Mekkora a feszültség szabványa a hagyományos akkumulátorcelláknál?

Nominális feszültség akucellák kémiai összetétele szerint

Lúgos, NiMH és elsődleges lítiumos AA/AAA cellák

A szokványos és újratölthető AA/AAA akkumulátorok közötti fő különbség a feszültségszintjükben rejlik, ami nagyban befolyásolja, hogy mely eszközökkel működnek megfelelően. A hagyományos lúgos elemek kb. 1,5 volton tartják a feszültséget, egészen addig, amíg ki nem merülnek. Az újratölthető NiMH típusok általában körülbelül 1,2 voltos feszültséggel működnek, de ténylegesen kb. 1,4 voltra nő a feszültségük közvetlenül a töltés után, mielőtt stabilizálódnak. A lítiumos elemek (például a Li-FeS2 típusok) ugyanolyan 1,5 V névleges feszültséggel rendelkeznek, mint a lúgos elemek, de sokkal jobban bírják a terhelést, mivel nagyobb energiasűrűségűek, és kevésbé szenvednek belső energiaveszteségtől. Ezért ideálisak az olyan gyorsan kimerülő eszközökhöz, mint a digitális fényképezőgépek vagy erős zseblámpák. Ennek az oka a kémiai alapelvekben keresendő: a lúgos és NiMH akkumulátorok vízbázisú elektrolitot használnak, így nem mehetnek 1,5 V feletti feszültségre, mert az vízbontáshoz vezethet. A lítiumos elemek másféle vegyi anyagokat alkalmaznak, amelyek természetes módon képesek magasabb feszültségek elérésére. Figyelem: ha valaki 1,2 V-os NiMH akkumulátort helyez be egy olyan eszközbe, amely 1,5 V-os lúgos elemekre lett tervezve, az eszköz előfordulhat, hogy túl korán kapcsol ki – akár 20%-kal hamarabb is, mint várták – pusztán azért, mert a feszültség csökkenése eléri azt a határt, amely alatt az eszköz már nem működik megfelelően.

Általános Li-ion hengeres és prizmatikus akkumulátorcellák feszültsége

A lítiumion-akkumulátorcellák dominálnak a modern újratölthető alkalmazásokban, névleges feszültségüket a katód kémia határozza meg. A hengeres (pl. 18650) és prizmatikus formátumok ezen alapváltozatokkal rendelkeznek:

A katódanyag típusa itt mindenben meghatározó szerepet játszik. A kobalt-oxid (LCO) magas feszültséget biztosít, és sok energiát tárol kis helyen, ami bizonyos alkalmazásoknál nagyon előnyös. A vas-foszfát (LFP) viszont kisebb feszültséget nyújt, de kiválóan működik magas terhelés mellett, hűvösen marad, és hosszabb élettartamú. Ezért sokan az LFP-t részesítik előnyben olyan otthoni akkumulátoros tárolórendszereknél, ahol a biztonság fontosabb, mint a maximális teljesítmény. Az NMC pedig valahol e két véglet között helyezkedik el. Az autógyártók szeretik az elektromos járművekhez az NMC-t, mert mindkét szempontot – teljesítményt és élettartamot – elfogadhatóan kiegyensúlyozza, anélkül hogy bármelyik területen túlságosan lemaradna. Amikor különböző akkumulátor-kémiai típusok kerülnek keveredésbe, baj történhet, ha biztonságos határértékeik alá merülnek. Ha például az LFP-cellák 2,5 volt alá, vagy az NMC-cellák 3 volt alá merülnek, az felgyorsítja az elhasználódást, és idővel akár az egész akkumulátorkombinációt is megsértheti.

Miért különbözik a telepelemek feszültsége: az elektrokémiai háttér a névleges feszültség mögött

A telepelemek feszültsége nem csupán véletlenszerű számok egy specifikációs lapon. Valójában a belső anód- és katódanyagok közötti elektrokémiai tulajdonságok természetes különbségeiből ered. Amikor névleges feszültségről beszélünk, alapvetően arra a pontra gondolunk, ahol az elem általában stabilizálódik kisütési ciklusa során. Ezt a stabilitási pontot azok a kémiai reakciók határozzák meg, amelyek a működés közben zajlanak a telep belsejében. A lítiumion-akkumulátorok körülbelül 3,6–3,7 volton működnek, mivel erős katódanyagokat használnak, például lítium-kobalt-oxidot. Másrészről, a NiMH akkumulátorok másképp működnek: nikkeltartalmú oxihidroxidot és bizonyos hidrogénfelvevő ötvözeteket használnak, amelyek körülbelül 1,2 V-os alacsonyabb kimeneti feszültséget eredményeznek. Három fő oka van annak, hogy miért térnek el ezek a feszültségek a különböző akkumulátortípusok között:

• Redoxpotenciál-különbségek : A lítium erős redukáló hatása és magas elektronaffinitása nagyobb feszültségkülönbséget eredményez, mint a cink (lúgos) vagy a nikkel (NiMH).
• Elektrolit korlátok : A vizes elektrolitok használható feszültségét körülbelül 1,5 V-nál korlátozzák a víz elektrolízisének elkerülése érdekében; a lítiumos rendszerek szerves vagy szilárd elektrolitjai biztonságosan magasabb potenciálokat tesznek lehetővé.
• Reakciókinetika és fázisviselkedés : Olyan vegyi összetételek, amelyek egyfázisú kisütési reakcióval rendelkeznek – például az ezüstkivonat (1,55 V) vagy az LFP (3,2 V) – lapos feszültségplatót eredményeznek, míg a többlépcsős reakciók lejtős görbéket hoznak létre (pl. lúgos elem).

Ezek a különbségek közvetlenül befolyásolják a rendszer architektúráját: a magasabb feszültségű cellák csökkentik a soros kapcsolások számát a kompakt elektronikában, míg az alacsonyabb feszültségű lehetőségek költséghatékony, alacsony teljesítményű terveket támogatnak. Az elektrokémiai elveken alapuló döntéshozatal biztosítja a megfelelő teljesítményt, biztonságot és hosszú élettartamot.

A névleges érték felett: valós terhelés alatti akkumulátorcella-feszültség viselkedése

Kisütési görbék összehasonlítása lúgos, NiMH és Li-ion akkumulátorcellák esetén

A névleges feszültség fogalma valójában csak kiindulópont. Amikor a gyakorlatban terhelés alá helyezzük az akkumulátorokat, jelentős különbségeket tapasztalhatunk a viselkedésükben. Vegyük például az alkalikus elemeket. Ezek körülbelül 1,5 volton indulnak, de fokozatosan veszíteni kezdik teljesítményüket, és gyakran 1,1 volt alá esik a feszültségük, amikor már majdnem lemerültek. A nikkel-hidrid (NiMH) akkumulátorok más történetet mesélnek. Ezek élettartamuk nagy részében viszonylag stabilan tartják a 1,2 volton a feszültséget, mielőtt hirtelen lezuhan a szintjük, amikor körülbelül 80%-ig felhasználták őket. Azonban a lítiumion-akkumulátorok? Azok teljesen más tészta. Mindkét NMC és LFP lítiumkémia körülbelül 3,6, illetve 3,2 volton tartja meglehetősen állandóan a feszültséget a teljes kapacitásuk akár 80%-áig, annak köszönhetően, hogy a lítium milyen egyenletesen mozog bennük. Ez az állapotosság teszi ki az egész különbséget olyan alkalmazásoknál, ahol nagyon fontos pontosan tudni, hogy meddig fog működni valami – gondoljunk például mezőgazdasági tájházak felett repülő drónokra vagy kórházakban használt orvosi berendezésekre. És amikor az eszközöknek hirtelen fellépő teljesítményszükségleteket kell kezelniük, a különbség még nagyobb lesz. Az alkalikus elemek feszültsége jellemzően erősen lecsökken ezek alatt a rövid ideig tartó, nagy teljesítményigényű időszakok alatt, míg a lítiumion-akkumulátorok megbízhatóan továbbadják az energiát. Pontosan ez a megbízhatóság teszi olyan fontossá a lítiumot azoknál a készülékeknél, amelyek számára egyáltalán nem megengedhető az instabil áramellátás.

Feszültségesés, Kikapcsolási Küszöbök és Az Eszköz Kompatibilitásának Kockázatai

Amikor nagy áramigény ideje alatt hirtelen csökken a feszültség, ezt a jelenséget, amelyet feszültségesésnek neveznek, erősen befolyásolja az akkumulátor kémiai összetétele. Az alkáli elemek jelentős mértékű esést mutatnak, terhelés alatt néha körülbelül 1,0 voltra csökkenhet a feszültségük. A lítium-ion akkumulátorok sokkal jobban kezelik ezeket a helyzeteket, mivel alacsonyabb a belső ellenállásuk, és jobb az ionok mozgása. A legtöbb eszköz beépített védelmi mechanizmussal rendelkezik, amely bizonyos feszültségszinteknél lekapcsolja az áramellátást, így védi az akkumulátort és a csatlakoztatott elektronikát is. A tipikus lekapcsolási értékek körülbelül 2,8 volt cellánként a hagyományos lítium-ion akkumulátoroknál, 2,5 volt a lítium-vas-foszfát típusoknál, és körülbelül 1,0 volt a nikkel-metál-hidrid celláknál. Különböző akkumulátor-kémiai típusok keverése komoly problémákat okozhat. Vegyük például, ha olyan berendezést próbálunk üzemeltetni 1,5 V-os alkáli elemekkel, amelyet eredetileg 3,6 V-os lítium-ion akkumulátorokhoz terveztek, még akkor is, ha fizikailag ugyanabba a foglalatba illenek. Ez a nem megfelelő illeszkedés gyakran feszültséghullámokhoz, rendellenes működéshez vagy egyszerűen az indítás lehetetlenségéhez vezet. Akkumulátorok cseréjénél elengedhetetlen, hogy ne csak a névleges feszültséget, hanem a gyártó előírásai szerinti minimális működési feszültséget is ellenőrizzük.

