SONIC
مدیر بخش برق و الکترونیک (SONIC)
پرسنل مدیریت
مدیر انجمن
استاد و مشاور الکترونیک
عضو افتخاری گروه الکترونیک


- Oct 14, 2021
- 1,937
- 4,537
باتری های قابل شارژ و مبتنی بر لیتیوم در 20 سال گذشته تقریباً به طور کامل وسایل الکترونیکی قابل حمل مدرن را تغییر داده اند. باتری های نیکل-کادمیم (NiCd) و نیکل-فلز هیدرید (NiMH) تقریباً به طور کامل از بین رفته اند. به لطف Li-Ion، ما تلفن های هوشمند، ساعت های هوشمند و هدفون های بی سیم مینیاتوری و همچنین وسایل نقلیه الکتریکی کاربردی داریم. اما برای بسیاری از مبتدیان، این منابع انرژی یک رمز و راز است که این مجموعه اطلاعات کاربردی سعی در رفع آن دارد.
باتری های لیتیوم یون
این قدیمی ترین و محبوب ترین نوع سلول است (همچنین اغلب گفته می شود: قوطی، سلول). بسته به نوع، ولتاژ اسمی 3.6 ولت یا 3.7 ولت ارائه می شود. حداکثر ولتاژ برای سلول های مدرن 4.2 ولت است، اما اولی به 4.1 ولت محدود می شود. آنها بیشتر در باتری های لپ تاپ و سایر دستگاه های قابل حمل یافت می شوند. ، ابزارهای برقی و وسایل نقلیه الکتریکی. آنها در همه اشکال و اندازه ها هستند، اما اغلب استانداردهای مختلفی دارند. عمدتاً به صورت سلولهای استوانهای شکل با جعبههای فلزی یا به شکل سلولهای تخت که در بستهبندیهای پلاستیکی یا فلزی سخت مونتاژ میشوند.
باتریهای لیتیوم یونی حداقل 300-500 چرخه شارژ دارند، اما مقدار معمولی آن 1000 چرخه است. سلول های استوانه ای اندازه آنها استاندارد است و با کدهای پنج رقمی مشخص شده است. دو رقم اول قطر بر حسب میلی متر و سه رقم بعدی طول هستند. از این قاعده استثناء المان هایی هستند که با شماره های 07540 و 08570 مشخص شده اند که ابعاد آنها با قطر 7.5 میلی متر و طول 40 میلی متر و قطر 8.5 میلی متر و طول 70 میلی متر مطابقت دارد.
رایج ترین اندازه سلول 18650 است، یعنی 18 در 65 میلی متر.
آنها ظرفیت های حداکثر 3500 میلی آمپر ساعت را ارائه می دهند، اگرچه 1200 میلی آمپر تا 2400 میلی آمپر ساعت معمولاً یافت می شوند. باتری های ارزان قیمت چینی گاهی اوقات ظرفیت اعلام شده 2000-3000 میلی آمپر ساعت دارند، اما در عمل فقط 500-600 میلی آمپر ساعت هستند. تقریبا تمام باتری های لپ تاپ از سازندگان معروف هستند، بنابراین این باتری استفاده شده حتی بهتر از Noname جدید خواهد بود.
سایزهای محبوب بعدی 21700 و 26650 هستند. 21700 باتری عمدتاً توسط تسلا تولید می شوند و ظرفیت 3000-5000 میلی آمپر ساعت دارند. از طرفی سلول های 26650 دارای ظرفیت 2400-5750 میلی آمپر ساعت هستند و در مواقعی که نیاز به برق بیشتر باشد مورد استفاده قرار می گیرند.
استفاده از سلول های لیتیوم یونی حداکثر ولتاژ یک سلول لیتیوم یونی 4.2 ولت و حداقل آن 3 ولت است. سلول را می توان تا 2.5 ولت تخلیه کرد، اما این باعث کاهش عمر آن می شود. قوطی که کمتر از 2.5 ولت تخلیه شده است، تخریب می شود و نباید از آن استفاده کرد، اگرچه هنوز هم می توان آن را نجات داد. سلول های استفاده نشده 3-5 درصد ظرفیت خود را در سال از دست می دهند. این فرآیند را می توان با نگهداری آنها در یخچال، در یک ظرف دربسته و همراه با یک ماده خشک کن کاهش داد. باتری های لیتیوم یون گرمای بیش از حد را به خوبی تحمل نمی کنند - این باعث کاهش ظرفیت و عمر مفید آنها می شود و مقاومت داخلی را افزایش می دهد. به همین دلیل بار اضافی را به خوبی تحمل نمی کنند.
