====== Akkumulátorok ====== {{ :wiki:accumulator:liion_pack.jpg?200|Lítium-ion (és LiPo) akkumulátorok}} ====== Lítium-ion (és LiPo) akkumulátorok ====== A lítium akkumulátor célú alkalmazását, illetve annak a lehetőségét először a 70-es években a müncheni Technikai Egyetemen (**TU München**) tárták fel. Sok időnek kellett eltelnie, hogy a LiIon tárolók valóban piacra is kerüljenek, erre a 90-es évektől fokozatosan került sor. A lítium bázisú tárolók sok kémiai összetétellel is alkalmazásra kerülnek, így a leggyakoribb //lítium-kobalt-dioxid-akkumulátorok// (**LiCoO2 – LCO**) mellett megtalálhatók a //lítium-mangán-dioxid// (**LMO**), és a //lítium-foszfát-akkumulátorok// (**LFP**), ritkábban pedig a //lítium-titanát// (**LTO**) és az ón-kén-lítiumion akkumulátorok is. A fizikai jellemzőik nagyjából megegyeznek ezeknek, azaz a fajlagos energiatárolási kapacitásuk **150 Wh / kg**, energiasűrűségük **400 Wh / l** körül alakul. A LiIon akkumulátorok nem igazán képesek megbirkózni a túltöltessél és a túlmerítéssel sem, így alkalmazásuk során szinte minden esetben védő-elektronikát (**BMS** – //battery management system//) igényelnek. A túlmelegedés az egyik gyenge pontja a típusnak, ugyanis 180 fok felett olyan kémiai reakciók indulnak be a tárolókban, amik azoknak a felrobbanásához vezethetnek. A tárolókban nem keletkeznek kristályok, így ez az akkumulátor típus nem hajlamos a memória-effektusra. A LiIon bázisú akkumulátorok sok előnye mellett soha nem szabad elfelejteni a hátrányukat, hogy tűzveszélyesek túltöltés és fizikai sérülések esetén! Az akkumulátorok túlmerítése szintén a telepek tönkremenetéhez vezet, így a gyártók jellemzően egy túlmerítés-védelmet (//Low Voltage Cutoff// – **LVC**) is beépítenek az egységeikbe. Ezek az akkumulátor tápvezetékét szakítják meg akku-üzemben, ha a feszültség a 3,2V-os szintet alulhaladja. Ez persze vagy működik, vagy nem, így érdemes a túlmerítést a felhasználói oldalról is valamilyen hardveres megoldással tiltani. A harmadik védelmi lehetőség (amit a komolyabb töltők tudnak) a hőmérséklet-felügyelet (//Positive Temperature Coefficient Switches//: **PTC**), és az erre épülő töltés közbeni leoldás-védelem. Ezeket a védelmeket együttesen töltésmegszakító egységeknek, azaz //Charge Interrupt Devices// (**CID**) szokás nevezni. ===== Lítium-ion akkumulátor ===== A LiIon akkumulátorokban a katód (pozitív pólus) tartalmazza a lítium vegyületeket, a negatív pólus általában grafitból (vagy valamilyen szénvegyületből) áll. A membránon a lítium-ionok szabadon átjárhatnak, töltéskor az anód, áramleadás idején a katód felé áramlanak az elektrolitban. Az elektrolit //lítium-hexafluorofoszfát// (**LiPF6**), vagy kevésbé korrodáló //lítium-tetrafluoroborát// (**LiBF4**) oldatából áll. {{:wiki:accumulator:liion_1.png|Lítium-ion akkumulátor felépítése}} A LiIon akkumulátorok alapja szinte minden esetben a cella, ennek többszöröseivel lehet a feszültséget számolni. A lítium-kobalt-dioxid (LCO) tárolók esetén egy cella 3,7 V-os lehet (LiPo esetén ez az érték 3,3 V körül alakulhat). ===== Lítium-polimer akkumulátor ===== A **LiPo**, vagyis lítium-polimer akkumulátor egy speciálisan kialakított Li-Ion tároló. Ebben az esetben a Li-Ion folyadék elektrolit konstrukciót egy szilárd, zselatinos (polimer-alapú) fóliával cserélték le, és ez az átalakítás a tároló fizikai