Sujeten:
- Aféierung
- Material a Spezifikatioune vu verschiddene Batterien
- Bläi-Sauer Batterie
- Nickel-Cadmium (Ni-Cd)
- Nickel Metal Hydride (Ni-MH)
- Lithium-Ion (Li-Ion)
- Super capacitor (supercap)
- Batterie Zell Equiliber
Aféierung:
Den Hybrid oder voll elektreschen Auto huet méi grouss, méi schwéier Batterien wéi Autoen mat nëmmen engem Verbrennungsmotor. Hybrid Autoen benotzen héich Spannungen, déi liewensgeféierlech kënne sinn, wann Reparaturen vun onqualifizéierte Leit duerchgefouert ginn. Als Beispill:
- En Startmotor am Operatioun benotzt ongeféier 1,2 kW (1200 Watt)
- En Hybridauto dee ganz op Stroum leeft verbraucht ongeféier 60 kW (60.000 Watt)
Hybrid Autoen däerfen nëmme vu Leit geschafft ginn, déi eng speziell Ausbildung gemaach hunn. Et gëtt en 12-Volt Bordnetz fir d'Energieversuergung vun Accessoiren (wéi Radio, asw.) mat senger eegener klenger Batterie, an et gëtt en Héichspannungsnetz, deen op 400 Volt funktionnéiert (je no Marke). ). D'400 V Spannung gëtt duerch e speziellen DC/DC Konverter op 12 V ëmgewandelt an gelueden déi entspriechend Batterie.
Héich Fuerderunge ginn op Hybrid Drive Batterien gesat. Si mussen ganz grouss sinn Stockage Muecht hunn. Grouss Energiereserven gi gespäichert, a ganz héich Spannungen ginn gezunn wann Dir de Verbrennungsmotor ënnerstëtzt (Hybrid), oder wann Dir Energie fir de komplette Propulsioun (BEV) liwwert.
D'Bild hei drënner weist e Batterie Pack vun engem Toyota Prius. Dës Nickel Metal Hydride (NiMH) Batterie enthält 28 Moduler, déi all aus 6 Zellen besteet. All Zell huet eng Spannung vun 1,2 Volt. D'Gesamtspannung vun dësem Batterie Pack ass 201,6 Volt.
Materialien a Spezifikatioune vu verschiddenen Akkuentypen:
Bei der Entwécklung vum elektresche Drivetrain gëtt e Choix tëscht verschiddenen Akkuenarten gemaach. D'Eegeschafte, d'Leeschtung, d'Konstruktiounsoptiounen an d'Käschte spillen eng grouss Roll. Déi meescht benotzt Batterietypen an Hybrid a voll elektresch Gefierer sinn Ni-MH (Néckelmetallhydrid) a Li-Ion (Lithium-Ion) Batterien.
Zousätzlech zu den Ni-MH- a Li-Ion-Typen gëtt et eng Entwécklung vun elektrolytesche Kondensatoren, déi mir ënner dem Numm "Super-Kondensator" oder "Supercaps" setzen.
Den Dësch weist d'Materialien vun de verschiddene Batterien mat hire Spezifikatioune.
Lead Batterie:
D'Tabell ernimmt och d'Bläi-Sauer Batterie (Gel an AGM Versiounen ginn net berücksichtegt). Well d'Bläi-Sauer Batterie déi längste Liewensdauer bei enger maximaler Entladung vun 20% huet, leid ënner Sulphatioun wéi se Alter ass an eng geréng Energiedicht an Inhalt huet, ass et net gëeegent fir an elektresch Gefierer ze benotzen. Mir fannen d'Bleisäurebatterie als Accessoirebatterie; Niddregspannungsverbraucher wéi Beliichtung, Komfortsystemer (Karosserie) an Infotainment funktionnéieren mat enger Spannung vu ronn 14 Volt.
Nickel-Cadmium (Ni-Cd):
An der Vergaangenheet, Ni-Cd D'Batterien leiden ënner engem Gedächtniseffekt a sinn dofir net gëeegent fir beim elektresche Propulsioun ze benotzen: deelweis Ladung an Entladung trëtt stänneg op. Modern Ni-Cd Batterien si praktesch net méi vum Erënnerungseffekt beaflosst. De gréissten Nodeel vun dëser Zort Batterie ass d'Präsenz vun der gëfteg Substanz Cadmium. Dëst mécht d'Ni-Cd Batterie extrem onfrëndlech fir d'Ëmwelt. D'Benotzung vun dëser Batterie ass also vum Gesetz verbueden.
Nickel Metal Hydride (Ni-MH):
D'Ni-MH Batterie kann méi séier gelueden ginn wéi eng Bläi-Sauer Batterie. Wärend der Opluedstatioun entstinn souwuel Hëtzt wéi och Gas, dee muss ofgeschaaft ginn. D'Batterien si mat engem Killsystem a Ventil ausgestatt. Duerch seng laang Liewensdauer an héich Energie a Kraaftdicht ass d'Ni-MH Batterie gëeegent fir an elektresche Gefierer ze benotzen. Wéi och ëmmer, dës Batterie ass empfindlech fir Iwwerladung, exzessiv Entladungen, héich Temperaturen a séier Temperaturännerungen.
D'Bild hei drënner weist den Ni-MH Batterie Pack vun engem Toyota Prius. Dëst Batterie Pak läit am Kofferraum, hannert der backrest vun der hënneschter Sëtz. Wann d'Temperatursensoren eng héich Temperatur registréieren, gëtt de Kühlfan ageschalt (kann op der Foto riets vum wäisse Gehäuse gesi ginn). De Fan suckelt d'Loft aus dem Interieur a bléist se duerch d'Loftleitungen am Batteriepack fir d'Zellen ze killen.
Lithium-Ion (Li-Ion):
Wéinst der héijer Energie a Kraaftdicht vun der Lithium-Ionbatterie (am Verglach zum Ni-MH), gëtt e Li-Ion-Batteriepack normalerweis a Plug-in Hybriden a voll elektresch Gefierer benotzt. D'Li-Ion Batterie funktionnéiert gutt bei niddregen Temperaturen an huet eng laang Liewensdauer. Et gëtt erwaart datt d'Eegeschafte sech an den nächste Joeren duerch weider Entwécklung verbesseren.
Am nächste Bild gesi mer den (Li-Ion) Batterie Pack vun engem BMW i3. Den Deckel ass ofgeschrauft an ass hannendrun. Wann montéiert ass den Deckel loftdicht zou.
De Batteriepack vum i3 ass ënner dem Gefier montéiert. De Raum am Buedemraum tëscht der viischter an der hënneschter Achs gouf sou vill wéi méiglech benotzt fir sou vill Plaz wéi méiglech fir de Batteriepack ze bidden.
Am Bild gesi mir déi aacht getrennte Blöcke mat all zwielef Zellen. All Block huet eng Kapazitéit vun 2,6 kWh, also mécht dat am Ganzen 22 kWh. Zum Verglach: déi aktuell Generatioun i3 (2020) huet eng Batterie mat enger Kapazitéit vun 94 Ah an enger Kraaft vun 22 kWh. D'Gréisst vum Batteriepack ass d'selwecht bliwwen zënter senger Aféierung am 2013, awer seng Leeschtung (an dofir seng Gamme) ass staark verbessert.
Tesla benotzt kleng Batteriezellen an de Modeller vun 2013 un (Model S a Model X) déi liicht méi grouss sinn wéi Standard AA Batterien déi mir vun der Fernseh Fernbedienung kennen. D'Batteriezellen (18650 vu Panasonic) sinn 65 mm laang an hunn en Duerchmiesser vun 18 mm. Déi extensivst Batteriepäck enthalen net manner wéi 7104 vun dësen Zellen.
An de Biller hei drënner gesi mir déi eenzel Batteriezellen op der lénker Säit an e Batteriepack mat den 7104 Zellen op der rietser Säit.
D'Lithium-Ion Batterie besteet aus véier Haaptkomponenten:
- d'Kathode (+) besteet aus enger Legierung vu Lithium
- d'Anode (-) besteet aus Grafit oder Kuelestoff
- de porösen Separator
- den Elektrolyt
Wärend der Entladung beweegen d'Lithiumionen duerch den Elektrolyt vun der Anode (-) an d'Kathode (+), op de Konsument an zréck an d'Anode. Wärend der Ladung beweegen d'Ionen an entgéintgesate Richtungen a ginn dann vun der Kathode (+) an d'Anode (-).
Den Elektrolyt enthält Lithiumsalze fir d'Ionen ze transportéieren. De Separator suergt dofir datt d'Lithiumionen duerchgoe kënnen, während d'Anode an d'Kathode getrennt bleiwen.
D'Batteriezelle sinn a Moduler ënnerbruecht, déi a Serie verbonne sinn. Déi folgend schematesch Representatioun hei ënnen weist e Batteriepack dee staark Ähnlechkeeten mat deem vun engem Volkswagen E-UP huet! an Renault Zoe. Nëmmen d'Zuel vun den Zellen ënnerscheet sech: de Batteriepack vun der E-UP! huet 204 Zellen an déi vum Renault Zoë 192.
An dësem Beispill besteet d'Batteriepack aus zwee Päck vu sechs Moduler. All Modul enthält zwou Gruppen vun 10 Serie-verbonne Zellen parallel.
- Serieverbindung: d'Batteriespannung erhéicht. Bei enger Zellspannung (Li-Ion) vun 3,2 Volt liwwert eng Batteriemodul (3,2 * 10) = 32 Volt.
Den Nodeel vun enger Serieverbindung ass datt mat enger schlechter Zell d'Kapazitéit vun der ganzer Serieverbindung méi niddereg gëtt. - Parallelverbindung: d'Spannung bleift d'selwecht, awer de Stroum an d'Kapazitéit erhéijen. Eng schlecht Zell huet keen Afloss op d'Zellen am Circuit, déi parallel domat verbonne sinn.
Hiersteller kënnen also wielen e puer parallel Circuiten pro Modul ze benotzen. An de Moduler vum Volkswagen E-Golf sinn also net (zwee an dësem Beispill), mä dräi Gruppen vun Zellen parallel verbonne.
Lithium-Ion Zellen hunn eng Liewensdauer vun ongeféier 2000 Entladung a Ladungszyklen ier hir Kapazitéit op ongeféier 80% vun hirer initialer Ladekapazitéit reduzéiert gëtt.
D'Spannungen vun enger Li-Ionzelle si wéi follegt:
- bewäert Volt: 3,6 Volt;
- Offlossquantitéit Limite: 2,5 Volt;
- maximal Opluedstatiounen Volt: 4,2 Volt.
Déi meescht Batterie Management Systemer (BMS) benotzen eng ënnescht Grenz vun 2,8 Volt. Wann d'Zell iwwer 2,5 Volt entlooss gëtt, gëtt d'Zelle beschiedegt. D'Liewensdauer vun der Zell gëtt verkierzt. Iwwerbelaaschtung vun der Li-Ionzell reduzéiert och seng Liewensdauer, awer ass och geféierlech. Iwwerbelaaschtung vun der Zell kann et brennbar ginn. D'Temperatur vun den Zellen beaflosst och hir Liewensdauer: bei enger Temperatur vu manner wéi 0°C kënnen d'Zellen net méi gelueden ginn. Eng Heizfunktioun bitt an dësem Fall eng Léisung.
Super Code Kondensator (Supercap):
An de fréiere Abschnitter gi verschidde Batterietypen ernimmt, jidderee mat hiren Uwendungen, Virdeeler an Nodeeler. En Nodeel dee jidderee mat esou enger Batterie konfrontéiert ass d'Ladezäit. D'Lade vun engem Batterie Pack kann e puer Stonnen huelen. Schnellladung ass eng Optioun, awer dëst ass verbonne mat méi Hëtzt an eventuell och méi séier Alterung (a Schued) vum Batteriepack.
Vill Fuerschung an Entwécklung ass am Moment statt an Super capacitors. Mir nennen dës och "Super Caps" oder "Ultracapacitors". D'Benotzung vu Supercaps kéint eng Léisung dofir ubidden:
- Laden ass ganz séier;
- Si kënnen Energie (Entladung) ganz séier fräiginn, sou datt eng bedeitend Erhéijung vun der Kraaft méiglech ass;
- Méi haltbar wéi eng Li-Ion Batterie dank enger onlimitéierter Unzuel vun Opluedzyklen (op d'mannst 1 Millioun), well keng elektrochemesch Reaktiounen optrieden;
- Deelweis am Zesummenhang mam virege Punkt, kann eng Supercap komplett entlaascht ginn, ouni datt dat schiedlech Konsequenze fir seng Liewensdauer huet.
