Przedmioty:
- Wprowadzenie
- Materiały i specyfikacje różnych baterii
- Akumulator kwasowo-ołowiowy
- Niklowo-kadmowy (Ni-Cd)
- Niklowo-metalowo-wodorkowy (Ni-MH)
- Litowo-jonowy (li-ion)
- Superkondensator (superkondensator)
- Równoważenie ogniw akumulatora
Przedmowa:
Samochód hybrydowy lub w pełni elektryczny ma większe, cięższe akumulatory niż samochody wyposażone wyłącznie w silnik spalinowy. Samochody hybrydowe korzystają z wysokiego napięcia, które może stanowić zagrożenie dla życia, jeśli naprawy będą wykonywane przez osoby niewykwalifikowane. Jako przykład:
- Rozrusznik podczas pracy zużywa około 1,2 kW (1200 W)
- Samochód hybrydowy napędzany całkowicie energią elektryczną zużywa około 60 kW (60.000 XNUMX watów)
Przy samochodach hybrydowych mogą pracować wyłącznie osoby, które przeszły specjalne przeszkolenie. Istnieje sieć pokładowa 12 V do zasilania akcesoriów (takich jak radio itp.) z własnym małym akumulatorem oraz sieć pokładowa wysokiego napięcia, która działa pod napięciem 400 V (w zależności od marki ). Napięcie 400 V jest przetwarzane na 12 V za pomocą specjalnej przetwornicy DC/DC i ładuje odpowiedni akumulator.
Akumulatorom napędu hybrydowego stawiane są wysokie wymagania. Muszą być bardzo duże pojemność przechowywania mieć. Gromadzone są duże rezerwy energii, a także pobierane są bardzo wysokie napięcia podczas wspomagania silnika spalinowego (hybryda) lub podczas dostarczania energii do całego napędu (BEV).
Zdjęcie poniżej przedstawia akumulator z Toyoty Prius. Ten akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy (NiMH) zawiera 28 modułów, każdy składający się z 6 ogniw. Każde ogniwo ma napięcie 1,2 V. Całkowite napięcie tego zestawu akumulatorów wynosi 201,6 V.
Materiały i specyfikacje różnych typów baterii:
Opracowując elektryczny układ napędowy, dokonuje się wyboru pomiędzy różnymi typami akumulatorów. Właściwości, wydajność, możliwości konstrukcyjne i koszty odgrywają główną rolę. Najczęściej stosowanymi typami akumulatorów w pojazdach hybrydowych i w pełni elektrycznych są akumulatory Ni-MH (niklowo-metalowo-wodorkowe) i litowo-jonowe (litowo-jonowe).
Oprócz typów Ni-MH i Li-ion, następuje rozwój kondensatorów elektrolitycznych, które określamy mianem „superkondensatorów” lub „superkondensatorów”.
W tabeli przedstawiono materiały różnych akumulatorów wraz z ich specyfikacjami.
Bateria ołowiowa:
W tabeli wskazano także akumulator kwasowo-ołowiowy (nie uwzględniono wersji żelowych i AGM). Ponieważ akumulator kwasowo-ołowiowy ma największą żywotność przy maksymalnym rozładowaniu wynoszącym 20%, w miarę starzenia się ulega zasiarczeniu, a także ma niską gęstość i zawartość energii, nie nadaje się do stosowania w pojazdach elektrycznych. Uważamy, że akumulator kwasowo-ołowiowy jest akumulatorem dodatkowym; Odbiorniki niskiego napięcia, takie jak oświetlenie, systemy zwiększające komfort (nadwozie) i systemy informacyjno-rozrywkowe, działają przy napięciu około 14 woltów.
Niklowo-kadmowy (Ni-Cd):
W przeszłości Ni-Cd Akumulatory mają efekt pamięci i dlatego nie nadają się do stosowania w napędach elektrycznych: stale występują częściowe ładowanie i rozładowywanie. W nowoczesnych akumulatorach Ni-Cd praktycznie nie występuje już efekt pamięci. Największą wadą tego typu akumulatorów jest obecność toksycznej substancji – kadmu. To sprawia, że akumulator Ni-Cd jest wyjątkowo nieprzyjazny dla środowiska. Dlatego używanie tego akumulatora jest prawnie zabronione.
Niklowo-metalowo-wodorkowy (Ni-MH):
Akumulator Ni-MH można ładować szybciej niż akumulator kwasowo-ołowiowy. Podczas ładowania wydziela się ciepło i gaz, które należy usunąć. Akumulatory wyposażone są w układ chłodzenia i zawór odpowietrzający. Dzięki długiej żywotności oraz dużej gęstości energii i mocy, akumulator Ni-MH nadaje się do stosowania w pojazdach elektrycznych. Akumulator tego typu jest jednak wrażliwy na przeładowanie, nadmierne rozładowanie, wysokie temperatury i gwałtowne zmiany temperatur.
Poniższy obrazek przedstawia akumulator Ni-MH Toyoty Prius. Zestaw akumulatorów znajduje się w bagażniku, za oparciem tylnego siedzenia. Gdy czujniki temperatury zarejestrują wysoką temperaturę, włącza się wentylator chłodzący (widać to na zdjęciu po prawej stronie przy białej obudowie). Wentylator zasysa powietrze z wnętrza i wdmuchuje je kanałami powietrznymi w akumulatorze w celu schłodzenia ogniw.
Litowo-jonowy (li-ion):
Ze względu na dużą energię i gęstość mocy akumulatora litowo-jonowego (w porównaniu do Ni-MH), w pojazdach hybrydowych typu plug-in i pojazdach w pełni elektrycznych zwykle stosuje się pakiet akumulatorów litowo-jonowych. Akumulator litowo-jonowy dobrze radzi sobie w niskich temperaturach i ma długą żywotność. Oczekuje się, że w nadchodzących latach stan nieruchomości ulegnie poprawie w wyniku dalszego rozwoju.
Na następnym zdjęciu widzimy akumulator (litowo-jonowy) BMW i3. Pokrywa została odkręcona i jest za nią. Po zamontowaniu pokrywa zamyka się hermetycznie.
Akumulator i3 jest zamontowany pod pojazdem. Przestrzeń w podłodze pomiędzy przednią i tylną osią została wykorzystana maksymalnie, aby zapewnić jak najwięcej miejsca na akumulator.
Na obrazku widzimy osiem oddzielnych bloków po dwanaście komórek każdy. Każdy blok ma pojemność 2,6 kWh, co daje w sumie 22 kWh. Dla porównania: obecna generacja i3 (2020) ma akumulator o pojemności 94 Ah i mocy 22 kWh. Rozmiar akumulatora pozostał taki sam od jego wprowadzenia w 2013 r., ale jego wydajność (a tym samym zasięg) znacznie się poprawiła.
Tesla stosuje w modelach od 2013 roku małe ogniwa akumulatorowe (Model S i Model X), które są nieco większe od standardowych baterii AA, które znamy z pilota telewizora. Ogniwa akumulatorowe (18650 firmy Panasonic) mają długość 65 mm i średnicę 18 mm. Najbardziej rozbudowane zestawy akumulatorów zawierają aż 7104 takich ogniw.
Na poniższych zdjęciach widzimy poszczególne ogniwa akumulatorowe po lewej stronie i zestaw akumulatorów zawierający ogniwa 7104 po prawej stronie.
Bateria litowo-jonowa składa się z czterech głównych elementów:
- katoda (+) składa się ze stopu litu
- anoda (-) składająca się z grafitu lub węgla
- porowaty separator
- elektrolit
Podczas rozładowywania jony litu przemieszczają się przez elektrolit od anody (-) do katody (+), do odbiornika i z powrotem do anody. Podczas ładowania jony przemieszczają się w przeciwnych kierunkach, a następnie przechodzą od katody (+) do anody (-).