جریان شارژ و دشارژ به عنوان ضریب ظرفیت سلول بیان می شود. جریان 1C برای یک عنصر با ظرفیت 1000 میلی آمپر 1000 میلی آمپر است، یعنی 1 آمپر. این بدان معناست که جریان 0.5 درجه سانتی گراد برای یک عنصر 2000 میلی آمپر ساعتی نیز 1000 میلی آمپر یا 1 آمپر خواهد بود. برای عناصر استوانه ای، حداکثر دبی جریان نباید از 1.5C تجاوز کند. سلول های تخت گاهی اوقات می توانند جریان 2C را تحمل کنند (به قیمت کاهش عمر). البته می توانید المان های با جریان بالا را نیز پیدا کنید، اما در مورد آنها به دلیل دمای کار بالا، عمر مفید بسیار محدود است. اتصال کوتاه عناصر به شدت ممنوع است، زیرا ممکن است منجر به آتش سوزی یا انفجار شود!
برای شارژ سلول ها به یک شارژر مخصوص یا منبع تغذیه آزمایشگاهی مناسب نیاز است. فرآیند شارژ از یک منبع جریان با حداکثر ولتاژ 4.2 ولت و جریانی که بسته به ظرفیت سلول قابل تنظیم است استفاده می کند. یک عنصر با ولتاژ 2.5 - 3 ولت با جریان 0.05 - 0.1C، از ولتاژ 3 ولت تا 4.2 ولت با جریان 0.5 - 1C شارژ می شود. وقتی سلول به 4.2 ولت رسید، جریان شارژ باید کنترل شود. فرآیند شارژ زمانی تکمیل می شود که جریان شارژ به 0.03 درجه سانتیگراد کاهش یابد. سپس باید شارژ بیشتر را متوقف کنید تا به باتری آسیب نرسانید. باتری ها نباید با ولتاژ بالاتر از 4.2 ولت شارژ شوند، زیرا ممکن است باعث آتش سوزی یا انفجار، یعنی از بین رفتن باتری ها شود!
توصیه می کنیم از یک شارژر یا کنترلر شارژ باتری اختصاصی استفاده کنید. چنین ماژول هایی ارزان هستند و شارژرهای تخصصی بسیار گران تر نیستند. بازیابی قوطی های لیتیوم روش زیر برای نجات سلول های بسیار عمیق تخلیه شده تنها به صورت تئوری ارائه شده است و استفاده از آن را در عمل توصیه نمی کنیم، زیرا این روش خطرناک است. یک سلول با ولتاژ 2 ولت تا 2.5 ولت با قطب های منفی به سلول دوم با ولتاژ حداقل 2.8 ولت متصل می شود. قطب مثبت از طریق یک مقاومت 1 اهم / 5 وات متصل می شود، در حالی که سلول با یک ولتاژ تخلیه می شود. حداکثر 0.5-1C. هر دو سلول و مقاومت باید در بهترین حالت برای لمس گرم باشند.
اگر هر یک از قوطی ها، به خصوص یک قوطی که عمیقاً تخلیه شده است، گرم شده است، روند باید متوقف شود! پس از یک سیکل موفق، ولتاژ هر دو سلول را بررسی کنید. در صورت نیاز تکرار کنید. هر دو سلول باید ولتاژی بالاتر از 2.5 ولت داشته باشند. سلول نجات یافته باید با در نظر گرفتن دمای آن کاملاً شارژ شود - اگر شروع به گرم شدن کرد، شارژ را متوقف کنید - سلول آسیب دیده و به سطل زباله می رود. فرآیند بازسازی سلول هایی که با تخلیه بیش از حد خود و مقاومت داخلی مشکل داشتند بسیار مفیدتر است. این فرآیند ظرفیت سلول ها را افزایش نمی دهد، اما می تواند عمر آنها را افزایش دهد و گرمای بیش از حد را کاهش دهد.
