Die Batterie, als eine der günstigsten Energiespeicherlösungen, hat in den letzten Jahren an Popularität gewonnen. Heutzutage können Batterien nicht nur in persönlichen elektronischen Geräten, Autos und unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen (USV) verwendet werden, sondern auch in Elektrofahrzeugen und zur Speicherung erneuerbarer Energien. Die unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Batterietypen stellen Verbraucher und sogar Ingenieure jedoch vor technische Herausforderungen bei der Auswahl von Batterien und Ladegeräten. In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen zwei der beliebtesten Batteriemodelle erörtert: der Blei-Säure-Batterie und der Lithium-Batterie, sowie die Auswahl eines geeigneten Ladegeräts.
Eigenschaften von Blei-Säure- und Lithium-Batterien
Blei-Säure-Batterien haben als eine der beliebtesten Batterien eine lange Geschichte. Einige der Vorteile sind eine hohe Ladespannungstoleranz, eine hohe Stoßstromfähigkeit, eine lange Betriebstemperatur und niedrige Kosten. Sie sind häufig in mobilen Anwendungen wie Autos und Gabelstaplern sowie in Backup-Systemen zu finden. Die Nachteile von Bleibatterien sind die hohe Selbstentladungsrate und teilweise kurze Lade-/Entladezyklen; daher ist es nicht für Energiespeicheranwendungen geeignet.
Im Gegensatz zu Bleisäure machen die hohe Lade-/Entladerate, die niedrige Selbstentladungsrate und die hohe Energiedichte von Lithiumbatterien sie zu einer besseren Option für die längerfristige Energiespeicherung. Je nach verwendetem Metall in der Kathode von Lithiumbatterien gibt es eine Vielzahl mit unterschiedlichen Leistungen. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) hat eine hohe Energiedichte und ist ideal für die persönliche Elektronik.
Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) hat eine längere Lebensdauer und eine relativ gute thermische Stabilität, was es zu einer besseren Wahl für Energiespeicherlösungen macht. Die Einschränkung von Lithiumbatterien besteht darin, dass thermisches Durchgehen dazu führen kann, dass die Batterie Feuer fängt. Daher erfordern Lithiumbatterien eine kontrolliertere Ladung/Entladung.
Batterieladealgorithmus
Die Nennspannung einer einzelnen Blei-Säure-Zelle beträgt plus oder minus 1,8-3 V bei einem empfohlenen maximalen Ladestrom von 0,3 C. Die meisten Batterien auf dem Markt haben viele Zellen in Reihe und parallel, um eine Batterie mit großer Kapazität bei praktikableren Spannungen wie 12 V, 24 V und 48 V zu bilden. Bitte beachten Sie, dass „12V“, „24V“ oder „48V“ oft ungenau als Angabe des Spannungsbereichs verwendet werden. Die tatsächliche Spannung würde sich basierend auf der verbleibenden Kapazität ständig ändern. Beispielsweise liegt die Leerlaufspannung einer typischen 12-V-AGM-Blei-Säure-Batterie zwischen 10,8 V (30 Prozent Batteriekapazität) und 100 V (XNUMX Prozent Batteriekapazität).
Aufgrund der hohen Eigenverbrauchsrate von Bleibatterien wird oft ein dreistufiges Ladeverfahren empfohlen. Ein typischer Ladezyklus beginnt in der Dauerstromphase („Phase 1“ in Abbildung 1), in der das Ladegerät seinen Ausgangsstrom auf seine maximale Kapazität begrenzt und seine Ausgangsspannung langsam erhöht. Sobald die Batteriespannung die maximale Ladespannung erreicht, schaltet das Ladegerät auf Dauerspannungsstufe („Stufe 2“ in Abbildung 1).
Das Ladegerät beginnt kontinuierlich seine maximale Nennspannung zu erzeugen und steuert seinen Ausgangsstrom. Schließlich schaltet das Ladegerät in die Erhaltungsladestufe („Stufe 3“ in Abbildung 1), sobald der Ladestrom unter zehn Prozent (plus oder minus) des Nennstroms fällt. In diesem Stadium würde das Ladegerät seine Ausgangsspannung reduzieren, um ein Überladen zu verhindern. Obwohl die Batterie zu diesem Zeitpunkt fast vollständig aufgeladen ist, würde sie immer noch ständig Strom aus dem Ladegerät ziehen, um ihre Eigendissipation auszugleichen.