Elektrolit zawiera sole litu, które transportują jony. Separator zapewnia przejście jonów litu, podczas gdy anoda i katoda pozostają oddzielone.
Ogniwa akumulatorów są umieszczone w modułach, które są połączone szeregowo. Poniższy schemat przedstawia akumulator wykazujący duże podobieństwo do akumulatora Volkswagena E-UP! i Renault Zoe. Różni się tylko liczbą ogniw: akumulator E-UP! ma 204 ogniwa i Renault Zoë 192.
W tym przykładzie zestaw akumulatorów składa się z dwóch zestawów po sześć modułów. Każdy moduł zawiera dwie grupy po 10 ogniw połączonych szeregowo równolegle.
- Połączenie szeregowe: napięcie akumulatora wzrasta. Przy napięciu ogniwa (litowo-jonowym) wynoszącym 3,2 V, jeden moduł akumulatora dostarcza (3,2 * 10) = 32 V.
Wadą połączenia szeregowego jest to, że w przypadku złego ogniwa pojemność całego połączenia szeregowego spada. - Połączenie równoległe: napięcie pozostaje takie samo, ale zwiększa się prąd i pojemność. Uszkodzone ogniwo nie ma wpływu na ogniwa w obwodzie podłączonym do niego równolegle.
Producenci mogą zatem zdecydować się na użycie wielu obwodów równoległych na moduł. W modułach Volkswagena E-Golfa nie są zatem (w tym przykładzie dwie), ale trzy grupy ogniw połączone równolegle.
Ogniwa litowo-jonowe mają żywotność około 2000 cykli rozładowania i ładowania, zanim ich pojemność spadnie do około 80% początkowej pojemności ładowania.
Napięcia ogniwa litowo-jonowego są następujące:
- napięcie znamionowe: 3,6 V;
- granica rozładowania: 2,5 wolta;
- maksymalne napięcie ładowania: 4,2 V.
Większość systemów zarządzania baterią (BMS) wykorzystuje dolną granicę 2,8 wolta. Jeżeli ogniwo zostanie rozładowane powyżej 2,5 V, ogniwo ulegnie uszkodzeniu. Żywotność komórki ulega skróceniu. Przeładowanie ogniwa litowo-jonowego również skraca jego żywotność, ale jest również niebezpieczne. Przeładowanie ogniwa może spowodować, że stanie się ono łatwopalne. Temperatura ogniw ma również wpływ na ich żywotność: w temperaturze poniżej 0°C ogniwa mogą nie być już ładowane. Rozwiązaniem w tym przypadku jest funkcja ogrzewania.
Kondensator superkodowy (supercap):
W poprzednich akapitach wspomniano o różnych typach akumulatorów, każdy z ich zastosowaniami, zaletami i wadami. Wadą, z którą boryka się każdy posiadacz takiego akumulatora, jest czas ładowania. Ładowanie akumulatora może zająć kilka godzin. Szybkie ładowanie jest opcją, ale wiąże się to z większym nagrzewaniem się i prawdopodobnie szybszym starzeniem się (i uszkodzeniem) pakietu akumulatorów.
Obecnie prowadzonych jest wiele badań i rozwoju nad superkondensatorami. Nazywamy je również „superkondensatorami” lub „ultrakondensatorami”. Rozwiązaniem tego problemu może być użycie supercapów:
- Ładowanie jest bardzo szybkie;
- Potrafią bardzo szybko uwolnić energię (rozładować), dzięki czemu możliwy jest znaczny wzrost mocy;
- Trwalszy niż akumulator litowo-jonowy dzięki nieograniczonej liczbie cykli ładowania (co najmniej 1 milion), ponieważ nie zachodzą żadne reakcje elektrochemiczne;
- Częściowo w związku z poprzednim punktem, superkap może zostać całkowicie rozładowany bez szkodliwego wpływu na jego żywotność.
Supercapy to kondensatory o pojemności i gęstości energii tysiące razy większej niż standardowe kondensatory elektrolityczne. Pojemność zwiększa się poprzez zastosowanie specjalnego elektrolitu (materiału izolacyjnego), który zawiera jony i dlatego ma bardzo wysoką stałą dielektryczną pomiędzy płytami. Separator (cienka folia) nasącza się rozpuszczalnikiem z jonami i umieszcza pomiędzy płytami. Płyty są zwykle wykonane z węgla.
Pojemność pokazanego kondensatora wynosi 5000 F.
Superkondensatory można łączyć z akumulatorem litowo-jonowym HV; Podczas krótkiego przyspieszania zamiast energii z akumulatora HV można wykorzystać energię z kondensatorów. W przypadku hamowania regeneracyjnego kondensatory ładują się całkowicie w ułamku sekundy. Przyszły rozwój może również umożliwić wymianę akumulatora litowo-jonowego na pakiet supercap. Niestety przy obecnej technologii pojemność, a tym samym gęstość mocy, jest zbyt niska w porównaniu z akumulatorem litowo-jonowym. Naukowcy szukają sposobów na zwiększenie pojemności i gęstości mocy.
Równoważenie ogniw akumulatora:
Dzięki pasywnemu i aktywnemu równoważeniu ogniw akumulatora każde ogniwo jest monitorowane przez ECU w celu utrzymania prawidłowego stanu akumulatora. Wydłuża to żywotność ogniw, zapobiegając głębokiemu rozładowaniu lub przeładowaniu. W szczególności ogniwa litowo-jonowe muszą mieścić się w ścisłych granicach. Napięcie ogniw jest proporcjonalne do stanu ładunku. Ładunki ogniw muszą być w miarę możliwości utrzymywane w równowadze. Dzięki równoważeniu ogniw możliwe jest dokładne kontrolowanie stanu naładowania z dokładnością do 1 mV (0,001 V).
- Równoważenie pasywne zapewnia równowagę stanu naładowania wszystkich ogniw akumulatora poprzez częściowe rozładowywanie ogniw o zbyt wysokim stanie naładowania (powrócimy do tego w dalszej części rozdziału);
- Aktywne równoważenie to bardziej złożona technika równoważenia, która umożliwia indywidualne sterowanie ogniwami podczas ładowania i rozładowywania. Czas ładowania przy równoważeniu aktywnym jest krótszy niż przy równoważeniu pasywnym.
Na poniższym obrazku widzimy moduł baterii z ośmioma ogniwami.
Osiem ogniw jest naładowanych do 90%. Żywotność ogniwa zmniejsza się, jeśli jest ono stale ładowane do 100%. I odwrotnie, żywotność akumulatora również spada, jeśli akumulator rozładuje się powyżej 30%: przy stanie naładowania <30% ogniwo jest głęboko rozładowane.
Stan naładowania ogniw będzie zatem zawsze wynosić od 30% do 90%. Jest to monitorowane przez elektronikę, ale nie jest widoczne dla kierowcy pojazdu.
Cyfrowy wyświetlacz na desce rozdzielczej wskazuje 0% lub 100% po osiągnięciu 30% lub 90%.
Ze względu na starość niektóre komórki mogą stać się słabsze niż inne. Ma to duży wpływ na stan naładowania modułu akumulatorowego. Na kolejnych dwóch obrazach widzimy stan naładowania, gdy dwa ogniwa mają mniejszą pojemność ze względu na wiek. W takich sytuacjach ogniwa akumulatora nie są zrównoważone.
