Ang kailangan mo lang malaman tungkol sa li

Maliban kung ang ilang mga hakbang ni Tony Stark at mag-imbento ng reaktor ng Arc o ang pagsasaliksik sa Solar Power Satellites (SPS) para sa wireless na paglipat ng Enerhiya ay dumaan, tayong mga tao ay kailangang umasa sa Mga Baterya para sa paggana ng aming portable o remote na mga elektronikong aparato. Ang pinakakaraniwang uri ng mga rechargeable na baterya na nakita mo sa electronics ng consumer ay alinman sa Lithium ion o ng uri ng Lithium Polymer. Sa artikulong ito, ang aming interes ay magiging higit sa Li-ion Baterya dahil may posibilidad silang maging mas kapaki-pakinabang kaysa sa lahat ng iba pang mga uri. Maging isang maliit na power bank o isang Laptop o isang bagay na kasing laki ng bagong Model 3 ng Tesla na lahat ay pinalakas ng isang baterya ng Lithium-ion.

Ano ang espesyal sa mga baterya na ito? Ano ang dapat mong malaman tungkol dito bago ka gumamit ng isa sa iyong mga proyekto / disenyo? Paano mo sisingilin o maihahatid nang ligtas ang mga baterya na ito? Kung gusto mong malaman ang mga sagot para sa lahat ng mga katanungang ito pagkatapos ay nakarating ka sa tamang artikulo, umupo ka lamang at basahin habang susubukan kong panatilihin itong kawili-wili hangga't maaari.

Kasaysayan ng Baterya ng Lithium-Ion

Ang ideya ng baterya ng Lithium Ion ay unang nilikha ng GN Lewis noong 1912, ngunit ito ay nagagawa lamang sa taong 1970 at ang unang di-na-rechargeable na baterya ng lithium ay inilagay sa mga komersyal na merkado. Nang maglaon noong 1980's tinangka ng mga inhinyero na gawin ang unang rechargeable na baterya gamit ang lithium bilang anode material at bahagyang matagumpay. Nabigo silang mapansin na ang mga ganitong uri ng mga baterya ng lithium ay hindi matatag sa proseso ng pagsingil at lilikha ito ng isang maikling loob ng baterya na nagdaragdag ng temperatura at nagdudulot ng isang thermal runaway.

Noong 1991, isang tulad ng baterya ng lithium na ginamit sa mobile ang sumabog sa mukha ng isang lalaki sa Japan. Pagkatapos lamang ng insidenteng ito napagtanto na ang mga baterya ng Li-ion ay dapat na hawakan nang may matinding pag-iingat. Ang isang malaking bilang ng mga ganitong uri ng mga baterya na nasa merkado ay pagkatapos ay naalaala ng mga tagagawa sa isyu ng kaligtasan. Nang maglaon pagkatapos ng maraming pagsasaliksik, ipinakilala ng Sony ang mga advanced na baterya ng Li-ion na may isang bagong kimika na ginagamit hanggang ngayon. Hangarin natin ang mga aralin sa kasaysayan dito at tingnan ang kimika ng isang baterya ng Lithium Ion.

Li-ion Battery Chemistry at nagtatrabaho

Tulad ng malinaw na ipinahiwatig ng pangalan, ang mga baterya ng Lithium Ion ay gumagamit ng mga ion ng Lithium upang matapos ang trabaho. Ang Lithium ay isang napakagaan na metal na may mataas na density ng enerhiya, ang pag-aari na ito ay nagbibigay-daan sa baterya na magaan ang timbang at magbigay ng mataas na kasalukuyang may isang maliit na form factor. Ang density ng enerhiya ay ang dami ng enerhiya na maiimbak sa dami ng bawat yunit ng baterya, mas mataas ang density ng enerhiya mas maliit ang baterya. Sa kabila ng napakaraming mga katangian ng lithium metal, hindi ito maaaring magamit bilang isang elektrod nang direkta sa mga baterya dahil ang lithium ay lubos na hindi matatag dahil sa metal na likas na katangian. Samakatuwid gumagamit kami ng lithium-ions na higit pa o mas kaunti ay may parehong pag-aari ng isang lithium metal ngunit ito ay hindi metal at medyo ligtas na gamitin.

Karaniwan ang Anode ng isang baterya ng Lithium ay gawa sa Carbon at ang Cathode ng baterya ay ginawa gamit ang Cobalt oxide o ilang ibang metal oxide. Ang electrolyte na ginamit sa pagkonekta sa dalawang electrode na ito ay magiging isang simpleng solusyon sa asin na naglalaman ng mga lithium ions. Kapag naglalabas ng positibong sisingilin na mga ion ng lithium ay lumipat patungo sa katod at binombahan ito hanggang sa positibong nasingil ito. Ngayon dahil ang katod ay positibong sisingilin nakakaakit ng mga negatibong singil na mga electron patungo dito. Ang mga electron na ito ay ginawa upang dumaloy kahit na ang aming circuit sa gayon ay pinapagana ang circuit.

