Aiheet:
- esittely
- Eri akkujen materiaalit ja tekniset tiedot
- Lyijyakku
- Nikkeli-kadmium (Ni-Cd)
- Nikkelimetallihydridi (Ni-MH)
- Litium-ioni (li-ion)
- Superkondensaattori (supercap)
- Akkukennojen tasapainotus
Esipuhe:
Hybridi- tai täyssähköautossa on suuremmat ja raskaammat akut kuin autoissa, joissa on pelkkä polttomoottori. Hybridiautot käyttävät suuria jännitteitä, jotka voivat olla hengenvaarallisia, jos korjaukset tekevät pätemättömät henkilöt. Esimerkiksi:
- Käynnistysmoottori käyttää noin 1,2 kW (1200 wattia)
- Täysin sähköllä toimiva hybridiauto käyttää noin 60 kW (60.000 XNUMX wattia)
Hybridiautoja saavat työstää vain erityiskoulutuksen saaneet henkilöt. Lisävarusteiden (kuten radion jne.) virransyöttöä varten on 12 voltin sisäinen verkko omalla pienellä akulla ja korkeajänniteverkko, joka toimii 400 voltilla (riippuen merkistä). ). 400 V:n jännite muunnetaan 12 V:ksi erityisellä DC/DC-muuntimella ja se lataa asianmukaista akkua.
Hybridiakuille asetetaan korkeat vaatimukset. Niiden on oltava erittäin suuria varastokapasiteetti olla. Suuria energiavarastoja tallennetaan ja erittäin korkeita jännitteitä vedetään tuettaessa polttomoottoria (hybridi) tai toimitettaessa energiaa koko propulsiolle (BEV).
Alla olevassa kuvassa näkyy Toyota Priuksen akku. Tämä nikkelimetallihydridiakku (NiMH) sisältää 28 moduulia, joista jokainen koostuu 6 kennosta. Jokaisen kennon jännite on 1,2 volttia. Tämän akun kokonaisjännite on 201,6 volttia.
Erityyppisten akkujen materiaalit ja tekniset tiedot:
Sähköistä voimansiirtoa kehitettäessä valitaan erityyppisten akkujen välillä. Ominaisuudet, suorituskyky, rakennusvaihtoehdot ja kustannukset ovat tärkeitä. Yleisimmin käytetyt akkutyypit hybridi- ja täyssähköautoissa ovat Ni-MH (nikkelimetallihydridi) ja litiumioniakut (litium-ioni).
Ni-MH- ja Li-ion-tyyppien lisäksi kehitetään elektrolyyttikondensaattoreita, jotka asetetaan nimellä "super-kondensaattori" tai "supercaps".
Taulukossa on esitetty eri akkujen materiaalit ja niiden tekniset tiedot.
Lyijyakku:
Taulukossa mainitaan myös lyijyakku (geeli- ja AGM-versioita ei oteta huomioon). Koska lyijyakulla on pisin käyttöikä maksimipurkauksella 20 %, se kärsii ikääntyessään sulfatoitumisesta ja sen energiatiheys ja -pitoisuus on alhainen, se ei sovellu käytettäväksi sähköajoneuvoissa. Löydämme lyijyakun lisävarusteakuna; Pienjännitekuluttajat, kuten valaistus, mukavuusjärjestelmät (korirakenne) ja infotainment, toimivat noin 14 voltin jännitteellä.
Nikkeli-kadmium (Ni-Cd):
Aiemmin Ni-Cd Akut kärsivät muistiefektistä eivätkä siksi sovellu käytettäväksi sähkökäyttöön: osittainen lataus ja purkautuminen tapahtuvat jatkuvasti. Muistiefekti ei käytännössä enää vaikuta nykyaikaisiin Ni-Cd-akkuihin. Tämäntyyppisten akkujen suurin haittapuoli on myrkyllisen aineen kadmiumin läsnäolo. Tämä tekee Ni-Cd-akusta erittäin epäystävällistä ympäristölle. Tämän vuoksi tämän akun käyttö on lailla kiellettyä.
Nikkelimetallihydridi (Ni-MH):
Ni-MH-akku voidaan ladata nopeammin kuin lyijyakku. Latauksen aikana syntyy sekä lämpöä että kaasua, jotka on poistettava. Akut on varustettu jäähdytysjärjestelmällä ja ilmausventtiilillä. Pitkän käyttöikänsä sekä suuren energia- ja tehotiheytensä ansiosta Ni-MH-akku sopii käytettäväksi sähköajoneuvoissa. Tämän tyyppinen akku on kuitenkin herkkä ylilataukselle, liiallisille purkauksille, korkeille lämpötiloille ja nopeille lämpötilan muutoksille.
Alla olevassa kuvassa näkyy Toyota Priuksen Ni-MH-akku. Tämä akkupaketti sijaitsee tavaratilassa, takaistuimen selkänojan takana. Kun lämpötila-anturit rekisteröivät korkean lämpötilan, jäähdytystuuletin aktivoituu (näkyy kuvassa oikealla valkoisen kotelon vieressä). Tuuletin imee ilman sisäpuolelta ja puhaltaa sen akun ilmakanavien läpi kennojen jäähdyttämiseksi.
Litium-ioni (li-ion):
Litiumioniakun suuren energia- ja tehotiheyden vuoksi (verrattuna Ni-MH:hen) litiumioniakkua käytetään yleensä ladattavissa hybrideissä ja täyssähköajoneuvoissa. Li-ion-akku toimii hyvin alhaisissa lämpötiloissa ja sillä on pitkä käyttöikä. Kiinteistöjen odotetaan paranevan tulevina vuosina jatkokehityksen myötä.
Seuraavassa kuvassa näemme BMW i3:n (li-ion) akun. Kansi on ruuvattu auki ja on sen takana. Asennettaessa kansi sulkeutuu ilmatiiviisti.
i3:n akku on asennettu ajoneuvon alle. Etu- ja taka-akselin välistä lattiatilaa on käytetty mahdollisimman paljon, jotta akulle jää mahdollisimman paljon tilaa.
Kuvassa näemme kahdeksan erillistä lohkoa, joissa kussakin on kaksitoista solua. Jokaisen lohkon kapasiteetti on 2,6 kWh, eli yhteensä 22 kWh. Vertailun vuoksi: nykyisen sukupolven i3:ssa (2020) on akku, jonka kapasiteetti on 94 Ah ja teho 22 kWh. Akun koko on pysynyt samana sen käyttöönotosta vuonna 2013, mutta sen suorituskyky (ja siten sen valikoima) on parantunut huomattavasti.
Tesla käyttää pieniä akkukennoja malleissa vuodesta 2013 eteenpäin (Model S ja Model X), jotka ovat hieman suurempia kuin television kaukosäätimestä tuntemamme tavalliset AA-paristot. Akkukennot (18650 Panasonicilta) ovat 65 mm pitkiä ja halkaisijaltaan 18 mm. Laajimmat akut sisältävät näitä kennoja peräti 7104 XNUMX kappaletta.
Alla olevissa kuvissa näkyy vasemmalla yksittäiset akkukennot ja oikealla 7104-kennot sisältävä akkupaketti.
Litiumioniakku koostuu neljästä pääkomponentista:
- katodi (+), joka koostuu litiumin seoksesta
- anodi (-) koostuu grafiitista tai hiilestä
- huokoinen erotin
- elektrolyyttiä
Purkauksen aikana litiumionit liikkuvat elektrolyytin läpi anodilta (-) katodille (+), kuluttajalle ja takaisin anodille. Latauksen aikana ionit liikkuvat vastakkaisiin suuntiin ja siirtyvät sitten katodilta (+) anodille (-).
Elektrolyytti sisältää litiumsuoloja ionien kuljettamiseen. Erotin varmistaa, että litiumionit pääsevät läpi, kun taas anodi ja katodi pysyvät erillään.
Akkukennot sijaitsevat moduuleissa, jotka on kytketty sarjaan. Seuraava kaavamainen esitys alla näyttää akun, jolla on vahvat yhtäläisyydet Volkswagen E-UP:n kanssa! ja Renault Zoe. Vain kennojen määrä vaihtelee: E-UP! siinä on 204 kennoa ja Renault Zoëssa 192.
Tässä esimerkissä akkupaketti koostuu kahdesta kuuden moduulin paketista. Jokainen moduuli sisältää kaksi ryhmää, joissa on 10 sarjaan kytkettyä solua rinnakkain.
- Sarjaliitäntä: akun jännite kasvaa. 3,2 voltin kennojännitteellä (litium-ioni) yksi akkumoduuli syöttää (3,2 * 10) = 32 volttia.
Sarjakytkennän haittana on, että huonolla kennolla koko sarjaliitännän kapasiteetti pienenee. - Rinnakkaiskytkentä: jännite pysyy samana, mutta virta ja kapasiteetti kasvavat. Huono kenno ei vaikuta siihen rinnakkain kytketyn piirin kennoihin.
Valmistajat voivat siksi käyttää useita rinnakkaisia piirejä moduulia kohden. Siksi Volkswagen E-Golfin moduuleissa ei (kaksi tässä esimerkissä), vaan kolme soluryhmää on kytketty rinnakkain.
Litiumionikennojen käyttöikä on noin 2000 purkaus- ja latausjaksoa, ennen kuin niiden kapasiteetti laskee noin 80 prosenttiin alkuperäisestä latauskapasiteetistaan.
Li-ion-kennon jännitteet ovat seuraavat:
- nimellisjännite: 3,6 volttia;
- purkausraja: 2,5 volttia;
- Suurin latausjännite: 4,2 volttia.
Useimmat akunhallintajärjestelmät (BMS) käyttävät 2,8 voltin alarajaa. Jos kenno puretaan yli 2,5 voltin jännitteellä, kenno vaurioituu. Solun elinikä lyhenee. Li-ion-kennon ylilataus lyhentää myös sen käyttöikää, mutta on myös vaarallista. Kennon ylilataus voi aiheuttaa sen syttyvän. Kennojen lämpötila vaikuttaa myös niiden elinikään: alle 0°C:n lämpötilassa kennot eivät välttämättä enää lataudu. Lämmitystoiminto tarjoaa ratkaisun tähän tapaukseen.
Superkoodikondensaattori (supercap):
Edellisissä kappaleissa mainitaan eri akkutyypit, joista jokaisella on sovelluksensa, edut ja haitat. Haittana, jonka kaikki tällaisen akun omaavat kohtaavat, on latausaika. Akun lataaminen voi kestää useita tunteja. Pikalataus on vaihtoehto, mutta siihen liittyy enemmän lämpöä ja mahdollisesti myös akun nopeampaa vanhenemista (ja vaurioita).
Superkondensaattoreita tutkitaan ja kehitetään tällä hetkellä paljon. Kutsumme näitä myös "superkorkeiksi" tai "ultrakondensaattoreiksi". Supercapsien käyttö voisi tarjota ratkaisun tähän:
- Lataus on erittäin nopeaa;
- Ne voivat vapauttaa energiaa (purkautua) hyvin nopeasti, joten merkittävä tehon lisäys on mahdollista;
- Kestävämpi kuin litiumioniakku rajoittamattoman latauskertojen määrän (vähintään miljoona) ansiosta, koska sähkökemiallisia reaktioita ei tapahdu;
- Osittain edellisen kohdan yhteydessä superkorkki voidaan tyhjentää kokonaan ilman, että sillä on haitallisia seurauksia sen käyttöikään.
Supercapit ovat kondensaattoreita, joiden kapasiteetti ja energiatiheys on tuhansia kertoja suurempi kuin tavallisten elektrolyyttikondensaattorien. Kapasiteettia lisätään käyttämällä erityistä elektrolyyttiä (eristysmateriaalia), joka sisältää ioneja ja jonka siksi levyjen välinen dielektrisyysvakio on erittäin korkea. Erotin (ohut kalvo) liotetaan liuottimessa ionien kanssa ja asetetaan levyjen väliin. Levyt on yleensä valmistettu hiilestä.
Kuvassa olevan kondensaattorin kapasitanssi on 5000 F.
Supercaps voidaan yhdistää Li-ion HV-akun kanssa; Lyhyesti kiihdytettäessä voidaan käyttää kondensaattoreiden energiaa HV-akun energian sijaan. Regeneratiivisessa jarrutuksessa kondensaattorit latautuvat täyteen sekunnin murto-osassa. Tulevaisuuden kehitys saattaa myös mahdollistaa li-ion-akun korvaamisen supercap-paketilla. Valitettavasti nykytekniikalla kapasiteetti ja siten tehotiheys ovat liian alhaisia litiumioniakkuihin verrattuna. Tutkijat etsivät tapoja lisätä kapasiteettia ja tehotiheyttä.
Akkukennojen tasapainotus:
Passiivisen ja aktiivisen akkukennojen tasapainotuksen avulla ECU valvoo jokaista kennoa akun terveen tilan ylläpitämiseksi. Tämä pidentää kennojen käyttöikää estämällä syväpurkauksen tai ylilatauksen. Erityisesti litiumionikennojen on pysyttävä tiukoissa rajoissa. Kennojen jännite on verrannollinen varauksen tilaan. Kennojen varaukset tulee pitää mahdollisimman tasapainossa keskenään. Kennojen tasapainotuksella on mahdollista ohjata lataustilaa tarkasti 1 mV (0,001 voltin) tarkkuudella.
- Passiivinen tasapainotus varmistaa tasapainon kaikkien akkukennojen varaustilassa purkamalla osittain liian korkealla varaustilassa olevat kennot (palaamme tähän myöhemmin osiossa);
- Aktiivinen tasapainotus on monimutkaisempi tasapainotustekniikka, jolla voidaan ohjata kennoja erikseen latauksen ja purkamisen aikana. Latausaika aktiivisella tasapainotuksella on lyhyempi kuin passiivisella tasapainotuksella.
Seuraavassa kuvassa näemme akkumoduulin, jossa on kahdeksan kennoa.
Kahdeksan kennoa ladataan 90 %:iin. Kennon käyttöikä lyhenee, jos sitä ladataan jatkuvasti 100 %:iin. Käänteisesti myös käyttöikä lyhenee, jos akku purkautuu yli 30 %: alle 30 %:n lataustilassa kenno on syväpurkautunut.
Kennojen varaustila on siis aina 30 % ja 90 % välillä. Elektroniikka valvoo tätä, mutta ajoneuvon kuljettaja ei näe sitä.
Kojelaudan digitaalinen näyttö näyttää 0 % tai 100 %, kun 30 % tai 90 % saavutetaan.
Vanhuuden vuoksi jotkut solut voivat tulla heikommiksi kuin toiset. Tällä on suuri vaikutus akkumoduulin lataustilaan. Kahdessa seuraavassa kuvassa nähdään varaustila, kun kahdella kennolla on iän vuoksi pienempi kapasiteetti. Akun kennot eivät ole tasapainossa näissä tilanteissa.
- Nopeampi purkautuminen huonojen kennojen takia: kaksi keskimmäistä kennoa purkautuvat nopeammin alhaisemman kapasiteetin vuoksi. Syväpurkauksen estämiseksi moduulin muut kuusi kennoa eivät voi enää vapauttaa energiaa, joten niitä ei voida enää käyttää;
- Ei lataudu täyteen huonojen kennojen takia: kahden keskimmäisen solun alhaisen kapasiteetin vuoksi ne latautuvat nopeammin. Koska ne saavuttavat 90 % nopeammin kuin muut kuusi kennoa, lisälatausta ei voi tapahtua.
On selvää, että pienemmän kapasiteetin kennot ovat rajoittava tekijä sekä purkamisessa (ajon aikana) että latauksessa. Hyödyntämään akun koko kapasiteetti optimaalisesti ja varmistamaan pitkän käyttöiän.
Akun tasapainottamiseen on kaksi tapaa: passiivinen ja aktiivinen.
- Ilman tasapainotusta: neljällä kennolla kaikilla on eri lataustila. Kenno 2 on melkein tyhjä ja kenno 4 on ladattu täyteen;
- Passiivinen: eniten kapasiteettia omaavia kennoja puretaan, kunnes heikoimman solun varaustila (esimerkissä solu 2) saavutetaan. Solujen 1, 3 ja 4 purkautuminen on häviötä.
Esimerkissä nähdään, että dekantterilasit puretaan, kunnes ne saavuttavat kennon 2 varaustilan; - Aktiivinen: täyteen soluista saatava energia käytetään tyhjien solujen täyttämiseen. Nyt ei ole hävikkiä, vaan energian siirto solusta toiseen.
Passiivisen ja aktiivisen solutasapainotuksen toimintaperiaate selitetään alla.
Passiivinen solujen tasapainotus:
Esimerkissä nähdään neljä akkukennoa kytkettynä sarjaan kytkettävän vastuksen (R) kanssa rinnan. Tässä esimerkissä vastus on kytketty maahan kytkimellä. Todellisuudessa tämä on transistori tai FET.
Esimerkissä näemme, että solu 3 on ladattu 100 %. Edellisistä kappaleista tiedämme, että tämä kenno latautuu nopeammin, koska se on heikompi kuin muut kolme. Koska kennon 3 lataustila on 100%, kolmea muuta kennoa ei enää ladata.
Kennon 3 rinnalla sijaitseva resistanssi sisältyy virtapiiriin kytkimellä. Kenno 3 purkautuu, koska vastus imee jännitteen heti kun virta kulkee sen läpi. Purkaus jatkuu, kunnes kenno on muiden solujen tasolla; tässä tapauksessa 90%.
Kun tämän moduulin kaikilla neljällä kennolla on sama varaustila, niitä voidaan ladata lisää.
Passiivisessa kennotasapainotuksessa energiaa menetetään: rinnankytkettyjen vastusten absorboima jännite on menetetty. Siitä huolimatta monet valmistajat käyttävät tätä tasapainotusmenetelmää edelleen tähän päivään asti.
Aktiivinen solujen tasapainotus:
Paljon tehokkaampaa on tietysti aktiivinen solujen tasapainottaminen. Ylitäytetyn kennon energiaa käytetään tyhjän kennon lataamiseen. Alla on esimerkki aktiivisesta solujen tasapainotuksesta.
Esimerkissä nähdään kaksi sarjaan kytkettyä kennoa (3 ja 4), joiden jännitteet ovat niiden yläpuolella (4 ja 3,9 volttia). Kenno 3 puretaan muuntajan avulla. Ensiöpuolen FET mahdollistaa purkauksen. Tällä on ladattu muuntajan ensiökäämi. Toisiopuolen FET kytkee päälle muuntajan toisiokäämin. Saatua latausvirtaa käytetään toisen kennon alla olevaan muuntajaan. Myös kennon 4 alla oleva muuntaja kytketään päälle ja pois FETeillä.
Aiheeseen liittyvät sivut:
