Źródła energii baterie, akumulatory, superkondensatory

Name: Źródła energii baterie, akumulatory, superkondensatory
Uploaded: 2018-01-12T15:39:55+00:00
Duration: PTM27S7
Channel: Grzegorz Niewiadomski
Description: Źródła energii baterie, akumulatory, superkondensatory

Źródła energii baterie, akumulatory, superkondensatory
Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska Źródła: Elektronika praktyczna, Elektronik i inne

Elektrochemiczne źródła energii elektrycznej
Ogniwa elektryczne (łączone w zespoły – baterie) Akumulatory - źródła zasilania wielokrotnego ładowania Oznaczenia baterii wg IEC (technologia wykonania) (brak) - ogniwo cynkowo-grafitowe (anoda – cynk; katoda – tlenek manganu (IV)/grafit; elektrolit – chlorek amonu lub cynku) A – ogniwo cynkowo powietrzne (anoda - cynk; katoda – tlen/węgiel; elektrolit – chlorek amonu lub cynku) B - ogniwo litowo-węglowe (anoda - lit; katoda - monofluorek węgla; elektrolit organiczny); napięcie nominalne 3 V C - ogniwo litowo-manganowe (anoda - lit; katoda- tlenek manganu(IV); elektrolit organiczny); napięcie nominalne 3 V E - ogniwo litowo-tionylowe (anoda - lit; katoda - chlorek tionylu); elektrolit niewodny nieorganiczny) Zygmunt Kubiak

Oznaczenia baterii wg IEC (technologia wykonania)
Źródła energii Oznaczenia baterii wg IEC (technologia wykonania) F - ogniwo litowo-żelazowe (poza normą) H - ogniwo niklowo-metalowo-wodorkowe ładowalne (poza normą) ; (akumulator NiMH); napięcie nominalne 1,2 V K - ogniwo niklowo-kadmowe ładowalne (poza normą) ; (akumulator Ni-CD); napięcie nominalne 1,2 V L - ogniwo alkaliczno-braunsztynowe (anoda - cynk; katoda - tlenek manganu(IV); elektrolit - wodorotlenek metalu alkalicznego) M – (obecnie) ogniwo litowe ładowalne P - ogniwo alkaliczno-powietrzne (anoda - cynk; katoda - tlen/węgiel; elektrolit - wodorotlenek metalu alkalicznego); napięcie nominalne 1,4 V S - ogniwo srebrowo-cynkowe (anoda - cynk; katoda - tlenek srebra(I) lub tlenek srebra(II); elektrolit - wodorotlenek potasu) Z - ogniwo niklowo-manganowe (Ni-Mn) Zygmunt Kubiak

Źródła energii Baterie
Ogniwo Leclanchego – najtańsze, popularne ogniwa galwaniczne Ogniwo galwaniczne jednorazowe; anoda – pojemnik cynkowy (Zn); katoda – sproszkowany tlenek manganu (IV) (MnO2); elektrolit – chlorek amonu (NH4Cl - salmiak) Napięcie nominalne 1,5V Dla urządzeń o małym i średnim poborze prądu (100 – 300 mA) 1 - metalowe wieczko (+) 2 - grafitowy pręt (dodatnia elektroda) 3 - cynkowy pojemnik (ujemna elektroda) 4 - tlenek manganu(IV) 5 - pasta chlorku amonu (elektrolit) 6 - metalowe denko (-) Zygmunt Kubiak

Ogniwo Leclanchego – (bateria cynkowo - węglowa), charakterystyka obciążenia Obciążenie 39 Ω (prąd: mA) Ω Zygmunt Kubiak

Bateria alkaliczna (ogniwo alkaiczne) – najczęściej stosowane Ogniwo galwaniczne jednorazowe; anoda – sproszkowany cynk (Zn); katoda – sproszkowany tlenek manganu (IV) (MnO2); elektrolit – wodorotlenek potasu (KOH) Napięcie nominalne 1,5V Dla urządzeń o średnim poborze prądu (100 – 300 mA) i dużym poborze >300 mA Zygmunt Kubiak

Bateria alkaliczna (ogniwo alkaiczne) – charakterystyka obciążenia Obciążenie stałym prądem 100 mA Przydatność do pracy około 10 lat Zygmunt Kubiak

Bateria litowa, np. CR2032 Napięcie nominalne: 3,0 V Nominalna pojemność: 210 mAh (ciągłe rozładowywanie z obc. 15 kΩ do napięcia końcowego 2,0 V) Okres przydatności do 15 lat Zygmunt Kubiak

Baterie litowe-chlorkowo-tionylowe Droższe od innych baterii litowych Znikomy prąd samorozładowania; okres przydatności do 20 lat Zastosowania, np. liczniki inteligentne, IoT Zygmunt Kubiak

Podsumowanie Popularne rodzaje baterii Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory kwasowe i zasadowe
Akumulatory kwasowo-ołowiowe (1859r.) Akumulatory niklowo-żelazowe (1901r.)– były stosowane w kolejnictwie, górnictwie Akumulatory niklowo-kadmowe (NiCd); anoda – kadm gąbczasty; katoda – oksowodorek niklu(III)(NiOOH); elektrolit – wodorotlenek potasu (KOH); napięcie nominalne 1,2V; odporne na przeładowanie i całkowite rozładowanie; duże prądy ładowania i rozładowania; wada – efekt pamięci, trujący kadm – ograniczenie w EU Akumulatory wodorkowe (niklowo-metalowo-wodorkowe) (NiMH) 1991r.; większa gęstość energii niż dla NiCd Akumulatory niklowe – duże prądy samorozładowania Akumulatory niklowe – mogą pracować buforowo z małym prądem podładowania około 0,01C (10 mA/1 Ah) Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory niklowe (zasadowe)
Charakterystyki obciążenia (rozładowania) NiCd Zygmunt Kubiak

Charakterystyki obciążenia (rozładowania) NiMH Zygmunt Kubiak

Porównanie charakterystyk akumulatorów NiMH i baterii alkalicznych Zygmunt Kubiak

Ładowarki akumulatorów niklowych Standardowy sposób ładowania - ładowanie prądem 0,1C (14..16h) a) – uproszczone źródło prądowe b) i c) realizacje źródeł prądowych na tranzystorach Zygmunt Kubiak

Charakterystyki ładowania akumulatora NiMH Zygmunt Kubiak

Charakterystyki ładowania ekspresowego (dużym prądem) akumulatorów NiMH i NiCd Zygmunt Kubiak

Charakterystyki ładowania ekspresowego (dużym prądem - 1C) akumulatorów NiMH i NiCd Przy szybkim kryterium wyłączenia prądu 1C może być kontrola napięcia – wykrycie ΔV/Δt =0, a następnie doładowanie małym prądem 0,1C Lepszym kryterium jest pomiar dopuszczalnej temperatury Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe
Opracowano w 1991r. Akumulatory litowo-jonowe Li-ion (Li-jon) Akumulatory litowo-polimerowe Li-po (Li-poly) Akumulatory litowo-żelazowo-fosfatowymi LiFePO4 (LiFePO4) Napięcie nominalne >3V Największa gęstość energii Brak efektu pamięciowego Niewielkie samorozładowanie Niebezpieczne przeładowanie - grozi POŻAREM Pobór prądu większego o dopuszczalnego – grozi POŻAREM Szkodliwe nadmierne rozładowanie (rozładowanie poniżej 2,5V/celę) – nieodwracalna utrata pojemności Zygmunt Kubiak

Charakterystyka akumulatora litowego Zygmunt Kubiak

Charakterystyki akumulatorów litowych i alkalicznych Zygmunt Kubiak

Zasada budowy akumulatorów litowo-jonowych Zygmunt Kubiak

Zasada działania akumulatora litowego Zygmunt Kubiak

Zasada działania akumulatora litowego Podczas ładowania dodatnie jony litu przechodzą z katody do węglowej anody, gdzie łączą się z atomami węgla w specyficzną warstwową strukturę opisywaną wzorem chemicznym LiC6. Podczas rozładowania jony litu wracają z anody do katody. Pierwsze akumulatory (Sony 1991r.) budowane były na bazie LiCoO2 (LCO) – do 200 Wh/kg - ale wysokie ceny kobaltu Tańszym rozwiązaniem okazały się akumulatory LiMn2O4 (LMO) nazywane są manganowymi albo spinelowymi ; wada – gęstość o połowę mniejsza od kobaltowych Znaleziono rozwiązania kompromisowe: LiMnCoO2 (LMC) i LiNiMnCoO2 (NMC) Inne rozwiązania: LiFePO4 (LFP) Nowe rozwiązania: wykorzystanie glinu (NCA – LiNiCoAlO2), tytan (LTO – Li4Ti5O12) czy siarki (LIS – Li2S8) – zaletą jest duża gęstość energii do 500 Wh/kg Zygmunt Kubiak

