Mga Paksa:
- Panimula
- Mga materyales at pagtutukoy ng iba't ibang mga baterya
- Baterya ng lead-acid
- Nickel-cadmium (Ni-Cd)
- Nickel Metal Hydride (Ni-MH)
- Lithium-ion (li-ion)
- Super capacitor (supercap)
- Pagbalanse ng cell ng baterya
Panimula:
Ang hybrid o ganap na de-kuryenteng kotse ay may mas malaki, mas mabibigat na baterya kaysa sa mga kotseng may combustion engine lamang. Ang mga hybrid na kotse ay gumagamit ng matataas na boltahe, na maaaring maging banta sa buhay kung ang pag-aayos ay isinasagawa ng mga hindi kwalipikadong tao. Bilang halimbawa:
- Gumagamit ang isang starter motor na gumagana ng humigit-kumulang 1,2 kW (1200 Watts)
- Ang isang hybrid na kotse na ganap na tumatakbo sa kuryente ay gumagamit ng humigit-kumulang 60 kW (60.000 Watt)
Ang mga hybrid na kotse ay maaari lamang gawin ng mga taong sumailalim sa espesyal na pagsasanay. Mayroong 12-volt on-board network para sa power supply ng mga accessory (tulad ng radyo, atbp.) na may sarili nitong maliit na baterya, at mayroong mataas na boltahe na on-board network na gumagana sa 400 volts (depende sa brand ). Ang 400 V na boltahe ay kino-convert sa 12 V ng isang espesyal na DC/DC converter at sinisingil ang nauugnay na baterya.
Ang mataas na pangangailangan ay inilalagay sa mga hybrid na baterya ng drive. Dapat ay napakalaki ng mga ito kapasidad ng imbakan upang magkaroon. Ang malalaking reserbang enerhiya ay iniimbak, at ang napakataas na boltahe ay iginuhit kapag sinusuportahan ang combustion engine (hybrid), o kapag naghahatid ng enerhiya para sa kumpletong propulsion (BEV).
Ang larawan sa ibaba ay nagpapakita ng isang battery pack mula sa isang Toyota Prius. Ang Nickel Metal Hydride (NiMH) na bateryang ito ay naglalaman ng 28 modules, bawat isa ay binubuo ng 6 na cell. Ang bawat cell ay may boltahe na 1,2 volts. Ang kabuuang boltahe ng battery pack na ito ay 201,6 volts.
Mga materyales at pagtutukoy ng iba't ibang uri ng mga baterya:
Kapag binubuo ang electric drivetrain, isang pagpipilian ang ginawa sa pagitan ng iba't ibang uri ng mga baterya. Ang mga ari-arian, pagganap, mga opsyon sa pagtatayo at mga gastos ay may malaking papel. Ang pinakakaraniwang ginagamit na mga uri ng baterya sa hybrid at ganap na de-kuryenteng mga sasakyan ay ang Ni-MH (nickel metal hydride) at li-ion (lithium-ion) na mga baterya.
Bilang karagdagan sa mga uri ng Ni-MH at Li-ion, mayroong isang pag-unlad ng mga electrolytic capacitor, na inilalagay namin sa ilalim ng pangalang "super-capacitor", o "supercaps".
Ipinapakita ng talahanayan ang mga materyales ng iba't ibang mga baterya kasama ang kanilang mga pagtutukoy.
Baterya ng lead:
Binanggit din sa talahanayan ang lead-acid na baterya (hindi isinasaalang-alang ang mga bersyon ng gel at AGM). Dahil ang lead-acid na baterya ay may pinakamataas na habang-buhay sa maximum na discharge na 20%, dumaranas ng sulphation habang tumatanda ito at may mababang density at nilalaman ng enerhiya, hindi ito angkop para sa paggamit sa mga de-kuryenteng sasakyan. Hinahanap namin ang lead acid na baterya bilang isang accessory na baterya; Ang mga consumer na may mababang boltahe gaya ng ilaw, comfort system (bodywork) at infotainment ay tumatakbo sa boltahe na humigit-kumulang 14 volts.
Nickel-cadmium (Ni-Cd):
Noong nakaraan, ang Ni-Cd Ang mga baterya ay dumaranas ng epekto sa memorya at samakatuwid ay hindi angkop para sa paggamit sa electric propulsion: ang bahagyang pagkarga at paglabas ay nangyayari palagi. Ang mga modernong Ni-Cd na baterya ay halos hindi na apektado ng memory effect. Ang pinakamalaking kawalan ng ganitong uri ng baterya ay ang pagkakaroon ng nakakalason na sangkap na cadmium. Dahil dito, ang baterya ng Ni-Cd ay lubhang hindi palakaibigan sa kapaligiran. Ang paggamit ng bateryang ito ay samakatuwid ay ipinagbabawal ng batas.
Nickel Metal Hydride (Ni-MH):
Ang Ni-MH na baterya ay maaaring ma-charge nang mas mabilis kaysa sa lead-acid na baterya. Sa panahon ng pagsingil, parehong init at gas ay nilikha, na dapat alisin. Ang mga baterya ay nilagyan ng cooling system at vent valve. Salamat sa mahabang buhay nito at mataas na enerhiya at densidad ng kuryente, ang Ni-MH na baterya ay angkop para sa paggamit sa mga de-kuryenteng sasakyan. Gayunpaman, ang ganitong uri ng baterya ay sensitibo sa sobrang pagsingil, labis na paglabas, mataas na temperatura at mabilis na pagbabago ng temperatura.
Ang larawan sa ibaba ay nagpapakita ng Ni-MH battery pack ng isang Toyota Prius. Ang battery pack na ito ay matatagpuan sa trunk, sa likod ng backrest ng likurang upuan. Kapag ang mga sensor ng temperatura ay nagrehistro ng mataas na temperatura, ang cooling fan ay isinaaktibo (makikita sa larawan sa kanan ng puting pabahay). Sinisipsip ng fan ang hangin mula sa loob at hinihipan ito sa mga air duct sa battery pack upang palamig ang mga cell.
Lithium-ion (li-ion):
Dahil sa mataas na enerhiya at power density ng lithium ion na baterya (kumpara sa Ni-MH), ang isang li-ion na baterya pack ay karaniwang ginagamit sa mga plug-in na hybrid at ganap na electric na sasakyan. Ang li-ion na baterya ay mahusay na gumaganap sa mababang temperatura at may mahabang buhay. Inaasahang gaganda ang mga ari-arian sa mga susunod na taon dahil sa karagdagang pag-unlad.
Sa susunod na larawan makikita natin ang (li-ion) battery pack ng isang BMW i3. Ang takip ay nabuksan at nasa likod nito. Kapag naka-mount, ang takip ay nagsasara ng airtight.
Ang baterya pack ng i3 ay naka-mount sa ilalim ng sasakyan. Ang espasyo sa espasyo sa sahig sa pagitan ng harap at likurang ehe ay ginamit hangga't maaari upang magbigay ng mas maraming espasyo hangga't maaari para sa pack ng baterya.
Sa larawan ay makikita natin ang walong magkakahiwalay na bloke na may labindalawang selula bawat isa. Ang bawat bloke ay may kapasidad na 2,6 kWh, kaya't ang kabuuan ay 22 kWh. Para sa paghahambing: ang kasalukuyang henerasyong i3 (2020) ay may baterya na may kapasidad na 94 Ah at lakas na 22 kWh. Ang laki ng pack ng baterya ay nanatiling pareho mula noong ipinakilala ito noong 2013, ngunit ang pagganap nito (at samakatuwid ang saklaw nito) ay lubos na bumuti.
Gumagamit ang Tesla ng maliliit na cell ng baterya sa mga modelo mula 2013 pataas (Model S at Model X) na bahagyang mas malaki kaysa sa mga karaniwang AA na baterya na alam natin mula sa remote control ng telebisyon. Ang mga cell ng baterya (18650 mula sa Panasonic) ay 65 mm ang haba at may diameter na 18 mm. Ang pinakamalawak na mga battery pack ay naglalaman ng hindi bababa sa 7104 ng mga cell na ito.
Sa mga larawan sa ibaba makikita natin ang mga indibidwal na cell ng baterya sa kaliwa at isang battery pack na naglalaman ng 7104 na mga cell sa kanan.
Ang baterya ng lithium-ion ay binubuo ng apat na pangunahing bahagi:
- ang katod (+) na binubuo ng isang haluang metal ng lithium
- ang anode (-) na binubuo ng grapayt o carbon
- ang buhaghag na separator
- ang electrolyte
Sa panahon ng pagdiskarga, ang mga lithium ions ay gumagalaw sa electrolyte mula sa anode (-) patungo sa cathode (+), sa consumer at pabalik sa anode. Habang nagcha-charge, gumagalaw ang mga ion sa magkasalungat na direksyon at pagkatapos ay pumunta mula sa cathode (+) patungo sa anode (-).
Ang electrolyte ay naglalaman ng mga lithium salts upang dalhin ang mga ion. Tinitiyak ng separator na ang mga lithium ions ay maaaring dumaan, habang ang anode at cathode ay mananatiling hiwalay.
Ang mga cell ng baterya ay matatagpuan sa mga module, na konektado sa serye. Ang sumusunod na eskematiko na representasyon sa ibaba ay nagpapakita ng isang battery pack na may matinding pagkakatulad sa isang Volkswagen E-UP! at Renault Zoë. Tanging ang bilang ng mga cell ang naiiba: ang baterya pack ng E-UP! ay mayroong 204 na mga cell at ng Renault Zoë 192.
Sa halimbawang ito, ang battery pack ay binubuo ng dalawang pack ng anim na modules. Ang bawat module ay naglalaman ng dalawang grupo ng 10 mga cell na konektado sa serye nang magkatulad.
- Koneksyon ng serye: tumataas ang boltahe ng baterya. Sa boltahe ng cell (li-ion) na 3,2 volts, isang supply ng module ng baterya (3,2 * 10) = 32 volts.
Ang kawalan ng isang serye na koneksyon ay na sa isang masamang cell ang kapasidad ng buong serye na koneksyon ay nagiging mas mababa. - Parallel na koneksyon: ang boltahe ay nananatiling pareho, ngunit ang kasalukuyang at pagtaas ng kapasidad. Ang isang masamang cell ay walang impluwensya sa mga cell sa circuit na konektado dito nang magkatulad.
Maaaring piliin ng mga tagagawa na gumamit ng maramihang parallel circuit bawat module. Sa mga module ng Volkswagen E-Golf, samakatuwid, hindi (dalawa sa halimbawang ito), ngunit tatlong grupo ng mga cell ay konektado sa parallel.
Ang mga cell ng Lithium-ion ay may habang-buhay na humigit-kumulang 2000 na ikot ng paglabas at pagsingil bago bumaba ang kanilang kapasidad sa humigit-kumulang 80% ng kanilang paunang kapasidad ng pagkarga.
Ang mga boltahe ng isang li-ion cell ay ang mga sumusunod:
- rated boltahe: 3,6 volts;
- limitasyon sa paglabas: 2,5 volts;
- maximum na boltahe sa pagsingil: 4,2 volts.
Karamihan sa Battery Management System (BMS) ay gumagamit ng mas mababang limitasyon na 2,8 volts. Kung ang cell ay na-discharge nang higit sa 2,5 volts, ang cell ay masisira. Ang habang-buhay ng cell ay pinaikli. Ang sobrang pagsingil sa li-ion cell ay nakakabawas din sa habang-buhay nito, ngunit mapanganib din. Ang sobrang pagkarga sa cell ay maaaring maging sanhi ng pagkasunog nito. Naaapektuhan din ng temperatura ng mga cell ang kanilang habang-buhay: sa temperaturang mas mababa sa 0°C, maaaring hindi na ma-charge ang mga cell. Ang isang function ng pag-init ay nag-aalok ng isang solusyon sa kasong ito.
Super code capacitor (supercap):
Sa mga nakaraang talata, iba't ibang uri ng baterya ang binanggit, bawat isa ay may kanilang mga aplikasyon, pakinabang at disadvantages. Ang isang kawalan na kinakaharap ng lahat ng may ganoong baterya ay ang oras ng pag-charge. Maaaring tumagal ng ilang oras ang pag-charge ng battery pack. Isang opsyon ang mabilis na pag-charge, ngunit nauugnay ito sa mas init at posibleng mas mabilis ding pagtanda (at pagkasira) ng battery pack.
Maraming pananaliksik at pag-unlad ang kasalukuyang nagaganap sa mga super capacitor. Tinatawag din namin itong "super caps" o "ultracapacitors". Ang paggamit ng mga supercap ay maaaring magbigay ng solusyon para dito:
- Ang pag-charge ay napakabilis;
- Maaari silang maglabas ng enerhiya (discharge) nang napakabilis, kaya posible ang isang makabuluhang pagtaas sa kapangyarihan;
- Mas matibay kaysa sa isang li-ion na baterya salamat sa isang walang limitasyong bilang ng mga cycle ng pag-charge (hindi bababa sa 1 milyon) dahil walang electrochemical reaction na nagaganap;
- Bahagyang nauugnay sa nakaraang punto, ang isang supercap ay maaaring ganap na ma-discharge nang wala itong anumang nakakapinsalang kahihinatnan para sa habang-buhay nito.
Ang mga supercap ay mga capacitor na may kapasidad at density ng enerhiya na libu-libong beses na mas mataas kaysa sa karaniwang mga electrolytic capacitor. Ang kapasidad ay nadagdagan sa pamamagitan ng paggamit ng isang espesyal na electrolyte (insulating material) na naglalaman ng mga ion at samakatuwid ay may napakataas na dielectric na pare-pareho sa pagitan ng mga plato. Ang isang separator (isang manipis na foil) ay ibinabad sa isang solvent na may mga ions at inilagay sa pagitan ng mga plato. Ang mga plato ay karaniwang gawa sa carbon.
Ang kapasidad ng ipinapakitang kapasitor ay 5000 F.
Ang mga supercap ay maaaring pagsamahin sa isang li-ion HV na baterya; Kapag bumibilis nang panandalian, ang enerhiya mula sa mga capacitor ay maaaring gamitin sa halip na ang enerhiya mula sa HV na baterya. Sa regenerative braking, ang mga capacitor ay ganap na nag-charge sa loob ng isang bahagi ng isang segundo. Ang mga pag-unlad sa hinaharap ay maaari ring gawing posible na palitan ang li-ion na baterya ng isang supercap package. Sa kasamaang-palad, sa kasalukuyang teknolohiya, ang kapasidad at samakatuwid ang power density ay masyadong mababa kumpara sa isang lithium-ion na baterya. Ang mga siyentipiko ay naghahanap ng mga paraan upang mapataas ang kapasidad at densidad ng kapangyarihan.
Pagbalanse ng cell ng baterya:
Sa pamamagitan ng passive at aktibong pagbalanse ng cell ng baterya, ang bawat cell ay sinusubaybayan ng ECU upang mapanatili ang isang malusog na katayuan ng baterya. Pinapahaba nito ang buhay ng mga cell sa pamamagitan ng pagpigil sa malalim na paglabas o sobrang pagsingil. Ang mga cell ng Lithium-ion sa partikular ay dapat manatili sa loob ng mahigpit na mga limitasyon. Ang boltahe ng mga cell ay proporsyonal sa estado ng singil. Ang mga singil ng mga cell ay dapat panatilihing balanse sa bawat isa hangga't maaari. Sa cell balancing posible na tumpak na makontrol ang katayuan ng pagsingil sa loob ng 1 mV (0,001 volt).
- Tinitiyak ng passive balancing ang isang balanse sa estado ng pagsingil ng lahat ng mga cell ng baterya sa pamamagitan ng bahagyang pagdiskarga ng mga cell na may masyadong mataas na estado ng pagsingil (babalikan namin ito mamaya sa seksyon);
- Ang aktibong pagbabalanse ay isang mas kumplikadong pamamaraan ng pagbabalanse na maaaring kontrolin ang mga cell nang paisa-isa habang nagcha-charge at naglalabas. Ang oras ng pagsingil na may aktibong pagbabalanse ay mas maikli kaysa sa passive na pagbabalanse.
Sa sumusunod na larawan nakikita namin ang isang module ng baterya na may walong mga cell.
Ang walong mga cell ay sinisingil sa 90%. Bumababa ang lifespan ng isang cell kung patuloy itong sisingilin hanggang 100%. Sa kabaligtaran, ang habang-buhay ay bumababa din kung ang baterya ay nag-discharge nang lampas sa 30%: sa isang estado ng pag-charge na <30% ang cell ay malalim na na-discharge.
Samakatuwid, ang status ng pagsingil ng mga cell ay palaging nasa pagitan ng 30% at 90%. Ito ay sinusubaybayan ng electronics, ngunit hindi nakikita ng driver ng sasakyan.
Ang digital display sa dashboard ay nagpapahiwatig ng 0% o 100% kapag umabot sa 30% o 90%.
Dahil sa katandaan, ang ilang mga selula ay maaaring maging mas mahina kaysa sa iba. Ito ay may malaking impluwensya sa katayuan ng pagkarga ng module ng baterya. Sa susunod na dalawang larawan makikita natin ang estado ng singil kapag ang dalawang cell ay may mas mababang kapasidad dahil sa edad. Ang mga cell ng baterya ay hindi balanse sa mga sitwasyong ito.