Supercaps sinn Kondensatoren mat enger Kapazitéit an Energiedicht Tausende vu Mol méi héich wéi Standard elektrolytesch Kondensatoren. D'Kapazitéit gëtt erhéicht andeems en speziellen Elektrolyt (Isoléiermaterial) benotzt gëtt, deen Ionen enthält an dofir eng ganz héich Dielektresch Konstant tëscht de Placke huet. E Separator (eng dënn Folie) gëtt an engem Léisungsmëttel mat Ionen erwächt an tëscht de Placke plazéiert. D'Placke sinn normalerweis aus Kuelestoff.
D'Kapazitéit vum gewise Kondensator ass 5000 F.
D'Supercaps kënne mat enger Li-Ion HV Batterie kombinéiert ginn; Wann Dir kuerz beschleunegt, kann d'Energie vun de Kondensatoren benotzt ginn anstatt d'Energie vun der HV Batterie. Mat regenerativen Bremsen laden d'Kondensatoren bannent enger Fraktioun vun enger Sekonn voll. Zukünfteg Entwécklunge kënnen et och méiglech maachen, d'Li-Ion Batterie mat engem Supercap Package ze ersetzen. Leider, mat der aktueller Technologie, ass d'Kapazitéit an dofir d'Kraaftdicht ze niddreg am Verglach mat enger Lithium-Ion Batterie. Wëssenschaftler sichen no Weeër fir d'Kapazitéit a Kraaftdicht ze erhéijen.
Batterie Zell Balance:
Duerch passiv an aktiv Batteriezellebalancéierung gëtt all Zell vun der ECU iwwerwaacht fir e gesonde Batteriestatus z'erhalen. Dëst verlängert d'Liewen vun den Zellen andeems déif Entladung oder Iwwerladung verhënnert gëtt. Besonnesch Lithium-Ionzellen mussen a strikte Grenze bleiwen. D'Spannung vun den Zellen ass proportional zum Zoustand vun der Ladung. D'Lade vun den Zellen mussen sou vill wéi méiglech mateneen am Gläichgewiicht gehale ginn. Mat Zellbalancéierung ass et méiglech de Ladestatus präzis op 1 mV (0,001 Volt) ze kontrolléieren.
- Passiv Equiliber suergt fir e Gläichgewiicht am Ladungszoustand vun all Batteriezellen, andeems d'Zellen deelweis mat engem ze héijen Ladungszoustand entlaascht ginn (mir kommen méi spéit an der Rubrik zréck);
- Aktiv Balance ass eng méi komplex Balancetechnik déi d'Zellen individuell beim Laden an Entladung kontrolléiere kann. D'Opluedzäit mat aktive Balance ass méi kuerz wéi mat passivem Balance.
Am folgende Bild gesi mir e Batteriemodul mat aacht Zellen.
Déi aacht Zellen sinn op 90% gelueden. D'Liewensdauer vun enger Zell reduzéiert wann se kontinuéierlech op 100% gelueden gëtt. Ëmgekéiert gëtt d'Liewensdauer och erof, wann d'Batterie iwwer 30% entléisst: bei engem Ladungszoustand vun <30% gëtt d'Zelle déif entlaascht.
De Chargestatus vun den Zellen wäert also ëmmer tëscht 30% an 90% leien. Dëst gëtt vun der Elektronik iwwerwaacht, gëtt awer vum Chauffer vum Gefier net gesinn.
Den digitale Display am Dashboard weist 0% oder 100% un wann Dir 30% oder 90% erreecht.
Wéinst Alter kënnen verschidden Zellen méi schwaach ginn wéi déi aner. Dëst huet e groussen Afloss op d'Ladestatus vum Batteriemodul. An den nächsten zwee Biller gesi mir den Zoustand vun der Ladung wann zwou Zellen eng manner Kapazitéit hunn wéinst Alter. D'Batteriezellen sinn an dëse Situatiounen net ausgeglach.
- Méi séier Entladung wéinst schlechten Zellen: Déi zwee Mëttelzellen entlaaschten duerch hir manner Kapazitéit méi séier. Fir déif Entladung ze verhënneren, kënnen déi aner sechs Zellen am Modul net méi Energie fräiginn a kënnen also net méi benotzt ginn;
- Net voll gelueden wéinst schlechten Zellen: Wéinst der gerénger Kapazitéit vun den mëttleren zwou Zellen laden se méi séier. Well se 90% méi séier erreechen wéi déi aner sechs Zellen, kann weider Laden net stattfannen.
Et ass kloer datt méi niddereg Kapazitéitszellen de limitéierende Faktor sinn souwuel beim Entladung (während der Fuert) wéi beim Oplueden. Fir déi voll Kapazitéit vum Batteriepack optimal ze notzen an eng laang Liewensdauer ze garantéieren.
Et ginn zwou Methoden fir Batteriebalancéierung: passiv an aktiv.
- Ouni Gläichgewiicht: véier Zellen hunn all eng aner charge Staat. Zell 2 ass bal eidel an Zell 4 ass voll gelueden;
- Passiv: d'Zellen mat der gréisster Kapazitéit ginn entlooss bis de Ladungszoustand vun der schwaachster Zell (Zell 2 am Beispill) erreecht gëtt. D'Entladung vun den Zellen 1, 3 a 4 ass Verloscht.
Am Beispill gesi mir datt d'Becher entlooss ginn bis se de Ladungszoustand vun der Zell 2 erreechen; - Aktiv: d'Energie vun de vollen Zellen gëtt benotzt fir déi eidel Zellen ze fëllen. Et gëtt elo kee Verloscht, mee den Transfer vun Energie vun enger Zell an déi aner.
Den Aarbechtsprinzip vu passiven an aktiven Zellbalance gëtt hei ënnen erkläert.
Passiv Zell Balance:
Am Beispill gesi mir véier Batterie Zellen an Serie verbonne mat engem switchable resistor (R) parallel. An dësem Beispill ass de Widderstand mam Buedem mam Schalter verbonnen. A Wierklechkeet ass dëst en Transistor oder FET.
Am Beispill gesi mir datt d'Zelle 3 100% gelueden ass. Vun de fréiere Paragrafen wësse mer datt dës Zell méi séier gelueden ass well se méi schwaach ass wéi déi aner dräi. Well de Chargestatus vun der Zell 3 100% ass, sinn déi aner dräi Zellen net méi gelueden.
D'Resistenz, déi parallel iwwer d'Zelle 3 läit, ass am aktuellen Circuit vum Schalter abegraff. Zell 3 entléisst well de Widderstand Spannung absorbéiert soubal de Stroum duerch et fléisst. D'Entladung geet weider bis d'Zelle um Niveau vun den aneren Zellen ass; an dësem Fall 90%.
Wann all véier Zellen an dësem Modul hunn déi selwecht Staat vun charge, si kënne weider gelueden ginn.
Mat passiver Zellbalancéierung geet d'Energie verluer: d'Spannung, déi vun de parallelverbonne Widerstande absorbéiert ass, ass verluer gaangen. Trotzdem benotze vill Hiersteller nach ëmmer dës Method fir ze balancéieren bis haut.
Aktiv Zell Balance:
Vill méi efficace ass natierlech aktiv Zell Gläichgewiicht. D'Energie vun der iwwervoll Zell gëtt benotzt fir déi eidel Zell ze laden. Mir gesinn e Beispill vun aktiv Zell Balance ënnert.
Am Beispill gesi mir zwou Zellen a Serie verbonnen (3 a 4) mat hiren Spannungen iwwer hinnen (4 respektiv 3,9 Volt). Zell 3 gëtt mat Hëllef vum Transformator entlooss. D'FET op der primärer Säit erlaabt Auslaaf. D'Primärspiral am Transformator gëtt mat dësem gelueden. De FET op der sekundärer Säit schalt d'sekundär Spule vum Transformator un. Dee kritt Ladestroum gëtt benotzt fir den Transformator ënner enger anerer Zell z'erliewen. Den Transformator ënner Zell 4 gëtt och vun FETs ausgeschalt an ausgeschalt.