روند به این صورت است:
باتری ها باید از قبل کاملاً شارژ شوند، سپس چندین بار با دستمال توالت پیچیده می شوند (همزمان به عنوان بخاری و جذب رطوبت عمل می کند) و در یک کیسه فویل بسته بندی می شوند که باید محکم بسته شود. این کیف در یک کیسه دیگر بسته بندی می شود که آن هم گره خورده است. بسته ای که به این ترتیب تهیه می شود باید به مدت 24 - 48 ساعت در فریزر قرار داده شود و 48 ساعت دیگر از فریزر به یخچال منتقل شود و سپس 24 - 48 ساعت دیگر در دمای اتاق بماند. سپس سلول ها باید در طول استفاده معمولی تا 3 ولت تخلیه شوند و در نهایت به طور کامل شارژ شوند.
اتصال باتری های لیتیوم یون سلول های با ظرفیت های مختلف را می توان به صورت موازی متصل کرد. ظرفیت چنین باتری مجموع ظرفیت های تمام سلول ها خواهد بود. قبل از اتصال عناصر، مطمئن شوید که آنها ولتاژ یکسانی دارند - در غیر این صورت، جریان زیادی از عنصر با ولتاژ بالاتر به عناصر با ولتاژ پایین تر می رود که در موارد شدید می تواند منجر به آتش سوزی شود. به دلایل ایمنی، بیش از هشت سلول نباید به صورت موازی وصل شوند، اما مونتاژکنندگان باتری خانگی اغلب این توصیه را نادیده می گیرند.
وقتی به صورت سری متصل می شوند، همه عناصر باید ظرفیت یکسانی داشته باشند. علاوه بر این، چنین بسته ای باید مجهز به یک متعادل کننده یا یک سیستم BMS باشد که بارگذاری یکنواخت سلول ها یا بسته های جداگانه را در یک ردیف تضمین می کند. با اتصال سری، ظرفیت خازن تغییر نمی کند، اما ولتاژ و مقدار انرژی ذخیره شده در باتری اضافه می شود. باتری های لیتیومی اغلب به عنوان XsYp توصیف می شوند، مانند 3s2p. عدد اول تعداد بسته های متصل به سری را نشان می دهد، عدد دوم تعداد سلول های موازی متصل در بسته را نشان می دهد. سیستم 3s2p به معنای سه بسته متوالی با دو سلول موازی است.
برخی از باتری های استوانه ای و بسیاری از باتری های تخت دارای مدار محافظ داخلی هستند. چنین سیستمی حفاظت در برابر جریان بیش از حد (OCP)، حفاظت از ولتاژ بیش از حد (OVP) و حفاظت از تخلیه بیش از حد (UVP - حفاظت از ولتاژ پایین) را ارائه می دهد. اگر سلول در یک انفجار سریالی کار می کند، BMS مسئول تمام این حفاظت ها است. این BMS همچنین می تواند دارای محافظ در برابر دمای بیش از حد (OTP - حفاظت از دمای بیش از حد) به صورت ترمیستور باشد که باید به یکی از سلول ها چسبانده شود.
افزایش عمر باتری لیتیومی
همه انواع باتری های لیتیومی با استفاده و حتی در حالت بیکار ماندن کهنه می شوند. اما راه هایی وجود دارد که آنها را طولانی تر می کند. سلول های استفاده نشده باید تا 3.8 ولت (ظرفیت 40 درصد) شارژ شوند و در یک بسته بندی خشک و مهر و موم شده در یخچال نگهداری شوند. سلول هایی که به این روش ذخیره می شوند تنها 2% از ظرفیت خود را در سال از دست می دهند. از سوی دیگر، باتری هایی که در دمای 25 درجه نگهداری می شوند و به طور کامل شارژ می شوند، سالانه تا 20 درصد ظرفیت خود را از دست می دهند. یک راه خوب برای افزایش تعداد چرخه های شارژ و دشارژ شارژ کردن آن زیر 4.2 ولت است که در جدول زیر از یکی از آزمایش ها نشان داده شده است:
4.3V 150-250 110-115%
4.25V 200-350 105-110%
4.2V 300-500 100%
4.15V 400-700 90-95%
4.1V 600-100 -85%
4V 1200-2000 70-75%
3.9V 2400-4000 60-65%
همانطور که می بینید، هر بار که ولتاژ شارژ به میزان 0.1 ولت کاهش می یابد، به دلیل حداکثر ظرفیت موجود، تعداد سیکل ها را دو برابر می کنیم. این تصمیم در طرحهای ذخیرهسازی انرژی ثابت بسیار منطقی است، بهویژه اگر المانهای مورد استفاده در شروع کار دارای عمر مفید 1000 سیکل باشند.
