Предметы:
- введение
- Материалы и характеристики различных аккумуляторов
- Свинцово-кислотная батарея
- Никель-кадмиевые (Ni-Cd)
- Никель-металлгидрид (Ni-MH)
- Литий-ионный (li-ion)
- Суперконденсатор (суперкап)
- Балансировка аккумуляторных ячеек
Инлейдинг:
Гибридный или полностью электрический автомобиль имеет более крупные и тяжелые аккумуляторы, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания. В гибридных автомобилях используется высокое напряжение, которое может быть опасным для жизни, если ремонт будет выполнять неквалифицированный персонал. В качестве примера:
- Работающий стартер потребляет около 1,2 кВт (1200 Вт).
- Гибридный автомобиль, полностью работающий на электричестве, потребляет около 60 кВт (60.000 XNUMX Вт).
К ремонту гибридных автомобилей допускаются только лица, прошедшие специальную подготовку. Есть бортовая сеть 12 Вольт для питания аксессуаров (типа магнитолы и т.п.) со своим небольшим аккумулятором, а есть высоковольтная бортовая сеть, работающая на 400 Вольт (в зависимости от марки). ). Напряжение 400 В преобразуется в 12 В с помощью специального преобразователя постоянного тока и заряжает соответствующий аккумулятор.
К гибридным аккумуляторным батареям предъявляются высокие требования. Они должны быть очень большими вместимость склада иметь. Хранятся большие запасы энергии, и при поддержке двигателя внутреннего сгорания (гибрид) или при подаче энергии для полной тяги (BEV) потребляется очень высокое напряжение.
На изображении ниже показан аккумулятор от Toyota Prius. Эта никель-металлогидридная (NiMH) батарея содержит 28 модулей, каждый из которых состоит из 6 ячеек. Каждая ячейка имеет напряжение 1,2 вольта. Общее напряжение этого аккумуляторного блока составляет 201,6 вольт.
Материалы и характеристики разных типов аккумуляторов:
При разработке электротрансмиссии делается выбор между разными типами аккумуляторов. Свойства, характеристики, варианты конструкции и стоимость играют важную роль. Наиболее часто используемые типы аккумуляторов в гибридных и полностью электрических транспортных средствах — это Ni-MH (никель-металлогидридные) и литий-ионные (литий-ионные) аккумуляторы.
Помимо Ni-MH и Li-ion типов, существует разработка электролитических конденсаторов, которые мы называем «суперконденсаторами», или «суперкапами».
В таблице показаны материалы различных батарей с их характеристиками.
Свинцовая батарея:
В таблице также упоминается свинцово-кислотный аккумулятор (гелевые и AGM-версии не учитываются). Поскольку свинцово-кислотный аккумулятор имеет самый высокий срок службы при максимальном разряде 20 %, по мере старения страдает от сульфатации и имеет низкую плотность и содержание энергии, он не пригоден для использования в электромобилях. Мы находим свинцово-кислотную батарею в качестве вспомогательной батареи; Низковольтные потребители, такие как освещение, системы комфорта (кузов) и информационно-развлекательная система, работают при напряжении около 14 Вольт.
Никель-кадмиевые (Ni-Cd):
Раньше Ni-Cd Аккумуляторы страдают эффектом памяти и поэтому непригодны для использования в электродвигателях: частичный заряд и разряд происходят постоянно. Современные Ni-Cd аккумуляторы практически не подвержены эффекту памяти. Самым большим недостатком аккумуляторов этого типа является наличие токсичного вещества кадмия. Это делает Ni-Cd аккумулятор крайне небезопасным для окружающей среды. Поэтому использование этой батареи запрещено законом.
Никель-металлгидрид (Ni-MH):
Ni-MH аккумулятор заряжается быстрее, чем свинцово-кислотный аккумулятор. Во время зарядки выделяется как тепло, так и газ, который необходимо удалить. Аккумуляторы оснащены системой охлаждения и вентиляционным клапаном. Благодаря длительному сроку службы и высокой плотности энергии и мощности Ni-MH аккумулятор подходит для использования в электромобилях. Однако этот тип аккумуляторов чувствителен к перезарядке, чрезмерным разрядам, высоким температурам и резким изменениям температуры.
На изображении ниже показан Ni-MH аккумулятор Toyota Prius. Этот аккумуляторный блок расположен в багажнике, за спинкой заднего сиденья. Когда датчики температуры регистрируют высокую температуру, включается охлаждающий вентилятор (виден на фото справа у белого корпуса). Вентилятор засасывает воздух изнутри и продувает его через воздуховоды аккумуляторной батареи для охлаждения элементов.
Литий-ионный (li-ion):
Из-за высокой энергии и плотности мощности литий-ионного аккумулятора (по сравнению с Ni-MH), литий-ионный аккумулятор обычно используется в подключаемых гибридах и полностью электрических транспортных средствах. Литий-ионный аккумулятор хорошо работает при низких температурах и имеет длительный срок службы. Ожидается, что в ближайшие годы недвижимость улучшится благодаря дальнейшему развитию.
На следующем изображении мы видим (литий-ионный) аккумулятор BMW i3. Крышка отвинчена и находится за ней. В установленном состоянии крышка герметично закрывается.
Аккумулятор i3 установлен под автомобилем. Пространство в полу между передней и задней осью было использовано максимально, чтобы обеспечить как можно больше места для аккумуляторной батареи.
На изображении мы видим восемь отдельных блоков по двенадцать ячеек в каждом. Каждый блок имеет мощность 2,6 кВтч, что в сумме составляет 22 кВтч. Для сравнения: нынешнее поколение i3 (2020) имеет аккумулятор емкостью 94 Ач и мощностью 22 кВтч. Размер аккумуляторной батареи остался прежним с момента ее появления в 2013 году, но ее производительность (и, следовательно, дальность действия) значительно улучшилась.
В моделях, начиная с 2013 года (Model S и Model X), Tesla использует небольшие аккумуляторные элементы, которые немного больше стандартных батарей типа АА, которые мы знаем по пульту дистанционного управления телевизором. Элементы аккумулятора (18650 от Panasonic) имеют длину 65 мм и диаметр 18 мм. Самые обширные аккумуляторные блоки содержат не менее 7104 таких ячеек.
На изображениях ниже мы видим отдельные элементы батареи слева и аккумуляторный блок, содержащий элементы 7104, справа.
Литий-ионный аккумулятор состоит из четырех основных компонентов:
- катод (+), состоящий из сплава лития
- анод (-), состоящий из графита или углерода
- пористый сепаратор
- электролит
При разряде ионы лития движутся через электролит от анода (-) к катоду (+), к потребителю и обратно к аноду. Во время зарядки ионы движутся в противоположных направлениях, а затем переходят от катода (+) к аноду (-).
Электролит содержит соли лития для переноса ионов. Сепаратор обеспечивает прохождение ионов лития, в то время как анод и катод остаются разделенными.
Элементы аккумуляторной батареи размещены в модулях, соединенных последовательно. На следующем схематическом изображении показан аккумуляторный блок, который очень похож на аккумулятор Volkswagen E-UP! и Рено Зое. Отличается только количество ячеек: аккумуляторный блок E-UP! имеет 204 ячейки, а у Renault Zoë — 192.
В этом примере аккумуляторный блок состоит из двух блоков по шесть модулей. Каждый модуль содержит две группы по 10 последовательно соединенных параллельно ячеек.
- Последовательное соединение: напряжение аккумулятора увеличивается. При напряжении элемента (li-ion) 3,2 Вольта один аккумуляторный модуль подает (3,2*10) = 32 Вольта.
Недостаток последовательного соединения в том, что при неисправном элементе емкость всего последовательного соединения становится ниже. - Параллельное соединение: напряжение остается прежним, но ток и емкость увеличиваются. Плохая ячейка не оказывает влияния на ячейки в цепи, подключенной к ней параллельно.
Таким образом, производители могут использовать несколько параллельных цепей для каждого модуля. Поэтому в модулях Volkswagen E-Golf не (в данном примере две), а три группы ячеек соединены параллельно.
Срок службы литий-ионных элементов составляет около 2000 циклов разрядки и зарядки, после чего их емкость снижается примерно до 80% от первоначальной емкости заряда.
Напряжения литий-ионного элемента следующие:
- номинальное напряжение: 3,6 вольт;
- предел разряда: 2,5 вольта;
- максимальное напряжение зарядки: 4,2 вольта.
Большинство систем управления батареями (BMS) используют нижний предел в 2,8 В. Если аккумулятор разряжается выше 2,5 В, он будет поврежден. Продолжительность жизни клетки сокращается. Перезарядка литий-ионного аккумулятора также сокращает срок его службы, но также опасна. Перезарядка аккумулятора может привести к его возгоранию. Температура элементов также влияет на срок их службы: при температуре ниже 0°C элементы перестают заряжаться. В этом случае функция обогрева предлагает решение.
Конденсатор суперкода (суперкап):
В предыдущих параграфах упоминались различные типы батарей, каждый из которых имеет свое применение, преимущества и недостатки. Недостатком, с которым сталкивается каждый обладатель такого аккумулятора, является время зарядки. Зарядка аккумуляторной батареи может занять несколько часов. Быстрая зарядка возможна, но она связана с повышенным нагревом и, возможно, более быстрым старением (и повреждением) аккумуляторной батареи.
В настоящее время в области суперконденсаторов проводится множество исследований и разработок. Мы также называем их «суперконденсаторами» или «ультраконденсаторами». Использование суперкапов может решить эту проблему:
- Зарядка очень быстрая;
- Они могут очень быстро выделять энергию (разряжаться), поэтому возможен значительный прирост мощности;
- Более долговечный, чем литий-ионный аккумулятор, благодаря неограниченному количеству циклов зарядки (не менее 1 миллиона), поскольку не происходят электрохимические реакции;
- Частично в связи с предыдущим пунктом суперкаплер может быть полностью разряжен без какого-либо вредного воздействия на срок его службы.
Суперкапсулы — это конденсаторы, емкость и плотность энергии которых в тысячи раз превышают стандартные электролитические конденсаторы. Емкость увеличивается за счет использования специального электролита (изоляционного материала), который содержит ионы и поэтому имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость между пластинами. Сепаратор (тонкая фольга) пропитывается растворителем с ионами и помещается между пластинами. Пластины обычно изготавливаются из углерода.
Емкость показанного конденсатора равна 5000 Ф.
Суперкапсулы можно комбинировать с литий-ионной аккумуляторной батареей высокого напряжения; При кратковременном ускорении вместо энергии высоковольтной аккумуляторной батареи можно использовать энергию конденсаторов. При рекуперативном торможении конденсаторы полностью заряжаются за доли секунды. Будущие разработки также могут позволить заменить литий-ионную батарею корпусом Supercap. К сожалению, при нынешних технологиях емкость и, следовательно, удельная мощность слишком низки по сравнению с литий-ионными батареями. Ученые ищут способы увеличения мощности и удельной мощности.
Балансировка аккумуляторных ячеек:
Благодаря пассивной и активной балансировке ячеек батареи каждая ячейка контролируется ЭБУ для поддержания работоспособного состояния батареи. Это продлевает срок службы элементов, предотвращая глубокий разряд или перезаряд. В частности, литий-ионные элементы должны оставаться в строгих пределах. Напряжение ячеек пропорционально состоянию заряда. Заряды ячеек должны быть максимально сбалансированы друг с другом. Благодаря балансировке ячеек можно точно контролировать состояние заряда с точностью до 1 мВ (0,001 В).
- Пассивная балансировка обеспечивает равновесие состояния заряда всех ячеек батареи за счет частичной разрядки ячеек со слишком высоким уровнем заряда (мы вернемся к этому позже в этом разделе);
- Активная балансировка — это более сложный метод балансировки, который позволяет индивидуально управлять ячейками во время зарядки и разрядки. Время зарядки при активной балансировке короче, чем при пассивной балансировке.
На следующем изображении мы видим аккумуляторный модуль с восемью ячейками.
Восемь ячеек заряжены на 90%. Срок службы аккумулятора уменьшается, если его постоянно заряжать до 100%. И наоборот, срок службы также уменьшается, если аккумулятор разряжается более чем на 30%: при уровне заряда <30% элемент глубоко разряжен.
Таким образом, уровень заряда элементов всегда будет находиться в пределах от 30% до 90%. Это контролируется электроникой, но не видит водитель автомобиля.
Цифровой дисплей на приборной панели показывает 0% или 100% при достижении 30% или 90%.
Из-за старости некоторые клетки могут стать слабее других. Это оказывает большое влияние на состояние заряда аккумуляторного модуля. На следующих двух изображениях мы видим состояние заряда, когда две ячейки имеют меньшую емкость из-за возраста. В таких ситуациях элементы батареи не сбалансированы.
- Более быстрая разрядка из-за плохих ячеек: две средние ячейки разряжаются быстрее из-за их меньшей емкости. Чтобы предотвратить глубокий разряд, остальные шесть ячеек модуля больше не могут выделять энергию и, следовательно, больше не могут использоваться;
- Не заряжается полностью из-за плохих ячеек: из-за малой емкости двух средних ячеек они заряжаются быстрее. Поскольку они достигают уровня заряда на 90 % быстрее, чем остальные шесть элементов, дальнейшая зарядка невозможна.
Понятно, что элементы меньшей емкости являются ограничивающим фактором как при разрядке (во время движения), так и при зарядке. Для оптимального использования полной емкости аккумуляторной батареи и обеспечения длительного срока службы.
Существует два метода балансировки батареи: пассивный и активный.
- Без балансировки: все четыре элемента имеют разное состояние заряда. Ячейка 2 почти пуста, а ячейка 4 полностью заряжена;
- Пассивный: элементы с наибольшей емкостью разряжаются до тех пор, пока не будет достигнуто состояние заряда самого слабого элемента (элемент 2 в примере). Разряд ячеек 1, 3 и 4 – потери.
В примере мы видим, что стаканы разряжаются до тех пор, пока не достигнут состояния заряда ячейки 2; - Активный: энергия полных ячеек используется для заполнения пустых ячеек. Теперь идет не потеря, а передача энергии из одной клетки в другую.
Ниже объясняется принцип работы пассивной и активной балансировки ячеек.
Пассивная балансировка ячеек:
В примере мы видим четыре элемента батареи, соединенные последовательно с переключаемым резистором (R) параллельно. В этом примере резистор подключен к земле с помощью переключателя. На самом деле это транзистор или полевой транзистор.
В примере мы видим, что ячейка 3 загружена на 100%. Из предыдущих пунктов мы знаем, что эта ячейка заряжается быстрее, потому что она слабее трех остальных. Поскольку уровень заряда ячейки 3 составляет 100 %, остальные три ячейки больше не заряжаются.
Сопротивление, расположенное параллельно ячейке 3, включается в цепь тока переключателем. Ячейка 3 разряжается, потому что резистор поглощает напряжение, как только через него протекает ток. Разряд продолжается до тех пор, пока ячейка не окажется на уровне других ячеек; в данном случае 90%.
Когда все четыре элемента в этом модуле имеют одинаковый заряд, их можно заряжать дальше.
При пассивной балансировке ячеек энергия теряется: теряется напряжение, поглощаемое параллельно включенными резисторами. Тем не менее, многие производители и по сей день используют этот метод балансировки.
Активная балансировка ячеек:
Гораздо эффективнее, конечно, активная балансировка ячеек. Энергия переполненной ячейки используется для зарядки пустой ячейки. Ниже мы видим пример активной балансировки ячеек.
В примере мы видим две ячейки, соединенные последовательно (3 и 4) с напряжением выше них (4 и 3,9 вольт соответственно). Ячейка 3 разряжается с помощью трансформатора. Полевой транзистор на первичной стороне обеспечивает разрядку. Им заряжена первичная обмотка трансформатора. Полевой транзистор на вторичной стороне включает вторичную обмотку трансформатора. Полученный зарядный ток используется для питания трансформатора под другой ячейкой. Трансформатор под ячейкой 4 также включается и выключается с помощью полевых транзисторов.
