원리와 정의

2020-08-11 08:07

배터리 또는 저장 시스템의 용량 및 에너지

배터리 또는 축전지의 용량은 특정 온도, 충전 및 방전 전류 값, 충전 또는 방전 시간에 따라 저장된 에너지의 양입니다.

정격 용량 및 C-rate

C-rate는 배터리의 충전 및 방전 전류를 측정하는 데 사용됩니다. 주어진 용량에 대해 C-rate는 배터리가 충전되는 전류를 나타내는 척도입니다. 정의 된 용량에 도달하기 위해 방전되었습니다. 

1C (또는 C / 1) 충전은 1 시간 동안 1000A에서 1000Ah 등급의 배터리를로드하므로 시간이 끝나면 배터리 용량은 1000Ah에 도달합니다. 1C (또는 C / 1) 방전은 동일한 속도로 배터리를 소모합니다.
0.5C 또는 (C / 2) 충전은 500A에서 1000Ah 등급의 배터리를로드하므로 1000Ah의 정격 용량에서 배터리를 충전하는 데 2 시간이 걸립니다.
2C 충전은 예를 들어 2000A에서 1000Ah 등급의 배터리를로드하므로 1000Ah의 정격 용량에서 배터리를 충전하는 데 이론적으로 30 분이 걸립니다.
Ah 등급은 일반적으로 배터리에 표시되어 있습니다.
마지막 예를 들어, C10 (또는 C / 10) 정격 용량이 3000Ah 인 납축 배터리는 현재 충전 또는 방전이 300A 인 상태에서 10 시간 내에 충전 또는 방전되어야합니다.

배터리의 C-rate 또는 C-rating을 아는 것이 중요한 이유

대부분의 배터리에서 저장되거나 사용 가능한 에너지는 충전 또는 방전 전류의 속도에 따라 달라지기 때문에 C-rate는 배터리의 중요한 데이터입니다. 일반적으로 주어진 용량에 대해 20 시간 내에 방전 할 때보 다 1 시간 내에 방전하면 에너지가 적습니다. 반대로 현재 충전 할 때보 다 1 시간 동안 100A의 전류 충전으로 배터리에 더 적은 에너지를 저장합니다. 10 시간 동안 10A.

배터리 시스템의 출력에서 사용 가능한 전류를 계산하는 공식

C-rate에 따라 배터리의 출력 전류, 전력 및 에너지를 계산하는 방법은 무엇입니까?
가장 간단한 공식은 다음과 같습니다.

나는 = Cr * Er
또는
Cr = I / Er
어디
Er = Ah에 저장된 정격 에너지 (제조업체에서 제공 한 배터리의 정격 용량)
I = 전류 (A)의 충전 또는 방전
Cr = 배터리의 C-rate
전류 및 정격 용량에 따라 충전 또는 충전 또는 방전 시간 "t"를 구하는 방정식은 다음과 같습니다.
t = Er / I
t = 시간, 충전 또는 방전 기간 (런타임) (시간)
Cr과 t의 관계 :
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

리튬 이온 배터리의 작동 원리

리튬 이온 배터리 요즘 엄청나게 인기가 있습니다. 랩톱, PDA, 휴대폰 및 iPod에서 찾을 수 있습니다. 파운드 단위로 사용 가능한 가장 에너지가 높은 충전식 배터리이기 때문에 매우 일반적입니다.

리튬 이온 배터리도 최근 뉴스에 등장했습니다. 이 배터리는 때때로 불길을 터뜨릴 수 있기 때문입니다. 그다지 흔하지는 않습니다. 백만 개당 2 ~ 3 개의 배터리 팩에만 문제가 있습니다. 문제가 발생하면 극단적입니다. 어떤 상황에서는 고장률이 증가 할 수 있으며, 그럴 경우 제조업체는 수백만 달러의 비용이들 수있는 전 세계 배터리 리콜을 받게됩니다.

그래서 질문은 무엇이이 배터리를 그렇게 활기차고 인기있게 만드는 것입니까? 어떻게 불타 오르나요? 문제를 방지하거나 배터리 수명을 늘리기 위해 할 수있는 일이 있습니까? 이 기사에서는 이러한 질문 등에 대한 답변을 제공합니다.

리튬 이온 배터리는 경쟁 기술에 비해 여러 가지 중요한 이점이 있기 때문에 널리 사용됩니다.

