Emner:
- introduksjon
- Materialer og spesifikasjoner for forskjellige batterier
- Bly-syre batteri
- Nikkel-kadmium (Ni-Cd)
- Nikkelmetallhydrid (Ni-MH)
- Litium-ion (li-ion)
- Super kondensator (supercap)
- Battericellebalansering
Forord:
Hybrid- eller helelektrisk bil har større og tyngre batterier enn biler med kun forbrenningsmotor. Hybridbiler bruker høye spenninger, noe som kan være livsfarlig dersom reparasjoner utføres av ukvalifiserte personer. Som et eksempel:
- En startmotor i drift bruker rundt 1,2 kW (1200 watt)
- En hybridbil som går helt på strøm bruker rundt 60 kW (60.000 XNUMX watt)
Hybridbiler må kun bearbeides av personer som har gjennomgått spesialopplæring. Det er et 12-volts ombordnett for strømforsyning av tilbehør (som radio osv.) med eget lite batteri, og det er et høyspentnett ombord som opererer på 400 volt (avhengig av merke). ). 400 V-spenningen konverteres til 12 V av en spesiell DC/DC-omformer og lader det aktuelle batteriet.
Det stilles høye krav til hybriddriftsbatterier. De må være veldig store lagringskapasitet å ha. Store energireserver lagres, og svært høye spenninger trekkes ved støtte for forbrenningsmotoren (hybrid), eller ved levering av energi til hele fremdriften (BEV).
Bildet nedenfor viser en batteripakke fra en Toyota Prius. Dette nikkelmetallhydrid (NiMH)-batteriet inneholder 28 moduler, hver bestående av 6 celler. Hver celle har en spenning på 1,2 volt. Den totale spenningen til denne batteripakken er 201,6 volt.
Materialer og spesifikasjoner for ulike typer batterier:
Ved utvikling av det elektriske drivverket velges det mellom ulike typer batterier. Egenskapene, ytelsen, byggemulighetene og kostnadene spiller en stor rolle. De mest brukte batteritypene i hybrid- og helelektriske kjøretøy er Ni-MH (nikkelmetallhydrid) og li-ion (litium-ion) batterier.
I tillegg til Ni-MH- og Li-ion-typene er det en utvikling av elektrolytiske kondensatorer, som vi plasserer under navnet “super-capacitor”, eller “supercaps”.
Tabellen viser materialene til de forskjellige batteriene med deres spesifikasjoner.
Blybatteri:
Tabellen nevner også blybatteriet (gel- og AGM-versjoner er ikke tatt i betraktning). Fordi blysyrebatteriet har den høyeste levetiden ved en maksimal utladning på 20 %, lider av sulfatering når det eldes og har lav energitetthet og innhold, er det ikke egnet for bruk i elektriske kjøretøy. Vi finner blybatteriet som et tilbehørsbatteri; Lavspenningsforbrukere som belysning, komfortsystemer (karosseri) og infotainment opererer med en spenning på rundt 14 volt.
Nikkel-kadmium (Ni-Cd):
Tidligere har Ni-Cd Batterier lider av en minneeffekt og er derfor uegnet for bruk i elektrisk fremdrift: dellading og utlading skjer konstant. Moderne Ni-Cd-batterier påvirkes praktisk talt ikke lenger av minneeffekten. Den største ulempen med denne typen batterier er tilstedeværelsen av det giftige stoffet kadmium. Dette gjør Ni-Cd-batteriet ekstremt uvennlig for miljøet. Bruk av dette batteriet er derfor forbudt ved lov.
Nikkelmetallhydrid (Ni-MH):
Ni-MH-batteriet kan lades raskere enn et blybatteri. Under lading dannes det både varme og gass som må fjernes. Batteriene er utstyrt med kjølesystem og lufteventil. Takket være sin lange levetid og høye energi- og effekttetthet er Ni-MH-batteriet egnet for bruk i elektriske kjøretøy. Denne typen batterier er imidlertid følsomme for overlading, for store utladninger, høye temperaturer og raske temperaturendringer.
Bildet nedenfor viser Ni-MH-batteripakken til en Toyota Prius. Denne batteripakken er plassert i bagasjerommet, bak ryggstøtten på baksetet. Når temperatursensorene registrerer høy temperatur, aktiveres kjøleviften (kan sees på bildet til høyre ved det hvite huset). Viften suger luften fra interiøret og blåser den gjennom luftkanalene i batteripakken for å avkjøle cellene.
Litium-ion (li-ion):
På grunn av litiumionbatteriets høye energi- og effekttetthet (sammenlignet med Ni-MH), brukes en li-ion batteripakke vanligvis i plug-in hybrider og helelektriske kjøretøy. Li-ion-batteriet yter godt ved lave temperaturer og har lang levetid. Det forventes at eiendommene vil bli bedre de neste årene på grunn av videre utbygging.
På det neste bildet ser vi (li-ion) batteripakken til en BMW i3. Lokket er skrudd av og ligger bak. Når det er montert lukkes lokket lufttett.
i3s batteripakke er montert under kjøretøyet. Plassen i gulvplassen mellom for- og bakaksel er brukt mest mulig for å gi mest mulig plass til batteripakken.
På bildet ser vi de åtte separate blokkene med tolv celler hver. Hver blokk har en kapasitet på 2,6 kWh, så det blir totalt 22 kWh. Til sammenligning: dagens generasjon i3 (2020) har et batteri med en kapasitet på 94 Ah og en effekt på 22 kWh. Størrelsen på batteripakken har vært den samme siden den ble introdusert i 2013, men ytelsen (og dermed rekkevidden) har blitt kraftig forbedret.
Tesla bruker små battericeller i modellene fra 2013 og utover (Model S og Model X) som er litt større enn standard AA-batterier som vi kjenner fra fjernkontrollen til fjernsynet. Battericellene (18650 fra Panasonic) er 65 mm lange og har en diameter på 18 mm. De mest omfattende batteripakkene inneholder ikke mindre enn 7104 XNUMX av disse cellene.
På bildene nedenfor ser vi de enkelte battericellene til venstre og en batteripakke som inneholder 7104-cellene til høyre.
Litium-ion-batteriet består av fire hovedkomponenter:
- katoden (+) som består av en legering av litium
- anoden (-) som består av grafitt eller karbon
- den porøse separatoren
- elektrolytten
Under utlading beveger litiumionene seg gjennom elektrolytten fra anoden (-) til katoden (+), til forbrukeren og tilbake til anoden. Under lading beveger ionene seg i motsatte retninger og går deretter fra katoden (+) til anoden (-).
Elektrolytten inneholder litiumsalter for å transportere ionene. Separatoren sørger for at litiumionene kan passere gjennom, mens anoden og katoden forblir atskilt.
Battericellene er plassert i moduler, som er koblet i serie med hverandre. Følgende skjematiske fremstilling nedenfor viser en batteripakke som har sterke likhetstrekk med en Volkswagen E-UP! og Renault Zoe. Bare antall celler er forskjellig: batteripakken til E-UP! har 204 celler og den til Renault Zoë 192.
I dette eksemplet består batteripakken av to pakker med seks moduler. Hver modul inneholder to grupper med 10 seriekoblede celler parallelt.
- Seriekobling: batterispenningen øker. Ved en cellespenning (li-ion) på 3,2 volt, leverer en batterimodul (3,2 * 10) = 32 volt.
Ulempen med en seriekobling er at med en dårlig celle blir kapasiteten på hele seriekoblingen lavere. - Parallellkobling: spenningen forblir den samme, men strømmen og kapasiteten øker. En dårlig celle har ingen innflytelse på cellene i kretsen koblet til den parallelt.
Produsenter kan derfor velge å bruke flere parallelle kretser per modul. I modulene til Volkswagen E-Golf er derfor ikke (to i dette eksemplet), men tre grupper av celler koblet parallelt.
Litiumionceller har en levetid på ca. 2000 utladnings- og ladesykluser før kapasiteten reduseres til ca. 80 % av den opprinnelige ladekapasiteten.
Spenningene til en li-ion-celle er som følger:
- merkespenning: 3,6 volt;
- utladningsgrense: 2,5 volt;
- maksimal ladespenning: 4,2 volt.
De fleste batteristyringssystemer (BMS) bruker en nedre grense på 2,8 volt. Hvis cellen utlades over 2,5 volt, vil cellen bli skadet. Levetiden til cellen forkortes. Overlading av li-ion-cellen reduserer også levetiden, men er også farlig. Overlading av cellen kan føre til at den blir brannfarlig. Temperaturen på cellene påvirker også levetiden: ved en temperatur på under 0°C kan det hende at cellene ikke lenger lades. En varmefunksjon tilbyr en løsning i dette tilfellet.
Superkode kondensator (supercap):
I de foregående avsnittene er forskjellige batterityper nevnt, hver med sine applikasjoner, fordeler og ulemper. En ulempe som alle med et slikt batteri står overfor er ladetiden. Å lade en batteripakke kan ta flere timer. Hurtiglading er et alternativ, men dette er forbundet med mer varme og muligens også raskere aldring (og skade) av batteripakken.
Mye forskning og utvikling foregår for tiden innen superkondensatorer. Vi kaller også disse "super caps" eller "ultracapacitors". Bruk av supercaps kan gi en løsning på dette:
- Ladingen er veldig rask;
- De kan frigjøre energi (utladning) veldig raskt, så en betydelig økning i kraft er mulig;
- Mer holdbart enn et li-ion-batteri takket være et ubegrenset antall ladesykluser (minst 1 million) fordi ingen elektrokjemiske reaksjoner forekommer;
- Delvis i forbindelse med forrige punkt kan en supercap være helt uttømt uten at dette har uheldig effekt på levetiden.
Supercaps er kondensatorer med en kapasitet og energitetthet som er tusenvis av ganger høyere enn standard elektrolytiske kondensatorer. Kapasiteten økes ved å bruke en spesiell elektrolytt (isolasjonsmateriale) som inneholder ioner og derfor har en meget høy dielektrisk konstant mellom platene. En separator (en tynn folie) dynkes i et løsemiddel med ioner og plasseres mellom platene. Platene er vanligvis laget av karbon.
Kapasitansen til den viste kondensatoren er 5000 F.
Supercapsene kan kombineres med et li-ion HV-batteri; Ved kort akselerasjon kan energien fra kondensatorene brukes i stedet for energien fra HV-batteriet. Med regenerativ bremsing lades kondensatorene helt opp i løpet av en brøkdel av et sekund. Fremtidig utvikling kan også gjøre det mulig å erstatte li-ion-batteriet med en supercap-pakke. Dessverre, med dagens teknologi, er kapasiteten og derfor strømtettheten for lav sammenlignet med et litium-ion-batteri. Forskere leter etter måter å øke kapasiteten og krafttettheten på.
Battericellebalansering:
Gjennom passiv og aktiv battericellebalansering overvåkes hver celle av ECU for å opprettholde en sunn batteristatus. Dette forlenger levetiden til cellene ved å forhindre dyp utladning eller overlading. Spesielt litiumionceller må holde seg innenfor strenge grenser. Spenningen til cellene er proporsjonal med ladningens tilstand. Ladningene til cellene må holdes i balanse med hverandre så mye som mulig. Med cellebalansering er det mulig å nøyaktig kontrollere ladestatusen til innenfor 1 mV (0,001 volt).
- Passiv balansering sørger for en likevekt i ladetilstanden til alle battericeller ved å delvis utlade cellene med for høy ladetilstand (vi kommer tilbake til dette senere i avsnittet);
- Aktiv balansering er en mer kompleks balanseteknikk som kan kontrollere cellene individuelt under lading og utlading. Ladetiden med aktiv balansering er kortere enn ved passiv balansering.
I det følgende bildet ser vi en batterimodul med åtte celler.
De åtte cellene er ladet til 90 %. Levetiden til en celle reduseres hvis den kontinuerlig lades til 100 %. Omvendt reduseres også levetiden hvis batteriet lades ut over 30 %: ved en ladetilstand på <30 % er cellen dypt utladet.
Ladestatusen til cellene vil derfor alltid være mellom 30 % og 90 %. Dette overvåkes av elektronikken, men er ikke sett av føreren av kjøretøyet.
Det digitale displayet i dashbordet viser 0 % eller 100 % når man når 30 % eller 90 %.
På grunn av høy alder kan noen celler bli svakere enn de andre. Dette har stor innflytelse på ladestatusen til batterimodulen. På de neste to bildene ser vi ladetilstanden når to celler har lavere kapasitet på grunn av alder. Battericellene er ikke balansert i disse situasjonene.
- Raskere utladning på grunn av dårlige celler: de to midterste cellene utlades raskere på grunn av lavere kapasitet. For å forhindre dyp utladning kan de andre seks cellene i modulen ikke lenger frigjøre energi og kan derfor ikke lenger brukes;
- Lader ikke helt på grunn av dårlige celler: på grunn av den lave kapasiteten til de to midterste cellene, lader de raskere. Fordi de når 90 % raskere enn de andre seks cellene, kan ikke ytterligere lading finne sted.
Det er tydelig at celler med lavere kapasitet er den begrensende faktoren både ved utlading (under kjøring) og ved lading. For å utnytte hele batteripakkens kapasitet optimalt og sikre lang levetid.
Det er to metoder for batteribalansering: passiv og aktiv.
- Uten balansering: fire celler har alle en annen ladetilstand. Celle 2 er nesten tom og celle 4 er fulladet;
- Passiv: cellene med størst kapasitet utlades til ladetilstanden til den svakeste cellen (celle 2 i eksemplet) er nådd. Utladningen av cellene 1, 3 og 4 er tap.
I eksemplet ser vi at begerglassene utlades til de når ladetilstanden til celle 2; - Aktiv: energien fra de fulle cellene brukes til å fylle de tomme cellene. Det er nå ikke noe tap, men overføring av energi fra en celle til en annen.
Arbeidsprinsippet for passiv og aktiv cellebalansering er forklart nedenfor.
Passiv cellebalansering:
I eksemplet ser vi fire battericeller koblet i serie med en koblingsbar motstand (R) i parallell. I dette eksemplet er motstanden koblet til jord med bryteren. I virkeligheten er dette en transistor eller FET.
I eksemplet ser vi at celle 3 er 100 % lastet. Fra de foregående avsnittene vet vi at denne cellen lader raskere fordi den er svakere enn de tre andre. Fordi ladestatusen til celle 3 er 100 %, er de tre andre cellene ikke lenger ladet.
Resistansen som er plassert parallelt over celle 3 er inkludert i strømkretsen av bryteren. Celle 3 utlades fordi motstanden absorberer spenning så snart det går strøm gjennom den. Utladningen fortsetter til cellen er på nivå med de andre cellene; i dette tilfellet 90 %.
Når alle fire cellene i denne modulen har samme ladetilstand, kan de lades ytterligere.
Ved passiv cellebalansering går energi tapt: spenningen som absorberes av de parallellkoblede motstandene har gått tapt. Likevel bruker mange produsenter fortsatt denne metoden for balansering til i dag.
Aktiv cellebalansering:
Mye mer effektivt er selvsagt aktiv cellebalansering. Energien fra den overfulle cellen brukes til å lade den tomme cellen. Vi ser et eksempel på aktiv cellebalansering nedenfor.
I eksemplet ser vi to celler koblet i serie (3 og 4) med deres spenninger over seg (henholdsvis 4 og 3,9 volt). Celle 3 utlades ved hjelp av transformatoren. FET på primærsiden tillater utladning. Primærspolen i transformatoren lades med dette. FET-en på sekundærsiden slår på sekundærspolen til transformatoren. Den oppnådde ladestrømmen brukes til å energisere transformatoren under en annen celle. Transformatoren under celle 4 slås også av og på av FET-er.