jellemzőire is jelentős hatással van. Összetételük miatt a LiPo cellák sokkal sokoldalúbban alakíthatók ki, és robbanásra is kevésbé hajlamosak, viszont energiatárolási kapacitásuk jóval alacsonyabb a LiIon akkumulátoroknál. ===== A LiIon és LiPo tárolók összehasonlítása ===== ^jellemző^LiIon^LiPo| ^Öregedés|A kapacitását idővel elveszti|A kapacitását lassabban veszti, mint az Li-Ion| ^Energiatárolás|magas|alacsonyabb, mint a Li-Ion| ^Tárolási veszteség|5-15%|15-25%| ^Biztonság|Túltöltés esetén túlmelegedés, robbanás lehetséges|biztonságosabb, mint az Li-Ion \\ (de a gyulladás / robbanásveszély fennáll)| ^Költségek|Alacsony|kb egyharmadával drágább, mint az Li-Ion| ^Súly|Nehezebb|Könnyebb| ^Töltési idő|lassabb|Gyorsabb| ^Jellemző kivitelezés|Hengeres kivitel|Lapos tasakcellák| ===== Kivitelezés ===== A legjellemzőbb megjelenési formái a Li-Ion akkumulátoroknak: **Lapos tasakcellák:** Ezek lapos kivitelezésű, alumíniumozott polimer fóliába csomagolt cellák, jellemzően (kizárólag) LiPo egységek, melyek formájuk okán könnyen integrálhatók mobiltelefonokba, fényképezőgépekbe, e-book-olvasókba,.. {{:wiki:accumulator:liion_2.png|LiPo tasakcella}} **Hengeres kivitel:** A két elektródát és az elektrolit zselét egymásra rétegezik, majd feltekercselik hengerré. Ezek a hengerek egységes (normalizált) méretűek: {{:wiki:accumulator:liion_3.png|hengeres kivitelű li-ion cellák}} A számozás ezeknél a tárolóknál két részből áll össze: először a henger átmérője, aztán a hossza (milliméterben) jellemzi a tároló méretét. A leggyakrabban alkalmazott **18650** például 18 mm átmérőjű és 650 mm magas. ===== Névleges kapacitás ===== A telep kapacitását, azaz, hogy mennyi villamos energiát képes betárolni, //Amperórá//ban (**Ah**), vagy ennek az ezredrészében, //milliamper-órá//ban (**mAh**) szokás megadni. A névleges és a valós kapacitás eltérési aránya nagyon sok paramétertől függ, pl. az akkumulátor életkora, használati ciklusok száma, környezeti hőmérséklet, gyártó lódítási rátája, így azt lehet mondani, hogy a valós kapacitás csak a használat során fog kiderülni. ===== C-ráta ===== A //kisülési ráta// (**Discharge rate**), vagyis **C-ráta** arról árulkodik, hogy a betárolt villamos energiát az akkumulátor milyen dinamikával hajlandó visszaadni. Ezt a dinamikát a kapacitás függvényében határozzák meg, az 1:1 dinamikájú akku 1C-s. Megfordítva ez azt jelenti, hogy ha egy akkumulátor kapacitása 1800 mAh, és C-rátája 5, akkor 5*1,8, azaz 9 ampert tud egyidejűleg leadni. ===== Névleges feszültség ===== Már említettem, hogy a LiIon és LiPo cellák jellemző névleges feszültsége **3,7 volt**, ami persze típusonként változhat. Ezeknél az akkumulátoroknál a feszültségszint jellemzően **4,2V** (//teljes töltés//) és **3,2V** (//minimum//) között változhat. A túltöltés tönkremenetelhez, vagy adott esetben kigyulladáshoz és robbanáshoz is vezethet, míg a túlmerítés csak simán tönkreteszi az akkut. A névleges feszültség a sorba kapcsolt cellák számával változik (a 3,7V valahányszorosa lesz). A névleges feszültséget (meg még pár paramétert) jelentősen befolyásolhat a LiIon akkumulátor típusa (anyaga). ===== Típus (anyag) ===== ^Típus^Névleges \\ feszültség \\ üzemi \\ feszültség^Kapacitás^Töltés \\ (c-ráta) \\ Lemerítés \\ (c-ráta)^életciklus^Max. \\ hőmérséklet| ^LCO \\ Lítuim-kobaltdioxid \\ LiCoO2 | 3,6 V \\ 3,0..4,2 