Temos:
- Įvadas
- Įvairių baterijų medžiagos ir specifikacijos
- Švino rūgšties akumuliatorius
- Nikelis-kadmis (Ni-Cd)
- Nikelio metalo hidridas (Ni-MH)
- Ličio jonai (ličio jonai)
- Super kondensatorius (superdangtelis)
- Akumuliatoriaus elementų balansavimas
Įvadas:
Hibridinis arba visiškai elektrinis automobilis turi didesnius, sunkesnius akumuliatorius nei automobiliai su tik vidaus degimo varikliu. Hibridiniai automobiliai naudoja aukštą įtampą, kuri gali būti pavojinga gyvybei, jei remontą atlieka nekvalifikuoti asmenys. Pavyzdžiui:
- Veikiantis starteris sunaudoja apie 1,2 kW (1200 vatų)
- Hibridinis automobilis, varomas tik elektra, sunaudoja apie 60 kW (60.000 XNUMX vatų)
Su hibridiniais automobiliais gali dirbti tik specialiai apmokyti asmenys. Yra 12 voltų borto tinklas, skirtas priedų (pvz., radijo ir kt.) maitinimui su savo maža baterija, taip pat yra aukštos įtampos borto tinklas, veikiantis 400 voltų įtampa (priklausomai nuo prekės ženklo). ). 400 V įtampa specialiu DC/DC keitikliu paverčiama į 12 V ir įkrauna atitinkamą bateriją.
Aukšti reikalavimai keliami hibridinės pavaros akumuliatoriams. Jie turi būti labai dideli saugojimo talpa turėti. Didelės energijos atsargos kaupiamos ir labai aukšta įtampa išvedama palaikant vidaus degimo variklį (hibridą) arba tiekiant energiją visam varikliui (BEV).
Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas „Toyota Prius“ akumuliatorius. Šioje nikelio metalo hidrido (NiMH) baterijoje yra 28 moduliai, kurių kiekvienas susideda iš 6 elementų. Kiekvienas elementas turi 1,2 volto įtampą. Bendra šio akumuliatoriaus įtampa yra 201,6 volto.
Įvairių tipų baterijų medžiagos ir specifikacijos:
Kuriant elektrinę pavarą, pasirenkama tarp skirtingų tipų akumuliatorių. Ypatybės, našumas, konstrukcijos galimybės ir sąnaudos vaidina svarbų vaidmenį. Hibridinėse ir visiškai elektrinėse transporto priemonėse dažniausiai naudojami akumuliatorių tipai yra Ni-MH (nikelio metalo hidrido) ir ličio jonų (ličio jonų) akumuliatoriai.
Be Ni-MH ir Li-ion tipų, yra kuriami elektrolitiniai kondensatoriai, kuriuos mes vadiname „superkondensatorių“ arba „superdangteliais“.
Lentelėje pateikiamos skirtingų baterijų medžiagos ir jų specifikacijos.
Švino baterija:
Lentelėje taip pat minimas švino-rūgšties akumuliatorius (neatsižvelgiama į gelio ir AGM versijas). Kadangi švino-rūgšties akumuliatoriaus eksploatavimo laikas yra ilgiausias, kai didžiausias iškrovimas yra 20%, senstant jis sulfatuojasi, o energijos tankis ir kiekis yra mažas, jis netinka naudoti elektrinėse transporto priemonėse. Mes randame švino rūgšties akumuliatorių kaip papildomą akumuliatorių; Žemos įtampos vartotojai, tokie kaip apšvietimas, komforto sistemos (kėbulas) ir informacinės pramogos, veikia esant maždaug 14 voltų įtampai.
Nikelis-kadmis (Ni-Cd):
Anksčiau Ni-Cd Akumuliatoriai kenčia nuo atminties efekto, todėl yra netinkami naudoti elektros varyme: dalinis įkrovimas ir iškrovimas vyksta nuolat. Šiuolaikinės Ni-Cd baterijos praktiškai nebeveikia atminties efekto. Didžiausias šio tipo akumuliatorių trūkumas yra toksiškos medžiagos kadmis. Dėl to Ni-Cd baterija yra itin nedraugiška aplinkai. Todėl šios baterijos naudojimas yra draudžiamas įstatymu.
