Del 1 – Batterityper

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.

Ni-Cd batteries can also handle large transient currents, and can leave their nominal capacity even with relatively large power outlet. Available in many varieties, sizes and capacities including for high ambient temperatures, rapid charging etc. Can be assembled into “desired” shape and performance, is well proven. Energy density of 80-120 Wh / liter or 40-60 Wh / kg, nominal cell voltage 1.2V. Manufactured in cylindrical, prismatic (rectangular) and in the button form.

They are easy to maintenance charge, but require monitoring for quick charge.

Ni-Cd are at their best when working hard, and should always be fully discharged before recharging, otherwise the so-called memory effect occurs, in which the battery’s capacity will gradually degrade. Can usually be “repaired” with repeated full charge / discharge, or with equipment for reconditioning of rechargeable batteries. Due to the content of the heavy metal, cadmium is Ni-Cd covered by high environmental fees and is being phased out increasingly in both the EU and the rest of the world.

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.