Rozwiązania w akumulatorach litowych W akumulatorach litowych stosowano i nadal stosuje się ciekłe elektrolity zawierające różne bardziej i mniej bezpieczne substancje z litem Istotnym wynalazkiem było zastąpienie ciekłych elektrolitów stałym w postaci przewodzących polimerów, zawierających sole litu - akumulatory litowo-polimerowe (oznaczenia Li-Po, LiPo lub LIP) Akumulatory polimerowe to też akumulatory litowo-jonowe Zygmunt Kubiak

Ładowanie akumulatorów litowych Akumulatory litowe najpierw należy ładować prądem 0,2C ..0,3C a po uzyskaniu odpowiedniej wartości napięcia, należy utrzymać stałe napięcie zasilania Dla akumulatorów Li-Ion i Li-Po o napięciu nominalnym 3,7V napięcie ładowania wynosi 4,2V ±50mV Dla akumulatorów LiFePO4 o napięciu nominalnym 3,2V napięcie ładowania wynosi 3,6V + 3,65V (dokładne wartości w karcie katalogowej) Długotrwałe utrzymywanie końcowego napięcia ładowania (4,2V) powoduje zmniejszenie trwałości akumulatora Zygmunt Kubiak

Ładowanie akumulatorów litowych Krzywe ładowania akumulatora Li-Ion standardową metodą CCCV (CC –constant current, CV – constant voltage) Zygmunt Kubiak

Ładowanie akumulatorów litowych Zależność żywotności od końcowego napięcia ładowania Zygmunt Kubiak

Ładowanie akumulatorów litowych Wydłużenie żywotności akumulatora przez obniżenie końcowego napięcia ładowania Zygmunt Kubiak

Ładowanie akumulatorów litowych Przykłady ładowarek Zygmunt Kubiak

Ładowanie akumulatorów litowych Przykłady ładowarek - balanser Zygmunt Kubiak

Ładowanie akumulatorów litowych Schemat zabezpieczenia pakietu akumulatorów z układem Texas Instruments bq29330 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Nowe rozwiązania
Zygmunt Kubiak

Aktualnie najpopularniejsze są trzy typy akumulatorów Kwasowo-ołowiowe (pojazdy) Niklowe NiMH Litowe W najlepszych współczesnych akumulatorach litowych osiąga się gęstość energii na poziomie 200 Wh/kg Zygmunt Kubiak

Źródła energii Najpopularniejsze aktualnie akumulatoey
Gęstości energii akumulatorów Zygmunt Kubiak

Akumulatory alkaliczne manganowe (RAM - Rechargeable Alkaline Manganese) to odmiana jednorazowych ogniw alkalicznych (1,5V) Możliwość ładowania kilkanaście do kilkudziesięciu razy Małe samorozładowanie Znaczna rezystancja wewnętrzna Akumulatory cynkowo-powietrzne (Zn-Air) Duża gęstość energii – oczekiwana ponad 400 Wh/kg W trakcie badań: aluminiowo-powietrzne, litowo-powietrzne - teoretyczne wartości gęstości Wh/kg Akumulatory niklowo-litowe (Ni-Li) – łączą zalety akumulatorów niklowych i litowo jonowych – oczekiwana gęstość energii ponad 900 Wh/kg Zygmunt Kubiak

Akumulatory sodowo-jonowe (Na-Ion) – spodziewana gęstość energii ok. 400 Wh/kg; opatentowano potasowo- jonowe (K-Ion) Obiecujące litowo-siarkowe (LiS) o teoretycznej gęstości energii do 2600 Wh/kg Badania nad wykorzystaniem sodu – akumulatory sodowo- siarkowe (sód stopiony z siarką) - temperatura pracy °C – wykorzystanie w energetyce –potężne pojemności Akumulatory sodowo-niklowe (Na-NiCl2) – temperatura pracy 245°C – zastosowania jw. Akumulatory wanadowe (przepływowe) – ładowanie klasyczne lub „tankowanie” polegające na wymianie elektrolitu na „naładowany” – niska gęstość energii Wh/kg (niższa niż w akumulatorach kwasowych)- jw. Zygmunt Kubiak

Ogniwa paliwowe (rodzaj baterii) – łączenie wodoru z tlenem – pierwsze ogniwo 1839r. (W. Grove – Anglia) Na katodzie wodór łączy się z tlenem z powietrza a produktem reakcji jest para wodna i ciepło Teoretyczna sprawność do Wh/kg (3x > niż benzyna) Zygmunt Kubiak