- Mas mabilis na discharge dahil sa masamang mga cell: ang dalawang gitnang cell ay mas mabilis na naglalabas dahil sa kanilang mas mababang kapasidad. Upang maiwasan ang malalim na paglabas, ang iba pang anim na selula sa module ay hindi na makakapaglabas ng enerhiya at samakatuwid ay hindi na magagamit;
- Hindi ganap na nagcha-charge dahil sa masamang mga cell: dahil sa mababang kapasidad ng gitnang dalawang mga cell, mas mabilis silang nag-charge. Dahil umabot sila ng 90% na mas mabilis kaysa sa iba pang anim na cell, hindi maaaring maganap ang karagdagang pag-charge.
Malinaw na ang mas mababang kapasidad na mga cell ay ang salik na naglilimita sa parehong kapag naglalabas (habang nagmamaneho) at kapag nagcha-charge. Upang mahusay na magamit ang buong kapasidad ng pack ng baterya at matiyak ang mahabang buhay ng serbisyo.
Mayroong dalawang paraan ng pagbabalanse ng baterya: pasibo at aktibo.
- Nang walang pagbabalanse: lahat ng apat na cell ay may ibang estado ng pagsingil. Ang cell 2 ay halos walang laman at ang cell 4 ay ganap na naka-charge;
- Passive: ang mga cell na may pinakamaraming kapasidad ay na-discharge hanggang sa maabot ang estado ng singil ng pinakamahinang cell (cell 2 sa halimbawa). Ang paglabas ng mga cell 1, 3 at 4 ay pagkawala.
Sa halimbawa makikita natin na ang mga beakers ay pinalabas hanggang sa maabot nila ang estado ng singil ng cell 2; - Aktibo: ang enerhiya mula sa buong mga cell ay ginagamit upang punan ang mga walang laman na mga cell. Wala na ngayong pagkawala, ngunit ang paglipat ng enerhiya mula sa isang cell patungo sa isa pa.
Ang prinsipyong gumagana ng passive at active cell balancing ay ipinaliwanag sa ibaba.
Passive cell balancing:
Sa halimbawa, nakikita natin ang apat na mga cell ng baterya na konektado sa serye na may switchable na risistor (R) na kahanay. Sa halimbawang ito, ang risistor ay konektado sa lupa gamit ang switch. Sa katotohanan ito ay isang transistor o FET.
Sa halimbawa makikita natin na ang cell 3 ay 100% na na-load. Mula sa mga nakaraang talata, alam natin na ang cell na ito ay mas mabilis na nag-charge dahil ito ay mas mahina kaysa sa iba pang tatlo. Dahil ang status ng pagsingil ng cell 3 ay 100%, ang iba pang tatlong mga cell ay hindi na sinisingil.
Ang paglaban na matatagpuan sa parallel sa buong cell 3 ay kasama sa kasalukuyang circuit ng switch. Ang cell 3 ay naglalabas dahil ang risistor ay sumisipsip ng boltahe sa sandaling ang kasalukuyang daloy sa pamamagitan nito. Ang discharge ay nagpapatuloy hanggang ang cell ay nasa antas ng iba pang mga cell; sa kasong ito 90%.
Kapag ang lahat ng apat na cell sa module na ito ay may parehong estado ng pagsingil, maaari pa silang ma-charge.
Sa passive cell balancing, ang enerhiya ay nawala: ang boltahe na hinihigop ng parallel-connected resistors ay nawala. Gayunpaman, maraming mga tagagawa ang gumagamit pa rin ng pamamaraang ito ng pagbabalanse hanggang sa araw na ito.
Aktibong pagbabalanse ng cell:
Mas mahusay siyempre ang aktibong pagbabalanse ng cell. Ang enerhiya mula sa sobrang buong cell ay ginagamit upang singilin ang walang laman na cell. Nakikita namin ang isang halimbawa ng aktibong pagbabalanse ng cell sa ibaba.
Sa halimbawa, nakikita natin ang dalawang mga cell na konektado sa serye (3 at 4) kasama ang kanilang mga boltahe sa itaas ng mga ito (4 at 3,9 volts ayon sa pagkakabanggit). Ang cell 3 ay pinalabas sa pamamagitan ng transpormer. Ang FET sa pangunahing bahagi ay nagpapahintulot sa paglabas. Ang pangunahing coil sa transpormer ay sinisingil dito. Ang FET sa pangalawang bahagi ay lumiliko sa pangalawang coil ng transpormer. Ang nakuhang charging current ay ginagamit upang pasiglahin ang transpormer sa ilalim ng isa pang cell. Ang transpormer sa ilalim ng cell 4 ay ini-on at off din ng mga FET.