  • 일반적으로 같은 크기의 다른 유형의 충전식 배터리보다 훨씬 가볍습니다. 리튬 이온 배터리의 전극은 경량 리튬과 탄소로 만들어집니다. 리튬은 또한 반응성이 높은 원소이므로 많은 에너지가 원자 결합에 저장 될 수 있습니다. 이는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도가 매우 높다는 것을 의미합니다. 여기에 에너지 밀도에 대한 관점을 얻을 수있는 방법이 있습니다. 일반적인 리튬 이온 배터리는 1kg의 배터리에 150 와트시의 전기를 저장할 수 있습니다. NiMH (니켈 메탈 하이드 라이드) 배터리 팩은 60 ~ 70 와트시가 더 일반적 일 수 있지만 킬로그램 당 약 100 와트시를 저장할 수 있습니다. 납축 배터리는 킬로그램 당 25 와트시 만 저장할 수 있습니다. 납산 기술을 사용하면 1kg의 리튬 이온 배터리가 처리 할 수있는 것과 동일한 양의 에너지를 저장하는 데 6kg이 걸립니다. 그것은 큰 차이입니다
  • 그들은 그들의 책임을 가지고 있습니다. 리튬 이온 배터리 팩은 NiMH 배터리의 경우 월별 20 % 손실에 비해 월 충전량의 약 5 % 만 손실됩니다.
  • 메모리 효과가 없으므로 다른 배터리 화학 물질과 마찬가지로 재충전하기 전에 완전히 방전 할 필요가 없습니다.
  • 리튬 이온 배터리는 수백 번의 충전 / 방전주기를 처리 할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리가 완벽하다는 것은 아닙니다. 또한 몇 가지 단점이 있습니다.

  • 그들은 공장을 떠나 자마자 타락하기 시작합니다. 사용 여부에 관계없이 제조일로부터 2 ~ 3 년만 지속됩니다.
  • 그들은 고온에 매우 민감합니다. 열로 인해 리튬 이온 배터리 팩이 평소보다 훨씬 빠르게 성능이 저하됩니다.
  • 리튬 이온 배터리를 완전히 방전하면 망가집니다.
  • 리튬 이온 배터리 팩에는 배터리 관리를 위해 온보드 컴퓨터가 있어야합니다. 이것은 이미있는 것보다 훨씬 더 비싸게 만듭니다.
  • 리튬 이온 배터리 팩이 고장 나면 불이 붙을 가능성이 적습니다.

이러한 특성의 대부분은 리튬 이온 전지 내부의 화학 물질을 보면 이해할 수 있습니다. 다음에 살펴 보겠습니다.

리튬 이온 배터리 팩은 모든 모양과 크기로 제공되지만 내부는 거의 동일하게 보입니다. 노트북 배터리 팩 (배터리 단락 및 화재의 가능성 때문에 권장하지 않는 것)을 분해하는 경우 다음을 찾을 수 있습니다.

  • 리튬 이온 셀은 AA 셀과 거의 동일하게 보이는 원통형 배터리이거나 사각형 또는 직사각형이라는 것을 의미하는 각형 일 수 있습니다. 컴퓨터는 다음을 포함합니다.
  • 배터리 온도를 모니터링하는 하나 이상의 온도 센서
  • 전압 및 전류의 안전한 수준을 유지하기위한 전압 변환기 및 조정기 회로
  • 전원 및 정보가 배터리 팩 안팎으로 흐르도록하는 차폐 된 노트북 커넥터
  • 배터리 팩에있는 개별 셀의 에너지 용량을 모니터링하는 전압 탭
  • 배터리 충전 상태 모니터는 배터리가 최대한 빠르고 완전히 충전되도록 전체 충전 프로세스를 처리하는 소형 컴퓨터입니다.

충전 또는 사용 중에 배터리 팩이 너무 뜨거워지면 컴퓨터가 전원 흐름을 차단하여 냉각을 시도합니다. 노트북을 매우 더운 차 안에두고 노트북을 사용하려고하면이 컴퓨터로 인해 상황이 식을 때까지 전원이 켜지지 않을 수 있습니다. 셀이 완전히 방전되면 셀이 손상되어 배터리 팩이 종료됩니다. 또한 충전 / 방전주기 수를 추적하고 정보를 전송하여 노트북의 배터리 측정기가 배터리에 남은 충전량을 알려줄 수 있습니다.

매우 정교한 작은 컴퓨터이며 배터리에서 전력을 끌어옵니다. 이러한 전력 소모는 리튬 이온 배터리가 유휴 상태 일 때 매달 전력의 5 %를 잃는 이유 중 하나입니다.

