Teemad:
- Sissejuhatus
- Erinevate akude materjalid ja spetsifikatsioonid
- Pliiaku
- Nikkel-kaadmium (Ni-Cd)
- Nikkelmetallhüdriid (Ni-MH)
- Liitiumioon (liitiumioon)
- Super kondensaator (supercap)
- Akuelementide tasakaalustamine
Eessõna:
Hübriid- ehk täiselektriautol on suuremad ja raskemad akud kui ainult sisepõlemismootoriga autodel. Hübriidautod kasutavad kõrget pinget, mis võib osutuda eluohtlikuks, kui remonti viivad läbi kvalifitseerimata inimesed. Näiteks:
- Töötav starter kasutab umbes 1,2 kW (1200 vatti)
- Täielikult elektriga töötav hübriidauto kasutab umbes 60 kW (60.000 XNUMX vatti)
Hübriidautodega võivad töötada ainult eriväljaõppe läbinud inimesed. Lisaseadmete (nt raadio jne) toiteallikaks on 12-voldine pardavõrk oma väikese akuga ja kõrgepinge pardavõrk, mis töötab 400 voltiga (olenevalt kaubamärgist ). 400 V pinge muundatakse spetsiaalse alalis-alalisvoolu muunduriga 12 V-ks ja laetakse vastavat akut.
Hübriidakudele esitatakse kõrged nõudmised. Need peavad olema väga suured mälumaht omama. Salvestatakse suuri energiavarusid ja sisepõlemismootori (hübriid) toetamisel või täieliku tõukejõu (BEV) energia tarnimisel võetakse väga kõrgeid pingeid.
Alloleval pildil on Toyota Priuse aku. See nikkelmetallhüdriid (NiMH) aku sisaldab 28 moodulit, millest igaüks koosneb 6 elemendist. Iga elemendi pinge on 1,2 volti. Selle aku kogupinge on 201,6 volti.
Erinevat tüüpi akude materjalid ja spetsifikatsioonid:
Elektrilise jõuülekande arendamisel tehakse valik erinevat tüüpi akude vahel. Suurt rolli mängivad omadused, jõudlus, ehitusvõimalused ja kulud. Kõige sagedamini kasutatavad akutüübid hübriid- ja täiselektrilistes sõidukites on Ni-MH (nikkelmetallhüdriid) ja liitiumioonakud (liitiumioonakud).
Lisaks Ni-MH ja Li-ion tüüpidele on välja arendatud elektrolüütkondensaatorid, mille me paneme nimetuse “superkondensaator” või “superkorgid” alla.
Tabelis on toodud erinevate patareide materjalid koos nende tehniliste andmetega.
Plii aku:
Tabelis on ära märgitud ka pliiaku (geel- ja AGM-versioone ei võeta arvesse). Kuna pliiaku eluiga on pikim maksimaalse tühjenemisega 20%, kannatab vananedes sulfaatimise all ning on madala energiatiheduse ja -sisaldusega, ei sobi see elektrisõidukites kasutamiseks. Leiame pliiaku lisatarvikuna; Madalpingetarbijad, nagu valgustus, mugavussüsteemid (kere) ja teabe- ja meelelahutussüsteem, töötavad umbes 14-voldise pingega.
Nikkel-kaadmium (Ni-Cd):
Varem oli Ni-Cd Akud kannatavad mäluefekti all ja ei sobi seetõttu elektriajamis kasutamiseks: osaline laadimine ja tühjenemine toimuvad pidevalt. Kaasaegseid Ni-Cd akusid mäluefekt praktiliselt enam ei mõjuta. Seda tüüpi akude suurim puudus on mürgise aine kaadmiumi olemasolu. See muudab Ni-Cd aku keskkonnale äärmiselt ebasõbralikuks. Seetõttu on selle aku kasutamine seadusega keelatud.
Nikkelmetallhüdriid (Ni-MH):
Ni-MH akut saab laadida kiiremini kui pliiakut. Laadimise käigus tekib nii soojust kui gaasi, mis tuleb eemaldada. Akud on varustatud jahutussüsteemi ja õhutusventiiliga. Tänu pikale elueale ning suurele energia- ja võimsustihedusele sobib Ni-MH aku kasutamiseks elektrisõidukites. Seda tüüpi akud on aga tundlikud ülelaadimise, liigse tühjenemise, kõrgete temperatuuride ja kiirete temperatuurimuutuste suhtes.
Alloleval pildil on Toyota Priuse Ni-MH aku. See aku asub pagasiruumis, tagaistme seljatoe taga. Kui temperatuuriandurid registreerivad kõrge temperatuuri, lülitub sisse jahutusventilaator (näha paremal oleval fotol valge korpuse juures). Ventilaator imeb sisemusest õhku ja puhub selle elementide jahutamiseks läbi akuplokis olevate õhukanalite.
Liitiumioon (liitiumioon):
Liitiumioonaku suure energia- ja võimsustiheduse tõttu (võrreldes Ni-MH-ga) kasutatakse liitiumioonakut tavaliselt pistikhübriidides ja täiselektrilistes sõidukites. Liitium-ioonaku töötab hästi madalatel temperatuuridel ja sellel on pikk kasutusiga. Eeldatavasti paranevad kinnistud lähiaastatel tänu edasisele arendustegevusele.
Järgmisel pildil näeme BMW i3 (liitiumioon)akut. Kaas on lahti keeratud ja on selle taga. Paigaldamisel sulgub kaas õhukindlalt.
i3 aku on paigaldatud sõiduki alla. Esi- ja tagatelje vahelise põrandapinna ruumi on kasutatud nii palju kui võimalik, et akupaki jaoks oleks võimalikult palju ruumi.
Pildil näeme kaheksat eraldi plokki, millest igaühes on kaksteist lahtrit. Iga ploki võimsus on 2,6 kWh, seega kokku 22 kWh. Võrdluseks: praeguse põlvkonna i3 (2020) aku mahutavusega 94 Ah ja võimsusega 22 kWh. Akupaketi suurus on jäänud samaks alates selle kasutuselevõtust 2013. aastal, kuid selle jõudlus (ja seega ka valik) on kõvasti paranenud.
Tesla kasutab alates 2013. aastast mudelites (Model S ja Model X) väikseid akuelemente, mis on veidi suuremad kui tavalised AA patareid, mida teame teleri kaugjuhtimispuldi järgi. Akuelemendid (18650 Panasonicult) on 65 mm pikad ja 18 mm läbimõõduga. Kõige ulatuslikumad akud sisaldavad vähemalt 7104 sellist elementi.
Allolevatel piltidel näeme vasakul üksikuid akuelemente ja paremal 7104 elemente sisaldavat akut.
Liitiumioonaku koosneb neljast põhikomponendist:
- katood (+), mis koosneb liitiumisulamist
- anood (-), mis koosneb grafiidist või süsinikust
- poorne eraldaja
- elektrolüüt
Tühjenemise ajal liiguvad liitiumioonid läbi elektrolüüdi anoodilt (-) katoodile (+), tarbijale ja tagasi anoodile. Laadimise ajal liiguvad ioonid vastassuundades ja lähevad seejärel katoodilt (+) anoodile (-).
Elektrolüüt sisaldab ioonide transportimiseks liitiumisooli. Separaator tagab liitiumioonide läbimise, samal ajal kui anood ja katood jäävad eraldatuks.
Akuelemendid on paigutatud moodulitesse, mis on ühendatud järjestikku. Alloleval skemaatilisel kujutisel on akupakett, millel on palju sarnasusi Volkswagen E-UP omaga! ja Renault Zoe. Erineb ainult elementide arv: E-UP aku! sellel on 204 elementi ja Renault Zoël 192.
Selles näites koosneb aku kahest kuuest moodulist koosnevast komplektist. Iga moodul sisaldab kahte rühma, mis koosneb 10 paralleelselt järjestikku ühendatud rakust.
- Jadaühendus: aku pinge tõuseb. Kui elemendi pinge (liitiumioon) on 3,2 volti, toidab üks akumoodul (3,2 * 10) = 32 volti.
Jadaühenduse miinuseks on see, et halva elemendiga muutub kogu jadaühenduse võimsus väiksemaks. - Paralleelühendus: pinge jääb samaks, kuid vool ja võimsus suurenevad. Halb element ei mõjuta sellega paralleelselt ühendatud ahela lahtreid.
Seetõttu saavad tootjad valida, kas mooduli kohta kasutatakse mitut paralleelset vooluringi. Seetõttu on Volkswagen E-Golfi moodulites mitte (selles näites kaks), vaid paralleelselt ühendatud kolm lahtrirühma.
Liitiumioonelementide eluiga on ligikaudu 2000 tühjenemis- ja laadimistsüklit, enne kui nende võimsus väheneb ligikaudu 80%-ni nende esialgsest laadimisvõimsusest.
Liitiumioonelemendi pinged on järgmised:
- nimipinge: 3,6 volti;
- tühjenemise piirang: 2,5 volti;
- maksimaalne laadimispinge: 4,2 volti.
Enamik akuhaldussüsteeme (BMS) kasutab alampiiri 2,8 volti. Kui aku tühjeneb üle 2,5 volti, saab element kahjustatud. Raku eluiga lüheneb. Liitiumioonelemendi ülelaadimine vähendab ka selle eluiga, kuid on ka ohtlik. Aku ülelaadimine võib muuta selle tuleohtlikuks. Ka elementide temperatuur mõjutab nende eluiga: alla 0°C temperatuuril ei pruugi elemendid enam laetud olla. Sel juhul pakub lahenduse küttefunktsioon.
Superkoodi kondensaator (supercap):
Eelmistes lõikudes on mainitud erinevaid akutüüpe, millest igaühel on oma rakendused, eelised ja puudused. Puuduseks, millega kõik sellise akuga silmitsi seisavad, on laadimisaeg. Aku laadimine võib kesta mitu tundi. Kiirlaadimine on valik, kuid see on seotud aku suurema kuumuse ja võib-olla ka kiirema vananemisega (ja kahjustumisega).
Praegu tehakse superkondensaatorite osas palju uurimis- ja arendustegevust. Nimetame neid ka "superkorkideks" või "ultrakondensaatoriteks". Sellele võiks lahenduse pakkuda superkorkide kasutamine:
- Laadimine on väga kiire;
- Nad suudavad väga kiiresti energiat vabastada (tühjenemist), seega on võimalik võimsuse märkimisväärne suurenemine;
- Vastupidavam kui liitiumioonaku tänu piiramatule arvule laadimistsüklitele (vähemalt 1 miljon), kuna ei toimu elektrokeemilisi reaktsioone;
- Osaliselt seoses eelmise punktiga võib superkorgi täielikult tühjendada, ilma et sellel oleks kahjulikke tagajärgi selle elueale.
Supercaps on kondensaatorid, mille võimsus ja energiatihedus on tuhandeid kordi suurem kui tavalistel elektrolüütkondensaatoritel. Võimsust suurendatakse spetsiaalse elektrolüüdi (isolatsioonimaterjali) kasutamisega, mis sisaldab ioone ja millel on seetõttu väga kõrge plaatide vaheline dielektriline konstant. Separaator (õhuke foolium) leotatakse ioonidega lahustis ja asetatakse plaatide vahele. Plaadid on tavaliselt valmistatud süsinikust.
Näidatud kondensaatori mahtuvus on 5000 F.
Superkorke saab kombineerida liitiumioon HV akuga; Lühidalt kiirendades saab HV aku energia asemel kasutada kondensaatoritest saadavat energiat. Regeneratiivpidurduse korral laevad kondensaatorid täielikult sekundi murdosa jooksul. Tulevased arengud võivad võimaldada ka liitiumioonaku asendamist supercap-paketiga. Kahjuks on praeguse tehnoloogia juures võimsus ja seega ka võimsustihedus liitiumioonakuga võrreldes liiga madal. Teadlased otsivad võimalusi võimsuse ja võimsustiheduse suurendamiseks.
Akuelementide tasakaalustamine:
Passiivse ja aktiivse akuelementide tasakaalustamise kaudu jälgib ECU iga elementi, et säilitada aku tervislik seisund. See pikendab elementide eluiga, vältides sügavtühjenemist või ülelaadimist. Eelkõige peavad liitiumioonelemendid jääma rangetesse piiridesse. Elementide pinge on võrdeline laengu olekuga. Kambrite laengud tuleb hoida omavahel võimalikult tasakaalus. Elementide tasakaalustamisega on võimalik laetuse olekut täpselt 1 mV (0,001 volti) täpsusega juhtida.
- Passiivne tasakaalustamine tagab tasakaalu kõigi akuelementide laetusseisundis, tühjendades osaliselt liiga kõrge laenguga elemendid (selle juurde tuleme lõigus hiljem tagasi);
- Aktiivne tasakaalustamine on keerulisem tasakaalustamistehnika, millega saab laadimise ja tühjenemise ajal elemente eraldi juhtida. Laadimisaeg aktiivse tasakaalustamisega on lühem kui passiivse tasakaalustamisega.
Järgmisel pildil näeme kaheksa elemendiga akumoodulit.
Kaheksa elementi on laetud 90% -ni. Aku eluiga lüheneb, kui seda pidevalt 100%-ni laadida. Vastupidi, eluiga lüheneb ka siis, kui aku tühjeneb üle 30%: <30% laetuse korral on element sügavalt tühjenenud.
Elementide laetuse olek jääb seetõttu alati 30% ja 90% vahele. Seda jälgib elektroonika, kuid sõiduki juht seda ei näe.
Armatuurlaual olev digitaalne ekraan näitab 0% või 100%, kui saavutate 30% või 90%.
Vanaduse tõttu võivad mõned rakud muutuda teistest nõrgemaks. Sellel on suur mõju akumooduli laadimisolekule. Järgmisel kahel pildil näeme laetuse olekut, kui kahe elemendi võimsus on vanuse tõttu väiksem. Sellistes olukordades ei ole akuelemendid tasakaalus.
- Kiirem tühjenemine halbade rakkude tõttu: kaks keskmist rakku tühjenevad kiiremini oma väiksema võimsuse tõttu. Sügavatühjenemise vältimiseks ei saa mooduli ülejäänud kuus rakku enam energiat vabastada ja seetõttu ei saa neid enam kasutada;
- Ei lae täielikult halbade elementide tõttu: kahe keskmise elemendi väikese võimsuse tõttu laevad need kiiremini. Kuna need jõuavad 90% kiiremini kui ülejäänud kuus elementi, ei saa edasine laadimine toimuda.
Selge see, et nii tühjenemisel (sõidu ajal) kui ka laadimisel on piiravaks teguriks väiksema mahutavusega elemendid. Aku kogu võimsuse optimaalseks kasutamiseks ja pika tööea tagamiseks.
Aku tasakaalustamiseks on kaks meetodit: passiivne ja aktiivne.
- Ilma tasakaalustamata: kõigil neljal elemendil on erinev laetuse olek. 2. element on peaaegu tühi ja 4. element on täielikult laetud;
- Passiivne: suurima võimsusega elemendid tühjenevad seni, kuni saavutatakse nõrgima elemendi (näites lahter 2) laenguseisund. Rakkude 1, 3 ja 4 tühjenemine on kadu.
Näites näeme, et keeduklaase tühjendatakse seni, kuni nad jõuavad lahtri 2 laenguolekuni; - Aktiivne: täisrakkudest saadavat energiat kasutatakse tühjade rakkude täitmiseks. Nüüd pole kadu, vaid energia ülekandmine ühest rakust teise.
Allpool on selgitatud passiivse ja aktiivse rakkude tasakaalustamise tööpõhimõtet.
Passiivne rakkude tasakaalustamine:
Näites näeme nelja akuelementi, mis on paralleelselt ühendatud järjestikku lülitatava takistiga (R). Selles näites on takisti lülitiga maandusega ühendatud. Tegelikult on see transistor või FET.
Näites näeme, et lahter 3 on 100% laetud. Eelmistest lõikudest teame, et see element laeb kiiremini, kuna see on nõrgem kui ülejäänud kolm. Kuna elemendi 3 laetuse olek on 100%, siis ülejäänud kolme elementi enam ei laeta.
Paralleelselt lahtris 3 paiknev takistus lülitatakse vooluahelasse lüliti abil. Lahter 3 tühjeneb, kuna takisti neelab pinge niipea, kui vool läbib seda. Tühjenemine jätkub seni, kuni rakk on teiste rakkude tasemel; antud juhul 90%.
Kui selle mooduli kõigil neljal elemendil on sama laadimisaste, saab neid täiendavalt laadida.
Passiivse elementide tasakaalustamise korral läheb energia kaotsi: paralleelselt ühendatud takistite poolt neeldunud pinge on kadunud. Sellest hoolimata kasutavad paljud tootjad seda tasakaalustamise meetodit tänapäevani.
Aktiivne rakkude tasakaalustamine:
Palju tõhusam on loomulikult aktiivne rakkude tasakaalustamine. Ületäidetud elemendi energiat kasutatakse tühja elemendi laadimiseks. Allpool näeme aktiivse rakkude tasakaalustamise näidet.
Näites näeme kahte järjestikku ühendatud elementi (3 ja 4), mille pinged on nende kohal (vastavalt 4 ja 3,9 volti). Lahter 3 tühjendatakse trafo abil. Primaarsel küljel asuv FET võimaldab tühjendada. Sellega on laetud trafo primaarmähis. Sekundaarsel küljel asuv FET lülitab sisse trafo sekundaarmähise. Saadud laadimisvoolu kasutatakse teise elemendi all oleva trafo pingestamiseks. Ka lahtri 4 all olevat trafot lülitavad sisse ja välja FET-id.
