Ackumulatorer, kapacitet och energi

Vid sidan av de välkända blyackumulatorerna (Pb) och nickel-metallhydrid-ackumulatorerna (NiMH) satsar vi inom radiotekniken, till exempel vid portabel drift, allt oftare på litiumjärnfosfat-ackumulatorer (LiFePO4). Låt oss först titta på en ackumulator och dess märkning i figur HAREC-10.5.1.

Den här alternativtexten har inte granskats ännu.

Sammanfattning: Rektangulärt, blått krympfolierat batteripack med stor etikett ”ZIPPY 4200” i serien ”30C Series”, fotograferat framifrån.

Beskrivning: Batteriet är inpackat i blå krympfolie, hörnen är något vikta; uppe till vänster sticker tjocka ledningar ut (en röd kabel med blå isolering syns vid utgången). Den centrala etiketten har en röd och mörkblå utformning med stor silverfärgad text ”ZIPPY”, till höger om den talet ”4200” i vit och silverfärgad kontur och ovanför ”30C Series” i ljusblått. Under står ”HIGH DISCHARGE LiFe BATTERY”. Längst ned listar ett avsnitt ”VOLTAGE” med små cirkelsymboler alternativen ”2 CELL 6.6V”, ”3 CELL 9.9V”, ”4 CELL 13.2V”, ”5 CELL 16.5V”, ”6 CELL 19.8V”. Bredvid finns blå rutor ”1P” och ”2P” samt piktogram med text: ”LONG LIFE”, ”LOW IMPEDANCE”, ”CELL MATCHED”, ”HIGH CHARGE RATE”. Nere till höger finns ett stiliserat fågelhuvud med varumärkeslogotypen ”flightmax”. Längst ned med liten text: ”Please read safety warning & usage guidelines at www.zippybattery.com before use.”
Figur HAREC-10.5.1: LiFePO4
  • Kapacitet: $\qty{4200}{\milli\ampere\hour}$
  • Spänning: 4S1P / $\qty{13,2}{\volt}$

De viktigaste uppgifterna för oss är märkspänningen $\qty{13,2}{\volt}$ och kopplingen 4S1P. Det betyder att märkspänningen $\qty{13,2}{\volt}$ kommer från 4 celler i serie och 1 gång parallellt, alltså alla 4 i serie. Vanligtvis har LiFePO4 en cellmärkspänning på $\qty{3,2}{\volt}$ till $\qty{3,3}{\volt}$. Därmed blir det $\qty{3,3}{\volt} \cdot 4 = \qty{13,2 }{\volt} \cdot 1 = \qty{13,2}{\volt}$.

I en 4S2P är sammanlagt 8 celler inbyggda: 4 i serie och det 2 gånger parallellt. Det ger då en spänning på $\qty{13,2}{\volt}$ men en kapacitet på $\qty{8400}{\milli\ampere\hour}$.

I exempelackumulatorn anges $\qty{4200}{\milli\ampere\hour}$ som märkkapacitet. Ackumulatorns märkkapacitet $Q$ kallas också laddning och anges i $\unit{\ampere\hour}$ eller $\unit{\milli\ampere\hour}$.

För vår exempelackumulator motsvarar det $\qty{4,2}{\ampere\hour}$. Det skulle teoretiskt betyda att vi kan belasta ackumulatorn i $\qty{1}{\hour}$ med $\qty{4,2}{\ampere}$ eller i $\qty{2}{\hour}$ med $\qty{2,1}{\ampere}$ och så vidare. Det beskrivs med formeln:

$$t=\frac{Q}{I}$$ $$t=\frac{\qty{4,2}{\ampere\hour}}{\qty{4,2}{\ampere}} = \qty{1}{\hour}$$

Nu vill vi också veta hur mycket elektrisk energi som finns lagrad i ackumulatorn. Energin ($\unit{\watt\hour}$) är ackumulatorns laddning $Q$ ($\unit{\ampere\hour}$) multiplicerad med totalspänningen $U$ i volt.

$$\qty{1}{\watt\hour} = \qty{1}{\ampere\hour} \cdot \qty{1}{\volt}$$

För vårt exempel beräknar vi $\qty{4,2}{\ampere\hour} \cdot \qty{13,2}{\volt} = \qty{55,44}{\watt\hour}$ som lagrad energi.

