Предмети:
- Вступ
- Матеріали та характеристики різних батарей
- Свинцево-кислотний акумулятор
- Нікель-кадмієвий (Ni-Cd)
- Нікель-металгідрид (Ni-MH)
- Літій-іонний (li-ion)
- Суперконденсатор (supercap)
- Балансування елементів батареї
Вступ:
Гібридний або повністю електричний автомобіль має більші та важчі батареї, ніж автомобілі лише з двигуном внутрішнього згоряння. Гібридні автомобілі використовують високу напругу, яка може бути небезпечною для життя, якщо ремонт виконується некваліфікованим персоналом. Як приклад:
- Стартер під час роботи споживає близько 1,2 кВт (1200 Вт)
- Гібридний автомобіль, який повністю працює на електриці, споживає близько 60 кВт (60.000 XNUMX Вт)
На гібридних автомобілях можуть працювати лише люди, які пройшли спеціальну підготовку. Є бортова мережа 12 вольт для живлення аксесуарів (таких як радіо та ін.) з власним невеликим акумулятором, а також є бортова мережа високої напруги, яка працює на 400 вольт (залежно від марки). ). Напруга 400 В перетворюється на 12 В за допомогою спеціального перетворювача DC/DC і заряджає відповідну батарею.
До акумуляторів гібридного приводу пред'являються високі вимоги. Вони повинні бути дуже великими ємність для зберігання мати. Зберігаються великі запаси енергії та споживаються дуже високі напруги при підтримці двигуна внутрішнього згоряння (гібрид) або при доставці енергії для повної тяги (BEV).
На зображенні нижче показано акумуляторну батарею від Toyota Prius. Ця нікель-металгідридна (NiMH) батарея містить 28 модулів, кожен з яких складається з 6 елементів. Кожна комірка має напругу 1,2 вольта. Загальна напруга цієї батареї становить 201,6 вольт.
Матеріали та характеристики різних типів батарей:
При розробці електричної трансмісії вибір робиться між різними типами акумуляторів. Властивості, продуктивність, варіанти будівництва та вартість відіграють важливу роль. Найпоширенішими типами акумуляторів у гібридних і повністю електричних автомобілях є Ni-MH (нікель-метал-гідридні) і li-ion (літій-іонні) акумулятори.
Крім типів Ni-MH і Li-ion, існує розробка електролітичних конденсаторів, які ми називаємо «суперконденсаторами», або «суперконденсаторами».
У таблиці наведено матеріали, з яких виготовлені різні батареї, і їхні характеристики.
Свинцевий акумулятор:
У таблиці також згадується свинцево-кислотний акумулятор (гелеві та AGM версії не враховуються). Оскільки свинцево-кислотна батарея має найдовший термін служби при максимальному розряді 20%, страждає від сульфатації під час старіння та має низьку щільність енергії та вміст, вона не підходить для використання в електромобілях. Ми знаходимо свинцево-кислотну батарею як додаткову батарею; Споживачі низької напруги, такі як освітлення, системи комфорту (кузов) та інформаційно-розважальна система, працюють під напругою близько 14 вольт.
Нікель-кадмієві (Ni-Cd):
У минулому Ni-Cd Батареї страждають від ефекту пам'яті, тому непридатні для використання в електричних двигунах: частковий заряд і розряд відбуваються постійно. Сучасні нікель-кадмієві батареї практично більше не схильні до ефекту пам'яті. Найбільшим недоліком такого типу акумулятора є наявність токсичної речовини кадмію. Це робить нікель-кадмієвий акумулятор надзвичайно шкідливим для навколишнього середовища. Тому використання цього акумулятора заборонено законом.
Нікель-металгідрид (Ni-MH):
Ni-MH акумулятор можна заряджати швидше, ніж свинцево-кислотний акумулятор. Під час заряджання утворюється як тепло, так і газ, які необхідно відводити. Акумулятори оснащені системою охолодження і вентиляційним клапаном. Завдяки тривалому терміну служби та високій щільності енергії та потужності нікель-металгідридний акумулятор підходить для використання в електромобілях. Однак цей тип батареї чутливий до перезаряду, надмірних розрядів, високих температур і різких змін температури.