리튬 이온 전지

대부분의 배터리와 마찬가지로 금속 외장 케이스가 있습니다. 여기서 금속 사용은 배터리가 가압되기 때문에 특히 중요합니다. 이 금속 케이스에는 일종의 압력 감지 통풍구가 있습니다. 배터리가 너무 뜨거워 져 과압으로 폭발 할 위험이있는 경우이 통풍구가 추가 압력을 방출합니다. 배터리는 나중에 쓸모가 없을 것이므로 피해야합니다. 통풍구는 안전 조치로 엄격하게 있습니다. 배터리가 과열되지 않도록하는 장치 인 PTC (Positive Temperature Coefficient) 스위치도 마찬가지입니다.

이 금속 케이스는 세 개의 얇은 시트가 함께 눌러 진 긴 나선형을 유지합니다.

  • 양극
  • 음극
  • 구분자

케이스 내부에서 이러한 시트는 전해질 역할을하는 유기 용매에 담겨 있습니다. 에테르는 일반적인 용매 중 하나입니다.

분리기는 매우 얇은 마이크로 천공 플라스틱 시트입니다. 이름에서 알 수 있듯이 이온을 통과시키면서 양극과 음극을 분리합니다.

양극은 리튬 코발트 산화물 또는 LiCoO2로 만들어집니다. 음극은 탄소로 만들어져 있습니다. 배터리가 충전되면 리튬 이온이 전해질을 통해 양극에서 음극으로 이동하여 탄소에 부착됩니다. 방전 중에 리튬 이온은 탄소에서 LiCoO2로 다시 이동합니다.

이러한 리튬 이온의 이동은 상당히 높은 전압에서 발생하므로 각 셀은 3.7V를 생성합니다. 이는 슈퍼마켓에서 구입하는 일반 AA 알카라인 전지의 일반적인 1.5 볼트보다 훨씬 높으며 휴대 전화와 같은 소형 장치에서 리튬 이온 배터리를 더 컴팩트하게 만드는 데 도움이됩니다. 다양한 배터리 화학 물질에 대한 자세한 내용은 배터리 작동 방식을 참조하십시오.

리튬 이온 배터리의 수명을 연장하는 방법을 살펴보고 다음에 폭발 할 수있는 이유를 살펴 보겠습니다.

리튬 이온 배터리 수명 및 사망

리튬 이온 배터리 팩은 비싸기 때문에 배터리를 더 오래 사용하려면 다음 사항에 유의하십시오.

  • 리튬 이온 화학은 심방 전보다 부분 방전을 선호하므로 배터리를 완전히 0으로 낮추지 않는 것이 가장 좋습니다. 리튬 이온 화학 물질에는 "메모리"가 없기 때문에 부분 방전으로 배터리 팩을 손상시키지 않습니다. 리튬 이온 전지의 전압이 일정 수준 이하로 떨어지면 망가집니다.
  • 리튬 이온 배터리 수명. 사용하지 않고 선반에 앉아 있더라도 2 ~ 3 년만 지속됩니다. 따라서 배터리 팩이 5 년 지속될 것이라는 생각으로 배터리를 "사용하지 마십시오". 그렇지 않습니다. 또한 새 배터리 팩을 구입하는 경우 실제로 새 배터리인지 확인해야합니다. 1 년 동안 가게의 선반에 놓아 두었다면 오래 가지 않을 것입니다. 제조 날짜가 중요합니다.
  • 배터리 성능을 저하시키는 열을 피하십시오.

폭발 배터리

이제 리튬 이온 배터리가 더 오래 작동하도록 유지하는 방법을 알았으므로 폭발 할 수있는 이유를 살펴 보겠습니다.

배터리가 전해질을 발화 할 정도로 뜨거워지면 화재가 발생할 수 있습니다. 이러한 화재가 얼마나 심각한 지 보여주는 비디오 클립과 사진이 웹에 있습니다. CBC 기사 "Summer of the Exploding Laptop"은 이러한 사건 중 몇 가지를 요약합니다.

이와 같은 화재가 발생하면 일반적으로 배터리 내부 단락으로 인해 발생합니다. 이전 섹션에서 리튬 이온 전지에는 양극과 음극을 분리하는 분리 시트가 포함되어 있음을 기억하십시오. 시트에 구멍이 나고 전극이 닿으면 배터리가 매우 빠르게 가열됩니다. 일반적인 9 볼트 배터리를 주머니에 넣은 적이 있다면 배터리에서 발생하는 열을 경험했을 수 있습니다. 동전이 두 단자에서 단락되면 배터리가 매우 뜨거워집니다.

분리기 고장시 리튬 이온 배터리 내부에서 이와 동일한 종류의 단락이 발생합니다. 리튬 이온 배터리는 매우 에너지가 많기 때문에 매우 뜨거워집니다. 열로 인해 배터리가 전해질로 사용되는 유기 용제를 배출하고 열 (또는 근처의 불꽃)이 배터리에 불을 붙일 수 있습니다. 일단 세포 중 하나에서 발생하면 화재의 열이 다른 세포로 전달되고 전체 팩이 화염으로 올라갑니다.

화재는 매우 드뭅니다. 그래도 몇 번의 화재와 약간의 미디어 만 있으면됩니다. 리콜을 촉구하는 범위.

다양한 리튬 기술

첫째, "리튬 이온"배터리에는 여러 유형이 있다는 점에 유의해야합니다. 이 정의에서 주목할 점은 "배터리 제품군"을 의미합니다.
이 제품군에는 음극과 양극에 서로 다른 재료를 사용하는 여러 가지 "리튬 이온"배터리가 있습니다. 결과적으로 매우 다른 특성을 나타내므로 다양한 응용 분야에 적합합니다.

인산 철 리튬 (LiFePO4)

리튬 철 인산염 (LiFePO4)은 광범위한 응용 분야에 대한 폭 넓은 사용과 적합성으로 인해 호주에서 잘 알려진 리튬 기술입니다.
저렴한 가격, 높은 안전성 및 우수한 비 에너지 특성으로 인해 많은 응용 분야에서 강력한 옵션이됩니다.
3.2V / 셀의 LiFePO4 셀 전압은 또한 여러 주요 응용 분야에서 봉인 된 납산 대체를 위해 리튬 기술로 선택됩니다.

LiPO 배터리

사용 가능한 모든 리튬 옵션 중에서 LiFePO4가 SLA 대체를위한 이상적인 리튬 기술로 선택된 데에는 몇 가지 이유가 있습니다. 주된 이유는 현재 SLA가 존재하는 주요 응용 프로그램을 살펴볼 때 유리한 특성에 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

  • SLA와 유사한 전압 (셀당 3.2V x 4 = 12.8V)으로 SLA 교체에 이상적입니다.
  • 리튬 기술의 가장 안전한 형태.
  • 환경 친화적 – 인산염은 위험하지 않으므로 환경에 친화적이며 건강에 위험하지 않습니다.
  • 넓은 온도 범위.

기능 및 이점 LiFePO4 SLA와 비교할 때

다음은 다양한 응용 분야에서 SLA의 몇 가지 중요한 이점을 제공하는 리튬 철 인산염 배터리의 몇 가지 주요 기능입니다. 이것은 완전한 목록은 아니지만 주요 항목을 다룹니다. 100AH AGM 배터리는 딥 사이클 애플리케이션에서 가장 일반적으로 사용되는 크기 중 하나이므로 SLA로 선택되었습니다. 이 100AH AGM은 유사한 것을 가능한 한 가깝게 비교하기 위해 100AH LiFePO4와 비교되었습니다.

기능 – 무게 :

비교

  • LifePO4는 SLA 무게의 절반 미만입니다.
  • AGM 딥 사이클 – 27.5Kg
  • LiFePO4 – 12.2Kg

혜택

  • 연비 증가
    • 캐러밴 및 보트 작업에서 견인 중량이 감소합니다.
  • 속도 증가
    • 보트 응용 분야에서 물 속도를 높일 수 있습니다.
  • 전체 중량 감소
  • 더 긴 런타임

무게는 많은 응용 분야, 특히 견인이나 속도가 관련된 곳, 캐러밴 및 보트 타기에 큰 영향을 미칩니다. 휴대용 조명 및 배터리를 휴대해야하는 카메라 애플리케이션을 포함한 기타 애플리케이션.

기능 – 더 길어진 수명 :

비교

  • 사이클 수명 최대 6 배
  • AGM 딥 사이클 – 100 % DoD에서 300 사이클
  • LiFePO4 – 2000주기 @ 100 % DoD

혜택

  • 총 소유 비용 절감 (LiFePO4의 배터리 수명 동안 kWh 당 비용이 훨씬 낮음)
  • 교체 비용 절감 – LiFePO4를 교체해야하기 전에 AGM을 최대 6 회 교체

수명이 길다는 것은 LiFePO4 배터리의 추가 선불 비용이 배터리 수명 기간 동안 보충 된 것보다 많다는 것을 의미합니다. 매일 사용하는 경우 AGM을 약 1 시간 동안 교체해야합니다. LiFePO4를 교체해야하기 전 6 회

