原理と定義

2020-08-11 08:07

バッテリーまたはストレージシステムの容量とエネルギー

バッテリーまたはアキュムレーターの容量は、特定の温度、充電および放電電流値、および充電または放電時間に従って保存されるエネルギー量です。

定格容量とCレート

Cレートは、バッテリーの充電電流と放電電流をスケーリングするために使用されます。特定の容量について、Cレートは、バッテリーが充電されている電流を示す指標です。 定義された容量に達するまで放電されます。 

1C（またはC / 1）の充電では、定格が1000 Ahのバッテリーが1時間で1000 Aになるため、1時間の終わりにバッテリーは1000 Ahの容量に達します。 1C（またはC / 1）の放電では、同じレートでバッテリーが消耗します。
0.5Cまたは（C / 2）の充電では、定格が500 Aで1000 Ahのバッテリーに負荷がかかるため、定格容量1000 Ahでバッテリーを充電するには2時間かかります。
2C充電は、たとえば2000 Aで定格1000 Ahのバッテリーをロードするため、定格容量1000 Ahでバッテリーを充電するには理論的に30分かかります。
Ah定格は通常、バッテリーにマークされています。
最後の例では、C10（またはC / 10）の定格容量が3000 Ahの鉛蓄電池は、現在の充電または放電が300 Aの場合、10時間で充電または放電する必要があります。

バッテリーのCレートまたはCレートを知ることが重要である理由

Cレートは、バッテリーの重要なデータです。これは、ほとんどのバッテリーで、保存または利用可能なエネルギーは、充電電流または放電電流の速度に依存するためです。一般に、特定の容量では、20時間で放電する場合よりも1時間で放電する場合の方がエネルギーが少なくなります。逆に、1時間で100 Aの電流を充電すると、現在の充電の場合よりもバッテリーに蓄えるエネルギーが少なくなります。 10時間で10A。

バッテリーシステムの出力で利用可能な電流を計算する式

バッテリーの出力電流、電力、エネルギーをCレートに従って計算する方法は？
最も単純な式は次のとおりです。

I = Cr * Er
または
Cr = I / Er
どこ
Er = Ahに保存されている定格エネルギー（メーカーが指定したバッテリーの定格容量）
I =充電または放電の電流（A）
Cr =バッテリーのCレート
電流および定格容量に応じて充電または充電または放電の時間「t」を取得するための式は次のとおりです。
t = Er / I
t =時間、充電または放電の時間（ランタイム）（時間単位）
Crとtの関係：
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

リチウムイオン電池のしくみ

リチウムイオン電池 最近、非常に人気があります。ラップトップ、PDA、携帯電話、iPodで見つけることができます。それらは非常に一般的です。なぜなら、ポンド単位で、それらは利用可能な最もエネルギーのある充電式バッテリーの一部だからです。

リチウムイオン電池も最近ニュースになっています。これは、これらのバッテリーが時々炎上する能力を持っているためです。それはあまり一般的ではありません— 100万あたり2つまたは3つのバッテリーパックに問題があります—しかし、それが起こるとき、それは極端です。状況によっては、故障率が上昇する可能性があり、それが発生すると、製造業者に数百万ドルの費用がかかる可能性のある世界規模のバッテリー回収が発生します。

だから問題は、これらのバッテリーが何故そんなに元気で人気があるのかということです。彼らはどのようにして炎上しますか？また、問題を回避したり、バッテリーを長持ちさせるためにできることはありますか？この記事では、これらの質問などに答えます。

リチウムイオン電池は、競合する技術に比べていくつかの重要な利点があるため、人気があります。

• 一般的に、同じサイズの他のタイプの充電式バッテリーよりもはるかに軽量です。リチウムイオン電池の電極は、軽量のリチウムとカーボンでできています。リチウムは反応性の高い元素でもあります。つまり、その原子結合には多くのエネルギーが蓄えられます。これは、リチウムイオンバッテリーのエネルギー密度が非常に高くなることを意味します。これは、エネルギー密度の見通しを得る方法です。一般的なリチウムイオンバッテリーは、1キログラムのバッテリーに150ワット時の電力を蓄えることができます。 NiMH（ニッケル水素）バッテリーパックは、キログラムあたり100ワット時を保存できますが、60〜70ワット時がより一般的かもしれません。鉛蓄電池は、1キログラムあたり25ワット時しか保管できません。鉛酸技術を使用すると、1キログラムのリチウムイオンバッテリーが処理できるのと同じ量のエネルギーを貯蔵するのに6キログラムかかります。それは大きな違いです
• 彼らは彼らの責任を保持します。リチウムイオンバッテリーパックの損失は、1か月あたり約5％ですが、NiMHバッテリーの1か月あたりの損失は20％です。
• これらはメモリ効果がありません。つまり、他のバッテリの化学薬品のように、再充電する前に完全に放電する必要はありません。
• リチウムイオン電池は、何百回もの充電/放電サイクルを処理できます。