Lithiumbatterien können Nennspannungen von 2 V bis 4,4 V mit einem maximalen Ladestrom von bis zu 1 C haben. Selbst die gleiche chemische Variante von Lithiumbatterien, aber von verschiedenen Herstellern, kann unterschiedliche Nennspannungen und Ladeströme haben. Im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien akzeptieren Lithium-Batterien keine hohe Ladespannung und benötigen keine Erhaltungsladung, um ihren Zustand zu erhalten. Daher werden Lithiumbatterien oft in zwei Stufen geladen (Abbildung XNUMX), ohne die Float-Stufe.
Ein Zellungleichgewicht ist ein Problem für viele Lithiumbatterien. Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann der äquivalente Serienwiderstand (ESR) von Lithiumzellen nicht perfekt angepasst werden. Der Unterschied zwischen ihnen bewirkt, dass Zellen in derselben Bank mit einer anderen Spannung oder einem anderen Strom geladen werden. Zellen mit niedrigem ESR werden immer zuerst geladen/entladen, sodass diese Zellen schneller altern und ausfallen.
Ein Zellungleichgewicht verkürzt nicht nur die Batterielebensdauer, sondern kann auch ein thermisches Durchgehen verursachen und zu einem Sicherheitsrisiko werden. Um diesen Nachteil zu überwinden, müssen große Lithiumbatteriebänke immer mit Batteriemanagementsystemen (BMS) ausgestattet werden. Die Grundfunktion von BMS besteht darin, den Ladezustand zu überwachen und die Zellen passiv oder aktiv auszugleichen.
Das passive BMS gleicht die Zellen aus, indem es die vollsten über Leistungswiderstände entlädt. Es ist robust und relativ einfach zu entwerfen, aber nicht so effizient und weniger effektiv. Andererseits lädt das aktive BMS die Zellen einzeln, um die Ladezustände anzupassen. Da das aktive BMS über eine Ladesteuerung für jede Zelle verfügt, benötigen einige Lithium-Batteriebänke mit aktivem Ausgleichs-BMS nur Konstantspannungs-AC/DC-Stromquellen als Ladegerät.
Intelligente Batterieladelösung von MEAN WELL
Wie oben erwähnt, können Batterien verschiedener Chemikalien und von verschiedenen Herstellern unterschiedliche Eigenschaften haben. Es wird auch empfohlen (obligatorisch für Lithiumbatterien), die Ladekurve optimieren zu lassen, um Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Die programmierbaren CD-Ladegeräte von MEAN WELL mit dem intelligenten Laderegler SBP-001 bieten Flexibilität und eine benutzerfreundliche Schnittstelle zur Anpassung der Ladekurve.
Als Beispiel verwenden wir die neue HEP-mil-Serie und wählen das Modell HEP-1000-48 mit 48 V Konstantspannung und einer maximalen Leistung von 1008 W. Benutzer können das HEP-mil-48 mit dem MEAN WELL SBP-uno Smart Charger Programmer verbinden und den perfekten Lademodus aktivieren. Die standardmäßige Ladekurve ist 3-stufig (Abbildung 3) für typische versiegelte Blei-Säure-Batterien mit einer Boost-Ladespannung von 57,6 V und einer Float-Ladespannung von 55,2 V. Die Ladespannung und der Ladestrom können einfach auf 36 ~ 60 V bzw. 5 ~ 17,5 A für andere Arten von Blei-Säure-Batterien eingestellt werden.
Durch einfaches Auswählen des zweistufigen Lademodus kann der HEP-1000 auch zum Laden von Lithium-Akkus mit dem gleichen Einstellbereich verwendet werden. Um eine 4-Ah-LiFePO20-Batterie mit einer maximalen Ladespannung von 56 V zu laden, können die Optionen „CV“ und „CC“ (siehe Abbildung 4) für schnelleres Laden auf 56 V und 17,5 A eingestellt werden. Der Benutzer kann auch den Ladestrom reduzieren, um einen Temperaturanstieg und einen niedrigen Spannungsabfall zu vermeiden, um die Möglichkeit einer Überladung zu vermeiden.
Schlussfolgerungen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die programmierbaren Ladegeräte von MEAN WELL zur Anpassung an die Anpassung der Ladekurven verwendet werden können, die für Blei-Säure- oder Lithium-Batterien erforderlich sind. Passen Sie Ladespannung und -strom temperaturabhängig an, schonen Sie die Batterie, optimieren Sie ihre Kapazität und verlängern Sie ihre Lebensdauer.