Nikelio metalo hidridas (Ni-MH):
Ni-MH akumuliatorių galima įkrauti greičiau nei švino rūgšties akumuliatorių. Įkrovimo metu susidaro šiluma ir dujos, kurias reikia pašalinti. Baterijose yra aušinimo sistema ir oro išleidimo vožtuvas. Dėl ilgos eksploatavimo trukmės ir didelio energijos bei galios tankio Ni-MH baterija tinkama naudoti elektrinėse transporto priemonėse. Tačiau šio tipo akumuliatoriai jautrūs perkrovimui, per dideliam iškrovimui, aukštai temperatūrai ir staigiems temperatūros pokyčiams.
Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas „Toyota Prius“ Ni-MH akumuliatorius. Šis akumuliatorius yra bagažinėje, už galinės sėdynės atlošo. Kai temperatūros davikliai užfiksuoja aukštą temperatūrą, įsijungia aušinimo ventiliatorius (matosi nuotraukoje dešinėje prie balto korpuso). Ventiliatorius siurbia orą iš vidaus ir pučia jį per oro kanalus akumuliatoriaus bloke, kad atvėsintų elementus.
Ličio jonai (ličio jonai):
Dėl didelio ličio jonų akumuliatoriaus energijos ir galios tankio (palyginti su Ni-MH), ličio jonų akumuliatorių blokas dažniausiai naudojamas iš tinklo įkraunamų hibridų ir visiškai elektrinėse transporto priemonėse. Ličio jonų akumuliatorius gerai veikia žemoje temperatūroje ir turi ilgą tarnavimo laiką. Tikimasi, kad artimiausiais metais dėl tolesnės plėtros savybės pagerės.
Kitame paveikslėlyje matome BMW i3 (ličio jonų) akumuliatorių. Dangtis buvo atsuktas ir yra už jo. Sumontuotas dangtis sandariai užsidaro.
„i3“ akumuliatoriaus blokas yra sumontuotas po transporto priemone. Grindų erdvė tarp priekinės ir galinės ašies buvo išnaudota kiek įmanoma, kad būtų kuo daugiau vietos akumuliatoriui.
Nuotraukoje matome aštuonis atskirus blokus su dvylika langelių kiekviename. Kiekvieno bloko galia yra 2,6 kWh, tai iš viso sudaro 22 kWh. Palyginimui: dabartinės kartos i3 (2020) yra 94 Ah talpos ir 22 kWh galios akumuliatorius. Akumuliatoriaus dydis išliko toks pat nuo pat jo pristatymo 2013 m., tačiau jo veikimas (taigi ir asortimentas) labai pagerėjo.
„Tesla“ modeliuose nuo 2013 m. (Model S ir Model X) naudoja mažas baterijų elementus, kurie yra šiek tiek didesni nei standartinės AA baterijos, kurias žinome iš televizoriaus nuotolinio valdymo pulto. Akumuliatoriaus elementai (18650 iš Panasonic) yra 65 mm ilgio ir 18 mm skersmens. Didžiausiose baterijose yra ne mažiau nei 7104 XNUMX šių elementų.
Žemiau esančiuose paveikslėliuose matome atskirus akumuliatoriaus elementus kairėje, o akumuliatorių, kuriame yra 7104 elementai, dešinėje.
Ličio jonų baterija sudaryta iš keturių pagrindinių komponentų:
- katodas (+), sudarytas iš ličio lydinio
- anodas (-), sudarytas iš grafito arba anglies
- akytasis separatorius
- elektrolitas
Iškrovimo metu ličio jonai per elektrolitą juda iš anodo (-) į katodą (+), į vartotoją ir atgal į anodą. Įkrovimo metu jonai juda priešingomis kryptimis, o tada pereina nuo katodo (+) prie anodo (-).
