Z życia elektronika – #10 – Przegląd akumulatorów stosowanych w pojazdach i robotyce

Na rozgrzewkę:

Ostatnio coraz częściej powtarza się temat motoryzacji elektrycznej, stacje ładowania, zdolność energetyki do wytworzenia dodatkowej energii oraz temat ogniw zasilających samochody. Dlatego we wpisie dokonam przeglądu baterii używanych przez elektroników w domowym zaciszu jak i tych wykorzystujących je w przemyśle. Źródła zasilania w aplikacjach mobilnych muszą spełniać szereg wymagań, dlatego bardzo ważnym elementem jest ich odpowiedni dobór. Baterie używane w pojazdach są dopasowywane do aplikacji pod względem mechanicznym, elektrycznym, ekonomicznym oraz wymaganych norm bezpieczeństwa. Głównymi kryteriami ze względu na konstrukcję mechaniczną są: waga, objętość, kształt, oraz odporność na wibracje. Pod względem parametrów elektrycznych oraz norm bezpieczeństwa kryteriami są: nominalna wartość napięcia pojedynczego ogniwa, gęstość energii, gęstość mocy, wymagania dotyczące procesu ładownia, liczba cykli ładowania/rozładowywania; bezpieczeństwo: emisja gazów, wycieki, recykling.

Zakres wpisu:

  • Akumulatory zasadowe
  • Akumulatory litowe

Akumulatory zasadowe:

W akumulatorach niklowo-kadmowych,  katoda wykonana jest z niklu, a anoda z porowatego kadmu co zwiększa powierzchnię reakcji. Elektrody odseparowane są od siebie separatorem wykonanym z tworzywa sztucznego. Całość zanurzona jest w elektrolicie z roztworu wodorotlenku potasu (KOH) i umieszczona w szczelnej obudowie. Elektrody odizolowane od siebie separatorem nawija się spiralnie w celu uzyskania jak największej powierzchni, czyli wysokiej pojemności.

Charakterystyka akumulatorów Ni-Cd:

  • napięcie nominalne jednego ogniwa wynosi 1,2 V,
  • odporne na głębokie, rozładowanie nawet do 0,9 V nie pogarsza parametrów baterii,
  • gęstość energii na poziomie 40 – 80 Wh/kg,
  • niska gęstość mocy,
  • obciążalność prądowa rzędu 100 C w czasie bardzo krótkich okresów, w normalnej pracy pobierany prąd powinien zawierać się w przedziale 8 – 10 C,
  • do 1000 cykli ładowanie/rozładowanie,
  • wrażliwe na zmiany temperatury,
  • silny efekt pamięciowy (odwracalny),
  • wysokie samorozładowanie sięgające do 20% na miesiąc,
  • szkodliwe dla środowiska ze względu na kadm,
  • możliwe jest szybkie ładowanie,
  • niska cena,
  • możliwość dopasowania parametrów do konkretnej aplikacji.
Podczas ładowania baterii Ni-Cd należy kontrolować napięcie na zaciskach. Jeśli podczas ładowania napięcie osiągnie wartość około 1,3 V, następnie zacznie spadać, symbolizuje to pełne naładowanie baterii. W tym momencie proces ładowania powinien zostać zakończony. Ładowanie baterii Ni-Cd małymi prądami do 0,2 C nie wymaga kontroli temperatury. Podczas ładowania szybkiego (prąd ładowania 0,5 – 1,5 C) niezbędny jest układ nadzorujący temperaturę. Baterie Ni-Cd są wrażliwe na zmiany temperatury, wraz z jej wzrostem rezystancja wewnętrzna ogniwa spada. Spadek rezystancji powoduje wzrost prądu, dlatego jeśli w czasie procesu ładowania temperatura przekroczy 45 ̊C to proces ten powinien być przerwany. Ogniwa niklowo-kadmowe charakteryzują się stałym napięciem 1,2 V podczas rozładowywania prądem 1 C.
 
Akumulatory niklowo-metaliczno-wodorkowe (NiMH),  posiadają katodę wykonaną z niklu, a anodę ze stopu metali (nikiel, mangan, magnez, aluminium i kobalt). Elektrody odseparowane są od siebie poliamidem lub polietylenem. Elektrolit stanowi roztwór wodorotlenku potasu (KOH). Całość umieszczona jest w szczelnej obudowie wyposażonej w korek bezpieczeństwa.

Charakterystyka akumulatorów NiMH:

  • nominalne napięcie pojedynczego ogniwa 1,2 V,
  • nie powinny być rozładowywane poniżej 1,1 V,
  • wysoka gęstość energii 60 – 120 Wh/kg,
  • gęstość mocy jest kilkakrotnie większa niż NiCd,
  • prądy rozładowywania nie powinny być większa niż 3 – 5 C,
  • 30 – 40% większa pojemność niż standardowy akumulator NiCd,
  • mniej żywotne niż NiCd, 500 – 800 cykli ładowania rozładowywania,
  • mniej odporne na podwyższone temperatury pracy niż NiCd,
  • samorozładowanie sięgające do 30% na miesiąc,
  • mniejszy efekt pamięciowy porównując z NiCd (odwracalny),
  • bezpieczne dla środowiska,
  • 20% droższe niż NiCd,
  • wykonywane najczęściej o wymiarach AA i AAA,
  • używane przede wszystkim do zasilania urządzeń przenośnych.