Katulad nito habang naniningil, eksaktong eksaktong kabaligtaran ang nangyayari. Ang mga electron mula sa singil ay dumadaloy sa baterya at samakatuwid ang mga lithium ions ay lumilipat patungo sa anode na ginagawa ang katod upang mawala ang positibong singil nito.

Panimula sa Mga Baterya ng Lithium Ion

Sapat na teorya sa Mga Baterya ng Lithium Ion, ngayon praktikal nating kilalanin ang tungkol sa mga cell na ito upang makatiwala tayo tungkol sa mga ito sa paggamit nito sa aming mga proyekto. Ang pinakakaraniwang ginagamit na baterya ng Lithium Ion ay ang 18650 Cells, kaya tatalakayin ang tungkol sa pareho sa artikulong ito. Ang isang tipikal na 18650 cell ay ipinapakita sa imahe sa ibaba

Tulad ng lahat ng mga baterya ang baterya ng Li-ion ay mayroon ding boltahe at rating ng kapasidad. Ang nominal na boltahe na marka para sa lahat ng mga cell ng lithium ay magiging 3.6V, kaya kailangan mo ng mas mataas na detalye ng boltahe kailangan mong pagsamahin ang dalawa o higit pang mga cell sa serye upang makamit ito. Bilang default ang lahat ng mga lithium ion cells ay magkakaroon ng nominal boltahe na ~ 3.6V lamang. Ang boltahe na ito ay maaaring payagan na bumaba hanggang sa 3.2V kapag ganap na napalabas at mas mataas sa 4.2V kapag ganap na sisingilin. Palaging tandaan na ang paglabas ng baterya sa ibaba 3.2V o singilin ito sa itaas 4.2V ay permanenteng makapinsala sa baterya at maaari ding maging isang resipe para sa paputok. Hinahayaan ang pagkasira ng mga terminolohiya na kasangkot sa isang baterya noong 18650 upang mas maintindihan natin. Tandaan na ang mga paliwanag na ito ay nalalapat lamang para sa isang solong 18650 na cell, makakakuha kami ng higit pa sa mga pack ng baterya ng Li-ion sa paglaon, kung saan higit sa isang cell ang nakakonekta sa serye o parallel upang makakuha ng mas mataas na boltahe at kasalukuyang mga rating.

Nominal Boltahe: Ang nominal boltahe ay ang aktwal na rating ng boltahe ng isang 18650 Cell. Sa pamamagitan ng default ito ay 3.6V at mananatiling pareho para sa lahat ng 18650 na mga cell sa kabila ng mga paggawa nito.

Buong boltahe ng paglabas: Ang isang 18650 na cell ay hindi dapat pahintulutan na maipalabas sa ibaba 3.2V, kung hindi ito gawin ay babaguhin ang panloob na pagtutol ng baterya na permanenteng makapinsala sa baterya at maaari ring humantong sa pagsabog

Buong boltahe ng singil: Ang boltahe ng pagsingil para sa lithium ion cell ay 4.2V. Dapat mag-ingat na ang boltahe ng cell ay hindi tataas ang 4.2V sa anumang naibigay na oras.

mAh Rating: Ang kapasidad ng isang cell ay karaniwang ibinibigay sa mga tuntunin ng rating na mAh (Milli Ampere hour). Mag-iiba ang halagang ito batay sa uri ng cell na iyong binili. Halimbawa ipagpalagay nating ang ating cell dito ay 2000mAh na walang anuman kundi 2Ah (Ampere / oras). Nangangahulugan ito na kung gumuhit kami ng 2A mula sa baterya na ito magtatagal ito ng 1 oras at katulad kung gumuhit kami ng 1A mula sa baterya na ito ay tatagal ito ng 2 oras. Kaya't kung nais mong malaman kung gaano katagal ang baterya ay magpapagana sa iyo ng proyekto (Run-time) kung gayon kailangan mong kalkulahin ito gamit ang mAh Rating.

Run Time (sa oras) = ​​Kasalukuyang iginuhit / mAh Rating

Kung saan, ang kasalukuyang iginuhit ay dapat na nasa loob ng limitasyon ng rating ng C.