На зображенні нижче показаний акумулятор Ni-MH автомобіля Toyota Prius. Цей акумулятор розташований у багажнику, за спинкою заднього сидіння. Коли датчики температури реєструють високу температуру, включається вентилятор охолодження (видно на фото праворуч біля білого корпусу). Вентилятор засмоктує повітря зсередини та продуває його через повітропроводи акумуляторної батареї для охолодження елементів.
Літій-іонний (li-ion):
Завдяки високій щільності енергії та потужності літій-іонної батареї (порівняно з Ni-MH) літій-іонна батарея зазвичай використовується в гібридах і повністю електричних транспортних засобах. Літій-іонний акумулятор добре працює при низьких температурах і має тривалий термін служби. Очікується, що властивості покращаться в найближчі роки завдяки подальшому розвитку.
На наступному зображенні ми бачимо (літій-іонний) акумулятор BMW i3. Кришка відкручена і знаходиться позаду. При встановленні кришка герметично закривається.
Акумуляторна батарея i3 встановлена під автомобілем. Простір у підлозі між передньою та задньою віссю було використано якомога більше, щоб забезпечити якомога більше місця для акумуляторної батареї.
На зображенні ми бачимо вісім окремих блоків з дванадцятьма осередками в кожному. Кожен блок має ємність 2,6 кВт/год, тобто загальна кількість становить 22 кВт/год. Для порівняння: поточне покоління i3 (2020) має акумулятор ємністю 94 Ач і потужністю 22 кВтг. Розмір акумуляторної батареї залишився незмінним з моменту її появи в 2013 році, але її продуктивність (і, отже, радіус дії) значно покращилася.
Tesla використовує невеликі батареї в моделях, починаючи з 2013 року (Model S і Model X), які трохи більші за стандартні батареї AA, які ми знаємо з пульта дистанційного керування телевізором. Акумуляторні елементи (18650 від Panasonic) мають довжину 65 мм і діаметр 18 мм. Найрозширеніші акумуляторні блоки містять не менше 7104 таких елементів.
На зображеннях нижче ми бачимо окремі елементи батареї ліворуч і акумуляторну батарею з елементами 7104 праворуч.
Літій-іонний акумулятор складається з чотирьох основних компонентів:
- катод (+), що складається зі сплаву літію
- анод (-), що складається з графіту або вуглецю
- пористий сепаратор
- електроліт
Під час розряду іони літію рухаються через електроліт від анода (-) до катода (+), до споживача і назад до анода. Під час заряджання іони рухаються в протилежних напрямках, а потім прямують від катода (+) до анода (-).
Електроліт містить солі літію для транспортування іонів. Сепаратор забезпечує проходження іонів літію, а анод і катод залишаються розділеними.
Елементи батареї розміщені в модулях, які з’єднані послідовно. Наступне схематичне зображення нижче показує блок акумуляторів, який має велику схожість із акумулятором Volkswagen E-UP! і Renault Zoe. Відрізняється лише кількість елементів: акумуляторна батарея E-UP! має 204 камери, а у Renault Zoë 192.
У цьому прикладі акумуляторна батарея складається з двох блоків по шість модулів. Кожен модуль містить дві групи з 10 послідовно з’єднаних паралельно комірок.
- Послідовне з'єднання: напруга акумулятора зростає. При напрузі елемента (літій-іонний) 3,2 вольта, один модуль батареї постачає (3,2 * 10) = 32 вольта.
Недоліком послідовного з'єднання є те, що при поганій комірці ємність усього послідовного з'єднання стає нижчою. - Паралельне підключення: напруга залишається незмінним, але сила струму і ємність збільшуються. Поганий елемент не впливає на елементи в ланцюзі, підключеному до нього паралельно.
Таким чином, виробники можуть вибрати використання кількох паралельних схем на модуль. У модулях Volkswagen E-Golf, таким чином, не (два в цьому прикладі), а три групи комірок підключені паралельно.
Літій-іонні елементи мають термін служби приблизно 2000 циклів розряду та заряджання, перш ніж їхня ємність зменшиться приблизно до 80% початкової ємності.
Напруга літій-іонного елемента така:
- номінальна напруга: 3,6 вольт;
- межа розряду: 2,5 вольт;
- максимальна напруга зарядки: 4,2 вольта.
Більшість систем керування акумулятором (BMS) використовують нижню межу 2,8 вольт. