emner:
- introduktion
- Materialer og specifikationer af forskellige batterier
- Bly-syre batteri
- Nikkel-cadmium (Ni-Cd)
- Nikkelmetalhydrid (Ni-MH)
- Lithium-ion (li-ion)
- Super kondensator (supercap)
- Balancering af battericeller
Forord:
Hybrid- eller fuld-el-bilen har større, tungere batterier end biler med kun en forbrændingsmotor. Hybridbiler bruger høje spændinger, som kan være livsfarlige, hvis reparationer udføres af ukvalificerede personer. Som et eksempel:
- En startmotor i drift bruger omkring 1,2 kW (1200 Watt)
- En hybridbil, der udelukkende kører på elektricitet, bruger omkring 60 kW (60.000 Watt)
Hybridbiler må kun arbejdes på af personer, der har gennemgået en særlig uddannelse. Der er et 12-volts indbygget netværk til strømforsyning af tilbehør (såsom radio osv.) med eget lille batteri, og der er et højspændingsnetværk ombord, der kører på 400 volt (afhængig af mærke ). 400 V spændingen omdannes til 12 V af en speciel DC/DC konverter og oplader det relevante batteri.
Der stilles høje krav til hybriddrev-batterier. De skal være meget store lagerkapacitet at have. Store energireserver lagres, og der trækkes meget høje spændinger, når man understøtter forbrændingsmotoren (hybrid), eller når man leverer energi til hele fremdriften (BEV).
Billedet nedenfor viser en batteripakke fra en Toyota Prius. Dette nikkelmetalhydrid (NiMH) batteri indeholder 28 moduler, der hver består af 6 celler. Hver celle har en spænding på 1,2 volt. Den samlede spænding af denne batteripakke er 201,6 volt.
Materialer og specifikationer for forskellige typer batterier:
Ved udvikling af den elektriske drivlinje vælges der mellem forskellige typer batterier. Egenskaberne, ydeevnen, byggemulighederne og omkostningerne spiller en stor rolle. De mest almindeligt anvendte batterityper i hybrid- og fuldelektriske køretøjer er Ni-MH (nikkelmetalhydrid) og li-ion (lithium-ion) batterier.
Udover Ni-MH og Li-ion typerne er der en udvikling af elektrolytiske kondensatorer, som vi placerer under navnet “super-capacitor”, eller “supercaps”.
Tabellen viser materialerne i de forskellige batterier med deres specifikationer.
Blybatteri:
Tabellen nævner også bly-syre-batteriet (gel- og AGM-versioner er ikke taget i betragtning). Fordi blysyrebatteriet har den højeste levetid ved en maksimal afladning på 20 %, lider af sulfatering, når det ældes og har en lav energitæthed og lavt indhold, er det ikke egnet til brug i elektriske køretøjer. Vi finder blybatteriet som et tilbehørsbatteri; Lavspændingsforbrugere som belysning, komfortsystemer (karrosseri) og infotainment fungerer ved en spænding på omkring 14 volt.
Nikkel-cadmium (Ni-Cd):
Tidligere var Ni-Cd Batterier lider af en hukommelseseffekt og er derfor uegnede til brug i elektrisk fremdrift: delvis opladning og afladning forekommer konstant. Moderne Ni-Cd-batterier er stort set ikke længere påvirket af hukommelseseffekten. Den største ulempe ved denne type batteri er tilstedeværelsen af det giftige stof cadmium. Dette gør Ni-Cd-batteriet ekstremt uvenligt for miljøet. Brugen af dette batteri er derfor forbudt ved lov.
Nikkelmetalhydrid (Ni-MH):
Ni-MH-batteriet kan oplades hurtigere end et bly-syre-batteri. Under opladningen dannes der både varme og gas, som skal fjernes. Batterierne er udstyret med kølesystem og udluftningsventil. Takket være sin lange levetid og høje energi- og effekttæthed er Ni-MH-batteriet velegnet til brug i elektriske køretøjer. Denne type batteri er dog følsom over for overopladning, for store afladninger, høje temperaturer og hurtige temperaturændringer.
Billedet nedenfor viser Ni-MH-batteripakken til en Toyota Prius. Denne batteripakke er placeret i bagagerummet, bag bagsædets ryglæn. Når temperaturfølerne registrerer en høj temperatur, aktiveres køleventilatoren (kan ses på billedet til højre ved det hvide hus). Ventilatoren suger luften fra det indre og blæser den gennem luftkanalerne i batteripakken for at afkøle cellerne.
Lithium-ion (li-ion):
På grund af lithium-ion-batteriets høje energi- og effekttæthed (sammenlignet med Ni-MH), bruges en li-ion-batteripakke normalt i plug-in-hybrider og fuldt elektriske køretøjer. Li-ion-batteriet klarer sig godt ved lave temperaturer og har en lang levetid. Det forventes, at ejendommene forbedres i de kommende år som følge af yderligere udvikling.
På det næste billede ser vi (li-ion) batteripakken til en BMW i3. Låget er skruet af og er bagved. Når det er monteret, lukker låget lufttæt.
i3'ens batteripakke er monteret under køretøjet. Pladsen i gulvrummet mellem for- og bagaksel er brugt så meget som muligt for at give så meget plads som muligt til batteripakken.
På billedet ser vi de otte separate blokke med tolv celler hver. Hver blok har en kapacitet på 2,6 kWh, så det bliver i alt 22 kWh. Til sammenligning: den nuværende generation i3 (2020) har et batteri med en kapacitet på 94 Ah og en effekt på 22 kWh. Størrelsen på batteripakken er forblevet den samme siden introduktionen i 2013, men dens ydeevne (og derfor dens rækkevidde) er væsentligt forbedret.
Tesla bruger små battericeller i modellerne fra 2013 og frem (Model S og Model X), der er lidt større end standard AA-batterier, som vi kender fra fjernsynets fjernbetjening. Battericellerne (18650 fra Panasonic) er 65 mm lange og har en diameter på 18 mm. De mest omfattende batteripakker indeholder ikke færre end 7104 af disse celler.
På billederne nedenfor ser vi de enkelte battericeller til venstre og en batteripakke indeholdende 7104 cellerne til højre.
Lithium-ion-batteriet består af fire hovedkomponenter:
- katoden (+) bestående af en legering af lithium
- anoden (-) bestående af grafit eller kulstof
- den porøse separator
- elektrolytten
Under afladning bevæger lithiumionerne sig gennem elektrolytten fra anoden (-) til katoden (+), til forbrugeren og tilbage til anoden. Under opladning bevæger ionerne sig i modsatte retninger og går derefter fra katoden (+) til anoden (-).
Elektrolytten indeholder lithiumsalte til at transportere ionerne. Separatoren sikrer, at lithium-ionerne kan passere igennem, mens anode og katode forbliver adskilt.
Battericellerne er anbragt i moduler, som er forbundet i serie. Følgende skematiske repræsentation nedenfor viser en batteripakke, der har stærke ligheder med en Volkswagen E-UP! og Renault Zoe. Kun antallet af celler er forskelligt: batteripakken i E-UP! har 204 celler og Renault Zoë 192.
I dette eksempel består batteripakken af to pakker med seks moduler. Hvert modul indeholder to grupper af 10 serieforbundne celler parallelt.
- Serieforbindelse: batterispændingen stiger. Ved en cellespænding (li-ion) på 3,2 volt leverer et batterimodul (3,2 * 10) = 32 volt.
Ulempen ved en serieforbindelse er, at med en dårlig celle bliver kapaciteten af hele serieforbindelsen lavere. - Parallelforbindelse: Spændingen forbliver den samme, men strømmen og kapaciteten stiger. En dårlig celle har ingen indflydelse på cellerne i kredsløbet, der er forbundet til den parallelt.
Producenter kan derfor vælge at bruge flere parallelle kredsløb pr. modul. I modulerne i Volkswagen E-Golf er derfor ikke (to i dette eksempel), men tre grupper af celler forbundet parallelt.
Lithium-ion-celler har en levetid på cirka 2000 afladnings- og opladningscyklusser, før deres kapacitet er reduceret til cirka 80 % af deres oprindelige ladekapacitet.
Spændingerne af en li-ion celle er som følger:
- nominel spænding: 3,6 volt;
- afladningsgrænse: 2,5 volt;
- maksimal ladespænding: 4,2 volt.
De fleste batteristyringssystemer (BMS) bruger en nedre grænse på 2,8 volt. Hvis cellen aflades ud over 2,5 volt, vil cellen blive beskadiget. Cellens levetid forkortes. Overopladning af li-ion-cellen reducerer også dens levetid, men er også farlig. Overopladning af cellen kan få den til at blive brandfarlig. Cellernes temperatur påvirker også deres levetid: ved en temperatur på under 0°C kan cellerne muligvis ikke længere oplades. En varmefunktion tilbyder en løsning i dette tilfælde.
Superkode kondensator (supercap):
I de foregående afsnit er forskellige batterityper nævnt med hver deres anvendelse, fordele og ulemper. En ulempe som alle med sådan et batteri står over for er opladningstiden. Opladning af en batteripakke kan tage flere timer. Hurtig opladning er en mulighed, men det er forbundet med mere varme og muligvis også hurtigere ældning (og beskadigelse) af batteripakken.
Der foregår i øjeblikket megen forskning og udvikling inden for superkondensatorer. Vi kalder også disse "super caps" eller "ultracapacitors". Brugen af supercaps kunne give en løsning på dette:
- Opladningen er meget hurtig;
- De kan frigive energi (afladning) meget hurtigt, så en betydelig forøgelse af kraften er mulig;
- Mere holdbart end et li-ion-batteri takket være et ubegrænset antal opladningscyklusser (mindst 1 million), fordi der ikke forekommer elektrokemiske reaktioner;
- Til dels i forbindelse med det foregående punkt kan en superhætte aflades helt, uden at det har nogen skadelig indvirkning på dens levetid.
Supercaps er kondensatorer med en kapacitet og energitæthed tusindvis af gange højere end standard elektrolytiske kondensatorer. Kapaciteten øges ved at bruge en speciel elektrolyt (isoleringsmateriale), der indeholder ioner og derfor har en meget høj dielektrisk konstant mellem pladerne. En separator (en tynd folie) lægges i blød i et opløsningsmiddel med ioner og placeres mellem pladerne. Pladerne er normalt lavet af kulstof.
Kapacitansen for den viste kondensator er 5000 F.
Superhætterne kan kombineres med et li-ion HV batteri; Ved kort acceleration kan energien fra kondensatorerne bruges i stedet for energien fra HV-batteriet. Med regenerativ bremsning oplades kondensatorerne fuldt ud inden for en brøkdel af et sekund. Fremtidig udvikling kan også gøre det muligt at erstatte li-ion-batteriet med en supercap-pakke. Desværre er kapaciteten og derfor effekttætheden med den nuværende teknologi for lav sammenlignet med et lithium-ion batteri. Forskere leder efter måder at øge kapaciteten og effekttætheden på.
Battericellebalancering:
Gennem passiv og aktiv battericellebalancering overvåges hver celle af ECU'en for at opretholde en sund batteristatus. Dette forlænger cellernes levetid ved at forhindre dyb afladning eller overopladning. Især lithium-ion-celler skal holde sig inden for strenge grænser. Cellernes spænding er proportional med ladningens tilstand. Cellernes ladninger skal så vidt muligt holdes i balance med hinanden. Med cellebalancering er det muligt nøjagtigt at kontrollere ladestatus til inden for 1 mV (0,001 volt).
- Passiv balancering sikrer en ligevægt i ladetilstanden for alle battericeller ved delvis at aflade cellerne med for høj ladetilstand (det vender vi tilbage til senere i afsnittet);
- Aktiv balancering er en mere kompleks balanceringsteknik, der kan styre cellerne individuelt under op- og afladning. Ladetiden ved aktiv balancering er kortere end ved passiv balancering.
På det følgende billede ser vi et batterimodul med otte celler.
De otte celler er opladet til 90%. En celles levetid falder, hvis den kontinuerligt oplades til 100 %. Omvendt falder levetiden også, hvis batteriet aflades ud over 30 %: ved en ladetilstand på <30 % er cellen dybt afladet.
Cellernes ladestatus vil derfor altid være mellem 30 % og 90 %. Dette overvåges af elektronikken, men ses ikke af føreren af køretøjet.
Det digitale display i instrumentbrættet angiver 0 % eller 100 %, når det når 30 % eller 90 %.
På grund af høj alder kan nogle celler blive svagere end andre. Dette har stor indflydelse på batterimodulets ladestatus. På de næste to billeder ser vi ladetilstanden, når to celler har en lavere kapacitet på grund af alder. Battericellerne er ikke afbalancerede i disse situationer.
- Hurtigere afladning på grund af dårlige celler: De to midterste celler aflades hurtigere på grund af deres lavere kapacitet. For at forhindre dyb udladning kan de øvrige seks celler i modulet ikke længere frigive energi og kan derfor ikke længere bruges;
- Oplader ikke helt på grund af dårlige celler: på grund af den lave kapacitet af de to midterste celler oplader de hurtigere. Fordi de når 90 % hurtigere end de andre seks celler, kan yderligere opladning ikke finde sted.
Det er klart, at celler med lavere kapacitet er den begrænsende faktor både ved afladning (under kørsel) og ved opladning. For at udnytte batteripakkens fulde kapacitet optimalt og sikre en lang levetid.
Der er to metoder til batteribalancering: passiv og aktiv.
- Uden balancering: fire celler har alle en forskellig ladetilstand. Celle 2 er næsten tom, og celle 4 er fuldt opladet;
- Passiv: cellerne med størst kapacitet aflades, indtil ladetilstanden for den svageste celle (celle 2 i eksemplet) er nået. Udladningen af celle 1, 3 og 4 er tab.
I eksemplet ser vi, at bægerglassene aflades, indtil de når ladetilstanden i celle 2; - Aktiv: energien fra de fulde celler bruges til at fylde de tomme celler. Der er nu intet tab, men overførsel af energi fra en celle til en anden.
Arbejdsprincippet for passiv og aktiv cellebalancering er forklaret nedenfor.
Passiv cellebalancering:
I eksemplet ser vi fire battericeller forbundet i serie med en omskiftelig modstand (R) parallelt. I dette eksempel er modstanden forbundet til jord med kontakten. I virkeligheden er dette en transistor eller FET.
I eksemplet ser vi, at celle 3 er 100 % indlæst. Fra de foregående afsnit ved vi, at denne celle oplader hurtigere, fordi den er svagere end de tre andre. Da opladningsstatus for celle 3 er 100 %, oplades de andre tre celler ikke længere.
Modstanden, der er placeret parallelt over celle 3, er inkluderet i strømkredsløbet af kontakten. Celle 3 aflades, fordi modstanden absorberer spænding, så snart der løber strøm gennem den. Udladningen fortsætter, indtil cellen er på niveau med de andre celler; i dette tilfælde 90%.
Når alle fire celler i dette modul har samme ladetilstand, kan de oplades yderligere.
Ved passiv cellebalancering går energi tabt: spændingen absorberet af de parallelforbundne modstande er gået tabt. Ikke desto mindre bruger mange producenter stadig denne metode til balancering den dag i dag.
Aktiv cellebalancering:
Meget mere effektivt er selvfølgelig aktiv cellebalancering. Energien fra den overfyldte celle bruges til at oplade den tomme celle. Vi ser et eksempel på aktiv cellebalancering nedenfor.
I eksemplet ser vi to celler forbundet i serie (3 og 4) med deres spændinger over dem (henholdsvis 4 og 3,9 volt). Celle 3 aflades ved hjælp af transformeren. FET'en på primærsiden tillader udledning. Den primære spole i transformeren er opladet med dette. FET'en på den sekundære side tænder for transformatorens sekundære spole. Den opnåede ladestrøm bruges til at aktivere transformeren under en anden celle. Transformatoren under celle 4 tændes og slukkes også af FET'er.