Ładowanie baterii NiMH wymaga skomplikowanego algorytmu, ponieważ podczas ładowania ogniwo generuje więcej ciepła. Emisja większej ilości ciepła wpływa na czas ładowania, który jest dłuższy w porównaniu z NiCd. Ładowarka musi kontrolować napięcie, temperaturę oraz czas ładowania. Ładowanie może odbywać się niskim prądem DC lub prądem impulsowym. Kolejnym problemem ładowania akumulatorów NiMH jest trudniejsze niż w przypadku akumulatorów NiCd wykrycie momentu końca ładowania. Zwiększenie napięcia oznaczającego koniec ładowania jest minimalne. Podczas rozładowywania prądem 1 C napięcie ogniwa jest mniej stałe, aniżeli w NiCd.

Akumulatory litowe

Akumulatory litowo-jonowe mają węglową anodę (najczęściej grafitową), katoda wykonywana jest z wielu materiałów dopasowywana do konkretnych aplikacji. Materiałami na katody baterii Li-Ion są: tlenek litu i kobaltu LiCoO2; tlenek litu, niklu, manganu i kobaltu LiNixMnyCozO2; tlenek litu, niklu, kobaltu i aluminium LiNiCoAlO2 oraz katoda żelazowo fosforanowa LiFePO4. Elektrody odseparowane są od siebie. Całość zanurzona jest elektrolicie z soli litu, który umożliwia przemieszczanie się dodatnich jonów litu pomiędzy elektrodami. Niezależnie od materiału tworzącego katodę ma ona zawsze łatwo oddawać podczas ładowania i przyjmować w czasie rozładowywania jony litu.

Ogólna charakterystyka akumulatorów litowo-jonowych:

  • nominalne napięcie pojedynczego ogniwa niezależnie od materiału katody jest wyższe niż 3 V (najniższe napięcie mają LiFePO4 3,2 V przez to ciężkie reszta od 3,6 – 3,7 V),
  • rozładowanie poniżej 2,2 V powoduje nieodwracalne zmniejszenie pojemności,
  • gęstość energii 110 – 240 Wh/kg (LiCoO2 do 200 Wh/kg, a LiNiCoAlO2 > 240 Wh/kg),
  • wyższa gęstość mocy niż NiMH,
  • ogniwa z katodą LiNiMnCoO2 mogą oddawać duże prądy,
  • liczba cykli ładowanie/rozładowywanie przekracza 1000 (LiNiMnCoO2 osiągają ponad 3000 cykli),
  • małe samorozładowanie,
  • około 40% droższa produkcja niż NiCd,
  • LiFePO4 można ładować poniżej 0 ̊C,
  • stosowane w małych urządzeniach RTV tj. laptopy, telefony komórkowe, tablety,
  • obecnie najczęściej używane przez największych producentów pojazdów w pełni elektrycznych oraz hybrydowych

Ładowanie baterii Li-Ion przebiega w sposób następujący: w pierwszej fazie ładowania do baterii dostarczany jest stały prąd do momentu aż zostanie osiągnięta odpowiednia wartość napięcia ogniwa, następnie realizowane jest ładowanie stałonapięciowe. Praca z bateriami litowo-jonowymi wymaga kontroli temperatury. Rozładowywanie tego typu baterii prądem 1 C nie powoduje obniżenia napięcia w szerokim zakresie pojemności. W czasie eksploatacji należy unikać pełnego rozładowania oraz naładowania. Jedna jak i druga sytuacja wiąże się ze wzrostem temperatury ogniwa, co może grozić eksplozją. Dzieje się tak z powodu bardzo dużej aktywności chemicznej litu.

Akumulatory litowe z żelazowo-fosforanową katodą LiFePO4 są nowe w rodzinie Li-Ion. Charakteryzują się wysoką gęstością mocy i energii. Wartość napięcia jest stabilna dla różnych prądów w szerokim zakresie pojemności. Są w stanie wytrzymać wiele cykli ładowania-rozładowania, jeśli napięcie nie będzie spadało poniżej 2 V

Akumulatory litowo-polimerowe zbudowane są z grafitowej anody i katody z tlenków metali tak jak bateriach Li-Ion. Elektrolit jest przewodzącym polimerem zawierającym sole litu. Na skutek zastosowania stałego elektrolitu wzrosło bezpieczeństwo użytkowania baterii litowych kosztem rezystancji.

Charakterystyka akumulatorów Li-Po:

  • nominalne napięcie pojedynczego ogniwa wynosi 3,7 V,
  • niższa gęstość energii niż Li-Ion,
  • większa gęstość mocy niż Li-Ion,
  • 500 – 3000 cykli ładowania/rozładowania,
  • małe samorozładowanie,
  • drogie w produkcji,
  • mogą przyjmować dowolne kształty.

Proces ładowania jak i rozładowywania jest identyczny jak w bateriach Li-Ion.

Autor artykułu
Mateusz Pluta

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *