1. No category

Batterikemi - Litiumjonbatteriet
Battery Status Module
Batterikemi - Litiumjonbatteriet
Battery Status Module
1(2)
Johan Persson
0735 – 34 34 81
[email protected]
Laddning av lithium jon batterier
Uppladdning av ett lithiumjon batteri kan delas in i tre faser. Under den första fasen sker
uppladdningen under strömbegränsning. När spänningen nått den maximala spänningen om 4,2 Volt
påbörjas fas 2, under vilken spänningen på 4,2 Volt bibehålls medan strömmen sjunker. När
strömmen är nere på 3% av sitt ursprungsvärde inleds fas 3 under vilken laddning av batteriet
avslutas, batteriet är nu fulladdat. Ibland har laddaren även en fjärde fas då 4,2 Volt läggs över
polerna varpå man återigen inväntar att strömmen når 3% av sitt ursprungsvärde. 1 En typisk
laddningscykel som innefattar all fyra faserna tar 3 timmar med en strömnivå om 0,8 C vilket är den
strömnivå som rekommenderas bland tillverkare av lithium jon batterier. 1 Ibland används en
snabbare metod att ladda batteriet där endast fas 1 används. När spänningen över polerna nått 4,2
Volt anses batteriet vara fulladdat. Denna metod ger ett till 85% uppladdat batteri.1
Laddning av ett lithiumjon batteri över spänningsgränsen på 4,2 Volt leder till att lithium börjar att
bildas vid anoden samtidigt som det bildas koldioxid vid katoden. Tillväxten av lithium dendriter
vid anoden kan penetrera separatorn och kortsluta batteriet internt. 2 En ökning av koldioxid vid
katoden kan leda till att trycket och temperaturen ökar i batteriet vilket kan få förödande
konsekvenser.1 Även överurladdning av batteriet är skadligt. Om spänningen över polerna på
batteriet har befunnit sig under 1,5 Volt under längre tid än en vecka kan detta resultera i att de
lithium dendriter som bildas vid anoden bryts loss.2 Förutom att batteriet tappar i kapacitet kan detta
leda till att batteriet kortsluts internt.1
Krav på säkerhet
Lithiumjon batterier är känsliga för både överurladdning och överladdning. Om ett lithiumjon
batteri ändå skulle utsättas för överladdning eller överurladdning kan detta medföra en förhöjd
temperatur i batteriet, vilket kan leda till att batteriet fallerar under kraftig energiutveckling. För att
undvika detta finns det i varje lithiumjon cell en inbyggd PTC-switch som bryter strömmen vid hög
temperaturutveckling. I cellen finns dessutom en trycksensor som bryter strömmen då trycket i
cellen överskrider 1000 kPa. Skulle trycket överskridas ytterligare finns det även en säkerhetsventil
som släpper ut koldioxid ur cellen för att sänka trycket i cellen och lugna förbränningsförloppet. 3
Utan dessa säkerhetsåtgärder skulle lithiumjon batterier fallera mer frekvent än vad de gör idag.
Den explosion som ett fallerande batteri dessutom skulle utlösa hade gjort batteriet farligt att
använda. En stor del i att kommersialisera lithiumjon batteriet har därför bestått i att förse det med
bra säkerhetsanordningar.4
Förutom dessa säkerhetsanordningar som lithiumjon batterierna är försedda med på cell nivå är de
flesta kommersiella batterier även försedda med en extern skyddskrets. Denna ser till att batteriets
spänning alltid befinner sig i intervallet 3,0 – 4,2 Volt. 1 Detta för att undvika överurladdning och
överladdning. Under långvarig lagring av batteriet kan självurladdning medföra att
batterispänningen understiger 2,7 Volt vilket försätter batteriet i ”sleep mode”. Detta gör att batteriet
inte går att ladda i de flesta batterieladdare.3
1 Charging Lithium-ion, Battery University, 2010,
http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries (Acc. 2012-03-26)
2 Michael Root: The TAB Battery Book, McGraw-Hill, sid 181, 2011.
3 Protection circuits, Battery University, 2010,
http://batteryuniversity.com/learn/article/safety_circuits_for_modern_batteries (Acc. 2012-03-26)
4 Safety concerns with Li-ion, Battery University, 2010,
http://batteryuniversity.com/learn/article/safety_concerns_with_li_ion (Acc. 2012-03-26)
Johan Persson
Framtaget 2012-03-26. Reviderat 2012-03-27.
