Őrtechnológia a gyakorlatban ENERGIAFORRÁSOK II. Akkumulátorok, elemek, peltier elemek
Szimler András BME HVT, Őrkutató Csoport, 708.labor
Li alapú akkumulátorok • Li-ion – Mechanikailag erısebb – Szivárgásveszély
• Li-polimer – – – –
Könnyő Vákuumot nem bírja Nincs szivárgásveszély Tőz és robbanásveszélyes
• LiFePO4 (lítium-vas-foszfát) – Biztonságos, nem érzékeny – Gyorsan tölthetı, nagy áramokkal terhelhetı (elektromos jármővek) – Kisebb feszültség (Unom=3,3V) és kisebb energiasőrőség 2012.05.03.
Akkumulátorok
2
A Li-ion akkumulátorok töltési és kisütési jelleggörbéi
A SAFT MP144350 2,6Ah kapacitású cella adatai C az akkumulátor kapacitása Töltés állandó áram/állandó feszültség (CC/CV) eljárással
2012.05.03.
Akkumulátorok
3
A Li-ion akkumulátorok élettartamát befolyásoló tényezık • Hımérséklet – Normál mőködési tartomány 0…50C° – Magasabb hımérsékleten nagyobb önkisülés és maradandó kapacitás vesztés (tárolás!) – Alacsony hımérsékleten nem tölthetı és kisebb a kivehetı kapacitás
• Feszültség – – – –
Legnagyobb töltési feszültség 4,2V +/- 30…50mV (túltöltés) (őr és implant 4,1V) 3,9V felett egyre jelentısebb maradandó kapacitásvesztés (tárolás!) Legkisebb lesütési feszültség 2,5V…3V (mélykisülés) A töltési és kisütési végértékek aránya (DOD)
• Áram – Legnagyobb töltı áram C – A legnagyobb kisütı áram C…2C – A töltés végén illetve nagyon lesült cella töltı áramának nagysága 0,1C
• Ciklusok száma – A ciklusok számával csökken a kapacitás (0,8C n x 500 ciklus)
2012.05.03.
Akkumulátorok
4
A Li-ion akkumulátorok védelmi áramkörei Az akkumulátorokkal egybeépített védelemi áramkörök fıleg csak durva hibák ellen védenek, második, esetenként harmadik védelmi szintet jelentenek. • • • • •
2012.05.03.
Túltöltés Mélykisülés Túláram Túl magas hımérséklet Soros cellák esetén cellánkénti túlfeszültség (elsıdleges pontos védelem)
Akkumulátorok
5
Európai kismőholdak Li-ion akkumulátorai Egyetlen európai gyártó: SAFT Franciaország • ITAR mentes • LEO pályás kismőholdak számára prizmatikus MPS cella • s-p topológiára ajánlott
Fıbb adatok Névleges feszültség: 3,75V Kapacitás: 2,6Ah @ 4,2-2,5V 20Cº 0,5A Élettartam (0,8C) 500ciklus @ 100% DOD esetén Maximális pulzus áram 4C Mechanikai méretek: 54,5x43,9x14,9mm Tömeg: 68g 2012.05.03.
Akkumulátorok
6
A Rosetta Lander akkumulátora Li-ion 7s2p 140Wh Hıszigetelı MLI fólia (Multi Layer Insulator)
Termisztor Impregnált aramid méhsejt struktúra Poliimid szigeteléső főtıfólia
2012.05.03.
Akkumulátorok
7
Akkumulátor szimulátorok • DC tápegység – Magában csak kisütés üzemmódra alkalmas
• Elıterhelt DC tápegység – Töltés és kisütés üzemmódra egyaránt alkalmas – A töltıáramtól függetlenül mindig ugyanannyit disszipál
• Sönt stabilizátor – Csak töltés üzemmódra alkalmas – A töltıárammal arányosan disszipál 2012.05.03.
Akkumulátorok
8
Elıterhelt tápegységes akkumulátor szimulátor és méretezése Itáp
Ikisütı
Itöltı +
Állítható DC tápegység
Rb Utáp Cp
Re
Ielıterhelés
Ubat -
Re elıterhelı ellenállás Rb az akkumulátor belsı ellenállása Cp puffer kondenzátor
2012.05.03.
Utáp = Ubatmin --- Ubatmax Itáp = Ielıterelés + Ikisütı kisütés alatt Itáp = Ielıterhelés - Itöltı töltés alatt PRemax = Ubatmax2 / Re
Akkumulátorok
9
Sönt stabilizátoros akkumulátor szimulátor Itöltı Rb
R1
T1 Usönt
R2
Uref
+
Rb az akkumulátor belsı ellenállása Uref referencia feszültség R1, R2 visszacsatolás, feszültség osztó T1 sönt tranzisztor 2012.05.03.
Ubat
Akkumulátorok
Usönt= Uref x (R1 + R2) / R2 Ubat = Usönt + Rb x Itöltı PT1 = Itöltı x Usönt
10
Megépített akkumulátor szimulátorok Elıterhelt tápegységes szimulátor
Sönt stabilizátoros szimulátor
Elıterhelés
Belsı ellenállás Osztó
Szabályozó áramkör
Puffer kondenzátor 2012.05.03.
Sönt tranzisztor
Akkumulátorok
11
Napjaink korszerő Li elemei • LiMnO2 – Nem mérgezı – Olcsó
• LiSO2 – Nagyobb áramterhelhetıség – Kicsi önkisülés
• LiSOCl2 (lítium-tionil-klorid) – – – –
Nagy energiasőrőség Nagyobb cella feszültség 3,6V Mérsékelt áramterhelhetıség Hosszú állás után formázni kell
2012.05.03.
Akkumulátorok
12
Peltier elemek Peltier effektus: Áramot folyatva az eszközön az egyik oldala melegedni fog miközben a másik oldal hőlni. Az áram polaritásának megfordításával a termikus viszonyok is felcserélıdnek Felhasználási területek: • Elektronikus hőtés • Termikus stabilizálás
Seebeck effektus: A két oldal ∆T hımérsékletkülönbsége esetén a kapcsokon feszültség különbség jön létre. Felhasználási terület: • Termoelektromos energia generálás (RTG, légköri szonda, hulladékhı hasznosítás) 2012.05.03.
Akkumulátorok
13
Ellenırzı kérdések • Milyen Li alapú akkumulátorokat ismer, melyek ezek fıbb tulajdonságai? • Hogyan néz ki egy Li-ion akkumulátor cella U/C kisütési karakterisztikája a kisütı áram nagyságának függvényében? • Hogyan néz ki egy Li-ion akkumulátor cella U/C kisütési karakterisztikája a hımérséklet függvényében? • Hogyan változik idıben egy Li-ion akkumulátor cella árama és feszültsége a CC/CV töltési eljárás során? • Milyen tényezık befolyásolják egy Li-ion akkumulátor élettartamát? • Milyen funkciói vannak a Li-ion akkumulátorok védelmi áramköreinek? • Milyen felépítéső akkumulátort blokkot célszerő kialakítani alacsony pályás kismőholdak számára? • Milyen megoldásokkal védték a Rosetta Lander akkumulátorát a túlzott lehőlés ellen? • Hogyan néz ki egy elıterhelt akkumulátor szimulátor elvi felépítése? • Milyen Li alapú elemeket ismer, melyek ezek fıbb tulajdonságai? • Milyen felhasználási lehetıségei vannak a peltier elemeknek?
2012.05.03.
Akkumulátorok
14
Köszönöm a figyelmüket!
2012.05.03.
Akkumulátorok
15
