Subiecte:
- introducere
- Materiale și specificații ale diferitelor baterii
- Baterie plumb-acid
- Nichel-cadmiu (Ni-Cd)
- Hidrură de metal de nichel (Ni-MH)
- Litiu-ion (li-ion)
- Super condensator (supercap)
- Echilibrarea celulelor bateriei
Introducere:
Mașina hibridă sau complet electrică are baterii mai mari și mai grele decât mașinile cu doar un motor cu combustie. Mașinile hibride folosesc tensiuni înalte, care pot pune viața în pericol dacă reparațiile sunt efectuate de persoane necalificate. Ca exemplu:
- Un motor de pornire în funcțiune utilizează aproximativ 1,2 kW (1200 wați)
- O mașină hibridă care funcționează în întregime cu energie electrică folosește aproximativ 60 kW (60.000 Watt)
Mașinile hibride pot fi lucrate numai de persoane care au urmat o pregătire specială. Există o rețea de bord de 12 volți pentru alimentarea accesoriilor (cum ar fi radio, etc.) cu propria baterie mică și există o rețea de bord de înaltă tensiune care funcționează la 400 de volți (în funcție de marcă). ). Tensiunea de 400 V este convertită la 12 V printr-un convertor special DC/DC și încarcă bateria respectivă.
Bateriile de propulsie hibride sunt impuse cerințe mari. Trebuie să fie foarte mari Capacitate de stocare a avea. Sunt stocate rezerve mari de energie, iar tensiuni foarte mari sunt extrase atunci când se sprijină motorul cu ardere (hibrid) sau când se livrează energie pentru propulsia completă (BEV).
Imaginea de mai jos prezintă un pachet de baterii de la o Toyota Prius. Această baterie cu hidrură metalică de nichel (NiMH) conține 28 de module, fiecare constând din 6 celule. Fiecare celulă are o tensiune de 1,2 volți. Tensiunea totală a acestui pachet de baterii este de 201,6 volți.
Materiale și specificații ale diferitelor tipuri de baterii:
La dezvoltarea sistemului de propulsie electric, se alege între diferite tipuri de baterii. Proprietățile, performanța, opțiunile de construcție și costurile joacă un rol major. Cele mai utilizate tipuri de baterii în vehiculele hibride și complet electrice sunt bateriile Ni-MH (hidrură metalică de nichel) și bateriile li-ion (litiu-ion).
Pe lângă tipurile Ni-MH și Li-ion, există o dezvoltare a condensatoarelor electrolitice, pe care le punem sub denumirea de „super condensator” sau „supercaps”.
Tabelul prezintă materialele diferitelor baterii cu specificațiile acestora.
baterie plumb:
Tabelul menționează și bateria plumb-acid (versiunile gel și AGM nu sunt luate în considerare). Deoarece bateria plumb-acid are cea mai mare durată de viață la o descărcare maximă de 20%, suferă de sulfatare pe măsură ce îmbătrânește și are o densitate și un conținut scăzut de energie, nu este potrivită pentru utilizarea în vehicule electrice. Găsim bateria cu plumb acid ca baterie accesorie; Consumatorii de joasă tensiune, cum ar fi iluminatul, sistemele de confort (caroseria) și infotainmentul funcționează la o tensiune de aproximativ 14 volți.
Nichel-cadmiu (Ni-Cd):
În trecut, Ni-Cd Bateriile suferă de un efect de memorie și, prin urmare, nu sunt potrivite pentru utilizarea în propulsia electrică: încărcarea și descărcarea parțială au loc constant. Bateriile moderne Ni-Cd practic nu mai sunt afectate de efectul de memorie. Cel mai mare dezavantaj al acestui tip de baterie este prezenta substantei toxice cadmiu. Acest lucru face ca bateria Ni-Cd să fie extrem de neprietenoasă cu mediul. Prin urmare, utilizarea acestei baterii este interzisă prin lege.
Hidrură metalică de nichel (Ni-MH):
Bateria Ni-MH poate fi încărcată mai repede decât o baterie plumb-acid. În timpul încărcării, se creează atât căldură, cât și gaz, care trebuie îndepărtate. Bateriile sunt echipate cu sistem de răcire și supapă de aerisire. Datorită duratei de viață lungi și energiei și densității mari de putere, bateria Ni-MH este potrivită pentru utilizarea în vehicule electrice. Cu toate acestea, acest tip de baterie este sensibil la supraîncărcare, descărcări excesive, temperaturi ridicate și schimbări rapide de temperatură.
