Tárgyak:
- bevezetés
- Különböző akkumulátorok anyagai és műszaki adatai
- Ólom-sav akkumulátor
- Nikkel-kadmium (Ni-Cd)
- Nikkel-fémhidrid (Ni-MH)
- Lítium-ion (lítium-ion)
- Szuper kondenzátor (supercap)
- Akkumulátorcella kiegyensúlyozása
Bevezetés:
A hibrid vagy teljesen elektromos autó nagyobb, nehezebb akkumulátorokkal rendelkezik, mint a csak belsőégésű motorral felszerelt autóké. A hibrid autók magas feszültséget használnak, ami életveszélyes lehet, ha a javítást szakképzetlen személyek végzik. Mint például:
- Egy működő indítómotor körülbelül 1,2 kW-ot (1200 Wattot) használ.
- Egy teljesen elektromosan működő hibrid autó körülbelül 60 kW-ot (60.000 XNUMX Wattot) fogyaszt.
Hibrid autókon csak speciális képzésen átesett személyek dolgozhatnak. A tartozékok (pl. rádió stb.) tápellátására saját kis akkumulátorral 12 voltos fedélzeti hálózat, illetve 400 V-on üzemelő nagyfeszültségű fedélzeti hálózat (márkától függően) ). A 400 V-os feszültséget egy speciális DC/DC átalakító 12 V-ra alakítja, és tölti a megfelelő akkumulátort.
A hibrid hajtású akkumulátorokkal szemben magas követelmények vonatkoznak. Nagyon nagyoknak kell lenniük tárolási kapacitás birtokolni. A belső égésű motor (hibrid) vagy a teljes meghajtás (BEV) energiaellátása során nagy energiatartalékokat tárolnak, és nagyon magas feszültségeket vesznek fel.
Az alábbi képen egy Toyota Prius akkumulátorcsomagja látható. Ez a nikkel-fémhidrid (NiMH) akkumulátor 28 modult tartalmaz, amelyek mindegyike 6 cellából áll. Mindegyik cella feszültsége 1,2 volt. Ennek az akkumulátorcsomagnak a teljes feszültsége 201,6 volt.
A különböző típusú akkumulátorok anyagai és műszaki adatai:
Az elektromos hajtáslánc fejlesztése során különféle típusú akkumulátorok közül kell választani. A tulajdonságok, a teljesítmény, a kivitelezési lehetőségek és a költségek nagy szerepet játszanak. A hibrid és teljesen elektromos járművekben leggyakrabban használt akkumulátortípusok a Ni-MH (nikkel-fémhidrid) és a Li-ion (lítium-ion) akkumulátorok.
A Ni-MH és Li-ion típusok mellett elektrolitkondenzátorok fejlesztése folyik, melyeket „szuperkondenzátor”, vagy „szupercaps” néven helyezünk el.
A táblázat a különböző akkumulátorok anyagait és azok specifikációit mutatja be.
Ólom akkumulátor:
A táblázatban szerepel az ólom-savas akkumulátor is (a gél és AGM változatokat nem vesszük figyelembe). Mivel az ólomakkumulátor élettartama a legmagasabb, legfeljebb 20%-os kisütés mellett, az öregedés során szulfatizálódik, és alacsony az energiasűrűsége és -tartalma, ezért nem alkalmas elektromos járművekben való használatra. Tartozékként találjuk az ólomakkumulátort; Az alacsony feszültségű fogyasztók, például a világítás, a kényelmi rendszerek (karosszéria) és az infotainment körülbelül 14 voltos feszültséggel működnek.
Nikkel-kadmium (Ni-Cd):
A múltban a Ni-Cd Az akkumulátorok memóriaeffektustól szenvednek, ezért nem alkalmasak elektromos meghajtásra: részleges töltés és kisülés folyamatosan történik. A modern Ni-Cd akkumulátorokat gyakorlatilag már nem érinti a memóriaeffektus. Az ilyen típusú akkumulátorok legnagyobb hátránya a mérgező kadmium jelenléte. Ez a Ni-Cd akkumulátort rendkívül környezetbaráttá teszi. Ennek az akkumulátornak a használatát ezért törvény tiltja.
Nikkel-fémhidrid (Ni-MH):
A Ni-MH akkumulátor gyorsabban tölthető, mint az ólom-savas akkumulátor. A töltés során hő és gáz egyaránt keletkezik, amit el kell távolítani. Az akkumulátorok hűtőrendszerrel és légtelenítő szeleppel vannak felszerelve. Hosszú élettartamának, valamint nagy energia- és teljesítménysűrűségének köszönhetően a Ni-MH akkumulátor alkalmas elektromos járművekben való használatra. Az ilyen típusú akkumulátor azonban érzékeny a túltöltésre, a túlzott lemerülésre, a magas hőmérsékletre és a gyors hőmérséklet-változásokra.
Az alábbi képen egy Toyota Prius Ni-MH akkumulátorcsomagja látható. Ez az akkumulátorcsomag a csomagtartóban, a hátsó ülés háttámlája mögött található. Amikor a hőmérséklet-érzékelők magas hőmérsékletet érzékelnek, a hűtőventilátor aktiválódik (a jobb oldali képen a fehér ház mellett látható). A ventilátor kiszívja a levegőt a belső térből, és átfújja az akkumulátorcsomag légcsatornáin, hogy lehűtse a cellákat.
Lítium-ion (lítium-ion):
A lítium-ion akkumulátor nagy energia- és teljesítménysűrűsége miatt (a Ni-MH-hoz képest) általában lítium-ion akkumulátorcsomagot használnak a plug-in hibridekben és a teljesen elektromos járművekben. A Li-ion akkumulátor alacsony hőmérsékleten is jól működik, és hosszú élettartammal rendelkezik. Az ingatlanok a következő években várhatóan a további fejlesztéseknek köszönhetően javulni fognak.
A következő képen egy BMW i3 (lítium-ion) akkumulátorcsomagját látjuk. A fedél le van csavarva és mögötte van. Felszereléskor a fedél légmentesen záródik.
Az i3 akkumulátorcsomagja a jármű alá van szerelve. Az első és a hátsó tengely közötti alapterületet a lehető legnagyobb mértékben kihasználták, hogy a lehető legtöbb helyet biztosítsák az akkumulátornak.
A képen a nyolc különálló blokkot látjuk, egyenként tizenkét cellával. Mindegyik blokk kapacitása 2,6 kWh, így összesen 22 kWh. Összehasonlításképpen: a jelenlegi generációs i3 (2020) akkumulátora 94 Ah kapacitású és 22 kWh teljesítményű. Az akkucsomag mérete a 2013-as bevezetése óta változatlan maradt, de teljesítménye (és ezáltal a hatótávolsága) nagyot javult.
A Tesla kis elemcellákat használ a 2013-tól kezdődő modellekben (Model S és Model X), amelyek valamivel nagyobbak, mint a televízió távirányítójáról ismert szabványos AA elemek. Az akkumulátorcellák (18650 a Panasonictól) 65 mm hosszúak és 18 mm átmérőjűek. A legkiterjedtebb akkumulátorcsomagok nem kevesebb, mint 7104 ilyen cellát tartalmaznak.
Az alábbi képeken a bal oldalon az egyes akkumulátorcellákat, a jobb oldalon pedig a 7104-es cellákat tartalmazó akkumulátorcsomagot látjuk.
A lítium-ion akkumulátor négy fő részből áll:
- a katód (+) lítiumötvözetből áll
- az anód (-) grafitból vagy szénből áll
- a porózus szeparátor
- az elektrolit
A kisütés során a lítium-ionok az elektroliton keresztül az anódról (-) a katódra (+), a fogyasztóhoz és vissza az anódhoz jutnak. A töltés során az ionok ellentétes irányba mozognak, majd a katódról (+) az anódra (-).
Az elektrolit lítium sókat tartalmaz az ionok szállításához. A szeparátor biztosítja, hogy a lítium-ionok átjussanak, miközben az anód és a katód külön marad.
Az akkumulátorcellák modulokban vannak elhelyezve, amelyek sorba vannak kapcsolva. Az alábbi vázlatos ábrázolás egy olyan akkumulátorcsomagot mutat be, amely erős hasonlóságot mutat a Volkswagen E-UP akkumulátorával! és a Renault Zoë. Csak a cellák száma különbözik: az E-UP akkumulátorcsomagja! 204 cellával rendelkezik, a Renault Zoëé pedig 192.
Ebben a példában az akkumulátorcsomag két hat modulból álló csomagból áll. Minden modul két, 10 sorba kapcsolt cellából álló csoportot tartalmaz párhuzamosan.
- Soros csatlakozás: az akkumulátor feszültsége nő. 3,2 voltos cellafeszültségnél (lítium-ion) egy akkumulátormodul táplál (3,2 * 10) = 32 volt.
A soros csatlakozás hátránya, hogy rossz cella esetén a teljes soros kapcsolat kapacitása csökken. - Párhuzamos csatlakozás: a feszültség változatlan marad, de az áram és a kapacitás növekszik. A rossz cella nincs hatással a vele párhuzamosan kapcsolt áramkör celláira.
A gyártók ezért választhatnak több párhuzamos áramkört modulonként. A Volkswagen E-Golf moduljaiban tehát nem (ebben a példában kettő), hanem három cellacsoport van párhuzamosan csatlakoztatva.
A lítium-ion cellák élettartama körülbelül 2000 kisütési és töltési ciklus, mielőtt kapacitásuk a kezdeti töltési kapacitásuk körülbelül 80%-ára csökkenne.
A lítium-ion cellák feszültségei a következők:
- névleges feszültség: 3,6 volt;
- kisülési határ: 2,5 volt;
- maximális töltési feszültség: 4,2 volt.
A legtöbb akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) 2,8 voltos alsó határt használ. Ha a cella 2,5 voltnál nagyobb feszültséget tölt le, a cella megsérül. A sejt élettartama lerövidül. A lítium-ion cella túltöltése is csökkenti élettartamát, de veszélyes is. A cella túltöltése gyúlékony lehet. A cellák hőmérséklete is befolyásolja élettartamukat: 0°C-nál alacsonyabb hőmérsékleten előfordulhat, hogy a cellák már nem töltődnek. A fűtési funkció erre az esetre kínál megoldást.
Szuperkód kondenzátor (supercap):
Az előző bekezdésekben különböző akkumulátortípusokat említünk, mindegyiknek megvan a maga alkalmazása, előnyei és hátrányai. Hátrány, amellyel mindenki ilyen akkumulátorral szembesül, a töltési idő. Az akkumulátor feltöltése több órát is igénybe vehet. A gyors töltés egy lehetőség, de ez több hővel és esetleg az akkumulátorcsomag gyorsabb öregedésével (és károsodásával) jár együtt.
Jelenleg sok kutatás és fejlesztés folyik a szuperkondenzátorokkal kapcsolatban. Ezeket „szuper sapkáknak” vagy „ultrakondenzátoroknak” is nevezzük. Erre megoldást jelenthet a szupersapkák használata:
- A töltés nagyon gyors;
- Nagyon gyorsan tudnak energiát felszabadítani (kisütni), így jelentős teljesítménynövekedés lehetséges;
- A korlátlan számú (legalább 1 millió) töltési ciklusnak köszönhetően tartósabb, mint egy lítium-ion akkumulátor, mivel nem lép fel elektrokémiai reakció;
- Részben az előző ponthoz kapcsolódva egy szupersapka teljesen lemeríthető anélkül, hogy ez káros hatással lenne az élettartamára.
A szupersapkák olyan kondenzátorok, amelyek kapacitása és energiasűrűsége több ezerszer nagyobb, mint a hagyományos elektrolitkondenzátoroké. A kapacitás növelése speciális elektrolit (szigetelőanyag) használatával történik, amely ionokat tartalmaz, ezért a lemezek között nagyon magas a dielektromos állandója. Egy szeparátort (vékony fóliát) ionos oldószerbe áztatunk és a lemezek közé helyezünk. A lemezek általában szénből készülnek.
A látható kondenzátor kapacitása 5000 F.
A szupersapkák Li-ion HV akkumulátorral kombinálhatók; Rövid gyorsításkor a kondenzátorokból származó energia használható fel a HV akkumulátor energiája helyett. A regeneratív fékezéssel a kondenzátorok a másodperc töredéke alatt teljesen feltöltődnek. A jövőbeni fejlesztések azt is lehetővé tehetik, hogy a lítium-ion akkumulátort supercap csomagra cseréljék. Sajnos a jelenlegi technológiával a kapacitás és így a teljesítménysűrűség is túl alacsony egy lítium-ion akkumulátorhoz képest. A tudósok a kapacitás és a teljesítménysűrűség növelésének módjait keresik.
Az akkumulátor cella kiegyensúlyozása:
A passzív és aktív akkumulátorcella-kiegyenlítés révén minden egyes cellát felügyel az ECU, hogy fenntartsa az akkumulátor egészséges állapotát. Ez meghosszabbítja a cellák élettartamát azáltal, hogy megakadályozza a mélykisülést vagy a túltöltést. A lítium-ion celláknak különösen szigorú határokon belül kell maradniuk. A cellák feszültsége arányos a töltés állapotával. A cellák töltéseit lehetőleg egyensúlyban kell tartani egymással. A cellakiegyenlítéssel a töltési állapot 1 mV-on (0,001 volt) belül pontosan szabályozható.
- A passzív kiegyenlítés biztosítja az egyensúlyt az összes akkumulátorcella töltöttségi állapotában a túl magas töltöttségi állapotú cellák részleges kisütésével (erre a részben később visszatérünk);
- Az aktív kiegyensúlyozás egy bonyolultabb kiegyensúlyozási technika, amely képes a cellákat külön-külön vezérelni a töltés és a kisütés során. A töltési idő aktív kiegyensúlyozás esetén rövidebb, mint passzív kiegyensúlyozásnál.
A következő képen egy nyolc cellás akkumulátormodult látunk.