V|150-200 Wh/kg|0,7..1 C \\ 1C|500-1000|150 °C| ^LMO \\ Lítuim-magnéziumoxid \\ LiMn2O4|3,7..3,8 V \\ 3,0..4,2 V|100-150 Wh/kg|0,7..1 C \\ max. 3 C \\ 1C \\ max. 10C|300-700|250 °C| ^NMC \\ lítium-nikkel-mangán-kobalt-dioxid \\ LiNiMnCoO2|3,6..3,7 V \\ 3,0..4,2 V|150-200 Wh/kg|0,7..1 C \\ 1C max. 2C|1000-2000|210 °C| ^LFP \\ lítium-vasfoszfát- oxid \\ LiFePO4|3,2..3,3 V \\ 2,5..3,65 V|90-120 Wh/kg|1 C \\ 1C max. 25C|1000-2000|270 °C| ===== Konfiguráció ===== A Li-Ion cellákat egymással sorba és párhuzamosan is lehet kapcsolni. A //soros kapcsolás// esetén az **„S”**-vel, //párhuzamos// esetén a **„P”**-vel szokás ezeket a konfigurációkat jelölni. A 4S például 4, egymás után kapcsolt cellát jelöl, ahol ezeknek a feszültségei összeadódnak, így (tipikus esetben) 4*3,7V=14,8V-ot kapunk eredményül, azaz ekkora feszültséget fog leadni az egység. ^Soros konfigurációk^Min. feszültség^Névleges feszültség^Max. feszültség| ^1S|3,2 V|3,7 V|4,2 V| ^2S|6,4 V|7,4 V|8,4 V| ^3S|9,6 V|11,1 V|12,6 V| ^4S|12,8 V|14,8 V|16,8 V| ^5S|16 V|18,5 V|21 V| ^6S|19,2 V|22,2 V|25,2 V| ^7S|22,4 V|25,9 V|29,4 V| ^8S|25,6 V|29,6 V|33,6 V| **A fenti értékek csak irányadóak, típusonként változhatnak** A sorba kapcsolt cellák esetén ügyelni kell arra, hogy a töltöttségi szintet cellánként lehessen felügyelni. Ezt a gyakorlatban úgy szokás megoldani, hogy a két szélső sorba kapcsolt cellára csatlakoztatják az ennek megfelelően méretezett tápvezetéket, míg egy külön csatlakozón a cellánkénti elérést is lehetővé teszik a gyártók, valahogy így: {{:wiki:accumulator:liion_5.png?300|cellánkénti elérés}} Ez a gyakorlatban így néz ki: {{:wiki:accumulator:liion_6.png|cellánkénti elérés gyakorlatilag}} A **párhuzamosan csatolt cellák** esetén a feszültség nem változik, viszont az áramértékek összeadódnak. |{{:wiki:accumulator:liion_9.png?400|3S}}|**3S:** \\ Névleges feszültség: 11,1 V \\ Névleges kapacitás: 2800 mAh| |{{:wiki:accumulator:liion_10.png?200|2P}}|**2P:** \\ Névleges feszültség: 3,7 V \\ Névleges kapacitás: 5600 mAh| |{{:wiki:accumulator:liion_11.png?400|2S2P}}|**2S2P:** \\ Névleges feszültség: 7,4 V \\ Névleges kapacitás: 5600 mAh| ===== Csaltakozó-típusok ===== |{{:wiki:accumulator:cs_jst_xh.png|csatlakozó: JST-XH}}|**JST-XH**|A leggyakoribb csatlakozótípus. \\ Használatakor ügyelni kell arra, hogy kihúzásakor soha ne \\ a vezetéket fogja meg, hanem a csatlakozót, mivel a vezetékeket \\ nagyon könnyű kitépni a foglalatukból. \\ A cellánkénti „balance” csatlakozó is jellemzően ebből a típusból kerül ki.| |{{:wiki:accumulator:cs_thunder.png|csatlakozó: Thunder Power}}|**Thunder Power**|A Thunder Power és Flite Power akkumulátoroknál alkalmazott csatlakozó.| |{{:wiki:accumulator:cs_xt_60.png|csatlakozó: XT-60}}|**XT-60**|A HobbyKing által fejlesztett / szabadalmazott csatlakozón már nincs védelem, \\ sok gyártó él is a használatával. Viszonylag gyakori típus, könnyen forrasztható.| |{{:wiki:accumulator:cs_venom.png|csatlakozó: Venom}}|**Venom**|A Venom akkumulátorokhoz fejlesztett csatlakozó nem túl népszerű a felhasználók körében, \\ gyakran csak egy megjegyzés olvasható mellette: „forraszd át valami használhatóbbra!”| |{{:wiki:accumulator:cs_anderson.png|csatlakozó: Anderson}}|**Anderson**|Eredetileg az amatőr rádiózásnál használták a típust 12V DC csatlakozókhoz, de az akkumulátoroknál is fel szokott bukkanni.| |{{:wiki:accumulator:cs3.png|csatlakozó: EC3}}|**EC3**|A Horizon Hobby vezette be a típust a piacra, amikor a Tamiya helyett keresett más megoldást.| |{{:wiki:accumulator:cs_tamiya.png|csatlakozó: Tamiya (Molex)}}|**Tamiya (Molex)**|Nagy ellenállása miatt közutálatnak örvendő csatlakozót a Tamiya vezette be a piacra. Szinte minden esetben a megjegyzés mellette: „Forraszd át!”| |{{:wiki:accumulator:cs_traxxas.png|csatlakozó: Traxxas}}|**Traxxas**|Közkedvelt nagy áramú csatlakozó. \\ Polaritásvédelemmel van ellátva, egyszerűen használható.| |{{:wiki:accumulator:cs_deans.png|csatlakozó: Deans}}|**Deans**|A felhasználók által talán legkedveltebb típus. \\ Viszonylag körülményes a forrasztása, de polaritásvédelemmel van ellátva és egyszerűen használható.| ===== Élettartam / belső ellenállás ===== A Li-Ion akkumulátorok egyik fontos élettartami jellemzője a belső ellenállása. Ez a használat során szép lassan emelkedik, de a környezeti hőmérséklet függvényében rövid távon is változhat. Ráadásul a magas C-rátájú akkumulátoroknak általában alacsony a belső ellenállása. A belső ellenállás a töltés közben hőt termel a cellán belül és ez kémiai reakciókhoz, gázfelszabaduláshoz vezet. Ilyenkor az akkumulátor elkezd lassan (vagy rossz esetben meglehetősen gyorsan) felpuffadni. Ez gyakorlatilag az akkumulátor élettartamának a végét is jelenti. A belső ellenállás egy nagyobb teljesítményű (>1W) egy ohm-os ellenállással viszonylag egyszerűen mérhető, csak éppen – saját tapasztalat -ennek a mérésnek önmagában semmi értelme. Túl sok minden tudja befolyásolni a belső ellenállást – környezeti hőmérséklet, típus, konfiguráció,.. – így egy akkumulátor belső ellenállási értéke gyakorlatilag semmit nem árul el annak állapotáról. Valószínűleg a belső ellenállás-értéket folyamatosan (mintavételekkel) kell ellenőrizni, a hőmérséklettel kell korrigálni, és úgy már talán ki lehet belőle hozni valami használhatót… A felszabaduló gáz, ami felpuffasztja az akkumulátor csomagot, jórészt a felszabaduló oxigénből áll, ami robbanásveszélyessé teszi az egységet, ráadásul az, a megnövekedett belső ellenállás miatt egyre inkább fel fog melegedni. Ha az ilyen felhevült és felduzzadt akkumulátort kilyukasztja, azzal legalább tüzet, de inkább robbanást fog kiváltani, mivel a távozó és felhevült lítium reagál a levegő páratartalmával, és tovább hevül. Ilyen esetben a legbiztonságosabb ezeket a cellákat kevésbé tűzveszélyes és hideg közegbe tenni, megvárni, míg kihűlnek és kidobni: {{:wiki:accumulator:liion_7.png|felhevült és felduzzadt akkumulátor}} ===== A LiIon akkumulátorok töltése ===== ==== Karakterisztika ==== A töltéshez mindenképpen Li-Ion kompatibilis töltővel kell rendelkeznünk. Ez az akkumulátor fizikai jellemzőit követően egy állandó áramú és feszültségű (//Constant Current / Constant Voltage// **CC/CV**) töltő lehet. Ezek általában úgy működnek, hogy a töltés során tartják az állandó áramot mindaddig, amíg a cellánkénti feszültség el nem éri a 4,2V-os maximumát, utána pedig az állandó feszültséget. {{:wiki:accumulator:liion_toltes_karakterisztika.png|Constant Current / Constant Voltage}} ==== Balancing ==== Fontos, hogy a cellák mindegyike azonos mértékben töltődjön, ez az un. **„balancing”** funkció, ami szintén ezeknek a töltőknek a sajátja. Az NiMH és NiCd akkumulátorokhoz impulzus-töltőket lehet alkalmazni, ezek jó eséllyel