvalitetnejšem ročnem orodju (DeWalt, Black&Decker …) kot tudi v prototipih električnih vozil (GeneralMotors, Chervolet, Daimer itd.)

Akumulator_clanek_15

 

 

 

 

 

 

LiFePO4 akumulator ima sicer nižjo napetost in manjšo zmožnost shranjevanja energije na enoto mase in volumna napram litijpolimer celicam, vendar pa se ta razlika z razvojem celic in uporabo (življenjsko dobo) vztrajno manjša. Velja pa upoštevati, da so LiFePO4 celice bistveno manj občutljive na zlorabo, pa tudi tekom uporabe se zaradi padanja kapacitete litij-ion in litij-polimer celicam tehtnica vse bolj nagiba na stran LiFePO4.

PREDNOSTI IN SLABOSTI

Prednosti:
LiFePO4 akumulator deluje na podobni tehnologiji kot Litij-ion in Litij-polimer celice in si tako z njimi deli del prednosti in slabosti – ima pa tudi nekaj lastnosti, po katerih, z uporabniškega stališča, presega druge litijeve celice: odlična termična in kemična stabilnost, ki omogoča varno rokovanje ter tudi izredno dolgo življenjsko dobo, neodvisno od časa uporabe.

  • LiFePO4 celice omogočajo višje število ciklov in daljšo življenjsko dobo (do 10 let) napram litij-ion in litij-polimer celicam.
  • Uporaba fosfata zmanjša strošek izdelave ter poveča okoljsko varnost celice (v litij-ion in litij-polimer celicah se v manjših količinah uporablja tudi kobalt)
  • Celice omogočajo relativno visoke tokove (nizka notranja upornost)
  • Celice so relativno neobčutljive na “zlorabe” (pretirano polnjenje, praznjenje pod dovoljeno mejo)

Slabosti:

  • Razmerje shranjene energije v enoti volumna je nižje kot pri litij-ion in predvsem litij-polimer celicah.
  • Večina LiFePO4 celic je tokovno slabše zmogljiva kot primerljive druge celice. Ker pa se razvoj teh celic intenzivno nadaljuje, lahko tu pričakujemo še napredek – npr. A123 celice že omogočajo kratkotrajne praznilne tokove do 100C, kar je povsem primerljivo najboljšim litij-polimer celicam!
  • Nižja napetost na posamezno celico napram litij-ion in litij-polimer celicam.
SPECIFIČNI NASVETI

Tudi LiFePO4 celice v paketu, kjer je vezanih več celic zaporedno, čez čas nimajo več enake napetosti, kar uspešno rešujemo z balanserjem. Pri polnjenju moramo paziti, da ne presežemo najvišje dovoljene napetosti, čeprav posledice niso tako uničujoče kot npr. pri litij-polimerni celici, kjer lahko pride do požara. Celico pa s takšnim polnjenjem vse eno poškodujemo. Zato toplo priporočam uporabo BMS enote tudi pri tem tipu celic, čeprav je ponekod zaslediti, da BMS za LiFePO4 tehnologijo ni potreben. Res ni, v kolikor uporabljamo manjše pakete (2S, 3S) in v kolikor imamo »inteligentni polnilec«, ki med polnjenjem nadzira vsako posamezno celico in skrbi za balansiranje (tipična »modelarska« uporaba, ko želimo težo spraviti na minimum). Če pa »inteligentnega« polnilca z balanserjem nimamo, pa je BMS praktično nujen!

 

DRUGI TIPI LITIJEVIH CELIC

Obstajajo tudi druge variacije litijevih akumulatorjev kot npr Litij-manganov oksid (LiMn2O4) in Litij-nikelj oksid (LiNiO2),ki pa niso prav pogoste v široki potrošnji. Navadno se celico imenuje po tipu materiala, ki je uporabljen za katodo, anoda je navadno ogljikova, uporabljeni elektroliti pa zelo različni od proizvajalca do proizvajalca.

Na voljo je tudi kar nekaj bolj eksotičnih tipov celic, ampak trenutno lahko rečemo, da so še bolj v eksperimentalni fazi in niso uporabljane v trenutnih serijskih aplikacijah. Še največ upanja za uporabo v električnih vozilih je v t.i. “hitro polnilnih”celicah, ki jih lahko do kapacitete 80 in več procentov napolnimo v nekaj minutah (kot bi nalivali bencin).

PRIMERJALNA TABELA POSAMEZNIH SEKUNDARNIH CELIC

Za boljši pregled je navedena tabela z opisanimi tipi celic ter primerjalnimi vrednostmi. Vrednosti so informativne in vzete iz trenutno dostopnih virov, ker pa se celice razvijajo iz dneva v dan, se podatki seveda lahko spreminjajo!

tabela

 

 

 

 

1.Izkoristek cikla pomeni, koliko energije dobimo nazaj iz akumulatorja, ko ga napolnimo in nato praznimo s tokom 0,5 C.

2. Nekateri LSD NiMH proizvajalci obljubljajo življenjsko dobo tudi 1000+ ciklov

Akumulator_clanek_16

 

 

 

 

 

SLOVARČEK IZRAZOV

Praznilni tok »C«
Je definiran kot polnilni ali praznilni tok, enak kapaciteti merjene celice:
Tok »5C« za celico s kapaciteto 5000 mAh = 5*5000 mAh = 25 A (25.000 mAh).
Tok »5C« za celico s kapaciteto 1000 mAh = 5*1000 mAh = 5 A (5.000 mAh).


Specifična energija
je definirana kot energija, ki jo lahko zagotovi 1 kg izbranega tipa celic.


Specifična gostota energije
Je definirana kot energija, ki jo lahko zagotovi 1 kubični decimeter izbranega tipa celic.


Specifična moč
Je definirana kot največja moč, ki jo (kratkotrajno) lahko zagotovi 1 kg izbranega tipa celic.


Izkoristek enega cikla
Je izmerjena vrednost, ki jo dobimo iz enega celotnega cikla (polnjenje-praznjenje):
Ko prazno celico napolnimo s 5000 mAh in iz nje pri praznjenju s tokom 0,5 C lahko dobimo 4000 mAh, je izkoristek takšne celice 80%.


Življenjska doba celice
Življenjska doba celic se deli na število ciklov ter samo časovno življenjsko dobo (od takrat, ko celice začnemo uporabljati).

 

ZAKLJUČEK

Dandanes imamo na voljo razne tipe sekundarnih celic, vsak od njih pa ima svoje prednosti in slabosti.

Mogoče “na papirju” še najbolje izgleda LiFePO4 tehnologija, čeprav imajo te celice v realnem okolju še vedno precej”porodnih krčev” – sploh proizvajalci, ki so se izdelave teh celic lotili relativno pozno. Tako je na trgu kup “kvazi” LiFePO4celic s katastrofalno slabimi karakteristikami, da kratke življenjske dobe (navkljub sicer drugačnim obljubam in papirnim specifikacijam) niti ne omenjam. Po drugi strani pa obstaja tudi kar nekaj odličnih (a žal ne najcenejših) celic kot so npr. originalne (! – na ebayu je večina teh celic ponaredkov) A123 26650 celice ali pa Thundersky “blok” celice. Sam sem testiral 12 paketov za pogon e-koles, kupljenih preko ebay-a in žal moram reči, da niti eden od paketov ni od sebe dal tega, kar so obljubljale specifikacije, 2 pa sta imela eno uničeno celico že po mesecu dni uporabe.

Druga alternativa je uporaba kvalitetnih litij-polimer ali litij-ion celic, ki so nekoliko “starejša” in zato tudi bolj preizkušena tehnologija, ki pa ima žal slabo stran: relativno omejeno življenjsko dobo (ki pa jo lahko s skrbnim ravnanjem bistveno podaljšamo!) in tudi veliko občutljivost na preizpraznjenje in prenapolnjenje, ki lahko v skrajnih primerih vodi celo do samovžiga ali eksplozije celice (Youtube -> “lipo fire”). Uporaba kvalitetnega BMS-a je pri uporabi litij-ion in litijpolimer celic vsekakor obvezna!

Še enkrat bi na tem mestu želel opozoriti na kupovanje celic preko interneta (ebay in druge spletne trgovine), kjer so kupljene celice (LiPo, LiIon in LiFePO4) navadno zelo slabe kvalitete in nikakor ne ustrezajo “deklarirani” kapaciteti in tokovni zmogljivosti, pa tudi življenjska doba je vprašljiva (v kleti imam kar nekaj takšnih nedelujočih “večnih” LiFePO4 paketov). Še za najzanesljivejši se je izkazal nakup celic preko modelarskih trgovin (npr. hobbyking.com), do čim nakup raznih “setov” celic za predelavo koles ali skuterjev glede na lastne izkušnje odsvetujem. V startu je investicija tako nekoliko višja, a se kmalu povrne, saj kvalitetne celice delujejo boljše in precej dalj časa.

V nekaterih cenenih kitajskih električnih kolesih ali skirojih najdemo še tudi svinčeve celice, ampak – realno gledano – so za uporabnika te najslabša možna izbira. Poleg velike teže so tudi zelo ne vzdržljive in jih je potrebno ob redni uporabi menjavati vsaj 2-3x letno. Ko to vzamemo v zakup, naenkrat niso več tako poceni …