Subyek:
- Inleiding
- Bahan dan spesifikasi baterai berbeda-beda
- Baterai timbal-asam
- Nikel-kadmium (Ni-Cd)
- Nikel Logam Hidrida (Ni-MH)
- Litium-ion (li-ion)
- Kapasitor super (superkap)
- Penyeimbangan sel baterai
Perkenalan:
Mobil hybrid atau mobil listrik sepenuhnya memiliki baterai yang lebih besar dan lebih berat dibandingkan mobil yang hanya bermesin pembakaran. Mobil hibrida menggunakan tegangan tinggi, yang dapat mengancam jiwa jika perbaikan dilakukan oleh orang yang tidak berkualifikasi. Sebagai contoh:
- Motor starter dalam pengoperasiannya menggunakan daya sekitar 1,2 kW (1200 Watt)
- Mobil hibrida yang sepenuhnya menggunakan listrik menggunakan sekitar 60 kW (60.000 Watt)
Mobil hybrid hanya boleh dikerjakan oleh orang yang telah menjalani pelatihan khusus. Ada jaringan on-board 12 volt untuk catu daya aksesori (seperti radio, dll.) dengan baterai kecilnya sendiri, dan ada jaringan on-board tegangan tinggi yang beroperasi pada 400 volt (tergantung merek ). Tegangan 400 V diubah menjadi 12 V oleh konverter DC/DC khusus dan mengisi baterai yang bersangkutan.
Tuntutan tinggi ditempatkan pada baterai penggerak hibrida. Ukurannya pasti sangat besar kapasitas penyimpanan memiliki. Cadangan energi yang besar disimpan, dan tegangan yang sangat tinggi diambil ketika mendukung mesin pembakaran (hibrida), atau ketika menyalurkan energi untuk penggerak lengkap (BEV).
Gambar di bawah menunjukkan paket baterai dari Toyota Prius. Baterai Nickel Metal Hydride (NiMH) ini berisi 28 modul yang masing-masing terdiri dari 6 sel. Setiap sel mempunyai tegangan 1,2 volt. Tegangan total baterai ini adalah 201,6 volt.
Bahan dan spesifikasi berbagai jenis baterai:
Saat mengembangkan drivetrain listrik, pilihan dibuat antara berbagai jenis baterai. Properti, kinerja, pilihan konstruksi, dan biaya memainkan peran utama. Jenis baterai yang paling umum digunakan pada kendaraan hybrid dan full electric adalah baterai Ni-MH (nickel metal hydride) dan baterai li-ion (lithium-ion).
Selain tipe Ni-MH dan Li-ion, ada pengembangan kapasitor elektrolitik, yang kami tempatkan dengan nama “super-capacitor”, atau “supercaps”.
Tabel menunjukkan bahan-bahan baterai yang berbeda beserta spesifikasinya.
Baterai timah:
Tabel tersebut juga menyebutkan baterai timbal-asam (versi gel dan AGM tidak diperhitungkan). Karena baterai timbal-asam memiliki masa pakai tertinggi pada debit maksimum 20%, mengalami sulfasi seiring bertambahnya usia, serta memiliki kepadatan dan kandungan energi yang rendah, maka baterai ini tidak cocok untuk digunakan pada kendaraan listrik. Kami menemukan baterai asam timbal sebagai baterai aksesori; Konsumen tegangan rendah seperti penerangan, sistem kenyamanan (bodywork) dan infotainment beroperasi pada tegangan sekitar 14 volt.
Nikel-kadmium (Ni-Cd):
Di masa lalu, Ni-Cd Baterai mengalami efek memori dan oleh karena itu tidak cocok untuk digunakan dalam penggerak listrik: pengisian dan pengosongan sebagian terjadi terus-menerus. Baterai Ni-Cd modern hampir tidak lagi terpengaruh oleh efek memori. Kerugian terbesar dari baterai jenis ini adalah adanya zat beracun kadmium. Hal ini membuat baterai Ni-Cd sangat tidak ramah lingkungan. Oleh karena itu, penggunaan baterai ini dilarang oleh hukum.
Nikel Logam Hidrida (Ni-MH):
Baterai Ni-MH dapat diisi lebih cepat dibandingkan baterai timbal-asam. Selama pengisian, panas dan gas tercipta, yang harus dihilangkan. Baterai dilengkapi dengan sistem pendingin dan katup ventilasi. Berkat umurnya yang panjang serta kepadatan energi dan daya yang tinggi, baterai Ni-MH cocok digunakan pada kendaraan listrik. Namun, baterai jenis ini sensitif terhadap pengisian daya yang berlebihan, pengosongan daya yang berlebihan, suhu tinggi, dan perubahan suhu yang cepat.
Gambar di bawah menunjukkan baterai Ni-MH pada Toyota Prius. Baterai ini terletak di bagasi, di belakang sandaran kursi belakang. Ketika sensor suhu mencatat suhu tinggi, kipas pendingin diaktifkan (dapat dilihat pada foto di sebelah kanan dengan wadah berwarna putih). Kipas menyedot udara dari bagian dalam dan meniupkannya melalui saluran udara di dalam baterai untuk mendinginkan sel.
Litium-ion (li-ion):
Karena kepadatan energi dan daya yang tinggi dari baterai lithium ion (dibandingkan dengan Ni-MH), paket baterai li-ion biasanya digunakan pada kendaraan hibrida plug-in dan kendaraan listrik sepenuhnya. Baterai li-ion bekerja dengan baik pada suhu rendah dan memiliki umur yang panjang. Diharapkan properti ini akan membaik di tahun-tahun mendatang karena pengembangan lebih lanjut.
Pada gambar berikutnya kita melihat baterai (li-ion) BMW i3. Tutupnya telah dibuka dan berada di belakangnya. Saat dipasang, tutupnya tertutup rapat.
Paket baterai i3 dipasang di bawah kendaraan. Ruang di ruang lantai antara gandar depan dan belakang telah digunakan semaksimal mungkin untuk menyediakan ruang sebanyak mungkin untuk unit baterai.
Pada gambar kita melihat delapan blok terpisah dengan masing-masing dua belas sel. Tiap blok berkapasitas 2,6 kWh sehingga totalnya menjadi 22 kWh. Sebagai perbandingan: i3 generasi saat ini (2020) memiliki baterai berkapasitas 94 Ah dan berkekuatan 22 kWh. Ukuran baterai tetap sama sejak diperkenalkan pada tahun 2013, namun kinerjanya (dan jangkauannya) telah meningkat pesat.
Tesla menggunakan sel baterai kecil pada model tahun 2013 dan seterusnya (Model S dan Model X) yang sedikit lebih besar dari baterai AA standar yang kita ketahui dari remote control televisi. Sel baterai (18650 dari Panasonic) memiliki panjang 65 mm dan diameter 18 mm. Paket baterai paling lengkap berisi tidak kurang dari 7104 sel ini.
Pada gambar di bawah kita melihat masing-masing sel baterai di sebelah kiri dan paket baterai berisi 7104 sel di sebelah kanan.
Baterai lithium-ion terdiri dari empat komponen utama:
- katoda (+) yang terdiri dari paduan litium
- anoda (-) terdiri dari grafit atau karbon
- pemisah berpori
- elektrolitnya
Selama pemakaian, ion litium berpindah melalui elektrolit dari anoda (-) ke katoda (+), ke konsumen dan kembali ke anoda. Selama pengisian, ion-ion bergerak berlawanan arah kemudian berpindah dari katoda (+) ke anoda (-).
Elektrolit mengandung garam litium untuk mengangkut ion. Pemisah memastikan ion litium dapat melewatinya, sedangkan anoda dan katoda tetap terpisah.
Sel baterai ditempatkan dalam modul yang dihubungkan secara seri. Representasi skema berikut di bawah ini menunjukkan paket baterai yang memiliki kemiripan kuat dengan Volkswagen E-UP! dan Renault Zoë. Hanya jumlah selnya yang berbeda: baterai E-UP! memiliki 204 sel dan Renault Zoë 192.
Dalam contoh ini, paket baterai terdiri dari dua paket berisi enam modul. Setiap modul berisi dua kelompok yang terdiri dari 10 sel yang terhubung seri secara paralel.
- Koneksi seri: tegangan baterai meningkat. Pada tegangan sel (li-ion) 3,2 volt, satu modul baterai mensuplai (3,2 * 10) = 32 volt.
Kerugian dari sambungan seri adalah dengan sel yang buruk maka kapasitas seluruh sambungan seri menjadi lebih rendah. - Koneksi paralel: tegangan tetap sama, tetapi arus dan kapasitas meningkat. Sel yang buruk tidak memiliki pengaruh pada sel-sel di sirkuit yang terhubung secara paralel.
Oleh karena itu, produsen dapat memilih untuk menggunakan beberapa sirkuit paralel per modul. Oleh karena itu, dalam modul Volkswagen E-Golf, bukan (dua dalam contoh ini), tetapi tiga kelompok sel dihubungkan secara paralel.
Sel litium-ion memiliki masa pakai sekitar 2000 siklus pengosongan dan pengisian daya sebelum kapasitasnya dikurangi hingga sekitar 80% dari kapasitas pengisian awalnya.
Tegangan sel li-ion adalah sebagai berikut:
- tegangan pengenal: 3,6 volt;
- batas debit: 2,5 volt;
- tegangan pengisian maksimum: 4,2 volt.
Kebanyakan Sistem Manajemen Baterai (BMS) menggunakan batas bawah 2,8 volt. Jika sel dialirkan melebihi 2,5 volt maka sel tersebut akan rusak. Umur sel menjadi lebih pendek. Mengisi daya sel li-ion secara berlebihan juga mengurangi masa pakainya, tetapi juga berbahaya. Mengisi daya sel secara berlebihan dapat menyebabkannya mudah terbakar. Suhu sel juga mempengaruhi umurnya: pada suhu kurang dari 0°C, sel mungkin tidak lagi dapat diisi dayanya. Fungsi pemanas menawarkan solusi dalam kasus ini.
Kapasitor kode super (supercap):
Pada paragraf sebelumnya, telah disebutkan berbagai jenis baterai, masing-masing dengan aplikasi, kelebihan dan kekurangannya. Kerugian yang dihadapi setiap orang dengan baterai seperti itu adalah waktu pengisian daya. Mengisi daya baterai dapat memerlukan waktu beberapa jam. Pengisian daya cepat adalah salah satu pilihannya, tetapi hal ini dikaitkan dengan lebih banyak panas dan kemungkinan juga lebih cepatnya penuaan (dan kerusakan) baterai.
Banyak penelitian dan pengembangan saat ini sedang dilakukan pada kapasitor super. Kami juga menyebutnya “kapasitor super” atau “kapasitor ultra”. Penggunaan supercaps dapat memberikan solusi untuk hal ini:
- Pengisian daya sangat cepat;
- Mereka dapat melepaskan energi (pengosongan) dengan sangat cepat, sehingga peningkatan daya yang signifikan dapat dilakukan;
- Lebih tahan lama dibandingkan baterai li-ion berkat jumlah siklus pengisian yang tidak terbatas (minimal 1 juta) karena tidak terjadi reaksi elektrokimia;
- Sebagian sehubungan dengan poin sebelumnya, supercap dapat habis sepenuhnya tanpa menimbulkan konsekuensi berbahaya bagi masa pakainya.
Supercaps adalah kapasitor dengan kapasitas dan kepadatan energi ribuan kali lebih tinggi dari kapasitor elektrolitik standar. Kapasitasnya ditingkatkan dengan menggunakan elektrolit khusus (bahan isolasi) yang mengandung ion sehingga memiliki konstanta dielektrik yang sangat tinggi antar pelat. Pemisah (foil tipis) direndam dalam pelarut dengan ion dan ditempatkan di antara pelat. Pelatnya biasanya terbuat dari karbon.
Kapasitansi kapasitor yang ditunjukkan adalah 5000 F.
Supercaps dapat dikombinasikan dengan baterai li-ion HV; Saat melakukan akselerasi sebentar, energi dari kapasitor dapat digunakan sebagai pengganti energi dari baterai HV. Dengan pengereman regeneratif, kapasitor terisi penuh dalam waktu sepersekian detik. Perkembangan di masa depan juga memungkinkan penggantian baterai li-ion dengan paket supercap. Sayangnya, dengan teknologi saat ini, kapasitas dan kepadatan dayanya terlalu rendah dibandingkan baterai lithium-ion. Para ilmuwan sedang mencari cara untuk meningkatkan kapasitas dan kepadatan daya.
Penyeimbangan sel baterai:
Melalui penyeimbangan sel baterai pasif dan aktif, setiap sel dipantau oleh ECU untuk menjaga status kesehatan baterai. Hal ini memperpanjang umur sel dengan mencegah pengosongan yang dalam atau pengisian daya yang berlebihan. Sel litium-ion khususnya harus tetap berada dalam batas yang ketat. Tegangan sel sebanding dengan keadaan muatannya. Muatan sel harus dijaga agar seimbang satu sama lain sebisa mungkin. Dengan penyeimbangan sel, status pengisian daya dapat dikontrol secara akurat hingga 1 mV (0,001 volt).
- Penyeimbangan pasif memastikan keseimbangan status pengisian semua sel baterai dengan mengosongkan sebagian sel dengan status pengisian yang terlalu tinggi (kita akan membahasnya nanti di bagian ini);
- Penyeimbangan aktif adalah teknik penyeimbangan yang lebih kompleks yang dapat mengontrol sel secara individual selama pengisian dan pengosongan. Waktu pengisian daya dengan penyeimbangan aktif lebih singkat dibandingkan dengan penyeimbangan pasif.
Pada gambar berikut kita melihat modul baterai dengan delapan sel.
Delapan sel diisi daya hingga 90%. Umur sel berkurang jika terus menerus diisi hingga 100%. Sebaliknya, masa pakai baterai juga berkurang jika daya baterai melebihi 30%: pada kondisi pengisian daya <30%, daya sel akan sangat habis.
Oleh karena itu, status pengisian daya sel akan selalu antara 30% dan 90%. Hal ini dipantau oleh elektronik, namun tidak terlihat oleh pengemudi kendaraan.
Tampilan digital di dashboard menunjukkan 0% atau 100% ketika mencapai 30% atau 90%.
Karena usia tua, beberapa sel bisa menjadi lebih lemah dibandingkan sel lainnya. Hal ini mempunyai pengaruh besar pada status pengisian daya modul baterai. Dalam dua gambar berikutnya kita melihat keadaan muatan ketika dua sel mempunyai kapasitas yang lebih rendah karena usia. Sel baterai tidak seimbang dalam situasi ini.
- Pelepasan lebih cepat karena sel-sel buruk: dua sel tengah keluar lebih cepat karena kapasitasnya lebih rendah. Untuk mencegah pelepasan energi yang dalam, enam sel lainnya dalam modul tidak dapat lagi melepaskan energi dan oleh karena itu tidak dapat digunakan lagi;
- Tidak terisi penuh karena sel buruk: karena rendahnya kapasitas dua sel tengah, mereka mengisi daya lebih cepat. Karena mereka mencapai 90% lebih cepat dibandingkan enam sel lainnya, pengisian daya lebih lanjut tidak dapat dilakukan.
Jelas bahwa sel berkapasitas lebih rendah merupakan faktor pembatas baik saat pemakaian (saat mengemudi) maupun saat mengisi daya. Untuk memanfaatkan kapasitas penuh baterai secara optimal dan memastikan masa pakai yang lama.
Ada dua metode penyeimbangan baterai: pasif dan aktif.
- Tanpa penyeimbangan: keempat sel semuanya memiliki status pengisian daya yang berbeda. Sel 2 hampir kosong dan sel 4 terisi penuh;
- Pasif: sel-sel dengan kapasitas paling besar akan dikosongkan hingga status muatan sel terlemah (sel 2 dalam contoh) tercapai. Pelepasan sel 1, 3 dan 4 adalah kerugian.
Dalam contoh tersebut kita melihat bahwa gelas kimia dikosongkan hingga mencapai keadaan muatan sel 2; - Aktif: energi dari sel yang penuh digunakan untuk mengisi sel yang kosong. Sekarang yang terjadi bukanlah kehilangan, melainkan perpindahan energi dari satu sel ke sel lainnya.
Prinsip kerja penyeimbangan sel pasif dan aktif dijelaskan di bawah ini.
Penyeimbangan sel pasif:
Dalam contoh kita melihat empat sel baterai dihubungkan secara seri dengan resistor yang dapat dialihkan (R) secara paralel. Dalam contoh ini, resistor dihubungkan ke ground dengan saklar. Sebenarnya ini adalah transistor atau FET.
Dalam contoh kita melihat bahwa sel 3 dimuat 100%. Dari paragraf sebelumnya kita mengetahui bahwa sel ini mengisi daya lebih cepat karena lebih lemah dibandingkan tiga sel lainnya. Karena status pengisian daya sel 3 adalah 100%, maka tiga sel lainnya tidak lagi terisi daya.
Resistansi yang terletak secara paralel pada sel 3 dimasukkan ke dalam rangkaian arus oleh sakelar. Sel 3 terlepas karena resistor menyerap tegangan segera setelah arus mengalir melaluinya. Pelepasan tersebut berlanjut hingga sel tersebut berada pada level sel lainnya; dalam hal ini 90%.
Ketika keempat sel dalam modul ini memiliki status muatan yang sama, maka sel-sel tersebut dapat diisi lebih lanjut.
Dengan penyeimbangan sel pasif, energi hilang: tegangan yang diserap oleh resistor yang terhubung paralel telah hilang. Meski demikian, banyak produsen yang masih menggunakan metode penyeimbangan ini hingga saat ini.
Penyeimbangan sel aktif:
Tentu saja, yang jauh lebih efisien adalah penyeimbangan sel aktif. Energi dari sel yang terlalu penuh digunakan untuk mengisi sel yang kosong. Kita lihat contoh penyeimbangan sel aktif di bawah ini.
Dalam contoh kita melihat dua sel dihubungkan secara seri (3 dan 4) dengan tegangan di atasnya (masing-masing 4 dan 3,9 volt). Sel 3 dilepaskan melalui transformator. FET pada sisi primer memungkinkan pelepasan. Kumparan primer pada transformator diisi dengan ini. FET di sisi sekunder menyalakan kumparan sekunder transformator. Arus pengisian yang diperoleh digunakan untuk memberi energi pada transformator di bawah sel lain. Trafo di bawah sel 4 juga dinyalakan dan dimatikan oleh FET.