ادامه آموزش در قسمت دوم .......
باتری های لیتیوم یون
این قدیمی ترین و محبوب ترین نوع سلول است (همچنین اغلب گفته می شود: قوطی، سلول). بسته به نوع، ولتاژ اسمی 3.6 ولت یا 3.7 ولت ارائه می شود. حداکثر ولتاژ برای سلول های مدرن 4.2 ولت است، اما اولی به 4.1 ولت محدود می شود. آنها بیشتر در باتری های لپ تاپ و سایر دستگاه های قابل حمل یافت می شوند. ، ابزارهای برقی و وسایل نقلیه الکتریکی. آنها در همه اشکال و اندازه ها هستند، اما اغلب استانداردهای مختلفی دارند. عمدتاً به صورت سلولهای استوانهای شکل با جعبههای فلزی یا به شکل سلولهای تخت که در بستهبندیهای پلاستیکی یا فلزی سخت مونتاژ میشوند.
برای دیدن تصاویر باید ثبت نام کنید
باتریهای لیتیوم یونی حداقل 300-500 چرخه شارژ دارند، اما مقدار معمولی آن 1000 چرخه است. سلول های استوانه ای اندازه آنها استاندارد است و با کدهای پنج رقمی مشخص شده است. دو رقم اول قطر بر حسب میلی متر و سه رقم بعدی طول هستند. از این قاعده استثناء المان هایی هستند که با شماره های 07540 و 08570 مشخص شده اند که ابعاد آنها با قطر 7.5 میلی متر و طول 40 میلی متر و قطر 8.5 میلی متر و طول 70 میلی متر مطابقت دارد.
رایج ترین اندازه سلول 18650 است، یعنی 18 در 65 میلی متر.
برای دیدن تصاویر باید ثبت نام کنید
آنها ظرفیت های حداکثر 3500 میلی آمپر ساعت را ارائه می دهند، اگرچه 1200 میلی آمپر تا 2400 میلی آمپر ساعت معمولاً یافت می شوند. باتری های ارزان قیمت چینی گاهی اوقات ظرفیت اعلام شده 2000-3000 میلی آمپر ساعت دارند، اما در عمل فقط 500-600 میلی آمپر ساعت هستند. تقریبا تمام باتری های لپ تاپ از سازندگان معروف هستند، بنابراین این باتری استفاده شده حتی بهتر از Noname جدید خواهد بود.
سایزهای محبوب بعدی 21700 و 26650 هستند. 21700 باتری عمدتاً توسط تسلا تولید می شوند و ظرفیت 3000-5000 میلی آمپر ساعت دارند. از طرفی سلول های 26650 دارای ظرفیت 2400-5750 میلی آمپر ساعت هستند و در مواقعی که نیاز به برق بیشتر باشد مورد استفاده قرار می گیرند.
استفاده از سلول های لیتیوم یونی حداکثر ولتاژ یک سلول لیتیوم یونی 4.2 ولت و حداقل آن 3 ولت است. سلول را می توان تا 2.5 ولت تخلیه کرد، اما این باعث کاهش عمر آن می شود. قوطی که کمتر از 2.5 ولت تخلیه شده است، تخریب می شود و نباید از آن استفاده کرد، اگرچه هنوز هم می توان آن را نجات داد. سلول های استفاده نشده 3-5 درصد ظرفیت خود را در سال از دست می دهند. این فرآیند را می توان با نگهداری آنها در یخچال، در یک ظرف دربسته و همراه با یک ماده خشک کن کاهش داد. باتری های لیتیوم یون گرمای بیش از حد را به خوبی تحمل نمی کنند - این باعث کاهش ظرفیت و عمر مفید آنها می شود و مقاومت داخلی را افزایش می دهد. به همین دلیل بار اضافی را به خوبی تحمل نمی کنند.