Imaginea de mai jos arată acumulatorul Ni-MH al unui Toyota Prius. Acest acumulator se află în portbagaj, în spatele spătarului banchetei din spate. Când senzorii de temperatură înregistrează o temperatură ridicată, ventilatorul de răcire este activat (se vede în fotografia din dreapta lângă carcasa albă). Ventilatorul aspiră aerul din interior și îl suflă prin canalele de aer din acumulatorul pentru a răci celulele.
Litiu-ion (li-ion):
Datorită energiei și densității mari de putere a bateriei cu litiu-ion (comparativ cu Ni-MH), un pachet de baterii li-ion este de obicei utilizat în hibrizii plug-in și vehiculele complet electrice. Bateria li-ion funcționează bine la temperaturi scăzute și are o durată de viață lungă. Este de așteptat ca proprietățile să se îmbunătățească în următorii ani datorită dezvoltării ulterioare.
În imaginea următoare vedem acumulatorul (li-ion) al unui BMW i3. Capacul a fost deșurubat și se află în spatele lui. Când este montat, capacul se închide etanș.
Acumulatorul i3 este montat sub vehicul. Spațiul din spațiul de podea dintre axa față și spate a fost folosit cât mai mult posibil pentru a oferi cât mai mult spațiu posibil pentru acumulatorul.
În imagine vedem cele opt blocuri separate cu douăsprezece celule fiecare. Fiecare bloc are o capacitate de 2,6 kWh, ceea ce face un total de 22 kWh. Spre comparație: generația actuală i3 (2020) are o baterie cu o capacitate de 94 Ah și o putere de 22 kWh. Dimensiunea acumulatorului a rămas aceeași de la introducerea sa în 2013, dar performanța sa (și, prin urmare, aria sa) s-a îmbunătățit mult.
Tesla folosește celule de baterie mici în modelele din 2013 încoace (Model S și Model X) care sunt puțin mai mari decât bateriile AA standard pe care le cunoaștem de la telecomanda televizorului. Celulele bateriei (18650 de la Panasonic) au o lungime de 65 mm și un diametru de 18 mm. Cele mai extinse pachete de baterii conțin nu mai puțin de 7104 dintre aceste celule.
În imaginile de mai jos vedem celulele individuale ale bateriei în stânga și un pachet de baterii care conține cele 7104 celule în dreapta.
Bateria litiu-ion este alcătuită din patru componente principale:
- catodul (+) format dintr-un aliaj de litiu
- anodul (-) format din grafit sau carbon
- separatorul poros
- electrolitul
În timpul descărcării, ionii de litiu se deplasează prin electrolit de la anod (-) la catod (+), la consumator și înapoi la anod. În timpul încărcării, ionii se mișcă în direcții opuse și apoi merg de la catod (+) la anod (-).
Electrolitul conține săruri de litiu pentru a transporta ionii. Separatorul asigură trecerea ionilor de litiu, în timp ce anodul și catodul rămân separate.
Celulele bateriei sunt găzduite în module, care sunt conectate în serie. Următoarea reprezentare schematică de mai jos arată un pachet de baterii care are asemănări puternice cu cel al unui Volkswagen E-UP! și Renault Zoe. Doar numărul de celule diferă: acumulatorul E-UP! are 204 celule și cel al lui Renault Zoë 192.
În acest exemplu, acumulatorul este format din două pachete de șase module. Fiecare modul conține două grupuri de 10 celule conectate în serie în paralel.
- Conexiune în serie: tensiunea bateriei crește. La o tensiune celulară (li-ion) de 3,2 volți, un modul de baterie furnizează (3,2 * 10) = 32 volți.
Dezavantajul unei conexiuni în serie este că, cu o celulă defectuoasă, capacitatea întregii conexiuni în serie devine mai mică. - Conexiune în paralel: tensiunea rămâne aceeași, dar curentul și capacitatea cresc. O celulă defectuoasă nu are nicio influență asupra celulelor din circuitul conectat la ea în paralel.
Prin urmare, producătorii pot alege să utilizeze mai multe circuite paralele pe modul. Prin urmare, în modulele Volkswagen E-Golf, nu (două în acest exemplu), ci trei grupuri de celule sunt conectate în paralel.
Celulele cu litiu-ion au o durată de viață de aproximativ 2000 de cicluri de descărcare și încărcare înainte ca capacitatea lor să fie redusă la aproximativ 80% din capacitatea lor inițială de încărcare.
Tensiunile unei celule li-ion sunt următoarele:
- tensiune nominală: 3,6 volți;
- limita de descărcare: 2,5 volți;
- tensiune maximă de încărcare: 4,2 volți.
Majoritatea sistemelor de management al bateriei (BMS) folosesc o limită inferioară de 2,8 volți. Dacă celula este descărcată peste 2,5 volți, celula va fi deteriorată. Durata de viață a celulei este scurtată. Supraîncărcarea celulei li-ion îi reduce și durata de viață, dar este și periculoasă. Supraîncărcarea celulei poate face ca aceasta să devină inflamabilă. Temperatura celulelor afectează și durata de viață a acestora: la o temperatură mai mică de 0°C, celulele pot să nu mai fie încărcate. O funcție de încălzire oferă o soluție în acest caz.
Condensator super cod (supercap):
În paragrafele precedente sunt menționate diferite tipuri de baterii, fiecare cu aplicațiile, avantajele și dezavantajele lor. Un dezavantaj cu care se confruntă toată lumea cu o astfel de baterie este timpul de încărcare. Încărcarea unui acumulator poate dura câteva ore. Încărcarea rapidă este o opțiune, dar aceasta este asociată cu mai multă căldură și, posibil, de asemenea, cu o îmbătrânire (și deteriorare) mai rapidă a acumulatorului.
În prezent, se desfășoară o mulțime de cercetare și dezvoltare în domeniul supercondensatori. De asemenea, le numim „super capace” sau „ultracondensatori”. Utilizarea supercaps ar putea oferi o soluție pentru aceasta:
- Încărcarea este foarte rapidă;
- Pot elibera energie (descărcare) foarte repede, astfel încât este posibilă o creștere semnificativă a puterii;
- Mai durabil decât o baterie li-ion datorită unui număr nelimitat de cicluri de încărcare (cel puțin 1 milion) deoarece nu apar reacții electrochimice;
- Parțial în legătură cu punctul anterior, un supercap poate fi descărcat complet fără ca acest lucru să aibă vreun efect dăunător asupra duratei sale de viață.
Supercaps-urile sunt condensatoare cu o capacitate și o densitate de energie de mii de ori mai mari decât condensatoarele electrolitice standard. Capacitatea este mărită prin utilizarea unui electrolit special (material izolator) care conține ioni și, prin urmare, are o constantă dielectrică foarte mare între plăci. Un separator (o folie subțire) este înmuiat într-un solvent cu ioni și plasat între plăci. Plăcile sunt de obicei făcute din carbon.
Capacitatea condensatorului prezentat este de 5000 F.
Supercaps-urile pot fi combinate cu o baterie li-ion HV; La accelerarea scurtă, energia de la condensatoare poate fi folosită în locul energiei de la bateria HV. Cu frânarea regenerativă, condensatorii se încarcă complet într-o fracțiune de secundă. Evoluțiile viitoare pot face posibilă și înlocuirea bateriei li-ion cu un pachet supercap. Din păcate, cu tehnologia actuală, capacitatea și deci densitatea de putere este prea mică în comparație cu o baterie litiu-ion. Oamenii de știință caută modalități de a crește capacitatea și densitatea de putere.
Echilibrarea celulelor bateriei:
Prin echilibrarea pasivă și activă a celulelor bateriei, fiecare celulă este monitorizată de ECU pentru a menține starea sănătoasă a bateriei. Acest lucru prelungește durata de viață a celulelor, prevenind descărcarea profundă sau supraîncărcarea. Celulele litiu-ion, în special, trebuie să rămână în limite stricte. Tensiunea celulelor este proporțională cu starea sarcinii. Încărcăturile celulelor trebuie menținute în echilibru între ele cât mai mult posibil. Cu echilibrarea celulelor, este posibil să controlați cu precizie starea de încărcare până la 1 mV (0,001 volți).
- Echilibrarea pasivă asigură un echilibru în starea de încărcare a tuturor celulelor bateriei prin descărcarea parțială a celulelor cu o stare de încărcare prea mare (la aceasta vom reveni mai târziu în secțiune);
- Echilibrarea activă este o tehnică de echilibrare mai complexă, care poate controla celulele individual în timpul încărcării și descărcării. Timpul de încărcare cu echilibrare activă este mai scurt decât cu echilibrare pasivă.
În imaginea următoare vedem un modul de baterie cu opt celule.
Cele opt celule sunt încărcate la 90%. Durata de viață a unei celule scade dacă este încărcată continuu la 100%. Dimpotrivă, durata de viață scade și dacă bateria se descarcă peste 30%: la o stare de încărcare <30% celula este profund descărcată.
Starea de încărcare a celulelor va fi, prin urmare, întotdeauna între 30% și 90%. Aceasta este monitorizată de electronică, dar nu este văzută de șoferul vehiculului.
Afișajul digital din tabloul de bord indică 0% sau 100% când se ajunge la 30% sau 90%.
Datorită bătrâneții, unele celule pot deveni mai slabe decât altele. Acest lucru are o influență majoră asupra stării de încărcare a modulului bateriei. În următoarele două imagini vedem starea de încărcare atunci când două celule au o capacitate mai mică din cauza vârstei. Celulele bateriei nu sunt echilibrate în aceste situații.
- Descărcare mai rapidă din cauza celulelor defecte: cele două celule din mijloc se descarcă mai repede datorită capacității lor mai mici. Pentru a preveni descărcarea profundă, celelalte șase celule din modul nu mai pot elibera energie și, prin urmare, nu mai pot fi utilizate;
- Nu se încarcă complet din cauza celulelor defecte: datorită capacității reduse a celor două celule din mijloc, acestea se încarcă mai repede. Deoarece ajung cu 90% mai repede decât celelalte șase celule, încărcarea ulterioară nu poate avea loc.
Este clar că celulele de capacitate mai mică sunt factorul limitator atât la descărcare (în timpul conducerii), cât și la încărcare. Pentru a utiliza în mod optim întreaga capacitate a acumulatorului și pentru a asigura o durată lungă de viață.
Există două metode de echilibrare a bateriei: pasivă și activă.
- Fără echilibrare: patru celule au toate o stare de încărcare diferită. Celula 2 este aproape goală și celula 4 este complet încărcată;
- Pasiv: celulele cu cea mai mare capacitate sunt descărcate până când se atinge starea de încărcare a celei mai slabe celule (celula 2 în exemplu). Descărcarea celulelor 1, 3 și 4 este pierdere.
În exemplu, vedem că paharele sunt descărcate până când ajung la starea de încărcare a celulei 2; - Activ: energia din celulele pline este folosită pentru a umple celulele goale. Acum nu există nicio pierdere, ci un transfer de energie de la o celulă la alta.
Principiul de funcționare al echilibrării celulelor pasive și active este explicat mai jos.
Echilibrarea celulelor pasive:
În exemplu, vedem patru celule de baterie conectate în serie cu un rezistor comutabil (R) în paralel. În acest exemplu, rezistorul este conectat la masă cu comutatorul. În realitate, acesta este un tranzistor sau FET.
În exemplu, vedem că celula 3 este încărcată 100%. Din paragrafele anterioare știm că această celulă se încarcă mai repede pentru că este mai slabă decât celelalte trei. Deoarece starea de încărcare a celulei 3 este de 100%, celelalte trei celule nu mai sunt încărcate.
Rezistența care este situată în paralel peste celula 3 este inclusă în circuitul de curent de către comutator. Celula 3 se descarcă deoarece rezistorul absoarbe tensiune imediat ce curentul trece prin ea. Descărcarea continuă până când celula este la nivelul celorlalte celule; în acest caz 90%.
Când toate cele patru celule din acest modul au aceeași stare de încărcare, ele pot fi încărcate în continuare.
Cu echilibrarea pasivă a celulelor, se pierde energie: s-a pierdut tensiunea absorbită de rezistențele conectate în paralel. Cu toate acestea, mulți producători încă folosesc această metodă de echilibrare până în prezent.
Echilibrare activă a celulelor:
Mult mai eficientă este, desigur, echilibrarea activă a celulelor. Energia din celula plină este folosită pentru a încărca celula goală. Vedem mai jos un exemplu de echilibrare activă a celulelor.
În exemplu, vedem două celule conectate în serie (3 și 4) cu tensiunile lor deasupra lor (4 și respectiv 3,9 volți). Celula 3 este descărcată prin intermediul transformatorului. FET-ul de pe partea primară permite descărcarea. Bobina primară din transformator este încărcată cu aceasta. FET-ul de pe partea secundară pornește bobina secundară a transformatorului. Curentul de încărcare obținut este folosit pentru a alimenta transformatorul sub o altă celulă. Transformatorul de sub celula 4 este, de asemenea, pornit și oprit de FET-uri.