A nyolc cella 90%-ra van feltöltve. Egy cella élettartama csökken, ha folyamatosan 100%-ra töltjük. Ezzel szemben az élettartam is csökken, ha az akkumulátor 30% feletti lemerül: 30% alatti töltöttségi állapotnál a cella mélyen lemerül.
A cellák töltöttségi állapota ezért mindig 30% és 90% között lesz. Ezt az elektronika figyeli, de a jármű vezetője nem látja.
A műszerfalon lévő digitális kijelző 0%-ot vagy 100%-ot jelez, ha eléri a 30%-ot vagy a 90%-ot.
Az idős kor miatt egyes sejtek gyengébbek lehetnek, mint a többiek. Ez nagyban befolyásolja az akkumulátor modul töltöttségi állapotát. A következő két képen azt a töltöttségi állapotot látjuk, amikor két cella kapacitása az életkor miatt kisebb. Ilyen helyzetekben az akkumulátorcellák nincsenek kiegyensúlyozva.
- Gyorsabb kisülés a rossz cellák miatt: a két középső cella kisebb kapacitásuk miatt gyorsabban kisül. A mélykisülés megelőzése érdekében a modul másik hat cellája már nem tud energiát felszabadítani, ezért már nem használható;
- A rossz cellák miatt nem töltődik fel teljesen: a középső két cella alacsony kapacitása miatt gyorsabban töltenek. Mivel 90%-kal gyorsabban érik el, mint a másik hat cella, további töltés nem lehetséges.
Egyértelmű, hogy a kisebb kapacitású cellák a korlátozó tényező mind kisütéskor (vezetés közben), mind töltéskor. Az akkumulátorcsomag teljes kapacitásának optimális kihasználása és a hosszú élettartam biztosítása.
Az akkumulátor kiegyensúlyozásának két módja van: passzív és aktív.
- Kiegyensúlyozás nélkül: négy cella mindegyikének különböző töltési állapota van. A 2. cella majdnem üres, a 4. cella pedig teljesen fel van töltve;
- Passzív: a legnagyobb kapacitású cellákat kisütjük, amíg a leggyengébb cella (a példában 2. cella) töltöttségi állapotát el nem érjük. Az 1., 3. és 4. sejt kisülése veszteség.
A példában azt látjuk, hogy a főzőpoharak addig kisülnek, amíg el nem érik a 2. cella töltöttségi állapotát; - Aktív: a telt sejtek energiáját az üres cellák feltöltésére használják fel. Most nincs veszteség, hanem energiaátvitel egyik sejtből a másikba.
A passzív és aktív sejtkiegyensúlyozás működési elvét az alábbiakban ismertetjük.
Passzív sejtkiegyensúlyozás:
A példában négy akkumulátorcellát látunk, amelyek párhuzamosan sorba vannak kapcsolva egy kapcsolható ellenállással (R). Ebben a példában az ellenállás a kapcsolóval csatlakozik a földhöz. Valójában ez egy tranzisztor vagy FET.
A példában azt látjuk, hogy a 3. cella 100%-ban be van töltve. Az előző bekezdésekből tudjuk, hogy ez a cella gyorsabban töltődik, mert gyengébb, mint a másik három. Mivel a 3. cella töltöttségi állapota 100%, a másik három cella már nem töltődik.
A 3. cellában párhuzamosan elhelyezkedő ellenállást a kapcsoló tartalmazza az áramkörben. A 3. cella kisül, mert az ellenállás azonnal elnyeli a feszültséget, amint áram folyik rajta. A kisülés addig folytatódik, amíg a sejt a többi sejt szintjére nem kerül; ebben az esetben 90%.
Ha ebben a modulban mind a négy cella azonos töltöttségi állapotú, akkor tovább tölthetők.
A passzív cellakiegyenlítésnél energiaveszteség: a párhuzamosan kapcsolt ellenállások által felvett feszültség elveszett. Ennek ellenére sok gyártó a mai napig alkalmazza ezt a kiegyensúlyozási módszert.
Aktív sejtkiegyensúlyozás:
Sokkal hatékonyabb természetesen az aktív sejtkiegyensúlyozás. A túltelt cellából származó energiát az üres cella töltésére használják. Alább láthatunk egy példát az aktív sejtkiegyensúlyozásra.
A példában két cellát látunk sorba kapcsolva (3 és 4), feszültségük felettük (4 és 3,9 volt). A 3. cellát a transzformátor kisüti. Az elsődleges oldalon lévő FET lehetővé teszi a kisülést. A transzformátor primer tekercsét ezzel töltik fel. A szekunder oldalon lévő FET bekapcsolja a transzformátor szekunder tekercsét. A kapott töltőáramot egy másik cella alatti transzformátor feszültség alá helyezésére használják. A 4-es cella alatti transzformátort is FET-ek kapcsolják be és ki.