جریان شارژ و دشارژ به عنوان ضریب ظرفیت سلول بیان می شود. جریان 1C برای یک عنصر با ظرفیت 1000 میلی آمپر 1000 میلی آمپر است، یعنی 1 آمپر. این بدان معناست که جریان 0.5 درجه سانتی گراد برای یک عنصر 2000 میلی آمپر ساعتی نیز 1000 میلی آمپر یا 1 آمپر خواهد بود. برای عناصر استوانه ای، حداکثر دبی جریان نباید از 1.5C تجاوز کند. سلول های تخت گاهی اوقات می توانند جریان 2C را تحمل کنند (به قیمت کاهش عمر). البته می توانید المان های با جریان بالا را نیز پیدا کنید، اما در مورد آنها به دلیل دمای کار بالا، عمر مفید بسیار محدود است. اتصال کوتاه عناصر به شدت ممنوع است، زیرا ممکن است منجر به آتش سوزی یا انفجار شود!
برای شارژ سلول ها به یک شارژر مخصوص یا منبع تغذیه آزمایشگاهی مناسب نیاز است. فرآیند شارژ از یک منبع جریان با حداکثر ولتاژ 4.2 ولت و جریانی که بسته به ظرفیت سلول قابل تنظیم است استفاده می کند. یک عنصر با ولتاژ 2.5 - 3 ولت با جریان 0.05 - 0.1C، از ولتاژ 3 ولت تا 4.2 ولت با جریان 0.5 - 1C شارژ می شود. وقتی سلول به 4.2 ولت رسید، جریان شارژ باید کنترل شود. فرآیند شارژ زمانی تکمیل می شود که جریان شارژ به 0.03 درجه سانتیگراد کاهش یابد. سپس باید شارژ بیشتر را متوقف کنید تا به باتری آسیب نرسانید. باتری ها نباید با ولتاژ بالاتر از 4.2 ولت شارژ شوند، زیرا ممکن است باعث آتش سوزی یا انفجار، یعنی از بین رفتن باتری ها شود!
توصیه می کنیم از یک شارژر یا کنترلر شارژ باتری اختصاصی استفاده کنید. چنین ماژول هایی ارزان هستند و شارژرهای تخصصی بسیار گران تر نیستند. بازیابی قوطی های لیتیوم روش زیر برای نجات سلول های بسیار عمیق تخلیه شده تنها به صورت تئوری ارائه شده است و استفاده از آن را در عمل توصیه نمی کنیم، زیرا این روش خطرناک است. یک سلول با ولتاژ 2 ولت تا 2.5 ولت با قطب های منفی به سلول دوم با ولتاژ حداقل 2.8 ولت متصل می شود. قطب مثبت از طریق یک مقاومت 1 اهم / 5 وات متصل می شود، در حالی که سلول با یک ولتاژ تخلیه می شود. حداکثر 0.5-1C. هر دو سلول و مقاومت باید در بهترین حالت برای لمس گرم باشند.
اگر هر یک از قوطی ها، به خصوص یک قوطی که عمیقاً تخلیه شده است، گرم شده است، روند باید متوقف شود! پس از یک سیکل موفق، ولتاژ هر دو سلول را بررسی کنید. در صورت نیاز تکرار کنید. هر دو سلول باید ولتاژی بالاتر از 2.5 ولت داشته باشند. سلول نجات یافته باید با در نظر گرفتن دمای آن کاملاً شارژ شود - اگر شروع به گرم شدن کرد، شارژ را متوقف کنید - سلول آسیب دیده و به سطل زباله می رود. فرآیند بازسازی سلول هایی که با تخلیه بیش از حد خود و مقاومت داخلی مشکل داشتند بسیار مفیدتر است. این فرآیند ظرفیت سلول ها را افزایش نمی دهد، اما می تواند عمر آنها را افزایش دهد و گرمای بیش از حد را کاهش دهد.
روند به این صورت است:
باتری ها باید از قبل کاملاً شارژ شوند، سپس چندین بار با دستمال توالت پیچیده می شوند (همزمان به عنوان بخاری و جذب رطوبت عمل می کند) و در یک کیسه فویل بسته بندی می شوند که باید محکم بسته شود. این کیف در یک کیسه دیگر بسته بندی می شود که آن هم گره خورده است. بسته ای که به این ترتیب تهیه می شود باید به مدت 24 - 48 ساعت در فریزر قرار داده شود و 48 ساعت دیگر از فریزر به یخچال منتقل شود و سپس 24 - 48 ساعت دیگر در دمای اتاق بماند. سپس سلول ها باید در طول استفاده معمولی تا 3 ولت تخلیه شوند و در نهایت به طور کامل شارژ شوند.
اتصال باتری های لیتیوم یون سلول های با ظرفیت های مختلف را می توان به صورت موازی متصل کرد. ظرفیت چنین باتری مجموع ظرفیت های تمام سلول ها خواهد بود. قبل از اتصال عناصر، مطمئن شوید که آنها ولتاژ یکسانی دارند - در غیر این صورت، جریان زیادی از عنصر با ولتاژ بالاتر به عناصر با ولتاژ پایین تر می رود که در موارد شدید می تواند منجر به آتش سوزی شود. به دلایل ایمنی، بیش از هشت سلول نباید به صورت موازی وصل شوند، اما مونتاژکنندگان باتری خانگی اغلب این توصیه را نادیده می گیرند.
وقتی به صورت سری متصل می شوند، همه عناصر باید ظرفیت یکسانی داشته باشند. علاوه بر این، چنین بسته ای باید مجهز به یک متعادل کننده یا یک سیستم BMS باشد که بارگذاری یکنواخت سلول ها یا بسته های جداگانه را در یک ردیف تضمین می کند. با اتصال سری، ظرفیت خازن تغییر نمی کند، اما ولتاژ و مقدار انرژی ذخیره شده در باتری اضافه می شود. باتری های لیتیومی اغلب به عنوان XsYp توصیف می شوند، مانند 3s2p. عدد اول تعداد بسته های متصل به سری را نشان می دهد، عدد دوم تعداد سلول های موازی متصل در بسته را نشان می دهد. سیستم 3s2p به معنای سه بسته متوالی با دو سلول موازی است.
برخی از باتری های استوانه ای و بسیاری از باتری های تخت دارای مدار محافظ داخلی هستند. چنین سیستمی حفاظت در برابر جریان بیش از حد (OCP)، حفاظت از ولتاژ بیش از حد (OVP) و حفاظت از تخلیه بیش از حد (UVP - حفاظت از ولتاژ پایین) را ارائه می دهد. اگر سلول در یک انفجار سریالی کار می کند، BMS مسئول تمام این حفاظت ها است. این BMS همچنین می تواند دارای محافظ در برابر دمای بیش از حد (OTP - حفاظت از دمای بیش از حد) به صورت ترمیستور باشد که باید به یکی از سلول ها چسبانده شود.
افزایش عمر باتری لیتیومی
همه انواع باتری های لیتیومی با استفاده و حتی در حالت بیکار ماندن کهنه می شوند. اما راه هایی وجود دارد که آنها را طولانی تر می کند. سلول های استفاده نشده باید تا 3.8 ولت (ظرفیت 40 درصد) شارژ شوند و در یک بسته بندی خشک و مهر و موم شده در یخچال نگهداری شوند. سلول هایی که به این روش ذخیره می شوند تنها 2% از ظرفیت خود را در سال از دست می دهند. از سوی دیگر، باتری هایی که در دمای 25 درجه نگهداری می شوند و به طور کامل شارژ می شوند، سالانه تا 20 درصد ظرفیت خود را از دست می دهند. یک راه خوب برای افزایش تعداد چرخه های شارژ و دشارژ شارژ کردن آن زیر 4.2 ولت است که در جدول زیر از یکی از آزمایش ها نشان داده شده است:
4.3V 150-250 110-115%
4.25V 200-350 105-110%
4.2V 300-500 100%
4.15V 400-700 90-95%
4.1V 600-100 -85%
4V 1200-2000 70-75%
3.9V 2400-4000 60-65%
همانطور که می بینید، هر بار که ولتاژ شارژ به میزان 0.1 ولت کاهش می یابد، به دلیل حداکثر ظرفیت موجود، تعداد سیکل ها را دو برابر می کنیم. این تصمیم در طرحهای ذخیرهسازی انرژی ثابت بسیار منطقی است، بهویژه اگر المانهای مورد استفاده در شروع کار دارای عمر مفید 1000 سیکل باشند.
ادامه آموزش در قسمت دوم .......