原理和定义

2020-08-11 08:07

电池或存储系统的容量和能量

电池或蓄电池的容量是根据特定温度，充电和放电电流值以及充电或放电时间存储的能量量。

额定容量和C率

C速率用于缩放电池的充电和放电电流。对于给定的容量，C速率是一种度量，用于指示电池以什么电流充电以及 放电以达到其定义的容量。 

1C（或C / 1）充电会在一个小时内以1000 A的电流加载额定为1000 Ah的电池，因此一小时结束时，电池的容量将达到1000 Ah。 1C（或C / 1）放电会以相同的速率消耗电池电量。
0.5C或（C / 2）充电会在500 A时给额定为1000 Ah的电池充电，因此以1000 Ah的额定容量充电需要两个小时。
2C充电可为2000 A的电池充电，额定电流为1000 Ah，因此理论上以1000 Ah的额定容量充电需要30分钟。
通常在电池上标有Ah额定值。
最后一个示例是，额定容量为C10（或C / 10）为3000 Ah的铅酸电池应在10小时内充电或放电，而电流为300A。

为什么知道电池的C速率或C速率很重要

C速率是电池的重要数据，因为对于大多数电池而言，存储或可用的能量取决于充电或放电电流的速度。通常，对于给定的容量，如果在1小时内放电，则比20小时内放电的能量要少；反之，在1小时内充电100 A电流的电池中，所存储的能量要比充电1小时的能量少。 10小时内10A。

计算电池系统输出中可用电流的公式

如何根据C率计算电池的输出电流，功率和能量？
最简单的公式是：

I =铬* Er
要么
铬= I / Er
哪里
Er =储存在Ah中的额定能量（制造商给定的电池额定容量）
I =充电或放电电流，单位为安培（A）
Cr =电池的C率
根据电流和额定容量获得充电或充电或放电时间“ t”的公式为：
t = Er / I
t =时间，充电或放电持续时间（运行时间），以小时为单位
Cr与t的关系：
铬= 1 / t
t = 1 /铬

锂离子电池如何工作

锂离子电池 这些天非常受欢迎。您可以在笔记本电脑，PDA，手机和iPod中找到它们。它们之所以如此普遍，是因为它们是一磅一磅的电池，是目前市场上最具活力的可充电电池。

锂离子电池最近也有新闻报道。这是因为这些电池偶尔会起火。这种情况不是很常见-每百万只使用两到三个电池组就会出现问题-但是一旦发生，这是极端的情况。在某些情况下，故障率可能会上升，而一旦发生这种情况，您最终将在全球范围内召回电池，这可能使制造商损失数百万美元。

所以问题是，是什么让这些电池如此充满活力，如此受欢迎？他们如何爆炸？您是否可以采取任何措施来防止该问题或使电池使用时间更长？在本文中，我们将回答这些问题以及更多问题。

锂离子电池之所以受欢迎，是因为它们比竞争技术具有许多重要优势：

• 它们通常比相同尺寸的其他类型的充电电池轻得多。锂离子电池的电极由轻量的锂和碳制成。锂也是一种高反应性元素，这意味着大量能量可以存储在其原子键中。对于锂离子电池，这转化为非常高的能量密度。这是一种透视能量密度的方法。典型的锂离子电池在1千克电池中可以存储150瓦时的电量。 NiMH（镍氢金属）电池组每公斤可以存储100瓦时，尽管60到70瓦时更为典型。铅酸电池每公斤只能存储25瓦时。使用铅酸技术，需要花费6公斤才能存储1公斤锂离子电池可以处理的能量。那是很大的不同
• 他们负责。锂离子电池组每月只损失约5％的电量，而镍氢电池每月损失20％。
• 它们没有记忆效应，这意味着您无需像其他电池化学物质一样在充电之前将它们完全放电。
• 锂离子电池可以处理数百次充电/放电循环。

但这并不是说锂离子电池是完美的。它们也有一些缺点：

• 他们一离开工厂就开始降解。无论您是否使用它们，它们都将从制造日期算起仅持续两三年。
• 它们对高温极其敏感。热量会使锂离子电池组的降解速度比正常情况快得多。
• 如果将锂离子电池完全放电，则会损坏。
• 锂离子电池组必须具有车载计算机才能管理电池。这使它们比以前更加昂贵。
• 如果锂离子电池组发生故障，极有可能会爆炸。

通过查看锂离子电池内部的化学性质，可以了解许多这些特性。接下来我们来看。

锂离子电池组有各种形状和尺寸，但内部看起来都差不多。如果要拆开笔记本电脑的电池组（由于电池短路和起火的可能性，我们不建议您这样做），您会发现以下情况：

• 锂离子电池可以是外观几乎与AA电池相同的圆柱形电池，也可以是棱柱形的，这意味着它们是方形或矩形的。该计算机包括：
• 一个或多个温度传感器来监控电池温度
• 电压转换器和调节器电路，可保持电压和电流的安全水平
• 屏蔽式笔记本电脑连接器，可让电源和信息流入和流出电池组
• 电压抽头，用于监视电池组中单个电池的电量
• 电池充电状态监视器，这是一台小型计算机，可以处理整个充电过程，以确保电池尽快快速充满电。

