Viðfangsefni:
- Inngangur
- Efni og upplýsingar um mismunandi rafhlöður
- Blýsýru rafhlaða
- Nikkel-kadmíum (Ni-Cd)
- Nikkelmálmhýdríð (Ni-MH)
- Lithium-ion (li-ion)
- Ofurþétti (supercap)
- Jafnvægi rafhlöðunnar
Kynning:
Tvinnbíllinn eða rafbíllinn er með stærri og þyngri rafhlöðum en bílar með aðeins brunavél. Tvinnbílar nota háspennu sem getur verið lífshættuleg ef viðgerðir eru unnar af óhæfu fólki. Sem dæmi:
- Startmótor í gangi notar um 1,2 kW (1200 vött)
- Tvinnbíll sem gengur algjörlega fyrir rafmagni notar um 60 kW (60.000 wött)
Einungis má vinna á tvinnbílum af fólki sem hefur hlotið sérstaka þjálfun. Það er 12 volta netkerfi um borð fyrir aflgjafa aukahluta (svo sem útvarps o.s.frv.) með eigin litlu rafhlöðu og það er háspennukerfi um borð sem starfar á 400 volt (fer eftir tegund) ). 400 V spennunni er breytt í 12 V með sérstökum DC/DC breyti og hleður viðkomandi rafhlöðu.
Miklar kröfur eru gerðar til tvinndrifs rafgeyma. Þeir verða að vera mjög stórir geymslurými að hafa. Mikill orkuforði er geymdur og mjög há spenna er dregin þegar brunavélin er studd (blendingur), eða þegar orku er afhent fyrir fulla framdrifið (BEV).
Myndin hér að neðan sýnir rafhlöðupakka frá Toyota Prius. Þessi Nikkel Metal Hydride (NiMH) rafhlaða inniheldur 28 einingar, sem hver samanstendur af 6 frumum. Hver fruma hefur 1,2 volta spennu. Heildarspenna þessa rafhlöðupakka er 201,6 volt.
Efni og upplýsingar um mismunandi gerðir af rafhlöðum:
Þegar rafdrifið er þróað er valið á milli mismunandi gerða rafgeyma. Eiginleikar, afköst, byggingarkostir og kostnaður leika stórt hlutverk. Algengustu rafhlöðutegundirnar í tvinn- og rafknúnum ökutækjum eru Ni-MH (nikkelmálmhýdríð) og li-jón (litíumjón) rafhlöður.
Auk Ni-MH og Li-jón gerðanna er þróun rafgreiningarþétta, sem við setjum undir nafninu „ofurþétti“ eða „supercaps“.
Taflan sýnir efni mismunandi rafhlöður með forskriftum þeirra.
Blý rafhlaða:
Í töflunni er einnig minnst á blýsýru rafhlöðuna (ekki er tekið tillit til hlaups og AGM útgáfur). Vegna þess að blýsýru rafhlaðan hefur hæsta endingartímann við hámarksafhleðslu upp á 20%, þjáist af súlfun þegar hún eldist og hefur litla orkuþéttleika og innihald, er hún ekki hentug til notkunar í rafknúnum ökutækjum. Við finnum blýsýru rafhlöðuna sem auka rafhlöðu; Lágspennuneytendur eins og lýsing, þægindakerfi (yfirbygging) og upplýsinga- og afþreying starfa á um 14 volta spennu.
Nikkel-kadmíum (Ni-Cd):
Í fortíðinni var Ni-Cd Rafhlöður þjást af minnisáhrifum og eru því óhentugar til notkunar í rafknúnum: hlutahleðsla og afhleðsla eiga sér stað stöðugt. Nútíma Ni-Cd rafhlöður verða nánast ekki lengur fyrir áhrifum af minnisáhrifum. Stærsti ókosturinn við þessa tegund af rafhlöðum er tilvist eitraða efnisins kadmíums. Þetta gerir Ni-Cd rafhlöðuna afar óvænt umhverfinu. Notkun þessarar rafhlöðu er því bönnuð samkvæmt lögum.
Nikkelmálmhýdríð (Ni-MH):
Ni-MH rafhlöðuna er hægt að hlaða hraðar en blýsýru rafhlöðu. Við hleðslu myndast bæði hiti og gas sem þarf að fjarlægja. Rafhlöðurnar eru búnar kælikerfi og útblástursloka. Þökk sé langri líftíma og mikilli orku- og aflþéttleika er Ni-MH rafhlaðan hentug til notkunar í rafknúnum ökutækjum. Hins vegar er þessi tegund af rafhlöðum viðkvæm fyrir ofhleðslu, óhóflegri losun, háum hita og hröðum hitabreytingum.
Myndin hér að neðan sýnir Ni-MH rafhlöðupakka Toyota Prius. Þessi rafhlaða pakki er staðsettur í skottinu, fyrir aftan bakstoð aftursætsins. Þegar hitaskynjarar mæla háan hita er kæliviftan virkjuð (sést á myndinni til hægri við hvíta húsið). Viftan sogar loftið úr innréttingunni og blæs því í gegnum loftrásirnar í rafhlöðupakkanum til að kæla frumurnar.
Lithium-ion (li-ion):
Vegna mikillar orku og aflþéttleika litíumjónarafhlöðunnar (samanborið við Ni-MH) er litíumjónarafhlaða venjulega notaður í tengiltvinnbílum og fullkomlega rafknúnum ökutækjum. Li-ion rafhlaðan skilar sér vel við lágt hitastig og hefur langan líftíma. Gert er ráð fyrir að eignirnar batni á næstu árum vegna frekari uppbyggingar.
Á næstu mynd sjáum við (li-ion) rafhlöðupakka BMW i3. Lokið hefur verið skrúfað af og er fyrir aftan það. Þegar það er sett upp lokast lokið loftþétt.
Rafhlöðupakkinn í i3 er festur undir bílnum. Rýmið í gólfrýminu á milli fram- og afturöxuls hefur verið nýtt eins mikið og hægt er til að veita sem mest pláss fyrir rafhlöðupakkann.
Á myndinni sjáum við átta aðskilda kubba með tólf frumum hver. Hver blokk hefur afkastagetu upp á 2,6 kWh, þannig að það gerir samtals 22 kWh. Til samanburðar: núverandi kynslóð i3 (2020) er með rafhlöðu með 94 Ah afkastagetu og afl upp á 22 kWh. Stærð rafhlöðupakkans hefur haldist sú sama síðan hann kom á markað árið 2013, en frammistaða hans (og þar með svið) hefur batnað til muna.
Tesla notar litlar rafhlöður í gerðum frá 2013 og áfram (Model S og Model X) sem eru aðeins stærri en venjulegar AA rafhlöður sem við þekkjum úr sjónvarpsfjarstýringunni. Rafhlöðusellurnar (18650 frá Panasonic) eru 65 mm að lengd og 18 mm í þvermál. Umfangsmestu rafhlöðupakkarnir innihalda ekki færri en 7104 af þessum frumum.
Á myndunum hér að neðan sjáum við einstaka rafhlöðufrumur til vinstri og rafhlöðupakka sem inniheldur 7104 frumurnar til hægri.
Lithium-ion rafhlaðan samanstendur af fjórum meginhlutum:
- bakskautið (+) sem samanstendur af litíumblendi
- skautið (-) sem samanstendur af grafíti eða kolefni
- gljúpa skiljuna
- raflausnin
Við losun fara litíumjónirnar í gegnum raflausnina frá rafskautinu (-) til bakskautsins (+), til neytandans og aftur til rafskautsins. Við hleðslu hreyfast jónirnar í gagnstæðar áttir og fara síðan frá bakskautinu (+) til rafskautsins (-).
Raflausnin inniheldur litíumsölt til að flytja jónirnar. Skiljan tryggir að litíumjónirnar geti farið í gegnum, á meðan forskautið og bakskautið eru aðskilin.
Rafhlöðusellurnar eru hýstar í einingum sem eru tengdar í röð. Eftirfarandi skýringarmynd hér að neðan sýnir rafhlöðupakka sem er mjög líkt við Volkswagen E-UP! og Renault Zoe. Aðeins fjöldi frumna er mismunandi: rafhlöðupakkinn í E-UP! er með 204 klefa og Renault Zoë 192.
Í þessu dæmi samanstendur rafhlöðupakkinn af tveimur pakkningum með sex einingum. Hver eining inniheldur tvo hópa af 10 raðtengdum frumum samhliða.
- Raðtenging: rafhlaðaspennan eykst. Við frumuspennu (li-ion) sem er 3,2 volt gefur ein rafhlöðueining (3,2 * 10) = 32 volt.
Ókosturinn við raðtengingu er að með lélegum klefa verður afkastageta alls raðtengingarinnar minni. - Samhliða tenging: spennan helst sú sama en straumur og afkastageta aukast. Slæm fruma hefur engin áhrif á frumurnar í hringrásinni sem er tengd henni samhliða.
Framleiðendur geta því valið að nota margar samhliða hringrásir í hverri einingu. Í einingum Volkswagen E-Golf, því ekki (tveir í þessu dæmi), heldur eru þrír hópar frumna tengdir samhliða.
Lithium-ion frumur hafa líftíma upp á um það bil 2000 afhleðslu- og hleðslulotur áður en afkastageta þeirra minnkar í um það bil 80% af upphaflegri hleðslugetu.
Spenna li-jón frumu er sem hér segir:
- málspenna: 3,6 volt;
- losunarmörk: 2,5 volt;
- hámarks hleðsluspenna: 4,2 volt.
Flest rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS) nota lægri mörk 2,8 volt. Ef fruman er tæmd umfram 2,5 volt skemmist fruman. Líftími frumunnar styttist. Ofhleðsla li-ion frumunnar dregur einnig úr líftíma hennar en er líka hættuleg. Ofhleðsla frumunnar getur valdið því að hún verður eldfim. Hitastig frumanna hefur einnig áhrif á líftíma þeirra: við hitastig sem er minna en 0°C er ekki lengur hægt að hlaða frumurnar. Upphitunaraðgerð býður upp á lausn í þessu tilfelli.
Ofurkóðaþétti (supercap):
Í fyrri málsgreinum er getið um mismunandi rafhlöðugerðir, hver með sínum forritum, kostum og göllum. Ókostur sem allir með slíka rafhlöðu standa frammi fyrir er hleðslutíminn. Það getur tekið nokkrar klukkustundir að hlaða rafhlöðupakka. Hraðhleðsla er valkostur, en þetta tengist meiri hita og hugsanlega einnig hraðari öldrun (og skemmdum) á rafhlöðupakkanum.
Miklar rannsóknir og þróun eiga sér stað um þessar mundir varðandi ofurþétta. Við köllum þetta líka „ofurhettur“ eða „ofurþétta“. Notkun ofurhetta gæti veitt lausn á þessu:
- Hleðsla er mjög hröð;
- Þeir geta losað orku (losun) mjög fljótt, þannig að veruleg aukning á afli er möguleg;
- Varanlegri en li-ion rafhlaða þökk sé ótakmörkuðum fjölda hleðslulota (að minnsta kosti 1 milljón) vegna þess að engin rafefnafræðileg viðbrögð eiga sér stað;
- Að hluta í tengslum við fyrri lið má tæma ofurhettu að fullu án þess að það hafi skaðlegar afleiðingar fyrir líftíma hennar.
Supercaps eru þéttar með afkastagetu og orkuþéttleika þúsund sinnum hærri en venjulegir rafgreiningarþéttar. Afkastagetan er aukin með því að nota sérstakt raflausn (einangrunarefni) sem inniheldur jónir og hefur því mjög háan rafstuðul á milli plötunnar. Skilju (þunn filma) er lögð í bleyti í leysi með jónum og sett á milli platanna. Plöturnar eru venjulega úr kolefni.
Rafmagn þéttans sem sýndur er er 5000 F.
Hægt er að sameina ofurhetturnar með li-ion HV rafhlöðu; Þegar hröðun er stutt er hægt að nota orkuna frá þéttunum í stað orkunnar frá HV rafhlöðunni. Með endurnýjunarhemlun hlaðast þéttarnir að fullu á sekúndubroti. Framtíðarþróun gæti einnig gert það mögulegt að skipta um li-ion rafhlöðu fyrir ofurhettupakka. Því miður, með núverandi tækni, er afkastagetan og þar af leiðandi aflþéttleiki of lágur miðað við litíumjónarafhlöðu. Vísindamenn eru að leita leiða til að auka getu og aflþéttleika.
Jafnvægi rafhlöðunnar:
Með aðgerðalausri og virkri rafhlöðujafnvægi er fylgst með hverri frumu af ECU til að viðhalda heilbrigðri rafhlöðustöðu. Þetta lengir endingu frumanna með því að koma í veg fyrir djúphleðslu eða ofhleðslu. Sérstaklega verða litíumjónafrumur að vera innan strangra marka. Spenna frumanna er í réttu hlutfalli við ástand hleðslunnar. Halda þarf hleðslum frumanna í jafnvægi eins og hægt er. Með frumujafnvægi er hægt að stjórna hleðslustöðu nákvæmlega í innan við 1 mV (0,001 volt).
- Hlutlaus jafnvægi tryggir jafnvægi í hleðsluástandi allra rafhlöðufrumna með því að tæma frumurnar að hluta með of háu hleðsluástandi (við munum koma aftur að þessu síðar í kaflanum);
- Virk jafnvægi er flóknari jafnvægistækni sem getur stjórnað frumunum hver fyrir sig meðan á hleðslu og afhleðslu stendur. Hleðslutíminn með virkri jafnvægi er styttri en með óvirkri jafnvægi.
Á eftirfarandi mynd sjáum við rafhlöðueiningu með átta frumum.
Sellurnar átta eru hlaðnar í 90%. Líftími frumu minnkar ef hún er stöðugt hlaðin í 100%. Aftur á móti minnkar líftíminn líka ef rafhlaðan tæmist meira en 30%: við hleðsluástand <30% er fruman djúpt afhlaðin.
Hleðslustaða frumanna verður því alltaf á milli 30% og 90%. Þetta er fylgst með rafeindatækjum en sést ekki af ökumanni bifreiðarinnar.
Stafræni skjárinn í mælaborðinu sýnir 0% eða 100% þegar 30% eða 90% er náð.
Vegna aldurs geta sumar frumur orðið veikari en aðrar. Þetta hefur mikil áhrif á hleðslustöðu rafhlöðueiningarinnar. Á næstu tveimur myndum sjáum við stöðu hleðslu þegar tvær frumur hafa minni afkastagetu vegna aldurs. Rafhlöðusellurnar eru ekki í jafnvægi við þessar aðstæður.
- Hraðari afhleðsla vegna slæmra frumna: tvær miðfrumur losna hraðar vegna minni afkastagetu. Til að koma í veg fyrir djúphleðslu geta hinar sex frumurnar í einingunni ekki lengur losað orku og því ekki lengur hægt að nota þær;
- Hleðst ekki að fullu vegna slæmra frumna: vegna lítillar afkastagetu miðfrumanna tveggja hlaða þær hraðar. Vegna þess að þær ná 90% hraðar en hinar sex frumurnar, getur frekari hleðsla ekki átt sér stað.
Ljóst er að klefar með minni afkastagetu eru takmarkandi þátturinn bæði við afhleðslu (við akstur) og við hleðslu. Til að nýta fulla afkastagetu rafhlöðupakkans sem best og tryggja langan endingartíma.
Það eru tvær aðferðir við jafnvægi rafhlöðunnar: óvirk og virk.
- Án jafnvægis: fjórar frumur hafa allar mismunandi hleðsluástand. Hólf 2 er næstum tómt og hólf 4 er fullhlaðin;
- Óvirkt: frumurnar með mesta afkastagetu eru tæmdar þar til hleðsluástandi veikustu frumunnar (klefa 2 í dæminu) er náð. Losun frumna 1, 3 og 4 er tap.
Í dæminu sjáum við að bikarglasin eru tæmd þar til þau ná hleðsluástandi frumu 2; - Virk: orkan frá fullum frumum er notuð til að fylla tómar frumur. Það er nú ekkert tap, heldur flutningur orku frá einni frumu til annarrar.
Vinnureglan um óvirka og virka frumujafnvægi er útskýrð hér að neðan.
Óvirkt frumujafnvægi:
Í dæminu sjáum við fjórar rafhlöðufrumur sem eru tengdar í röð með skiptanlegum viðnám (R) samhliða. Í þessu dæmi er viðnámið tengt við jörð með rofanum. Í raun er þetta smári eða FET.
Í dæminu sjáum við að klefi 3 er 100% hlaðinn. Frá fyrri málsgreinum vitum við að þessi klefi hleðst hraðar vegna þess að hann er veikari en hinir þrír. Vegna þess að hleðslustaða reits 3 er 100%, eru hinar þrjár frumurnar ekki lengur hlaðnar.
Viðnámið sem er staðsett samsíða yfir reit 3 er innifalið í straumrásinni með rofanum. Fruma 3 tæmist vegna þess að viðnámið gleypir spennu um leið og straumur fer í gegnum hana. Útskriftin heldur áfram þar til fruman er á stigi hinna frumanna; í þessu tilviki 90%.
Þegar allar fjórar frumurnar í þessari einingu hafa sama hleðsluástand er hægt að hlaða þær frekar.
Með óvirkri frumujöfnun tapast orka: spennan sem samhliða viðnámið tekur upp hefur tapast. Engu að síður nota margir framleiðendur þessa aðferð við jafnvægi enn þann dag í dag.
Virk frumujafnvægi:
Miklu skilvirkara er auðvitað virkt frumujafnvægi. Orkan frá offullri frumunni er notuð til að hlaða tómu frumuna. Við sjáum dæmi um virkt frumujafnvægi hér að neðan.
Í dæminu sjáum við tvær frumur tengdar í röð (3 og 4) með spennu yfir þeim (4 og 3,9 volt í sömu röð). Hólf 3 er tæmt með spenni. FET á aðalhliðinni leyfir losun. Aðalspólinn í spenni er hlaðinn með þessu. FET á aukahliðinni kveikir á aukaspólu spennisins. Hleðslustraumurinn sem fæst er notaður til að virkja spenni undir annarri klefi. Einnig er kveikt og slökkt á spenni undir klefa 4 með FET.