특징 – 평평한 방전 곡선 :

비교

  • 0.2C (20A) 방전시
  • AGM – 이후 12V 아래로 떨어짐
  • 1.5 시간 실행
  • LiFePO4 – 약 4 시간 실행 후 12V 아래로 떨어짐

혜택

  • 배터리 용량을보다 효율적으로 사용
  • 전력 = 볼트 x 암페어
  • 전압이 떨어지기 시작하면 배터리는 동일한 양의 전력을 제공하기 위해 더 높은 암페어를 공급해야합니다.
  • 높은 전압은 전자 제품에 더 좋습니다.
  • 장비의 더 긴 런타임
  • 높은 방전율에서도 용량을 최대한 활용
  • AGM @ 1C 방전 = 50 % 용량
  • LiFePO4 @ 1C 방전 = 100 % 용량

이 기능은 거의 알려지지 않았지만 강력한 장점이며 여러 가지 이점을 제공합니다. LiFePO4의 평평한 방전 곡선을 통해 터미널 전압은 최대 85-90 % 용량 사용을 위해 12V 이상을 유지합니다. 이로 인해 동일한 양의 전력 (P = VxA)을 공급하기 위해 더 적은 암페어가 필요하므로 용량을보다 효율적으로 사용하면 런타임이 더 길어집니다. 사용자는 또한 장치 (예 : 골프 카트)의 속도 저하를 더 일찍 알지 못할 것입니다.

이와 함께 Peukert의 법칙의 효과는 AGM보다 리튬에서 훨씬 덜 중요합니다. 이는 방전율에 관계없이 배터리 용량의 많은 비율을 사용할 수있게합니다. 1C (또는 100AH 배터리의 경우 100A 방전)에서 LiFePO4 옵션은 여전히 100AH를 제공하지만 AGM의 경우 50AH 만 제공합니다.

기능 – 용량 사용 증가 :

비교

  • AGM 권장 DoD = 50 %
  • LiFePO4 권장 DoD = 80 %
  • AGM 딥 사이클 – 100AH x 50 % = 50Ah 사용 가능
  • LiFePO4 – 100Ah x 80 % = 80Ah
  • 차이 = 30Ah 또는 60 % 더 많은 용량 사용

혜택

  • 교체를 위해 증가 된 런타임 또는 더 작은 용량의 배터리

사용 가능한 용량의 증가 된 사용은 사용자가 LiFePO4의 동일한 용량 옵션에서 최대 60 % 더 많은 런타임을 확보하거나 더 큰 용량의 AGM과 동일한 런타임을 달성하면서 더 작은 용량의 LiFePO4 배터리를 선택할 수 있음을 의미합니다.

기능 – 더 큰 충전 효율성 :

비교

  • AGM – 완전 충전에는 약. 8 시간
  • LiFePO4 – 완전 충전은 최소 2 시간이 소요될 수 있습니다.

혜택

  • 배터리가 충전되었으며 더 빨리 다시 사용할 수 있습니다.

많은 응용 분야에서 또 다른 강력한 이점입니다. 다른 요인 중에서 내부 저항이 낮기 때문에 LiFePO4는 AGM보다 훨씬 빠른 속도로 전하를 수용 할 수 있습니다. 이를 통해 훨씬 더 빠르게 충전하고 사용할 준비가되어 많은 이점을 얻을 수 있습니다.

특징 – 낮은 자체 방전율 :

비교

  • AGM – 4 개월 후 80 % SOC로 방전
  • LiFePO4 – 8 개월 후 80 %까지 방전

혜택

  • 장기간 보관 가능

이 기능은 캐러밴, 보트, 오토바이 및 제트 스키 등과 같은 나머지 기간 동안 보관하기 전에 1 년에 몇 달 동안 만 사용할 수있는 레저 용 차량에있어 큰 장점입니다.이 점과 함께 LiFePO4 석회화되지 않기 때문에 장기간 방치해도 배터리가 영구적으로 손상 될 가능성이 적습니다. LiFePO4 배터리는 완전히 충전 된 상태로 보관하지 않아도 손상되지 않습니다.

따라서 응용 프로그램이 위의 기능 중 하나를 보증하는 경우 LiFePO4 배터리에 추가로 소비 한 비용에 대한 가치를 얻을 수 있습니다. 후속 기사는 LiFePO4 및 다양한 리튬 화학 물질에 대한 안전 측면을 포함하는 향후 몇 주 내에 계속 될 것입니다.

 

 

 

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