A megfelelő akkumulátorcella kiválasztása feszültségigény alapján

Nagyon fontos, hogy a megfelelő feszültségű akkumulátorcellát válasszuk ki az adott eszköz meghajtásához, különben az eszközök nem megfelelően működnek, hamarabb tönkremennek, vagy néha még veszélyes helyzeteket is okozhatnak. Kezdjük azzal, hogy meghatározzuk, milyen feszültségtartományra van szükség ahhoz, hogy a rendszer megfelelően működjön. A legtöbb ember olyan szabványos feszültségekkel dolgozik, mint a 3,3 V a kis mikrovezérlő alaplapokhoz, az 5 V a háztartásban használt USB-eszközökhöz, és a 12 V, amely autóktól a napelemes rendszerekig szinte mindenhol előfordul. Miután tudjuk, melyik feszültségszint a megfelelő, válasszunk olyan akkumulátortípust, amely közel áll ehhez a számhoz, és illeszkedik a hosszú távon felhasznált teljesítmény mértékéhez. Vegyük példaként a 12 voltos napelem töltésvezérlőket. Ezek gyakran négy, sorba kapcsolt lítium-vas-foszfát (LFP) cellát használnak, mivel mindegyik újonnan körülbelül 3,2 volttal rendelkezik. Ennek az az oka, hogy az LFP-akkumulátorok egész élettartamuk során meglehetősen stabil feszültséget biztosítanak, és jól alkalmazkodnak a forró nyári napokhoz és a hideg téli éjszakákhoz egyaránt.

Ha akkumulátorokat választ, ne álljon meg a csomagoláson feltüntetett névleges feszültségnél. A valós körülmények között mért teljesítmény egészen más történetet mesél. A lítiumion-akkumulátorok valójában több mint 90 százalékát megtartják névleges feszültségüknek egészen az ürülésig. Az alkalikus elemek másképp működnek – feszültségük folyamatosan csökken a használat során, ami komolyan befolyásolhatja a lineáris tápegységek működését. És itt jön egy fontos dolog: minden eszköznek megvan a saját minimális feszültségigénye. Néhány GPS-nyomkövető vagy apró IoT-érzékelő akár teljesen le is állhat, amint az egyes cellák feszültsége 3 volt alá csökken, még akkor is, ha az elem látszólag még rendelkezik töltéssel a szabványos értékelések szerint. Ezért nem mindig elegendő csupán a specifikációk egyeztetése megbízható működés érdekében.

Skálázható tervekhez:

• Párhuzamos kapcsolás használata a kapacitás növelésére csak azonos kémiai összetételű, korú és töltöttségi állapotú cellákkal.
• Soros cellaszám kiszámítása gyakorlati határok alapján:
  Minimum cells = System minimum operating voltage ÷ Cell end-of-discharge voltage
Maximum cells = System maximum input voltage ÷ Cell charging voltage

Ez a megközelítés védelmet nyújt a túlmerítés okozta károk ellen, és alkalmazkodik a feszültségingadozásokhoz dinamikus terhelés alatt – így megbízható, terepre kész akkumulátor-integrációt biztosít.

GYIK

Mi az üzemi feszültség az akkumulátoroknál?

Az üzemifeszültség alatt azt a szabványos feszültségszintet értjük, amelyen egy akkumulátorcella működik kisütési ciklusa során, és amit elektrokémiai tulajdonságai határoznak meg.

Miért különböző az üzemifeszültsége az alkalinos és a NiMH akkumulátoroknak?

Az alkalinos akkumulátorok magasabb üzemifeszültséggel rendelkeznek, mivel vizes elektrolit korlátozásokból adódóan ilyenek, míg a NiMH akkumulátorok alacsonyabb üzemifeszültséggel bírnak, amit kémiai összetételük befolyásol.

Miért részesítik előnyben a lítium-ion akkumulátorokat nagy teljesítményigényű alkalmazásoknál?

A lítium-ion akkumulátorok stabil üzemifeszültséget nyújtanak, és jobban képesek kezelni a nagy teljesítményigényt alacsony belső ellenállásuk és hatékony ionmozgásuk miatt.

Hogyan befolyásolja az akkumulátor kémiai összetétele az eszközök kompatibilitását?

A különböző kémiai összetételek eltérő névleges feszültséget és merülési viselkedést eredményeznek, ami befolyásolhatja az eszköz működését, ha az akkumulátor feszültsége nem felel meg az eszköz követelményeinek.