だからといって、リチウムイオン電池が完璧だというわけではありません。それらにはいくつかの欠点もあります：

• 彼らは工場を去るとすぐに分解を開始します。使用の有無にかかわらず、製造日から2〜3年しか使用できません。
• それらは高温に非常に敏感です。熱により、リチウムイオンバッテリーパックは通常よりも速く劣化します。
• リチウムイオン電池を完全に放電すると、電池が破壊されます。
• リチウムイオンバッテリーパックには、バッテリーを管理するためのオンボードコンピューターが必要です。これにより、現在の価格よりもさらに高価になります。
• リチウムイオンバッテリーパックが故障した場合、爆発する可能性はわずかです。

これらの特性の多くは、リチウムイオンセル内の化学的性質を見ると理解できます。これを次に見ていきます。

リチウムイオンバッテリーパックにはさまざまな形状とサイズがありますが、内部はすべて同じように見えます。ラップトップのバッテリーパックを分解する場合（バッテリーがショートして火災が発生する可能性があるため、お勧めしません）は、次のようになります。

• リチウムイオンセルは、AAセルとほぼ同じように見える円筒形バッテリー、または角形、つまり正方形または長方形のいずれかです。
• バッテリー温度を監視する1つ以上の温度センサー
• 安全なレベルの電圧と電流を維持するための電圧コンバーターとレギュレーター回路
• 電源と情報をバッテリパックに出し入れできるシールド付きノートブックコネクタ
• バッテリーパック内の個々のセルのエネルギー容量を監視する電圧タップ
• バッテリー充電状態モニター。小さなコンピューターであり、充電プロセス全体を処理して、バッテリーが可能な限り迅速かつ完全に充電されるようにします。

充電中または使用中にバッテリーパックが熱くなりすぎると、コンピューターは電力の流れを遮断し、冷却を試みます。非常に高温の車にラップトップを置いたまま、そのラップトップを使用しようとすると、このコンピュータが原因で、物事が冷めるまで電源が入りません。セルが完全に放電されると、セルが破壊されるため、バッテリーパックがシャットダウンします。また、充電/放電サイクルの数を追跡し、情報を送信して、ラップトップのバッテリーメーターがバッテリーに残っている充電量を通知できるようにします。

それはかなり洗練された小さなコンピューターであり、バッテリーから電力を引き出します。この電力消費は、リチウムイオンバッテリーがアイドル状態のときに毎月電力の5％を失う理由の1つです。

リチウムイオン電池

ほとんどの電池と同様に、金属製の外側ケースがあります。バッテリーは加圧されているため、ここでは金属の使用が特に重要です。この金属ケースには、ある種の圧力に敏感な通気孔があります。バッテリーが熱くなりすぎて、過圧から爆発する危険がある場合、この通気孔は余分な圧力を解放します。後でバッテリーがおそらく役に立たなくなるので、これは避けるべきものです。通気口は安全対策として厳密にあります。バッテリーの過熱を防ぐためのデバイスである正の温度係数（PTC）スイッチも同様です。

この金属ケースは、3つの薄いシートが互いに押し付けられた長いスパイラルを保持しています。

• 正極
• 負極
• セパレーター

ケース内部では、これらのシートは、電解質として機能する有機溶媒に浸されています。エーテルは一般的な溶剤の1つです。

セパレーターは、微小な穴があいたプラスチックの非常に薄いシートです。名前が示すように、イオンを通過させながら、正電極と負電極を分離します。

正極は、コバルト酸リチウムまたはLiCoO2でできています。負極はカーボン製です。バッテリーが充電されると、リチウムのイオンが電解質を通って正極から負極に移動し、炭素に付着します。放電中、リチウムイオンは炭素からLiCoO2に戻ります。

これらのリチウムイオンの移動はかなり高い電圧で発生するため、各セルは3.7ボルトを生成します。これは、スーパーマーケットで購入する通常の単3アルカリ電池の典型的な1.5ボルトよりもはるかに高く、携帯電話などの小型デバイスでリチウムイオンバッテリーをよりコンパクトにするのに役立ちます。さまざまな電池の化学的性質の詳細については、電池の仕組みを参照してください。