C Rating: Kung naisip mo kung ano ang maximum na halaga ng kasalukuyang maaari mong makuha mula sa isang baterya kung gayon ang iyong sagot ay maaaring makuha mula sa C rating ng baterya. Ang rating ng C ng baterya ay muling nagbabago para sa bawat baterya, ipagpalagay natin na ang baterya na mayroon tayo ay isang baterya na 2Ah na may 3C na rating. Ang halaga ng 3C ay nangangahulugang ang baterya ay maaaring maglabas ng 3 beses sa na-rate na rating ng Ah bilang pinakamataas nitong kasalukuyang. Sa kasong ito maaari itong magbigay ng hanggang 6A (3 * 2 = 6) bilang maximum na kasalukuyang. Karaniwan ang 18650 cells ay mayroong 1C rating lamang.

Pinakamataas na kasalukuyang iginuhit mula sa baterya = C Rating * Ah Rating

Kasalukuyang Pagsingil: Ang isa pang mahalagang pagtutukoy ng isang baterya upang mapansin ay ang kasalukuyang singilin nito. Dahil lamang sa isang baterya ay maaaring magbigay ng isang maximum na kasalukuyang ng 6A ay hindi nangangahulugang maaari itong singilin sa 6A. Ang maximum na kasalukuyang singilin ng isang baterya ay mababanggit sa datasheet ng baterya dahil nag-iiba ito batay sa baterya. Karaniwan ay magiging 0.5C ito, nangangahulugang kalahati ng halaga ng rating na Ah. Para sa isang baterya ng pag-rate ng 2Ah ang kasalukuyang singilin ay magiging 1A (0.5 * 2 = 1).

Oras ng pag-charge: Ang minimum na oras ng pagsingil na kinakailangan para sa isang solong 18650 na cell upang singilin upang makalkula sa pamamagitan ng paggamit ng halaga ng kasalukuyang singil at Ah rating ng baterya. Halimbawa ang isang 2Ah na pagsingil ng baterya na may kasalukuyang pagsingil ng 1A ay tatagal ng humigit-kumulang na 2 oras upang singilin, sa pag-aakalang gumagamit lamang ang charger ng CC na paraan upang singilin ang cell.

Panloobang Paglaban (IR): Ang kalusugan at kapasidad ng isang baterya ay maaaring mahulaan sa pamamagitan ng pagsukat ng panloob na paglaban ng baterya. Ito ay walang anuman kundi ang halaga ng paglaban sa pagitan ng mga anode (positibo) at mga katod (negatibong) mga terminal ng baterya. Ang tipikal na halaga ng IR ng isang cell ay mababanggit sa datasheet. Ang mas maraming mga naaanod mula sa aktwal na halaga ng hindi gaanong mahusay ang baterya. Ang halaga ng IR para sa isang 18650 na cell ay nasa saklaw ng milli ohms at may mga nakatuong instrumento upang masukat ang halaga ng IR.

Mga pamamaraan sa pag-charge: Maraming mga pamamaraan na isinagawa upang singilin ang isang li-ion cell. Ngunit ang pinaka-karaniwang ginagamit ay ang 3 hakbang na topology. Ang tatlong hakbang ay ang pagsingil ng CC, CV at trickle. Sa CC (Patuloy na kasalukuyang) mode ang cell ay sisingilin ng isang pare-pareho ang kasalukuyang singilin sa pamamagitan ng pag-iiba ng boltahe ng pag-input. Ang mode na ito ay magiging aktibo hanggang ang baterya ay nasingil sa isang tiyak na antas, pagkatapos ang CV (Constant Voltage)nagsisimula ang mode kung saan ang boltahe ng pagsingil ay pinapanatili karaniwang sa 4.2V. Ang pangwakas na mode ay ang pagsingil ng pulso o pag-charge ng trickle kung saan ang mga maliliit na pulso ng kasalukuyang ipinapasa sa baterya upang mapabuti ang life cycle ng baterya. Mayroon ding mas kumplikadong mga charger na kinasasangkutan ng 7-hakbang ng pagsingil. Hindi kami lalalim sa paksang ito dahil malayo ito sa saklaw ng artikulong ito. Ngunit kung interesado kang malaman ang banggitin sa seksyon ng komento at maaari ba akong magsulat ng isang hiwalay na artikulo sa pagsingil ng mga cell ng Li-ion.

State Of Charge (SOC)%: Ang estado ng singil ay walang iba kundi ang kapasidad ng baterya, katulad ng ipinakita sa aming mobile phone. Ang kapasidad ng isang baterya ay hindi maaaring malinaw na kalkulahin kasama ang boltahe na balbula, karaniwang kinakalkula ito gamit ang kasalukuyang pagsasama upang matukoy ang pagbabago sa kapasidad ng baterya sa paglipas ng panahon.

Lalim Ng Paglabas (DOD)%: Kung gaano kalayo maaring maalis ang baterya ay ibinibigay ng DOD. Walang baterya na magkakaroon ng 100% na pagpapalabas dahil alam namin na makakasira ito sa baterya. Karaniwan isang 80% lalim ng paglabas ay nakatakda para sa lahat ng mga baterya.