Elektrolite yra ličio druskų, kurios perneša jonus. Separatorius užtikrina, kad ličio jonai galėtų praeiti, o anodas ir katodas liktų atskirti.
Akumuliatoriaus elementai yra moduliuose, kurie sujungti nuosekliai. Toliau pateiktame scheminiame paveikslėlyje parodytas akumuliatorių paketas, turintis daug panašumų su Volkswagen E-UP! ir Renault Zoë. Skiriasi tik elementų skaičius: E-UP baterija! turi 204 kameras, o „Renault Zoë“ – 192.
Šiame pavyzdyje akumuliatorių paketą sudaro du šešių modulių paketai. Kiekviename modulyje yra dvi grupės iš 10 lygiagrečiai sujungtų elementų.
- Serijinis prijungimas: padidėja akumuliatoriaus įtampa. Kai elemento įtampa (ličio jonai) yra 3,2 voltai, vienas akumuliatoriaus modulis maitina (3,2 * 10) = 32 voltai.
Nuosekliosios jungties trūkumas yra tas, kad esant blogam elementui visos serijinės jungties talpa tampa mažesnė. - Lygiagretus jungimas: įtampa išlieka ta pati, bet srovė ir talpa didėja. Blogas elementas neturi įtakos ląstelėms grandinėje, prijungtoje prie jos lygiagrečiai.
Todėl gamintojai gali pasirinkti naudoti kelias lygiagrečias grandines vienam moduliui. Taigi „Volkswagen E-Golf“ moduliuose lygiagrečiai sujungtos ne (šiame pavyzdyje dvi), o trys elementų grupės.
Ličio jonų elementų eksploatavimo trukmė yra maždaug 2000 iškrovimo ir įkrovimo ciklų, kol jų talpa sumažėja iki maždaug 80 % pradinės įkrovimo talpos.
Ličio jonų elemento įtampa yra tokia:
- vardinė įtampa: 3,6 voltai;
- iškrovos riba: 2,5 voltai;
- maksimali įkrovimo įtampa: 4,2 voltai.
Dauguma baterijų valdymo sistemų (BMS) naudoja apatinę 2,8 volto ribą. Jei elementas išsikrauna daugiau nei 2,5 volto, elementas bus pažeistas. Ląstelės gyvenimo trukmė sutrumpėja. Per didelis ličio jonų elemento įkrovimas taip pat sumažina jo eksploatavimo laiką, tačiau taip pat yra pavojingas. Per didelis elemento įkrovimas gali sukelti degimą. Elementų temperatūra taip pat turi įtakos jų gyvavimo trukmei: esant žemesnei nei 0°C temperatūrai, elementai gali būti nebeįkraunami. Šiuo atveju sprendimas yra šildymo funkcija.
Super kodo kondensatorius (supercap):
Ankstesnėse pastraipose paminėti skirtingi baterijų tipai, kurių kiekvienas turi savo paskirtį, pranašumus ir trūkumus. Trūkumas, su kuriuo susiduria visi, turintys tokią bateriją, yra įkrovimo laikas. Akumuliatoriaus įkrovimas gali užtrukti kelias valandas. Galimas greitas įkrovimas, tačiau tai susiję su didesniu karščiu ir galbūt greitesniu akumuliatoriaus senėjimu (ir sugadinimu).
Šiuo metu atliekama daug superkondensatorių tyrimų ir plėtros. Tai taip pat vadiname „super dangteliais“ arba „ultrakondensatoriais“. Supercaps naudojimas galėtų padėti išspręsti šią problemą:
- Įkrovimas yra labai greitas;
- Jie gali labai greitai išleisti energiją (išsikrauti), todėl galimas didelis galios padidėjimas;
- Patvaresnis nei ličio jonų akumuliatorius dėl neriboto įkrovimo ciklų skaičiaus (mažiausiai 1 mln.), nes nevyksta elektrocheminės reakcijos;
- Iš dalies atsižvelgiant į ankstesnį punktą, superdangtelis gali būti visiškai iškrautas, tačiau tai neturės žalingų pasekmių jo eksploatavimo trukmei.
Superdangteliai yra kondensatoriai, kurių talpa ir energijos tankis tūkstančius kartų didesnis nei standartinių elektrolitinių kondensatorių. Talpa padidinama naudojant specialų elektrolitą (izoliacinę medžiagą), kuriame yra jonų, todėl tarp plokščių yra labai didelė dielektrinė konstanta. Atskyriklis (plona folija) mirkomas tirpiklyje su jonais ir dedamas tarp plokščių. Plokštės dažniausiai gaminamos iš anglies.
Parodyta kondensatoriaus talpa yra 5000 F.
Superdangteliai gali būti derinami su ličio jonų HV baterija; Trumpam įsibėgėjant, vietoj HV baterijos energijos gali būti naudojama kondensatorių energija. Naudojant regeneracinį stabdymą, kondensatoriai visiškai įkraunami per sekundės dalį. Ateityje taip pat gali būti, kad ličio jonų akumuliatorių bus galima pakeisti supercap paketu. Deja, naudojant dabartines technologijas, talpa, taigi ir galios tankis yra per mažas, palyginti su ličio jonų baterija. Mokslininkai ieško būdų, kaip padidinti pajėgumą ir galios tankį.
Akumuliatoriaus elementų balansavimas:
Naudojant pasyvų ir aktyvų akumuliatoriaus elementų balansavimą, kiekvieną elementą stebi ECU, kad būtų išlaikyta sveika akumuliatoriaus būsena. Tai prailgina elementų tarnavimo laiką, nes apsaugo nuo gilaus iškrovimo ar perkrovimo. Visų pirma ličio jonų elementai turi neviršyti griežtų ribų. Elementų įtampa proporcinga įkrovimo būklei. Ląstelių krūviai turi būti kuo labiau subalansuoti vienas su kitu. Su elementų balansavimu galima tiksliai valdyti įkrovimo būseną 1 mV (0,001 volto) tikslumu.
- Pasyvus balansavimas užtikrina visų akumuliatoriaus elementų įkrovos būsenos pusiausvyrą, dalinai iškraunant elementus, kurių įkrova yra per didelė (prie to grįšime vėliau skyriuje);
- Aktyvus balansavimas yra sudėtingesnė balansavimo technika, kuri gali valdyti elementus atskirai įkrovimo ir iškrovimo metu. Aktyvaus balansavimo įkrovimo laikas yra trumpesnis nei pasyvaus balansavimo.
Kitame paveikslėlyje matome akumuliatoriaus modulį su aštuoniais elementais.
Aštuonios ląstelės įkraunamos iki 90%. Elemento tarnavimo laikas sutrumpėja, jei jis nuolat įkraunamas iki 100%. Priešingai, eksploatavimo trukmė taip pat sutrumpėja, jei akumuliatorius išsikrauna daugiau nei 30 %: esant <30 % įkrovimo būsenai, elementas yra labai išsikrovęs.
Todėl elementų įkrovimo būsena visada bus nuo 30% iki 90%. Tai stebi elektronika, bet nemato transporto priemonės vairuotojas.
Skaitmeninis ekranas prietaisų skydelyje rodo 0 % arba 100 %, kai pasiekiamas 30 % arba 90 %.
Dėl senatvės kai kurios ląstelės gali tapti silpnesnės už kitas. Tai turi didelę įtaką akumuliatoriaus modulio įkrovimo būsenai. Kituose dviejuose vaizduose matome įkrovimo būseną, kai dviejų elementų talpa dėl amžiaus yra mažesnė. Tokiose situacijose akumuliatoriaus elementai nėra subalansuoti.
- Greitesnis išsikrovimas dėl blogų ląstelių: dvi vidurinės ląstelės išsikrauna greičiau dėl mažesnės talpos. Kad būtų išvengta gilaus iškrovimo, kitos šešios modulio ląstelės nebegali išleisti energijos ir todėl nebegali būti naudojamos;
- Ne pilnai įkraunama dėl blogų elementų: dėl mažos vidutinių dviejų celių talpos jos greičiau kraunasi. Kadangi jie pasiekia 90% greičiau nei kiti šeši elementai, tolesnis įkrovimas negali vykti.
Akivaizdu, kad mažesnės talpos elementai yra ribojantis veiksnys tiek išsikraunant (važiuojant), tiek kraunant. Optimaliai išnaudoti visą akumuliatoriaus talpą ir užtikrinti ilgą tarnavimo laiką.
Yra du akumuliatoriaus balansavimo būdai: pasyvus ir aktyvus.
- Be balansavimo: keturios ląstelės turi skirtingą įkrovimo būseną. 2 elementas beveik tuščias, o 4 elementas visiškai įkrautas;
- Pasyvus: didžiausios talpos elementai iškraunami tol, kol pasiekiama silpniausios ląstelės (pavyzdyje 2 elementas) įkrovimo būsena. 1, 3 ir 4 ląstelių iškrovimas yra nuostolis.
Pavyzdyje matome, kad stiklinės iškraunamos tol, kol pasiekia 2 elemento įkrovos būseną; - Aktyvus: pilna ląstelių energija naudojama užpildyti tuščias ląsteles. Dabar nėra nuostolių, o energijos perdavimas iš vienos ląstelės į kitą.
Pasyvaus ir aktyvaus ląstelių balansavimo veikimo principas paaiškinamas žemiau.
Pasyvus ląstelių balansavimas:
Pavyzdyje matome keturis akumuliatoriaus elementus, lygiagrečiai sujungtus nuosekliai su perjungiamu rezistoriumi (R). Šiame pavyzdyje rezistorius yra prijungtas prie žemės jungikliu. Iš tikrųjų tai yra tranzistorius arba FET.
Pavyzdyje matome, kad 3 langelis įkeltas 100%. Iš ankstesnių pastraipų žinome, kad šis elementas įkraunamas greičiau, nes yra silpnesnis nei kiti trys. Kadangi 3 elemento įkrovimo būsena yra 100%, kiti trys elementai nebeįkraunami.
Atsparumas, esantis lygiagrečiai 3 langelyje, yra įtrauktas į srovės grandinę jungikliu. 3 elementas išsikrauna, nes rezistorius sugeria įtampą, kai tik per jį teka srovė. Iškrova tęsiasi tol, kol ląstelė yra kitų ląstelių lygyje; šiuo atveju 90 proc.
Kai visų keturių šio modulio elementų įkrovimo būsena yra tokia pati, jas galima įkrauti toliau.
Su pasyviu elementų balansavimu prarandama energija: prarandama lygiagrečiai sujungtų rezistorių sugerta įtampa. Nepaisant to, daugelis gamintojų šį balansavimo būdą vis dar naudoja iki šiol.
Aktyvus ląstelių balansavimas:
Žinoma, daug efektyvesnis yra aktyvus ląstelių balansavimas. Perpildytos ląstelės energija naudojama tuščiai ląstelei įkrauti. Žemiau matome aktyvaus ląstelių balansavimo pavyzdį.
Pavyzdyje matome du nuosekliai sujungtus elementus (3 ir 4), kurių įtampa yra virš jų (atitinkamai 4 ir 3,9 voltai). 3 elementas iškraunamas naudojant transformatorių. Pirminėje pusėje esantis FET leidžia iškrauti. Tuo įkraunama transformatoriaus pirminė ritė. Antrinėje pusėje esantis FET įjungia transformatoriaus antrinę ritę. Gauta įkrovimo srovė naudojama transformatoriaus įjungimui po kitu elementu. Transformatorius po 4 langeliu taip pat įjungiamas ir išjungiamas FET.