- Szybsze rozładowanie z powodu uszkodzonych ogniw: dwa środkowe ogniwa rozładowują się szybciej ze względu na ich mniejszą pojemność. Aby zapobiec głębokiemu rozładowaniu, pozostałe sześć ogniw modułu nie może już uwalniać energii i dlatego nie można ich już używać;
- Nie ładuje się w pełni z powodu uszkodzonych ogniw: ze względu na małą pojemność dwóch środkowych ogniw ładują się szybciej. Ponieważ osiągają one 90% szybciej niż pozostałe sześć ogniw, dalsze ładowanie nie jest możliwe.
Oczywiste jest, że ogniwa o mniejszej pojemności są czynnikiem ograniczającym zarówno podczas rozładowywania (podczas jazdy), jak i podczas ładowania. Aby optymalnie wykorzystać pełną pojemność akumulatora i zapewnić długą żywotność.
Istnieją dwie metody równoważenia baterii: pasywna i aktywna.
- Bez równoważenia: wszystkie cztery ogniwa mają inny stan naładowania. Komórka 2 jest prawie pusta, a komórka 4 jest w pełni naładowana;
- Pasywny: ogniwa o największej pojemności są rozładowywane do momentu osiągnięcia stanu naładowania najsłabszego ogniwa (w przykładzie ogniwo 2). Rozładowanie ogniw 1, 3 i 4 oznacza stratę.
W przykładzie widzimy, że zlewki są rozładowywane, aż osiągną stan naładowania ogniwa 2; - Aktywny: energia z pełnych ogniw jest wykorzystywana do wypełniania pustych ogniw. Nie ma już straty, lecz transfer energii z jednej komórki do drugiej.
Poniżej wyjaśniono zasadę działania pasywnego i aktywnego równoważenia ogniw.
Równoważenie ogniw pasywnych:
W przykładzie widzimy cztery ogniwa akumulatorowe połączone szeregowo z przełączalnym rezystorem (R) równolegle. W tym przykładzie rezystor jest podłączony do masy za pomocą przełącznika. W rzeczywistości jest to tranzystor lub FET.
W przykładzie widzimy, że komórka 3 jest załadowana w 100%. Z poprzednich akapitów wiemy, że to ogniwo ładuje się szybciej, bo jest słabsze od pozostałych trzech. Ponieważ stan naładowania ogniwa 3 wynosi 100%, pozostałe trzy ogniwa nie są już naładowane.
Rezystancja umieszczona równolegle w ogniwie 3 jest włączana do obwodu prądowego za pomocą przełącznika. Ogniwo 3 rozładowuje się, ponieważ rezystor pochłania napięcie, gdy tylko przepływa przez niego prąd. Wyładowanie trwa do momentu, gdy komórka znajdzie się na poziomie innych komórek; w tym przypadku 90%.
Gdy wszystkie cztery ogniwa w tym module będą miały ten sam stan naładowania, można je dalej ładować.
Przy pasywnym równoważeniu ogniw następuje utrata energii: utracone zostaje napięcie pochłaniane przez równolegle połączone rezystory. Niemniej jednak wielu producentów do dziś stosuje tę metodę wyważania.
Aktywne równoważenie komórek:
Dużo skuteczniejsze jest oczywiście aktywne równoważenie komórek. Energia z przepełnionego ogniwa jest wykorzystywana do ładowania pustego ogniwa. Poniżej widzimy przykład aktywnego równoważenia komórek.
W przykładzie widzimy dwa ogniwa połączone szeregowo (3 i 4) z napięciem powyżej nich (odpowiednio 4 i 3,9 V). Ogniwo 3 jest rozładowywane za pomocą transformatora. FET po stronie pierwotnej umożliwia rozładowanie. Cewka pierwotna w transformatorze jest tym naładowana. FET po stronie wtórnej włącza uzwojenie wtórne transformatora. Uzyskany prąd ładowania służy do zasilenia transformatora pod innym ogniwem. Transformator pod ogniwem 4 jest również włączany i wyłączany przez tranzystory FET.