リチウムイオンバッテリーの寿命を延ばす方法を調べ、リチウムイオンバッテリーが次に爆発する理由を探ります。

リチウムイオン電池の寿命と死

リチウムイオンバッテリーパックは高価なので、長持ちさせるには、次の点に注意してください。

• リチウムイオン化学は、部分放電よりも部分放電を優先するため、バッテリーを完全にゼロにしないことをお勧めします。リチウムイオン化学には「メモリ」がないため、部分放電によってバッテリパックを損傷することはありません。リチウムイオンセルの電圧が特定のレベルを下回ると、それは破壊されます。
• リチウムイオン電池は古くなります。使用されていない棚に座っていても、2〜3年しか持続しません。そのため、バッテリーパックは5年間持続すると考えて、バッテリーの使用を避けないでください。それはしません。また、新しいバッテリーパックを購入する場合は、それが本当に新しいことを確認する必要があります。店の棚に1年間座っていると、長持ちしません。製造日は重要です。
• バッテリーを劣化させる熱を避けてください。

爆発するバッテリー

リチウムイオンバッテリーの寿命を延ばす方法がわかったところで、爆発する理由を見てみましょう。

バッテリーが電解液に点火するのに十分に熱くなると、火災が発生します。これらの火災がどれほど深刻かを示すビデオクリップとWeb上の写真があります。 CBCの記事「Summer of the Exploding Laptop」では、これらの事件のいくつかをまとめています。

このような火災が発生した場合、通常はバッテリーの内部短絡が原因です。前のセクションから、リチウムイオンセルには、正極と負極を離して保つセパレータシートが含まれていることを思い出してください。そのシートに穴が開いて電極が接触すると、バッテリーは非常に急速に熱くなります。ポケットに通常の9ボルトのバッテリーを入れたことがあれば、バッテリーが生成する可能性のある熱を経験した可能性があります。コインが2つの端子間でショートすると、バッテリーが非常に熱くなります。

セパレーターの故障では、同じ種類の短絡がリチウムイオンバッテリーの内部で発生します。リチウムイオンバッテリーは非常にエネルギーが高いため、非常に熱くなります。熱により、バッテリーは電解質として使用されている有機溶媒を排出し、熱（または近くの火花）がそれを点灯させます。それがセルの1つで発生すると、火の熱が他のセルに流れ込み、パック全体が炎上します。

火災は非常にまれであることに注意することが重要です。それでも、ほんの数回の火と少しのメディアしかかかりません リコールを促すための報道。

さまざまなリチウム技術

まず、「リチウムイオン」バッテリーには多くの種類があることに注意することが重要です。この定義で注意すべき点は、「バッテリーのファミリー」を指します。
このファミリーには、カソードとアノードに異なる材料を使用する「リチウムイオン」バッテリーがいくつかあります。その結果、それらは非常に異なる特性を示すため、さまざまなアプリケーションに適しています。

リン酸鉄リチウム（LiFePO4）

リン酸鉄リチウム（LiFePO4）は、その幅広い用途と幅広い用途への適合性により、オーストラリアでよく知られているリチウム技術です。
低価格、高い安全性、優れた比エネルギーの特性により、これは多くのアプリケーションにとって強力なオプションになります。
3.2V /セルのLiFePO4セル電圧により、多くの主要なアプリケーションで密閉型鉛酸の交換に最適なリチウムテクノロジーになります。

LiPOバッテリー

利用可能なすべてのリチウムオプションのうち、LiFePO4がSLAの代替として理想的なリチウムテクノロジーとして選択された理由はいくつかあります。主な理由は、SLAが現在存在する主なアプリケーションを見たときに、その好ましい特性に帰着します。これらには以下が含まれます：

• SLAと同様の電圧（セルあたり3.2V x 4 = 12.8V）で、SLAの交換に最適です。
• リチウム技術の最も安全な形態。
• 環境にやさしい–リン酸は有害ではないので、環境にやさしく、健康へのリスクもありません。
• 広い温度範囲。

の機能と利点 LiFePO4 SLAと比較した場合

以下は、さまざまなアプリケーションでSLAの重要な利点を提供するリン酸鉄リチウム電池のいくつかの主要な機能です。これは決して完全なリストではありませんが、主要な項目を網羅しています。 100AH AGMバッテリーは、ディープサイクルアプリケーションで最も一般的に使用されるサイズの1つであるため、SLAとして選択されています。この100AH AGMは、100AH LiFePO4と比較して、類似物を可能な限り近くで比較しています。

機能–重量：

比較

• LifePO4はSLAの半分以下の重量です
• AGMディープサイクル– 27.5Kg
• LiFePO4 – 12.2Kg

利点

• 燃料効率を向上
  • キャラバンやボートの用途では、牽引重量が軽減されます。
• スピードを上げる
  • ボートのアプリケーションでは、水の速度を上げることができます
• 総重量の削減
• より長いランタイム

重量は多くの用途、特に牽引または速度が関与する場所（キャラバンやボートなど）に大きな影響を与えます。バッテリーを持ち運ぶ必要がある携帯用照明やカメラのアプリケーションを含む他のアプリケーション。

機能–優れたサイクル寿命：

比較

• サイクル寿命の最大6倍
• AGMディープサイクル– 300サイクル@ 100％DoD
• LiFePO4 – 2000サイクル@ 100％DoD

利点

• 総所有コストの削減（LiFePO4のバッテリーの寿命全体でkWhあたりのコストがはるかに低い）
• 交換コストの削減– LiFePO4の交換が必要になる前に、AGMを最大6回交換します

サイクル寿命が長いということは、LiFePO4バッテリーの追加の先行投資コストが、バッテリーの寿命を超えて使用された場合の埋め合わせよりも多いことを意味します。毎日使用する場合、AGMは約1日で交換する必要があります。 LiFePO4の交換が必要になる前に6回

機能–フラット放電曲線：

比較

• 0.2C（20A）放電時
• AGM –後12V未満に低下
• 1.5時間のランタイム
• LiFePO4 –約4時間の実行後に12V未満に低下

利点

• バッテリー容量のより効率的な使用
• 電力=ボルトxアンペア
• 電圧が低下し始めると、同じ量の電力を供給するために、バッテリーはより高いアンペアを供給する必要があります。
• 電圧が高いほど電子機器に適しています
• 機器のランタイムが長い
• 高い放電率でも容量をフルに活用
• AGM @ 1C放電= 50％容量
• LiFePO4 @ 1C放電= 100％容量

この機能はあまり知られていませんが、強力な利点であり、複数の利点があります。 LiFePO4のフラットな放電曲線により、端子電圧は12V以上に保持され、最大85〜90％の容量使用が可能です。このため、同じ量の電力（P = VxA）を供給するために必要なアンプの数が少なくなるため、容量をより効率的に使用すると、実行時間が長くなります。また、ユーザーは、デバイス（ゴルフカートなど）の速度低下に気づくこともありません。

これに加えて、プーケルトの法則の影響は、リチウムではAGMの影響よりもはるかに重要ではありません。これにより、放電率に関係なく、バッテリーの容量の大部分を利用できるようになります。 1C（または100AHバッテリーの場合は100A放電）では、LiFePO4オプションは100AHを提供しますが、AGMの場合は50AHのみを提供します。

機能–容量の使用の増加：

比較

• AGM推奨DoD = 50％
• LiFePO4推奨DoD = 80％
• AGMディープサイクル– 100AH x 50％= 50Ah使用可能
• LiFePO4 – 100Ah x 80％= 80Ah
• 差= 30Ahまたは60％多い容量使用

利点

• ランタイムの増加または交換用の小容量バッテリー

利用可能な容量の使用の増加は、ユーザーがLiFePO4の同じ容量オプションから最大60％多くのランタイムを取得できるか、またはより小さな容量のLiFePO4バッテリーを選択しながら、より大きな容量のAGMと同じランタイムを達成できることを意味します。

機能–優れた充電効率：

比較

• AGM –フル充電には約かかります。 8時間
• LiFePO4 –フル充電は2時間まで可能

利点

• バッテリーは充電されており、すぐに使用できる状態になっています

多くのアプリケーションでのもう1つの強力な利点。他の要因の中でも特に内部抵抗が低いため、LiFePO4はAGMよりもはるかに高速で電荷を受け入れることができます。これにより、充電してすぐに使用できるようになり、多くのメリットが得られます。

機能–低い自己放電率：

比較

• AGM – 4か月後に80％SOCまで放電
• LiFePO4 – 8か月後に80％まで放電

利点

• 長期間保管できる

この機能は、キャラバン、ボート、オートバイ、ジェットスキーなど、1年のうちの数か月間しか使用できないレクリエーション車両にとって大きな機能です。この点に加えて、LiFePO4石灰化しないため、長期間放置しても、バッテリーが永久的に損傷する可能性は低くなります。 LiFePO4バッテリーは、完全に充電された状態で保管されていなくても害はありません。

したがって、アプリケーションが上記の機能のいずれかを保証している場合は、LiFePO4バッテリーに費やされた追加分に相当する金額を確実に得ることができます。今後数週間でフォローアップ記事が続き、LiFePO4とさまざまなリチウム化学の安全面が含まれます。