Vid serie- respektive radkoppling av ackumulatorer, som i figur HAREC-10.5.2, adderas spänningarna och kapaciteten förblir densamma. Vid parallellkoppling som i figur HAREC-10.5.3 förblir spänningen densamma och kapaciteterna adderas.

Den här alternativtexten har inte granskats ännu.

Kortfattat: Ett kopplingsschema visar fyra seriekopplade celler B1–B4 med vardera 3,3 V och 4200 mAh, som tillsammans ger en total spänning på 13,2 V (4200 mAh).

Detaljerad beskrivning: Till vänster finns ett plustecken, till höger ett minustecken; mellan dem går en horisontell ledning. Överst visar en pil åt höger med texten ”13,2 V 4200 mAh”. Därunder markerar ytterligare pilar delspänningar: från vänster till ungefär tre fjärdedelar ”9,9 V” och till höger en kort pil ”3,3 V”. På mellanhöjd finns två pilar åt höger märkta ”6,6 V”, över den vänstra respektive högra hälften. Lodräta streckade linjer delar grafiken i fyra lika stora avsnitt. Längst ned finns fyra batterisymboler bredvid varandra med beteckningarna ”B1”, ”B2”, ”B3”, ”B4” ovanför; under varje symbol står en pil åt höger med ”3,3 V” och därunder ”4200 mAh”. Upplägget visualiserar hur de fyra cellernas spänningar summeras medan kapaciteten är oförändrad.
Figur HAREC-10.5.2: Seriekoppling
Den här alternativtexten har inte granskats ännu.

Kortfattat: Kopplingsschema för ett batteripack med åtta celler: två parallellkopplade serier om fyra, totalt 13,2 V och 8400 mAh.

Detaljerad beskrivning: Teckningen visar till vänster en pluspol och till höger en minuspol som öppna cirklar med +/–. Mellan två sidoskenor ligger åtta battericeller B1 till B8 ritade som kondensatorsymboler. Övre raden: B1–B4 i serie från vänster till höger; undre raden: B5–B8 i serie från höger till vänster; båda raderna är ledande förbundna på sidorna (parallellkoppling av de två serierna). Varje cell är märkt med ”3,3 V” och ”4200 mAh” samt en liten pil åt höger. Överst markerar pilar summaspänningarna: över hela bredden ”13,2 V 8400 mAh”, ovanför dessutom delpilar med ”9,9 V”, ”6,6 V” och ”3,3 V” motsvarande avsnittens längd; streckade lodräta linjer delar schemat i fyra lika breda avsnitt. Fyllda punkter markerar anslutningarna för serierna till sidoskenorna.
Figur HAREC-10.5.3: Parallellkoppling

Tänk på att när en LiFePO4 används kopplad som 4S1P kan spänningar mellan $\qty{10}{\volt}$ och $\qty{14,4}{\volt}$ förekomma. Inte alla radioapparater klarar dessa spänningar. Det är också viktigt att vi bara kopplar ihop celler/ackumulatorer med samma data, eftersom cellerna påverkar varandra och annars kan skadas. Särskilt för dagens litiumackumulatorer är det lämpligt att bygga in en övervakningsenhet (balanserare, batterimonitor). Den sörjer bland annat för nödvändig utjämning av cellspänningarna och för optimal laddning.

Man måste veta att totalspänningen motsvarar summan av cellspänningarna. Totalladdningen motsvarar däremot laddningen hos en cell.

I ett sådant räkneexempel måste först den uttagbara laddningsmängden på $\qty{90}{\percent}$ bestämmas. Urladdningstiden $t$ ges av: $t=\frac{Q}{I}$


Fortsätt till nästa avsnitt: Solceller