如果电池组在充电或使用过程中温度过高，计算机将关闭电源以尝试冷却电池。如果您将笔记本电脑放在非常热的汽车中并尝试使用笔记本电脑，则此笔记本计算机可能会在您冷却之前一直无法开机。如果电池完全放电，电池将因为电池损坏而关闭。它还可以跟踪充电/放电循环的次数并发送信息，以便笔记本电脑的电池电量表可以告诉您电池中还剩多少电量。

这是一台非常复杂的小型计算机，它从电池中汲取能量。这种功耗是锂离子电池闲置时每月损失5％电量的原因之一。

锂离子电池

与大多数电池一样，您的外壳由金属制成。在这里，金属的使用特别重要，因为电池是加压的。该金属外壳具有某种压敏通风孔。如果电池过热，有可能因超压而爆炸，则此通风孔将释放额外的压力。此后电池可能会没用了，因此应避免这种情况。通风孔严格位于安全位置。正温度系数（PTC）开关也是如此，该器件应能够防止电池过热。

该金属外壳保持一个长螺旋状，包括三个压在一起的薄片：

• 正极
• 负极
• 分隔符

在表壳内部，这些薄板浸没在用作电解质的有机溶剂中。醚是一种常见的溶剂。

分离器是非常薄的微孔塑料薄片。顾名思义，它将正极和负极分开，同时允许离子通过。

正极由钴酸锂或LiCoO2制成。负极由碳制成。当电池充电时，锂离子通过电解质从正电极移动到负电极并附着在碳上。在放电过程中，锂离子从碳移回到LiCoO2。

这些锂离子的移动发生在相当高的电压下，因此每个电池产生3.7伏特。这比您在超市购买的普通AA碱性电池的1.5伏特高得多，这有助于使锂离子电池在诸如手机之类的小型设备中变得更紧凑。有关不同电池化学成分的详细信息，请参见电池的工作原理。

我们将研究如何延长锂离子电池的寿命，并探讨为什么它们接下来会爆炸。

锂离子电池的生与死

锂离子电池组价格昂贵，因此，如果要延长使用寿命，请牢记以下几点：

• 锂离子化学方法更喜欢局部放电而不是深度放电，因此最好避免将电池完全降低到零。由于锂离子化学物质没有“记忆”，因此不会因部分放电而损坏电池组。如果锂离子电池的电压降到一定水平以下，就会被破坏。
• 锂离子电池老化。即使它们闲置在架子上，它们也只能使用两到三年。因此，不要以为电池组可以使用五年来“避免使用”电池。不会的另外，如果您要购买新的电池组，则要确保它确实是新的。如果它已经在商店的货架上坐了一年，它不会持续很长时间。制造日期很重要。
• 避免加热，否则会使电池退化。

爆炸电池

现在我们知道了如何使锂离子电池工作更长的时间，让我们看看它们为什么会爆炸。

如果电池变热足以点燃电解液，则将着火。网络上有视频片段和照片，显示了这些火灾的严重程度。 CBC的文章“爆炸性笔记本电脑的夏天”总结了其中几起事件。

当发生此类火灾时，通常是由于电池内部短路引起的。回顾上一节，锂离子电池包含一个分隔板，可将正极和负极分隔开。如果该板被刺穿并且电极接触，则电池会很快加热。如果您将普通的9伏电池放在口袋里，您可能已经经历过电池会产生的热量。如果硬币在两个端子之间短路，则电池会变得很热。

如果隔板发生故障，锂离子电池内部也会发生同样的短路现象。由于锂离子电池能量很高，因此它们会变得很热。热量会使电池排出用作电解质的有机溶剂，而热量（或附近的火花）会点燃它。一旦其中一个电池内部发生火灾，火的热量就会散布到其他电池上，整个烟囱会燃烧起来。

重要的是要注意，火灾非常罕见。不过，只需要几口大火和一点媒体 覆盖范围以提醒召回。

不同的锂技术

首先，重要的是要注意，有许多类型的“锂离子”电池。在此定义中要注意的一点是“电池组”。
该系列中有几种不同的“锂离子”电池，其正极和负极采用不同的材料。结果，它们表现出非常不同的特性，因此适用于不同的应用。

磷酸铁锂（LiFePO4）

磷酸铁锂（LiFePO4）是澳大利亚著名的锂技术，因其用途广泛且适用于广泛的应用。
价格低，安全性高和比能量高的特性使其成为许多应用的强大选择。
LiFePO4电池的电压为3.2V /电池，也使其成为许多关键应用中替代密封铅酸的首选锂技术。