Dimensyon ng cell: Ang isa pang natatangi at kagiliw-giliw na tampok ng 18650 cell ay ang sukat nito. Ang bawat cell ay magkakaroon ng dia ng 18mm at isang taas na 650mm na gumagawa ng cell na ito ng pangalan na 18650.

Kung nais mo ng higit pang mga kahulugan ng terminolohiya pagkatapos tingnan ang dokumentasyon ng MIT Baterya ng mga terminolohiya, kung saan sigurado kang makakahanap ng higit pang mga teknikal na parameter na nauugnay sa isang baterya.

Pinakamadaling Paraan upang Gumamit ng isang 18650 Cell

Kung ikaw ay isang kumpletong newbie at nagsisimula pa lamang sa 18650 na mga cell upang mapagana ang iyong proyekto, kung gayon ang pinakamadaling paraan ay ang paggamit ng mga handa na modyul na maaaring ligtas na singilin at maipalabas ang iyong 18650 na mga cell. Ang nasabing module ay ang module na TP4056 na maaaring hawakan ang isang solong 18650 na cell.

Kung ang proyekto ay nangangailangan ng higit sa 3.6V bilang input boltahe maaaring gusto mong pagsamahin ang dalawang 18650 na mga cell sa serye upang makakuha ng boltahe na 7.4V. Sa ganitong kadahilanan gumamit ng isang module tulad ng 2S 3A Li-ion module ng baterya ay dapat na kapaki-pakinabang sa singilin at matanggal nang ligtas ang mga baterya.

Upang pagsamahin ang dalawa o higit pang 18650 na mga cell ay hindi kami maaaring gumamit ng maginoo na diskarteng paghihinang upang makakonekta sa pagitan ng pareho sa halip ay ginagamit ang isang proseso na tinatawag na spot welding. Gayundin habang pinagsasama ang 18650 na mga cell sa serye o parallel na higit na pag-iingat ay dapat gawin na tinalakay sa sumusunod na talata.

Li-ion Battery Pack (mga cell sa serye at parallel)

Upang mapagana ang maliliit na portable electronics o maliliit na aparato isang solong 18650 na cell o higit sa isang pares ng mga ito sa serye ang gagawa ng trick. Sa ganitong uri ng aplikasyon ang pagiging kumplikado ay mas mababa dahil ang bilang ng mga baterya na kasangkot ay mas mababa. Ngunit para sa mas malaking application tulad ng isang Electric Cycle / Moped o isang Tesla na kotse kailangan naming ikonekta ang maraming mga cell na ito sa serye at parallel mode upang makamit ang nais na boltahe at kapasidad ng output. Halimbawa, ang Tesla car ay naglalaman ng higit sa 6800 lithium cells bawat isa sa rating 3.7V at 3.1Ah. Ipinapakita ng larawan sa ibaba kung paano ito nakaayos sa loob ng chassis ng kotse.

Sa dami ng mga cell na ito upang masubaybayan kailangan namin ng isang nakalaang circuit na maaaring singilin, subaybayan at malabas nang ligtas ang mga cell na ito. Ang dedikadong sistema na ito ay tinatawag na isang Battery monitoring System (BMS). Ang gawain ng BMS ay upang subaybayan ang indibidwal na boltahe ng cell ng bawat lithium ion cell at suriin din ang temperatura nito. Maliban dito ang ilang BMS ay sinusubaybayan din ang pagsingil at pagpapalabas ng kasalukuyang sistema.

Kapag pinagsasama ang higit sa dalawang mga cell upang makabuo ng isang pakete, dapat mag-ingat na mayroon silang parehong kimika, boltahe, rating ng Ah at panloob na paglaban. Gayundin habang sinisingil ang mga cell tinitiyak ng BMS na ang mga ito ay sisingilin nang pantay-pantay at pinalabas nang pantay-pantay upang sa anumang naibigay na oras ang lahat ng mga baterya ay nagpapanatili ng parehong boltahe, ito ay tinatawag na Cell Balancing. Maliban dito dapat ding mag-alala ang taga-disenyo tungkol sa paglamig ng mga baterya habang nagcha-charge at naglalabas dahil hindi sila tumutugon nang maayos sa panahon ng mataas na temperatura.

Inaasahan kong ang artikulong ito ay nagbigay sa iyo ng sapat na mga detalye para sa iyo upang makakuha ng medyo tiwala sa mga Li-ion cells. Kung mayroon kang anumang mga tiyak na pagdududa huwag mag-atubiling iwanan ang sa seksyon ng komento at susubukan ko ang aking makakaya sa pagtugon pabalik. Hanggang dun masaya tinkering.