Źródła energii Super kondensatory
Superkondensatory (ultrakondensatory) – nie mają klasycznego dielektryka a działanie wiąże się ze zjawiskiem elektrolizy Przy dużym napięciu następuje elektroliza (U > Ug) Zygmunt Kubiak

Źródła energii Superkondensatory
Przy małym napięciu elektroliza nie występuje – elektrolit zachowuje się jak izolator – jony gromadzą się na powierzchni elektrod, jednak nie następuje wymiana ładunków elektrycznych – powstaje podwójna warstwa (double layer) Układ zachowuje się jak dwa kondensatory połączone szeregowe – układ EDLC (ang. Electrochemical Double-Layer Capacitor) Zygmunt Kubiak

W akumulatorach podczas ładowania, energia elektryczna zamieniana jest w energię chemiczną (energię wiązań chemicznych) a podczas rozładowania energia chemiczna zamienia się w energię elektryczną Praca akumulatora zwiazana jest z chemicznymi reakcjami redukcji (reduction) i utleniania (oxidation), stąd bierze się skrót redox W superkondensatorach EDCL nie zachodzą żadne reakcje chemiczne Pseudokondensatory (kondensatory redox , kondensatory faradajowskie) do magazynowania energii wykorzystują reakcje chemiczne Zygmunt Kubiak

Kondensatory hybrydowe wykorzystują zarówno pojemność EDCL a także pseudopojemność redox Na rysunku przykład kondensatora hybrydowego symetrycznego Zygmunt Kubiak

Superkondensatory mają niewielką gęstość energii ale bardzo małą rezystancję wewnętrzną - co oznacza możliwość stosowania bardzo dużych prądów ładowania i rozładowania Duża moc w W/kg – zastosowania m.in. w pojazdach elektrycznych, autobusach, lokomotywach, F1 – wspomaganie przyspieszania oraz odzyskiwania energii przy hamowaniu Zygmunt Kubiak

Przykład współpracy baterii litowej i superkondensatora
Zygmunt Kubiak

Bateria litowa LiSOCl2 charakteryzuje się długą żywotnością – 15 lat i więcej Ma bardzo wysoką wydajność energetyczna (Wh /kg), ale nie jest w stanie dostarczyć prądu o wartości większej niż np.. 20mA Źle znoszą pracę przy wyższych prądach Na poprzednim slajdzie schemat blokowy przedstawia sprawdzoną koncepcję rozwiązania powyższego problemu zasilania z użyciem układu TPS62740 i superkondensatora co znacznie przedłuża życie baterii Kondensator ładowany jest z baterii niskim (kontrolowanym) prądem a sam może dostarczyć dużego prądu obciążenia Zygmunt Kubiak

W przykładowej aplikacji dla potrzeb węzła wM-Bus przyjęto założenia: Napięcie baterii = 3,6V Prąd maksymalny baterii = 3 mA Czas transmisji = 200ms Moc transmisji = 1000mW Aby dostarczyć energii do transmisji wybrano kondensator 0,47F (muRata EDLC typu DMF3Z5R5H474M3DTA0) ładowany tylko do 2,7V (trwałość ponad 15 lat) Uzyskano sprawność powyżej 90% Zygmunt Kubiak

Charakterystyki rozładowania baterii litowej LiSOCL2 Czas pracy do 15 lat i więcej Zygmunt Kubiak

Ładowanie kondensatora ze źródła napięciowego Zygmunt Kubiak

Zygmunt Kubiak

Większość czasu napięcie jest utrzymywane na 1.9V, aby zminimalizować straty mikrokontrolera oraz innych prądów upływu w aplikacji (faza 1) Zygmunt Kubiak

Przed bezprzewodową transmisją danych, kondensator jest naładowany do 2.7V (faza 2) Zygmunt Kubiak

Podczas transmisji zmagazynowana energia w kondensa- torze jest pobierana - spadek napięcia do 1.9V (faza 3) Zygmunt Kubiak

Dziękuję Zygmunt Kubiak

Źródła energii baterie, akumulatory, superkondensatory

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Źródła energii baterie, akumulatory, superkondensatory"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres

Wejść

Zaloguj się poprzez sieć społeczną:

Źródła energii baterie, akumulatory, superkondensatory

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Źródła energii baterie, akumulatory, superkondensatory"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres