Batteriskolan Del 1 – Batterityper

Val av batterityp

Det är en mängd faktorer som ska tas i beaktande när du ska välja ett batterisystem. På vilket sätt kommer det att dra ström, och vilken nivå eller effekt? Behövs snabbladdning? Vilka omgivningstemperaturer är det under laddning och urladdning? Önskad livslängd? Pris? Alla dessa faktorer är av stor vikt.

Vissa batterier används som uppbackning i kritiska system, som till exempel livsuppehållande produkter, medan andra endast avser att hålla en lampa tänd lite längre tid. Emellertid är det alltid värdefullt att undersöka och gå igenom själva konceptet, storlekskrav och vilka krav som finns på underhåll – allt för att försäkra oss om att rätta investeringar görs.

Först av allt, det är viktigt att komma ihåg att ett batteri är en energiomvandlare som lagrar kemisk energi. Denna energi omvandlas till elektricitet när den fullbordar ett kretslopp genom en extern krets – eller, omvänt, tar emot elektrisk energi från en laddare och lagrar detta som kemisk energi.

Även en kondensator kan laddas och avge energi, men då är det i stället en elektrisk laddning som lagras. Se även nedan vad gäller kondensatorer och laddare.

Mindre och medelstora blybatterier (VRLA, AGM/GEL) kallas ibland felaktigt för underhållsfria batterier. De klarar höga strömuttag under en kort tid, men för att kunna nyttja batteriets totala kapacitet måste strömförbrukningen vara tämligen låg. Den nominella kapaciteten återges normalt med 20 timmars urladdning och vid högre strömuttag (kortare tid) blir den totala kapaciteten lägre. Energitätheten brukar anges kring 30-50Wh/liter (Wattimmar/liter) eller 20-30Wh/kg och den nominella cellspänningen är 2V.

Blybatterier är en kostnadseffektiv lösning och är tämligen enkla att använda och handhava.  De har ingen så kallad minneseffekt och de kan laddas även om de inte är helt tomma (urladdade), men ska dock aldrig lämnas helt urladdade, då de riskerar att förstöras inom en mycket kort tid.

Även Nickel-Kadmiumbatterier tål höga och kortvariga strömuttag och bibehåller sin nominella kapacitet även vid relativt omfattande strömmar. De finns i en mängd olika utföranden, storlekar och kapaciteter, inkluderandes höga omgivningstemperaturer och snabbladdning.

De kan sättas samman till ”önskad” form och prestanda och är således väl beprövade. Energitätheten är 50-150Wh/liter (Wattimmar) eller 40-80Wh/kg; den nominella cellspänningen är 1.2V. NiCd-batterier tillverkas i form av cylindriska, prismatiska (rektangulära) och knappceller.

De är lätta att underhållsladda, men kräver övervakning vad gäller snabbladdning.

Nickel-Kadmium fungerar bäst när de får arbeta hårt och de ska alltid vara fullt urladdade innan de laddas upp igen, annars kan den så kallade minneseffekten uppstå, vilket medför att batteriets kapacitet gradvis försämras. Vanligtvis kan de ”restaureras” genom att fullt laddas upp och ur eller så kan utrustning för att rekonditionera laddningsbara batterier användas. På grund av den ingående tungmetallen kadmium är Nickel-Kadmiumbatterier föremål för höga miljöavgifter och följaktligen är de på väg att fasas ut, såväl inom EU som i resten av världen.

Nickel-Metallhydridbatterier påminner i stort om Nickel-Kadmium och är mer miljövänliga i och med att de inte innehåller några tungmetaller. De har omkring 50 procent högre kapacitet än motsvarande NiCd storlek och energitätheten är kring 280-340Wh/liter eller 80-120Wh/kg med en nominell cellspänning på 1.2V.

NiMH kan inte hantera lika höga strömmar som NiCd och självurladdningen är högre än hos andra batterisystem. Det gör att du ska vara uppmärksam på om applikationens funktion innebär att det är lång tid mellan laddning av batteriet och användandet av utrustningen.

Det finns även en nyare generation av NiMH-celler som har en betydligt lägre självurladdning (”Low Self Discharge” eller ”LSD” celler). Dessa har i första hand tagits fram i mindre cellstorlekar (AAA/R03 eller AA/R6) med en kapacitet upp till 2200-2500mAh.

Egenskaperna vad gäller laddning av NiMH följer generellt sett NiCd, men med mer strikt kontroll av spänningskurvan och temperaturen. Minneseffekten är lägre än hos NiCd. Formfaktorer och struktur är desamma som för NiCd och oftast, men inte alltid, igenkänns de av ett grönt plasthölje runt cellen.

Litium-jonbatterier har hög kapacitet i förhållande till dess volym och vikt, upp till drygt 400Wh/liter eller 200Wh/kg och blir det rätta valet när vikten spelar en stor roll. De är dyrare än andra teknologier, men priserna går gradvis ned med tanke på att fler och fler använder denna teknologi. För närvarande är fordonsindustrin den drivande kraften bakom forskning och utveckling av litiumbaserade batterier.

Cellspänningen är nominellt 3,6-3.7V och följaktligen används många gånger en enkelcell, speciellt i mobiltelefoner. Li-jonbatterier förses alltid med en skyddskrets (PCM, Protection Circuit Module) som säkerställer säkerheten samt förhindrar överladdning, djupurladdning mm. Laddningstekniken påminner om blybatterier, men batteriet kan laddas snabbare, ända ned till 2–3 timmar, specialvarianter finns som kan laddas ännu snabbare.

Under laddningen övervakas även balanseringen (spänningsnivån) mellan de individuella cellerna i batteripaketet med en speciell elektronisk krets (VBB) som kan vara ett separat kretskort, men som oftast är kombinerat med skyddskretsen. Balanseringen kan antingen vara passiv eller aktiv, varav det senare ger ett såväl snabbare som mer exakt resultat.

Cellerna tillverkas i såväl cylindrisk som prismatisk (rektangulär) form. Litium-jonbatterier blir allt mer och mer vanliga i applikationer med låg till medelstort strömuttag, medan undergruppen Litium-jon/manganoxid är en variant som är anpassad för högre strömuttag.

Li-jonbatterier har ingen minneseffekt och kräver ingen rekonditionering. Självurladdningen är låg, men hänsyn måste tas till lagringstemperatur och det faktum att bland annat skyddskretsarna drar viss ström.

Litium-polymer (Li-Pol) batterier liknar kemiskt sett de vanliga (cylindriska) Li-Joncellerna. Konstruktionen är sådan att du i princip kan forma cellen som du önskar, vilket är en dröm för en designer.

Det finns således inget behov för en ”hård” kapsling, endast plast eller aluminiumfolie och de kan ”pressas” så att passformen blir optimal i till exempel batteriutrymmet i en dator eller en mobiltelefon. Li-Polymer fungerar som Li-Jon, dock allra bäst i låga eller medelhöga strömmar och de kräver längre uppladdningstid. Specialvarianter för höga strömuttag finns. Prismässigt kan de vara mer fördelaktiga, tack vare en enklare tillverkningsprocess jämfört med Li-Jon. De är nu för tiden de mest vanliga laddningsbara litiumcellerna i portabla utrustningar.

Kallas även Litium Järnfosfat eller LiFe celler. Dessa tillhör samma familj som Li-Jon, men har en annorlunda kemisk struktur och en något lägre cellspänning, nominellt 3.2V, dock vanligtvis med kapaciteten att ta höga strömmar. De har dessutom en mycket bra cykellivslängd, upp till 2000 cykler hos vissa fabrikat; dessa kan även laddas snabbare än Litium-Jonceller. Energitätheten är kring 200-250Wh/liter eller upp till 100-135 Wh/kg.

De är mer stabila och i mindre grad föremål för termisk rusning jämfört med vanliga Li-Jon/Li-Polymer celler och i vissa fall behövs endast enklare skyddskretsar, som till exempel inbyggd cellbalansering av spänningen mellan seriekopplade celler.

Det finns ytterligare Li-Jonbaserade kemityper, som LiCoO2 Litium-Jon koboltoxid, LiMn2O4 Litium-Jon mangandioxid, LiNiO2 Litium-Jon nickeloxid, det vill säga några av de många varianter som håller en energitäthet mellan 200-300/Wh/liter eller 100-130Wh/kg.

Vi kan förvänta oss åtskilliga nya koncept i framtiden, vilka främst kommer att tas f ram av fordonsindustrin i samarbete med stora batteriproducenter.

Detta är en mindre vanlig variant av Alkalineceller (primärbatterier) som designats för laddning. Dessa har den för primärbatterier sedvanliga slutspänningen på 1.5V och kan återuppladdas 10-50 gånger, lite beroende på hur djupt de laddats ur. RAM fungerar inte vid högre strömmar och specialladdare krävs. En fördel är att de har samma slutspänning som vanliga Alkaline engångsceller.

Det finns en mängd olika litiumteknologier och alla har egenskapen av en mycket hög energitäthet i förhållande till vikt och volym samt en lång lagringstid, upp till 10-15 år. Cellspänningen är 3.0-3.6V och dessa tillverkas i samma format och form som vanliga konsumentbatterier, men används även för kretskortsmontage, inom industrin, till exempelvis minnesuppbackning. En vanlig variant är Litium-tionylklorid (3.6V), anpassade för låga och medelhöga strömmar, samt Litium-svaveldioxid respektive Litium-mangandioxid (3.0V) för högre strömuttag. De sistnämnda är vanliga i till exempel kameror och ficklampor.

Idag finns det även åtskilliga tillverkare av litium celler med en spänning på 1.5V (Litium järn disulfid, LiFeS2) som direkt kan ersätta konventionella Alkaline konsumentceller som AA, AAA och även 9V-batterier. Dessa har många goda egenskaper, som till exempel köldtålighet, lång lagringstid, anpassning till höga strömmar. Priset är högre än hos Alkalineceller, men motverkas av den långa livslängden där ett klassiskt exempel är 9V batterier till rök och brandvarnare som fungerar upp till 8–10 år innan ersättning blir nödvändig.

Så kallade ”smarta batterier” är något vi ser allt oftare och de kallas även ”infobatterier” (i samband med bland annat kameror) eller intelligenta batterier. Dessa är inte bundna till någon speciell batterikemi och har länge suttit i bland annat laptop och videobatterier samt även många andra applikationer. Den så kallade smarta kretsen fungerar som en klocka och tankmätare på batteriet. Ett kretskort med en mikroprocessor (BMS = Battery Management System, SBS = Smart Battery System) är inbyggt i batteriet och mäter med exakthet ladd och urladdningsstatus, temperatur, antal cykler och andra parametrar.

Resultatet visas på en skärm eller monitor till utrustningen och man kan alltid se den återstående kapaciteten i procent eller drifttid i timmar och minuter. Detta ska jämföras med tidigare enklare batterimätare, bestående av ett par lysdioder på en liten dataskärm eller dylikt och som endast ungefärligt visade batteriets status. Information mellan batteriet och den externa utrustningen kan kommuniceras i olika format, som till exempel en fysisk databuss, vanlig standard är SM-buss, I2C-buss samt CAN-buss.

I större batterisystem, som till exempel elektriska fordon och liknande, finns ofta många delar och moduler, instrument, dataskärmar, motorövervakning och laddningskretsar som delar data och information från batteriets kommunikationsbuss. Komponenter av batterier och celler kan delas upp mellan styrande moduler och slavmoduler och tillverkarna använder olika namn för komponenterna, som till exempel BMS och BMU.

Strömförbrukningen är avgörande

Vanliga Alkalineceller används exempelvis till portabel två-vägsradioutrustning i stället för laddningsbara celler. På pappret har de en högre kapacitet än NiCd och NiMH celler i samma storlek. Ett exempel är AA/R6 Alkaline som är på 2800mAh, medan motsvarande kapacitet i NiCd-version kanske bara håller 900mAh, men drifttiden blir inte alltid längre. Detta beror på att den interna resistansen är högre och polspänningen sjunker snabbt när batteriet laddas. Batteriet är således inte anpassat för att fungera vid höga strömmar. Även det så kallade Mangandioxidbatteriet, som är föregångaren till dagens Alkaline, säljs som ett alternativ till lägre pris, men de passar bäst till applikationer med låg strömförbrukning.

Kondensatorer och batterier, ”Superkondensatorer”

I vissa sammanhang kan kombinationen av ett laddningsbart batteri och en kondensator med hög kapacitans vara ett användbart koncept. Primärbatterier (icke laddningsbara) parallellkopplas ofta med kondensatorer med syfte att motverka de kortvariga spänningsfallen som annars uppstår i litiumbatterier när du belastar dem efter att batterierna ”vilat” en lång tid.

Så kallade superkondensatorer, en speciell sorts flerskikts elektrolytisk kondensator, används ofta i samband med höga effektuttag i laddningsbara system som i elektriska fordon och även i samband med energilagring i stor skala.

En mycket hög kapacitans från några F (Farad) till åtskilliga tusen F kan uppnås och kondensatorn kan under korta stunder ge åtskilliga kW på samma sätt som den snabbt kan återuppladdas. Jämfört med ett batteri har dock kondensatorn ett betydligt lägre energiinnehåll eller energitäthet, endast kring 2-3Wh per liter eller kilo medan till exempel ett litium-jonbatteri, med lätthet har en energitäthet som är 100 gånger högre eller mer. Kondensatorn har en högre förmåga att hantera ögonblickliga strömeffekter och cykellivslängden är betydligt bättre. Kombinationen superkondensator och batterier eller andra kraftkällor ger ofta ett bra resultat.

Bränsleceller

Bränsleceller är ett system som direkt och kontinuerligt omvandlar kemisk energi till elektrisk energi. Det kan liknas kring ett batteri som kontinuerligt kan tankas. Det vanligaste bränslet är vätgas som elektrokemiskt bryts ned och oftast utnyttjar en så kallad reformator som omvandlar kolvätebaserat bränsle, som till exempel metanol, till väte och koldioxid.

Grundstommen bakom bränsleceller går ända tillbaka till tidigt 1800-tal, men det var inte förrän på 1950-talet som mer brukbara bränsleceller kunde produceras med hög effekt. De drivande krafterna var NASA och rymdprogrammet och idag går det att köpa såväl användbara som praktiska system. Effektiviteten kan i teorin nå över 80 procent, men är i praktiken endast omkring 50-60 procent. Utsläppen från en kontinuerligt arbetande bränslecell är ”rena” och består oftast bara av rent vatten om cellen till exempel förses med väte.

Batterier och batterisystems livslängd och ekonomi

Livslängden hos olika batterityper är avhängiga en mängd faktorer, som omgivningstemperatur eller hur djupt batteriet laddats ur. Ett NiCd-batteri kan tåla 500-1000 cykler eller mer under gynnsamma förhållanden medan NiMH och Litium-Jon klarar aningen färre cykler, framför allt i större industriella system. Flera av de nya teknologierna, som Li-Järnfosfat, kan optimeras till att klara många cykler och stora resurser läggs ned på forskning, speciellt kring elfordon.

Även blybatterier kan optimeras för såväl cyklisk som underhållsapplikationer och kan i det senare fallet fungera minst 10–15 år.

En viktig faktor vad gäller till exempel Litium och blyteknologi, är hur djup urladdningen (DOD) är, vilket avgör batteriets förväntade livslängd. Om du endast använder 80 procent av den nominella batterikapaciteten erhåller du betydligt fler cykler, en längre livslängd och en lägre risk för batterihaveri.

Utvecklingen inom batterier går mycket snabbt. För mer detaljerad information om de olika kemiska systemen eller en specifik applikation, kontakta alltid Celltech.

Tips! Konsultera alltid Celltech om du har frågor kring din aktuella applikation.