锂电池

在所有可用的锂选项中，为什么选择LiFePO4作为替代SLA的理想锂技术有多个原因。在查看SLA当前存在的主要应用程序时，主要原因归结于其良好的特性。这些包括：

• 与SLA相似的电压（每个电池3.2V x 4 = 12.8V）使其非常适合SLA更换。
• 最安全的锂技术形式。
• 环保–磷酸盐无害，因此对环境友好，对健康无害。
• 温度范围广。

的功能和优点 磷酸铁锂 与SLA相比

以下是磷酸铁锂电池的一些关键功能，这些电池在许多应用中都提供了SLA的一些重要优势。这绝对不是一个完整的列表，但是确实涵盖了关键项目。已选择100AH AGM电池作为SLA，因为它是深循环应用中最常用的电池之一。将此100AH AGM与100AH LiFePO4进行了比较，以便尽可能地比较相似。

功能–重量：

比较方式

• LifePO4不到SLA重量的一半
• AGM深循环– 27.5Kg
• LiFePO4 – 12.2Kg

好处

• 提高燃油效率
  • 在大篷车和船上的应用中，牵引重量得以减轻。
• 提高速度
  • 在船上应用中，可以提高水速
• 减轻整体重量
• 运行时间更长

重量在许多应用中都有很大的影响，特别是在涉及牵引或速度的地方，例如大篷车和划船。其他应用包括需要携带电池的便携式照明和相机应用。

功能–更长的循环寿命：

比较方式

• 循环寿命长达6倍
• AGM深循环– 300次循环@ 100％DoD
• LiFePO4 – 2000次循环@ 100％DoD

好处

• 更低的总拥有成本（LiFePO4的电池使用寿命内每千瓦时的成本要低得多）
• 降低更换成本–在需要更换LiFePO4之前最多更换6次AGM

更长的循环寿命意味着LiFePO4电池的额外前期成本远远超过了电池的整个使用寿命。如果每天使用，则大约需要更换一次AGM。 LiFePO4需要更换之前的6次

功能–平坦的放电曲线：

比较方式

• 在0.2C（20A）放电
• AGM –下降至12V以下
• 1.5小时的运行时间
• LiFePO4 –运行约4小时后降至12V以下

好处

• 更有效地利用电池容量
• 功率=伏特x安培
• 一旦电压开始下降，电池将需要提供更高的安培来提供相同的电量。
• 较高的电压对电子产品更好
• 设备运行时间更长
• 即使在高放电率下也能充分利用容量
• AGM @ 1C放电= 50％容量
• LiFePO4 @ 1C放电= 100％容量

此功能鲜为人知，但具有很强的优势，并且具有多项优势。由于LiFePO4的放电曲线平坦，因此端子电压可保持12V以上，从而可达到85-90％的容量使用率。因此，需要更少的安培来提供相同的功率（P = VxA），因此，更有效地利用容量会导致更长的运行时间。用户也不会更早注意到设备的速度下降。

与此同时，锂的Peukert定律的影响远不如AGM大。不管放电率如何，这都会导致电池容量的很大一部分可用。在1C（或100AH电池100A放电）下，LiFePO4选件仍将为您提供100AH，而AGM仅提供50AH。

功能–容量使用增加：

比较方式

• AGM建议国防部= 50％
• LiFePO4推荐DoD = 80％
• AGM深循环– 100AH x 50％= 50Ah可用
• LiFePO4 – 100Ah x 80％= 80Ah
• 差异= 30Ah或容量使用增加60％

好处

• 延长了运行时间或更换了较小容量的电池

可用容量的增加使用意味着用户可以从LiFePO4的相同容量选项中获得最多60％的运行时间，或者选择较小容量的LiFePO4电池，同时仍能实现与较大容量的AGM相同的运行时间。

功能–更高的充电效率：

比较方式

• 年度股东大会–充满电大约需要8小时
• LiFePO4 –充满电可低至2小时

好处

• 电池已充电，可以更快地再次使用

在许多应用中的另一个强大优势。由于内部电阻较低等因素，LiFePO4可以比AGM接受更高的电荷率。这使它们可以充电并可以更快地使用，从而带来很多好处。

特点–低自放电率：

比较方式

• AGM – 4个月后放电至80％SOC
• LiFePO4 – 8个月后放电至80％

好处

• 可以保存更长的时间

此功能是休闲车的重要功能，一年仅可使用几个月，然后在一年中剩下的时间（例如大篷车，轮船，摩托车和摩托艇等）入库。与此同时，LiFePO4不会钙化，因此即使长时间放置，电池也不太可能永久损坏。 LiFePO4电池不会因未充满电而受到伤害。

因此，如果您的应用程序保证具有上述任何功能，那么您肯定会物有所值，以额外购买LiFePO4电池。后续文章将在接下来的几周内发布，其中将包括有关LiFePO4和不同锂化学物质的安全性方面。