Предмети:
- въведение
- Материали и спецификации на различните батерии
- Оловно-киселинна батерия
- Никел-кадмиев (Ni-Cd)
- Никел метал хидрид (Ni-MH)
- Литиево-йонни (li-ion)
- Супер кондензатор (supercap)
- Балансиране на клетките на батерията
Предговор:
Хибридният или изцяло електрически автомобил има по-големи и по-тежки батерии от колите само с двигател с вътрешно горене. Хибридните автомобили използват високо напрежение, което може да бъде животозастрашаващо, ако ремонтът се извършва от неквалифицирани хора. Като пример:
- Работен стартер използва около 1,2 kW (1200 вата)
- Хибридна кола, която работи изцяло на електричество, използва около 60 kW (60.000 XNUMX вата)
С хибридни автомобили могат да работят само хора, които са преминали специално обучение. Има 12-волтова бордова мрежа за захранване на аксесоари (като радио и др.) със собствена малка батерия и има високоволтова бордова мрежа, която работи на 400 волта (в зависимост от марката ). Напрежението от 400 V се преобразува в 12 V чрез специален DC/DC преобразувател и зарежда съответната батерия.
Към батериите за хибридно задвижване се поставят високи изисквания. Трябва да са много големи капацитет за съхранение имам. Съхраняват се големи енергийни резерви и се извличат много високи напрежения, когато се поддържа двигателят с вътрешно горене (хибрид) или когато се доставя енергия за пълното задвижване (BEV).
Изображението по-долу показва батерия от Toyota Prius. Тази никел метал хидридна (NiMH) батерия съдържа 28 модула, всеки от които се състои от 6 клетки. Всяка клетка има напрежение от 1,2 волта. Общото напрежение на тази батерия е 201,6 волта.
Материали и спецификации на различни видове батерии:
При разработването на електрическото задвижване се прави избор между различни видове батерии. Свойствата, производителността, строителните възможности и разходите играят основна роля. Най-често използваните типове батерии в хибридни и изцяло електрически превозни средства са Ni-MH (никел метал хидрид) и li-ion (литиево-йонни) батерии.
В допълнение към типовете Ni-MH и Li-ion, има развитие на електролитни кондензатори, които поставяме под името "суперкондензатор" или "суперкапаци".
Таблицата показва материалите на различните батерии с техните спецификации.
Оловна батерия:
В таблицата се споменава и оловно-киселинната батерия (гел и AGM версиите не се вземат предвид). Тъй като оловно-киселинната батерия има най-дълъг живот при максимален разряд от 20%, страда от сулфатизиране при стареене и има ниска енергийна плътност и съдържание, тя не е подходяща за използване в електрически превозни средства. Намираме оловно-киселинната батерия като допълнителна батерия; Консуматори с ниско напрежение като осветление, системи за комфорт (каросерия) и инфоразвлекателни системи работят при напрежение от около 14 волта.
Никел-кадмиев (Ni-Cd):
В миналото Ni-Cd Батериите страдат от ефекта на паметта и поради това са неподходящи за използване в електрическо задвижване: частично зареждане и разреждане се случва постоянно. Съвременните Ni-Cd батерии практически вече не се влияят от ефекта на паметта. Най-големият недостатък на този тип батерии е наличието на токсичното вещество кадмий. Това прави Ni-Cd батерията изключително неблагоприятна за околната среда. Следователно използването на тази батерия е забранено от закона.
Никел метал хидрид (Ni-MH):
Ni-MH батерията може да се зарежда по-бързо от оловно-киселинната батерия. По време на зареждането се създават топлина и газ, които трябва да бъдат отстранени. Батериите са оборудвани с охладителна система и вентилационен клапан. Благодарение на дългия си живот и високата енергийна и мощностна плътност, Ni-MH батерията е подходяща за използване в електрически превозни средства. Този тип батерии обаче са чувствителни към презареждане, прекомерно разреждане, високи температури и бързи температурни промени.
Изображението по-долу показва пакета Ni-MH батерии на Toyota Prius. Тази батерия се намира в багажника, зад облегалката на задната седалка. Когато температурните сензори регистрират висока температура, се задейства охлаждащия вентилатор (вижда се на снимката вдясно до белия корпус). Вентилаторът засмуква въздуха от вътрешността и го издухва през въздуховодите в батерията, за да охлади клетките.
Литиево-йонни (li-ion):
Поради високата енергийна и мощностна плътност на литиево-йонната батерия (в сравнение с Ni-MH), литиево-йонна батерия обикновено се използва в хибриди и напълно електрически превозни средства. Литиево-йонната батерия работи добре при ниски температури и има дълъг живот. Очаква се имотите да се подобрят през следващите години поради по-нататъшно развитие.
На следващото изображение виждаме (литиево-йонна) батерия на BMW i3. Капакът е отвинтен и е зад него. При монтиране капакът се затваря херметично.
Батерийният пакет на i3 е монтиран под автомобила. Пространството в пода между предния и задния мост е използвано възможно най-много, за да се осигури възможно най-много място за батерията.
На изображението виждаме осемте отделни блока с дванадесет клетки всеки. Всеки блок има капацитет от 2,6 kWh, което прави общо 22 kWh. За сравнение: сегашното поколение i3 (2020) има батерия с капацитет 94 Ah и мощност 22 kWh. Размерът на батерията остава същият от въвеждането й през 2013 г., но нейната производителност (и следователно нейният обхват) значително се подобри.
Tesla използва малки батерийни клетки в моделите от 2013 г. нататък (Model S и Model X), които са малко по-големи от стандартните AA батерии, които познаваме от дистанционното управление на телевизора. Батерийните клетки (18650 от Panasonic) са с дължина 65 mm и диаметър 18 mm. Най-обширните пакети батерии съдържат не по-малко от 7104 от тези клетки.
На изображенията по-долу виждаме отделните батерийни клетки отляво и батериен пакет, съдържащ 7104 клетки отдясно.
Литиево-йонната батерия се състои от четири основни компонента:
- катодът (+), състоящ се от сплав от литий
- анодът (-), състоящ се от графит или въглерод
- порестия сепаратор
- електролита
По време на разреждането литиевите йони се движат през електролита от анода (-) към катода (+), към потребителя и обратно към анода. По време на зареждане йоните се движат в противоположни посоки и след това преминават от катода (+) към анода (-).
Електролитът съдържа литиеви соли за транспортиране на йони. Сепараторът гарантира преминаването на литиевите йони, докато анодът и катодът остават разделени.
Батерийните клетки са разположени в модули, които са свързани последователно. Следното схематично представяне по-долу показва батерия, която има силни прилики с тази на Volkswagen E-UP! и Renault Zoe. Само броят на клетките се различава: батерията на E-UP! има 204 клетки, а тази на Renault Zoë 192.
В този пример пакетът батерии се състои от два пакета от шест модула. Всеки модул съдържа две групи от 10 последователно свързани клетки в паралел.
- Серийно свързване: напрежението на батерията се увеличава. При напрежение на клетката (li-ion) от 3,2 волта, един модул на батерията доставя (3,2 * 10) = 32 волта.
Недостатъкът на серийната връзка е, че при лоша клетка капацитетът на цялата серийна връзка става по-малък. - Паралелно свързване: напрежението остава същото, но токът и капацитетът се увеличават. Лошата клетка няма влияние върху клетките във веригата, свързана паралелно към нея.
Следователно производителите могат да изберат да използват множество паралелни вериги на модул. Следователно в модулите на Volkswagen E-Golf не (в този пример два), а три групи клетки са свързани паралелно.
Литиево-йонните клетки имат живот от приблизително 2000 цикъла на разреждане и зареждане, преди капацитетът им да бъде намален до приблизително 80% от първоначалния капацитет на зареждане.
Напреженията на литиево-йонна клетка са както следва:
- номинално напрежение: 3,6 волта;
- граница на разреждане: 2,5 волта;
- максимално напрежение на зареждане: 4,2 волта.
Повечето системи за управление на батерията (BMS) използват долна граница от 2,8 волта. Ако клетката се разреди над 2,5 волта, клетката ще се повреди. Животът на клетката се съкращава. Презареждането на литиево-йонната клетка също намалява нейния живот, но е и опасно. Презареждането на клетката може да доведе до запалимост. Температурата на клетките също влияе върху техния живот: при температура под 0°C клетките може да не се зареждат повече. Функцията за отопление предлага решение в този случай.
Кондензатор със супер код (supercap):
В предишните параграфи са споменати различни типове батерии, всяка със своите приложения, предимства и недостатъци. Недостатък, с който се сблъсква всеки с такава батерия, е времето за зареждане. Зареждането на батерия може да отнеме няколко часа. Бързото зареждане е опция, но това е свързано с повече топлина и вероятно също по-бързо стареене (и повреда) на батерията.
В момента се провеждат много изследвания и разработки за супер кондензатори. Наричаме ги още „супер капачки“ или „ултракондензатори“. Използването на суперкапачки може да осигури решение за това:
- Зареждането е много бързо;
- Те могат да освободят енергия (разряд) много бързо, така че е възможно значително увеличение на мощността;
- По-издръжлива от литиево-йонна батерия благодарение на неограничен брой цикли на зареждане (поне 1 милион), тъй като не възникват електрохимични реакции;
- Отчасти във връзка с предходната точка, суперкапачката може да бъде напълно разредена, без това да има вредни последици за нейния живот.
Суперкапаците са кондензатори с капацитет и енергийна плътност хиляди пъти по-високи от стандартните електролитни кондензатори. Капацитетът се увеличава чрез използване на специален електролит (изолационен материал), който съдържа йони и следователно има много висока диелектрична константа между плочите. Сепаратор (тънко фолио) се накисва в разтворител с йони и се поставя между плочите. Плочите обикновено са изработени от карбон.
Капацитетът на показания кондензатор е 5000 F.
Суперкапите могат да се комбинират с литиево-йонна HV батерия; При кратко ускоряване може да се използва енергията от кондензаторите вместо енергията от HV батерията. При регенеративно спиране кондензаторите се зареждат напълно за част от секундата. Бъдещите разработки може също така да направят възможна замяната на литиево-йонната батерия с пакет supercap. За съжаление, с настоящата технология, капацитетът и следователно плътността на мощността са твърде ниски в сравнение с литиево-йонна батерия. Учените търсят начини за увеличаване на капацитета и плътността на мощността.
Балансиране на клетките на батерията:
Чрез пасивно и активно балансиране на клетките на батерията, всяка клетка се наблюдава от ECU, за да се поддържа здравословно състояние на батерията. Това удължава живота на клетките, като предотвратява дълбоко разреждане или презареждане. По-специално литиево-йонните клетки трябва да останат в строги граници. Напрежението на клетките е пропорционално на състоянието на заряда. Зарядите на клетките трябва да се поддържат в баланс помежду си, доколкото е възможно. С балансирането на клетките е възможно точно да се контролира състоянието на заряда до 1 mV (0,001 волта).
- Пасивното балансиране осигурява равновесие в състоянието на заряд на всички батерийни клетки чрез частично разреждане на клетките с твърде високо ниво на заряд (ще се върнем към това по-късно в раздела);
- Активното балансиране е по-сложна техника за балансиране, която може да контролира клетките поотделно по време на зареждане и разреждане. Времето за зареждане при активно балансиране е по-кратко отколкото при пасивно балансиране.
На следващото изображение виждаме батериен модул с осем клетки.
Осемте клетки са заредени до 90%. Продължителността на живота на една клетка намалява, ако е непрекъснато заредена до 100%. Обратно, продължителността на живота също намалява, ако батерията се разреди над 30%: при ниво на заряд <30% клетката е дълбоко разредена.
Следователно състоянието на зареждане на клетките винаги ще бъде между 30% и 90%. Това се следи от електрониката, но не се вижда от водача на автомобила.
Цифровият дисплей на таблото показва 0% или 100% при достигане на 30% или 90%.
Поради старостта някои клетки могат да станат по-слаби от другите. Това има голямо влияние върху състоянието на зареждане на модула на батерията. В следващите две изображения виждаме състоянието на заряд, когато две клетки имат по-нисък капацитет поради възрастта. Клетките на батерията не са балансирани в тези ситуации.
- По-бързо разреждане поради лоши клетки: двете средни клетки се разреждат по-бързо поради по-малкия си капацитет. За да се предотврати дълбоко разреждане, останалите шест клетки в модула вече не могат да отделят енергия и следователно не могат повече да се използват;
- Не се зарежда напълно поради лоши клетки: поради ниския капацитет на средните две клетки, те се зареждат по-бързо. Тъй като те достигат 90% по-бързо от другите шест клетки, по-нататъшно зареждане не може да се извърши.
Ясно е, че клетките с по-малък капацитет са ограничаващият фактор както при разреждане (при шофиране), така и при зареждане. За оптимално използване на пълния капацитет на батерията и осигуряване на дълъг експлоатационен живот.
Има два метода за балансиране на батерията: пасивен и активен.
- Без балансиране: всички четири клетки имат различно състояние на заряд. Клетка 2 е почти празна, а клетка 4 е напълно заредена;
- Пасивно: клетките с най-голям капацитет се разреждат, докато се достигне зареденото състояние на най-слабата клетка (клетка 2 в примера). Разреждането на клетки 1, 3 и 4 е загуба.
В примера виждаме, че чашите се разреждат, докато достигнат зареденото състояние на клетка 2; - Активен: енергията от пълните клетки се използва за запълване на празните клетки. Вече няма загуба, а прехвърляне на енергия от една клетка в друга.
Принципът на работа на пасивен и активен клетъчен баланс е обяснен по-долу.
Пасивен клетъчен баланс:
В примера виждаме четири акумулаторни клетки, свързани последователно с превключваем резистор (R) паралелно. В този пример резисторът е свързан към земята с превключвателя. В действителност това е транзистор или FET.
В примера виждаме, че клетка 3 е 100% заредена. От предишните параграфи знаем, че тази клетка се зарежда по-бързо, защото е по-слаба от останалите три. Тъй като състоянието на зареждане на клетка 3 е 100%, останалите три клетки вече не се зареждат.
Съпротивлението, което е разположено успоредно през клетка 3, се включва в токовата верига от превключвателя. Клетка 3 се разрежда, защото резисторът абсорбира напрежението веднага щом през него протича ток. Разрядът продължава, докато клетката е на нивото на останалите клетки; в този случай 90%.
Когато и четирите клетки в този модул имат еднакво състояние на заряд, те могат да бъдат допълнително заредени.
При пасивно балансиране на клетката се губи енергия: напрежението, погълнато от паралелно свързаните резистори, е загубено. Въпреки това много производители все още използват този метод на балансиране и до днес.
Активен клетъчен баланс:
Разбира се, много по-ефективно е активното клетъчно балансиране. Енергията от препълнената клетка се използва за зареждане на празната клетка. Виждаме пример за активно балансиране на клетки по-долу.
В примера виждаме две клетки, свързани последователно (3 и 4) с техните напрежения над тях (съответно 4 и 3,9 волта). Клетка 3 се разрежда с помощта на трансформатора. FET от първичната страна позволява разреждане. Първичната намотка в трансформатора се зарежда с това. FET от вторичната страна включва вторичната намотка на трансформатора. Полученият заряден ток се използва за захранване на трансформатора под друга клетка. Трансформаторът под клетка 4 също се включва и изключва от FETs.
