Předměty:
- Úvod
- Materiály a specifikace různých baterií
- Olověná baterie
- Nikl-kadmium (Ni-Cd)
- Nikl-metal hydrid (Ni-MH)
- Lithium-iontové (li-iontové)
- Super kondenzátor (supercap)
- Balancování článků baterie
Předmluva:
Hybridní nebo plně elektrický vůz má větší a těžší baterie než vozy pouze se spalovacím motorem. Hybridní vozy používají vysoké napětí, které může být životu nebezpečné, pokud opravy provádějí nekvalifikovaní lidé. Jako příklad:
- Startovací motor v provozu spotřebuje přibližně 1,2 kW (1200 wattů)
- Hybridní vůz, který běží výhradně na elektřinu, spotřebuje přibližně 60 kW (60.000 XNUMX wattů)
Na hybridních autech smí pracovat pouze lidé, kteří prošli speciálním školením. K dispozici je 12voltová palubní síť pro napájení příslušenství (jako je rádio atd.) s vlastní malou baterií a vysokonapěťová palubní síť, která pracuje na 400 voltů (v závislosti na značce ). Napětí 400 V se speciálním DC/DC měničem převádí na 12 V a nabíjí příslušnou baterii.
Na baterie hybridního pohonu jsou kladeny vysoké nároky. Musí být velmi velké kapacita skladu mít. Při podpoře spalovacího motoru (hybrid) nebo při dodávce energie pro kompletní pohon (BEV) se ukládají velké zásoby energie a odebírají se velmi vysoká napětí.
Obrázek níže ukazuje baterii z Toyoty Prius. Tato nikl-metal hydridová (NiMH) baterie obsahuje 28 modulů, z nichž každý se skládá ze 6 článků. Každý článek má napětí 1,2 voltu. Celkové napětí této baterie je 201,6 voltů.
Materiály a specifikace různých typů baterií:
Při vývoji elektrického pohonu se volí mezi různými typy baterií. Hlavní roli hrají vlastnosti, výkon, konstrukční možnosti a náklady. Nejběžněji používané typy baterií v hybridních a plně elektrických vozidlech jsou Ni-MH (nikl-metalhydridové) a li-ion (lithium-iontové) baterie.
Kromě typů Ni-MH a Li-ion dochází k vývoji elektrolytických kondenzátorů, které řadíme pod označení „supercapacitor“ nebo „supercaps“.
V tabulce jsou uvedeny materiály různých baterií s jejich specifikacemi.
Olověná baterie:
V tabulce je uveden i olověný akumulátor (nezapočítává se gelová a AGM verze). Protože olověná baterie má nejvyšší životnost při maximálním vybití 20 %, stárnutím trpí sulfatací a má nízkou hustotu a obsah energie, není vhodná pro použití v elektrických vozidlech. Olověnou baterii najdeme jako doplňkovou baterii; Nízkonapěťové spotřebiče jako osvětlení, komfortní systémy (karosérie) a infotainment pracují s napětím kolem 14 voltů.
Nikl-kadmium (Ni-Cd):
V minulosti Ni-Cd Baterie trpí paměťovým efektem, a proto nejsou vhodné pro použití v elektrickém pohonu: neustále dochází k částečnému nabíjení a vybíjení. Moderní Ni-Cd baterie již prakticky nejsou ovlivněny paměťovým efektem. Největší nevýhodou tohoto typu baterií je přítomnost toxické látky kadmium. Díky tomu je Ni-Cd baterie extrémně nešetrná k životnímu prostředí. Použití této baterie je proto zákonem zakázáno.
Nikl-metal hydrid (Ni-MH):
Ni-MH baterii lze nabíjet rychleji než olověnou baterii. Při nabíjení vzniká teplo i plyn, který je nutné odvádět. Baterie jsou vybaveny chladicím systémem a odvzdušňovacím ventilem. Díky dlouhé životnosti a vysoké hustotě energie a výkonu je Ni-MH baterie vhodná pro použití v elektromobilech. Tento typ baterie je však citlivý na přebíjení, nadměrné vybíjení, vysoké teploty a rychlé změny teplot.
Na obrázku níže je baterie Ni-MH pro Toyota Prius. Tato baterie je umístěna v kufru za opěradlem zadního sedadla. Když teplotní čidla zaregistrují vysokou teplotu, aktivuje se chladicí ventilátor (je vidět na fotografii vpravo u bílého pouzdra). Ventilátor nasává vzduch z interiéru a fouká ho vzduchovými kanály v bateriovém bloku, aby ochlazoval články.
Lithium-iontové (li-iontové):
Vzhledem k vysoké hustotě energie a výkonu lithium-iontové baterie (ve srovnání s Ni-MH) se li-iontová baterie obvykle používá v plug-in hybridech a plně elektrických vozidlech. Li-ion baterie dobře funguje při nízkých teplotách a má dlouhou životnost. Očekává se, že se v následujících letech budou vlastnosti díky dalšímu vývoji zlepšovat.
Na dalším obrázku vidíme (li-ion) baterii BMW i3. Víko bylo odšroubováno a je za ním. Při montáži se víko vzduchotěsně zavře.
Akumulátor i3 je namontován pod vozidlem. Prostor v podlaze mezi přední a zadní nápravou byl maximálně využit pro zajištění co největšího prostoru pro akumulátor.
Na obrázku vidíme osm samostatných bloků s dvanácti buňkami. Každý blok má kapacitu 2,6 kWh, takže celkem 22 kWh. Pro srovnání: aktuální generace i3 (2020) má baterii s kapacitou 94 Ah a výkonem 22 kWh. Velikost bateriového bloku zůstala od jeho představení v roce 2013 stejná, ale jeho výkon (a tedy i dojezd) se výrazně zlepšil.
Tesla v modelech od roku 2013 (Model S a Model X) používá malé bateriové články, které jsou o něco větší než standardní AA baterie, které známe z televizního dálkového ovládání. Bateriové články (18650 od Panasonicu) jsou dlouhé 65 mm a mají průměr 18 mm. Nejrozsáhlejší bateriové sady obsahují ne méně než 7104 XNUMX těchto článků.
Na obrázcích níže vidíme jednotlivé články baterie vlevo a sadu baterií obsahující články 7104 vpravo.
Lithium-iontová baterie se skládá ze čtyř hlavních součástí:
- katoda (+) sestává ze slitiny lithia
- anoda (-) sestávající z grafitu nebo uhlíku
- porézní separátor
- elektrolytu
Během vybíjení se ionty lithia pohybují elektrolytem od anody (-) ke katodě (+), ke spotřebiči a zpět k anodě. Během nabíjení se ionty pohybují v opačných směrech a poté jdou od katody (+) k anodě (-).
Elektrolyt obsahuje soli lithia pro transport iontů. Separátor zajišťuje, že ionty lithia mohou projít skrz, zatímco anoda a katoda zůstávají odděleny.
Bateriové články jsou umístěny v modulech, které jsou zapojeny do série. Následující schematické znázornění níže ukazuje baterii, která je velmi podobná baterii Volkswagen E-UP! a Renault Zoe. Liší se pouze počtem článků: baterie E-UP! má 204 článků a Renault Zoë 192.
V tomto příkladu se baterie skládá ze dvou sad po šesti modulech. Každý modul obsahuje dvě skupiny 10 sériově zapojených článků paralelně.
- Sériové připojení: napětí baterie se zvyšuje. Při napětí článku (li-ion) 3,2 voltu dodává jeden bateriový modul (3,2 * 10) = 32 voltů.
Nevýhodou sériového zapojení je, že se špatným článkem se sníží kapacita celého sériového zapojení. - Paralelní zapojení: napětí zůstává stejné, ale zvyšuje se proud a kapacita. Špatný článek nemá žádný vliv na články v obvodu k němu připojeném paralelně.
Výrobci se proto mohou rozhodnout použít více paralelních obvodů na modul. V modulech Volkswagenu E-Golf tedy nejsou (v tomto příkladu dva), ale paralelně zapojeny tři skupiny článků.
Lithium-iontové články mají životnost přibližně 2000 cyklů vybití a nabití, než se jejich kapacita sníží na přibližně 80 % původní kapacity nabíjení.
Napětí li-ion článku je následující:
- jmenovité napětí: 3,6 voltů;
- limit vybíjení: 2,5 voltu;
- maximální nabíjecí napětí: 4,2V.
Většina systémů správy baterií (BMS) používá spodní limit 2,8 voltu. Pokud se článek vybije nad 2,5 voltu, článek se poškodí. Životnost buňky se zkracuje. Přebíjení li-ion článku také snižuje jeho životnost, ale je také nebezpečné. Přebíjení článku může způsobit, že se stane hořlavým. Teplota článků ovlivňuje i jejich životnost: při teplotě nižší než 0°C se články již nemusí nabíjet. V tomto případě nabízí řešení funkce ohřevu.
Super kódový kondenzátor (supercap):
V předchozích odstavcích jsou zmíněny různé typy baterií, každý se svými aplikacemi, výhodami a nevýhodami. Nevýhodou, se kterou se každý s takovou baterií potýká, je doba nabíjení. Nabíjení baterie může trvat několik hodin. Možností je rychlé nabíjení, ale to je spojeno s větším teplem a možná i rychlejším stárnutím (a poškozením) bateriového bloku.
V současné době probíhá velký výzkum a vývoj superkondenzátorů. Říkáme jim také „super caps“ nebo „ultracapacitory“. Použití supercaps by mohlo poskytnout řešení:
- Nabíjení je velmi rychlé;
- Mohou velmi rychle uvolnit energii (vybít se), takže je možné výrazné zvýšení výkonu;
- Odolnější než li-ion baterie díky neomezenému počtu nabíjecích cyklů (alespoň 1 milion), protože nedochází k žádným elektrochemickým reakcím;
- Částečně v souvislosti s předchozím bodem může být supercap zcela vybitý, aniž by to mělo škodlivé důsledky pro jeho životnost.
Supercaps jsou kondenzátory s kapacitou a hustotou energie tisíckrát vyšší než standardní elektrolytické kondenzátory. Kapacita se zvyšuje použitím speciálního elektrolytu (izolačního materiálu), který obsahuje ionty a má proto velmi vysokou dielektrickou konstantu mezi deskami. Separátor (tenká fólie) se namočí do rozpouštědla s ionty a umístí se mezi desky. Desky jsou obvykle vyrobeny z karbonu.
Zobrazená kapacita kondenzátoru je 5000 F.
Supercaps lze kombinovat s li-ion baterií HV; Při krátké akceleraci lze místo energie z HV baterie využít energii z kondenzátorů. Při regenerativním brzdění se kondenzátory plně nabijí během zlomku sekundy. Budoucí vývoj může také umožnit výměnu li-ion baterie za balíček supercap. Bohužel se současnou technologií je kapacita a tedy i hustota výkonu ve srovnání s lithium-iontovou baterií příliš nízká. Vědci hledají způsoby, jak zvýšit kapacitu a hustotu výkonu.
Vyvážení článků baterie:
Prostřednictvím pasivního a aktivního vyvažování článků baterie je každý článek monitorován ECU, aby byl zachován zdravý stav baterie. To prodlužuje životnost článků tím, že zabraňuje hlubokému vybití nebo přebití. Zejména lithium-iontové články musí zůstat v přísných mezích. Napětí článků je úměrné stavu nabití. Náboje článků musí být co nejvíce udržovány ve vzájemné rovnováze. Pomocí vyvažování článků je možné přesně řídit stav nabití s přesností 1 mV (0,001 voltu).
- Pasivní vyvažování zajišťuje rovnováhu stavu nabití všech článků baterie částečným vybitím článků s příliš vysokým stavem nabití (k tomu se ještě vrátíme v části);
- Aktivní balancování je složitější balanční technika, která dokáže řídit články jednotlivě během nabíjení a vybíjení. Doba nabíjení při aktivním vyvažování je kratší než při pasivním vyvažování.
Na následujícím obrázku vidíme bateriový modul s osmi články.
Osm článků je nabito na 90 %. Životnost článku se snižuje, pokud je trvale nabíjen na 100 %. Naopak životnost se také snižuje, pokud se baterie vybije nad 30 %: při stavu nabití < 30 % je článek hluboce vybitý.
Stav nabití článků bude tedy vždy mezi 30 % a 90 %. To je sledováno elektronikou, ale není vidět řidičem vozidla.
Digitální displej na přístrojové desce ukazuje 0 % nebo 100 % při dosažení 30 % nebo 90 %.
Kvůli stáří mohou některé buňky zeslábnout než ostatní. To má zásadní vliv na stav nabití bateriového modulu. Na dalších dvou obrázcích vidíme stav nabití, kdy dva články mají nižší kapacitu z důvodu stáří. V těchto situacích nejsou články baterie vyvážené.
- Rychlejší vybíjení kvůli špatným článkům: dva prostřední články se vybíjejí rychleji kvůli jejich nižší kapacitě. Aby se zabránilo hlubokému vybití, dalších šest článků v modulu již nemůže uvolňovat energii, a proto je nelze dále používat;
- Nenabíjí se úplně kvůli špatným článkům: kvůli nízké kapacitě prostředních dvou článků se nabíjejí rychleji. Protože dosáhnou o 90 % rychleji než ostatních šest článků, další nabíjení nemůže probíhat.
Je jasné, že články s nižší kapacitou jsou limitujícím faktorem jak při vybíjení (za jízdy), tak při nabíjení. Pro optimální využití plné kapacity akumulátoru a zajištění dlouhé životnosti.
Existují dva způsoby vyvážení baterie: pasivní a aktivní.
- Bez vyvážení: všechny čtyři články mají jiný stav nabití. Článek 2 je téměř prázdný a článek 4 je plně nabitý;
- Pasivní: články s největší kapacitou jsou vybíjeny, dokud není dosaženo stavu nabití nejslabšího článku (článek 2 v příkladu). Vybíjení článků 1, 3 a 4 je ztrátové.
V příkladu vidíme, že kádinky jsou vybité, dokud nedosáhnou stavu nabití článku 2; - Aktivní: energie z plných buněk se používá k naplnění prázdných buněk. Nyní nedochází ke ztrátám, ale k přenosu energie z jedné buňky do druhé.
Pracovní princip pasivního a aktivního vyvažování buněk je vysvětlen níže.
Vyrovnávání pasivních buněk:
V příkladu vidíme čtyři bateriové články zapojené do série s přepínatelným rezistorem (R) paralelně. V tomto příkladu je rezistor připojen k zemi pomocí spínače. Ve skutečnosti se jedná o tranzistor nebo FET.
V příkladu vidíme, že buňka 3 je nabitá na 100 %. Z předchozích odstavců víme, že tento článek se nabíjí rychleji, protože je slabší než ostatní tři. Protože stav nabití článku 3 je 100 %, ostatní tři články již nejsou nabité.
Odpor, který je umístěn paralelně přes článek 3, je součástí proudového obvodu spínačem. Článek 3 se vybije, protože rezistor absorbuje napětí, jakmile jím proteče proud. Vybíjení pokračuje, dokud není článek na úrovni ostatních článků; v tomto případě 90 %.
Když mají všechny čtyři články v tomto modulu stejný stav nabití, lze je dále nabíjet.
Při pasivním vyvažování článků dochází ke ztrátě energie: napětí absorbované paralelně zapojenými odpory bylo ztraceno. Přesto mnoho výrobců tento způsob vyvažování používá dodnes.
Aktivní vyvažování buněk:
Mnohem efektivnější je samozřejmě aktivní vyvažování buněk. Energie z přeplněného článku se využívá k nabíjení prázdného článku. Níže vidíme příklad aktivního vyvažování buněk.
V příkladu vidíme dva články zapojené do série (3 a 4) s napětím nad nimi (4 a 3,9 voltu). Článek 3 je vybíjen pomocí transformátoru. FET na primární straně umožňuje výboj. Tím se nabíjí primární cívka v transformátoru. FET na sekundární straně zapíná sekundární cívku transformátoru. Získaný nabíjecí proud slouží k buzení transformátoru pod jiným článkem. Transformátor pod článkem 4 se také zapíná a vypíná pomocí FETů.