Batterikemi - Litiumjonbatteriet
Battery Status Module
2(2)
Trots en fungerande skyddskrets kan det vid sällsynta tillfällen hända att det uppstår en
värmereaktion i lithiumjon batteriet. Det beror på att det kan finnas små metallpartiklar i
battericellen. Om många små metallpartiklar samlas på ett ställe går det en liten ström mellan
elektroderna vilket leder till att batteriet hettas upp. Eftersom att skyddskretsen är oförmögen att
förhindra en eskalerande värmereaktion när den väl har startat leder detta till att batteriet fallerar.
För att förhindra att värmereaktionen sprider sig till närliggande celler bör battericeller vara väl
avdelade ifrån varandra.4
Mäta kapacitet och laddningsstatus
Ett av batteriövervakningssystemets viktigaste uppgift är att mäta laddningsstatusen på batteriet och
förmedla denna till användaren.5 Det enklaste sättet att mäta laddningsstatusen på ett batteri är att
mäta spänningen över polerna. Metoden används idag får att mäta laddningsstatus på bly syra
batterier. För att uppskatta ett batteris laddningsstatus genom spänning på ett någorlunda exakt sätt
krävs det att batteriet har fått vila i minst 4 timmar. Uppladdning och urladdning av batteriet stör
sambandet. Detta gör att metoden inte lämpar sig för lithiumjon batterier då dessa oftast sitter i
applikationer som drar en kontinuerlig och oregelbunden ström. Spänningsvariationerna till följd av
urladdning är dessutom förhållandevis små i ett lithiumjon batteri. 6
En mer passande metod för att mäta laddningsstatusen på ett lithiumjon batteri är istället att mäta
den ström som dras ifrån batteriet, så kallad coloumbräkning. 6 5 Metoden tillämpas idag på bland
annat bärbara datorer och portabel sjukhusutrustning.6 För att detta ska ge ett tillförlitligt mått krävs
det kännedom om batteriets kapacitet. Problemet är att denna kapacitet sjunker med antalet
laddningscykler och batteriets åldrande. Det är därför rekommenderat att kalibrera
batteriövervakningssystemet var tredje månad eller var fyrtionde laddningscykel.7
En kalibrering genomförs genom att batteriet laddas ur och sedan laddas upp med konstant ström
varpå tiden emellan tomt och fullt batteri mäts.7 Denna kalibrering kan utföras automatiskt av
batteriövervakningssystemet genom att detta beräknar den effekt som dras från batteriet mellan fullt
och tomt batteri och korrigerar för den eventuella minskningen i kapacitet. En av de stora
utmaningarna är att beräkna laddningsminskningen i batteriet då sambandet mellan laddningsstatus
och den effekt som dragits ur batteriet inte är linjärt utan beror på hur tungt batteriet belastas, den så
kallade peukurt effekt.5 8
Ett annat sätt att mäta ett batteris kapacitet är genom att testa batteriets elektrokemiska respons.
Testet utförs genom att batteriet belastas med olika frekvens. I ett nytt batteri är jonerna mer rörliga
än i ett äldre batteri, detta resulterar i att den maximala uteffekten uppnås snabbare. Denna skillnad i
reaktionstid kan användas till att bestämma batteriets kapacitet.9
5 Battery Fuel Gauge: Factual or Fallacy?, Battery University, 2011,
http://batteryuniversity.com/learn/article/battery_fuel_gauge_factual_or_fallacy (Acc. 2012-03-26)
6 How to measure state of charge, Battery University, 2011,
http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_measure_state_of_charge (Acc. 2012-03-26)
7 Battery Calibration, Battery University, 2010,
http://batteryuniversity.com/learn/article/battery_calibration (Acc 2012-03-26)
8 Thomas L. Martin, Daniel P. Siewiorek: Non-ideal Battery Properties and Low Power Operation in Wearable
Computing, Institute for Complex Engineered Systems, Carnegie Mellon University, 1999.
9 Testing lithium based batteries, Battery University, 2010,
http://batteryuniversity.com/learn/article/testing_lithium_based_batteries (Acc. 2012-03-26)
Johan Persson
Framtaget 2012-03-26. Reviderat 2012-03-27.