Napjaink ipari akkumulátorai MEE Energetikai Informatikai Szakosztály rendezvénye 2014. november 26. Óbudai Egyetem
Ipari akkumulátorok alkalmazási területei
Telekommunikáció
Energiaszolgáltatás
Megújuló energia
Vegyipar
Közlekedés és biztosítóberendezések Anyagmozgatás
Vészvilágítás
Adatközpontok
Ipari alkalmazások üzemállapotai • „stand-by” (készenléti) üzem - segédüzemi állapot folyamatos feltöltött állapotban tartással pl. egyenirányítóval - pl. telekommunikáció, energiaszolgáltatás, hagyományos UPS alkalmazások, vészvilágítás, tűzjelző és riasztó rendszerek
• „buffer” üzem - segédüzemi állapot, mint „stand-by”üzemnél, de a töltőáramnál nagyobb terhelés időszakok előfordulásával, jellemzően sekély ciklusok (1-5%) - pl. közlekedés
• ciklikus üzem - folyamatos töltés-kisütési állapotok váltakozása - pl. anyagmozgatás, takarító gépek, mobil-elektromos gépek
• hibrid üzem - ciklikus és „stand-by” üzemállapot keveréke - pl. megújuló energiaforrások, szigetüzem
Hétköznapok ipari akkumulátorai Ólom - sav 1. Cellakivitel - nyitott, folyadék elektrolitú - szeleppel zárt, kötött elektrolitú VRLA (Gel, AGM)
2. Elektróda kialakítás -
nagyfelületű kentlemezes páncélelektródás rúdelektródás
3. Rács ötvözet - antimon tartalmú Sb - kalcium tartalmú Ca - színólom 4. Akkumulátor kivitel - cellakialakítású - blokkos kialakítás
5. Névleges feszültség - 2V/cella
6. Töltési karakterisztika - W, IU, IUIa vagy ezek változatai
NiCd - lúgos 1. Cellakivitel - nyitott, folyadék elektrolitú a higított kálium hidroxid (kálilúg) kitölti a cellaedényt
- akár légmentesen zárt, kötött elektrolitú
2. Elektróda kialakítás - táskás kialakítás (pocket plate) - szinter elektródás - FNC technológiás – műanyag hordozós - PBE elektródás (plastic bounded electrode)
3. Rács ötvözet - nincs ötvöző anyag 4. Akkumulátor kivitel - elsősorban csak cellakialakítású - blokkos kialakítás elvétve
5. Névleges feszültség - 1,2V/cella 6. Töltési karakterisztika - IU
Li-Ion 1. Cellakivitel - kizárólag zárt kialakítás
2. Elektróda kialakítás - sokféle lítium vegyület
pl. LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, stb. - Elektrolit: szerves oldószer
5. Névleges feszültség - 3,2; 3,6 V/cella
6. Töltési karakterisztika - IU
Akkumulátorok jellemzése 1. Villamos tulajdonságok -
névleges feszültség kapacitás – terhelés és hőmérséklet függő zárlati áram belső ellenállás
2. Mechanikai tulajdonságok - méret, tömeg - edényzet kialakítás – tűzálló, gázelvezetéses - kivezető kialakítás – felső kialakítású vagy „front” terminálos – szerelhetőség, ellenőrzés
3. Töltés – kisütés – üzemeltetési hőmérséklet -
töltési karakterisztika, csepp-, gyorstöltési feszültség- és áramkorlát töltő áram hullámosság hőmérséklet kompenzált töltés – elsősorban zárt akkumulátor esetén terheléstől függő kisütési végfeszültség
4. Karbantartás igény - zárt, nyitott – vízutántöltési lehetőség - csökkentett karbantartás igény, karbantartás mentes
5. Élettartam - EuroBat szerinti működési év/vagy ciklusszám szerinti
Akkumulátor kapacitás hőfokfüggése Kapacitás változás a hőmérséklet függvényében Tényleges kapacitás a névleges értékhez viszonítva [%]
140
120
100
80 Li-ion Pb
60
NiCd 40
20
0 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Hőmérséklet [C°]
Akkumulátor kapacitás terhelés függése
Cellafeszültség [V]
Kapacitás terhelés függése, áthidalási idővel korrelál
Idő [h]
Elektróda kialakítás hatása a belső ellenállásra • A páncél- és a kentlemezes technológia ötvözete a rúdelektróda
OPzS
Kentlemez
Rúd
• Kerek keresztmetszetű rácselektróda szerkezet • Vastag rácsszerkezetet teljesen körbevevő aktív anyag • Erősített poliészter táskába rakott pozitív elektróda (hasonlóan, mint a PzS technológiánál)
Elektróda rácskorrózió – csak ólom 1. Rácsfelület korrózió PbO2 porózus aktív anyag PbO2 sűrű rácsot borító film PbOx köztes réteg Pb rács (pozitív)
Korrózió sebessége: ~0,03 mm/év
2. Rácskeresztmetszet korrózió, pozitív elektróda növekedés
0. nap
80. nap 160. nap 240. nap 320. nap Rács feszültség 2,27 V, hőmérséklet 55°C
3. Póluskorrózió Hasonló okból kezdődik, mint a rácskorrózió, de a pólus felső vége az elektrolittól való távolság miatt idővel kisebb potenciálra kerül és végül szulfatálódik.
400. nap
Akkumulátor töltése Töltési karakterisztika – IU
SBS EON recharge profile from 80% depth of discharge Charge 2.40Vpc 0.15C10A
Áram 0,15xC10
30
120.00
Visszatöltött kapacitás
27.5
100.00
22.5
90.00
20
80.00
Feszültség
17.5
70.00
15
60.00
12.5
50.00
10
40.00
7.5
30.00
5
20.00
2.5
10.00
0
0.00 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
hours Idő [h] Current
Voltage
% A/h returned
9
9.5
10 10.5 11 11.5 12 12.5 13
% Ah returned Visszatöltött kapacitás
Volts & Current
Feszültség
25
110.00
Töltési karakterisztikák – töltési módok 1. - Szabályzatlan töltési karakterisztika – Wa, Wsa, WoWa V/Z ↑ 2.75 2,65 2,4 Wsa
2.0 43% 7,7 A
65%
100 % In 11,7 A 18 A
Wsa - jelleggörbe
Töltési karakterisztikák – töltési módok 2. - Szabályozott töltési karakterisztika – IU, IUIa
Töltési karakterisztikák - paraméterek Meghajtó akkumulátorok – ciklikus üzem Zárt VRLA Folyadék Folyadék Karakterisztika Pb Pb NiCd Gel/AGM IU, U feszültség 2,4 2,35-2,45 1,55-1,65 V/Cella beállított IU, Igmax áram A/100Ah 2 1 5 tipikus IUI, U kialakuló feszültség 2,5-2,7 2,4-2,45 1,6-1,7 V/Cella IUI, Igmax áram A/100Ah 5-6 max. 1,5 max. 5 beállított W, U feszültség 2,55-2,8 V/Cella tipikus W, Igmax áram A/100Ah 5-7 tipikus
Helyhezkött akkumulátorok – „stand-by” üzem Zárt VRLA IU Folyadék Folyadék Pb karakterisztika Pb, Sb<3% NiCd Gel/AGM Csepptöltési feszültség V/Cella Csepptöltési áram A/100Ah tipikus Gyorstöltési feszültség V/cella Gyorstöltési áram A/100Ah tipikus
2,23
2,25-2,3
1,4-1,42
0,5
0,1
0,5
2,4
2,4
1,55-1,65
2
0,8
5
Akkumulátor töltés, savrétegződés
Akkumulátor töltés, mellékreakció: gázosodás
Gázrekombináció - karbantartásmentesség - A feltöltött akkumulátoron átfolyó áram az elektrolitban lévő vizet a negatív lemeznél hidrogénné, a pozitív lemeznél oxigénné bontja, így csökkentve a víz mennyiségét. Ezt időről időre pótolni kell. - A gázok kibocsátása nem történik egyszerre, azonos mértékben, mert a pozitív elektróda töltődése rosszabb hatásfokú. Ez azt jelenti, hogy az oxigén kibocsátása előbb történik meg a pozitív elektródán, mint a hidrogéné a negatív elektródán. - A pozitív elektródán kifejlődött oxigénnel egy időben a negatív elektródán lényeges mennyiségű erősen aktív, szivacsos szerkezetű ólom akadályozza a hidrogén kibocsátás kezdetét. Ezért az oxigén átjuthat a negatív elektródához, ahol egy gyors ólom oxigén reakcióra ideálisak a feltételek. Az alábbi elektrokémiai folyamat szerint 2e- + 2H+ + 1/2 O2 > H2O a végeredmény újra víz. A negatív elektródán átfolyó áram működteti a rekombinációt a hidrogén emissziója helyett. De ez a folyamat csak a cella belsejében meglévő gáz halmazállapot esetén megfelelő hatásfokú – ezért kell szeleppel zárni. Folyadék elektrolitú akkumulátor esetén ez nem működik, mivel folyadékban csak a sokkal lassúbb diffúzió „szállítja” az oldott oxigént a negatív lemezhez. Ezt a folyamatot hívják oxigén körfolyamatnak. Amennyiben 100% lenne a folyamat hatásfoka, úgy nem lenne vízfogyasztás. Megfelelő tervezéssel és megfelelő anyagok kiválasztásával a gáz rekombinációja 99%-os lehet.
Oxigén körfolyamat folyadék elektrolit
Hagyományos cella A töltés során felszabaduló oxigén és hidrogén távozik a cella belsejéből.
üvegszálban felitatott elektrolit
VRLA cella A töltés során felszabaduló oxigén a negatív lemeznél rekombinálódik az ott keletkező hidrogénnel és újra vízzé alakul.
Élettartam I. - időtállóság Várható élettartam a hőmérséklet függvényében Életartam a 25°C-on on várható élettartamhoz képest
120,0
100,0
80,0
60,0 Pb NiCd 40,0
20,0
0,0 25
30
35
40
Hőmérséklet
45
50
55
Élettartam II. - Ciklusélettartam Ciklusállóság - Élettartam 14000
12000
Ciklusszám
10000
8000
Pb-Sb 6000
4000
Pb-TPPL 2000
Pb-Ca-Sn 0 10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
Kisütés mélysége [DOD]
80%
90%
100%
Tipikus cellafelépítés - Pb 11.
8. Tartó lemez
2. Mikroporózusos szeparátor
9. Lemez köteg
3. Pozitív rúdelektróda tasak
10. Cellaösszekötő, teljesen szigetelt
4. Pozitív rúdelektróda
11. Átlátszó összekötőfedél, mérőponttal opcionális
5. Negatív lemezköteg
13.
10.
1. Negatív lemez
12. Biztonsági, visszagyújtásgátló celladugó
6. Biztonság pólus, 100%-os tömítettség
12.
13. Pólus fedő
7. Pozitív lemezköteg, lemezenként tasakolva
14. Gumi tömítés 15. Cellafedél
14.
16. Távtartó 17. Cellaedény, optikai szintjelzővel
4.
15. 5.
3.
17.
2. 1. 6.
9.
1. 7.
Tipikus cellafelépítés - NiCd
Akkumulátorok összehasonlítása Típus Ciklusállóság
Élettartam Töltés idő
80% DOD 50% DOD 25%DOD év 80% DOD 50% DOD 25% DOD
PSOC tűrés
Mélykisütés tűrés Túltöltés tűrés Hőmérséklet Kisütés Szellőztetés Vízutántöltés U (üzemi) V/cella
kisütés töltés Imax
kisütés töltés
Pb-Ca-Zn
Pb-Sb
Pb színólom
NiCd
Li-ion LFP
400 575 800 12+ 14h, 10%xCn 10h, 10%xCn 6h, 10%xCn közepes rendsz. feltöltést igényel alacsony
1200 1900 4700 15+ 10h, 40%xCn 7h, 10%xCn 4h, 10%xCn közepes rendsz. feltöltést igényel alacsony/közepes
700 1500 3000 15+ 4h, 50%xCn 2,5h, 10%xCn 1,5h, 10%xCn közepes rendsz. feltöltést igényel alacsony
700 1200 4400 20 8h, 20%xCn 5h, 20%xCn 2,5h, 20%xCn közepes rendsz. kisütést igényel kiváló
>1000 >2500 >10000 20 0,5-1h, 1-2xCn 0,25-0,5h, 1-2xCn 0,1-0,25h, 1-2xCn kiváló
rossz
rossz, gyenge
rossz
gyenge
tilos
-15°C - 45°C -10°C - 45°C
-15°C - 50°C -10°C - 45°C
-15°C - 50°C -10°C - 45°C
-30°C - 50°C -25°C - 50°C
2-3C nem nem 1,7 -2,1V 2,1 - 2,4V
2C igen/nem igen/nem 1,7 -2,1V 2,1 - 2,5V
3-4C nem nem 1,7 -2,1V 2,1 - 2,4V
5-6C igen igen 0,8 - 1,2V 1,2 - 1,7V
-15°C - 60°C 0°C - 40°C 15C nem nem 2,5 - 3,2V 3 - 3,7V
tilos