a LiIon egységeket hazavághatják, de legalábbis csökkentik az élettartamukat. ==== Töltés időtartama ==== Amennyiben a gyártó másként nem rendelkezik, ez 1C lehet, azaz a névleges kapacitással megegyező módon és dinamikával lehet visszatölteni. Ez azt jelenti, hogy például a 800 mAh-s egységeket maximum 0,8A-rel szabad tölteni. {{:wiki:accumulator:liion_8.png|LiPo akkumulátor}} Amennyiben a gyártó másként ítéli meg a dolgot, például fent, a //„2C change rate”// felirattal, amivel ennek a kétszeresét is megengedi, eltérhetünk az aranyszabálytól – persze csak akkor, ha ezt a töltőnk is lehetővé teszi. ==== Párhuzamos töltés ==== Nagyon sokan (nem mindenki!) egyetértenek azzal a kijelentéssel, hogy a LiIon akkumulátorokat soha nem szabad házilag párhuzamosan tölteni. Ezzel ugyanis az a probléma, hogy a soros töltéssel szemben itt nem kísérhető figyelemmel az összes cella paramétere, így az adott cellák túltöltése rejtve maradhat. Ez abban az esetben fordulhat elő, ha a párhuzamosan kötött celláknak nem egyezik meg az összes belső paramétere (kémiai összetétel, kapacitás,..). Nyilván, amikor gyárilag építik össze az akkumulátor-konfigurációkat, ott ez a hiba a pontos mérésekkel elkerülhető, de házilag egy csaknem lehetetlen. Mindenesetre ha valaki a párhuzamos töltés mellett dönt, az alábbi szabályokra ügyeljen: * Ügyeljen mindig az egységek túlmelegedésére, ne töltse ezeket tűzveszélyes környezetben * Mindig azonos konfigurációjú és lehetőség szerint azonos típusú egységeket töltsön * A töltési C-rátát semmiképpen se haladja meg * A töltésre kerülő egységek közötti feszültségkülönbség ne haladja meg a 0,2 V-ot * Ha van a töltőn és az egységeken cellánkénti (balancing) csatlakozó, mindenképpen használja ==== Soros töltés ==== A soros töltésnél lehetőség szerint olyan töltőegységet kell beszerezni, amibe a töltővezetéken kívül a cellánkénti csatlakozó is beilleszthető. ==== Tárolás ==== A régi típusú akkumulátorok esetén a teljes feltöltést követően elég volt ezeket feldobni a polcra, és onnan leemelni a következő felhasználásukkor. A LiIon ennél sajnos jóval kényesebb. Tárolása előtt a cellák feszültségét 3,8V-ra kell beállítani. Sajnos tárolás közben sem szabad elfelejteni, hogy a LiIon akkumulátorok tartalma gyúlékony, és a begyújtáshoz szükséges energia is ott lapul bennük: az egységeket tűzzáró dobozokban, de minimum nem gyúlékony környezetben kell tárolni. ==== Töltők ==== Az ideális töltővel szemben támasztott követelmények: * **CC/CV**: állandó áram és feszültség * több konfiguráció töltésére is alkalmas legyen (1S, 2S, 3S, 4S,..) * legyen cellánkénti csatlakozója (**balancing**) * többféle csatlakozótípus is legyen hozzá (ez házilag is megoldható) * **CID**: rendelkezzen a töltési védelmekkel (Charge Interrupt Devices): * **LVC**: túlmerítés-védelem (Low Voltage Cutoff) * **OVP**: túláram-védelem (Over Voltage Protection) * **PTC**: hőmérséklet-felügyelet (Positive Temperature Coefficient Switches) Ezen kívül jó, ha tudja az alábbi módokat: * **balance charge**: cellánként kiegyenlített (lassú, de kíméletes) töltés * **fast charge**: mindent bele * **discharge**: lemerítés a minimumig, mondjuk olyankor, ha felpuffadt az akkumulátor * **storage charge**: tárolási feszültség beállítása, mielőtt eltesszük az akkumulátort --- //[[sandor.vamos@web.de|Sandor Vamos]] 2018/09/13 13:08//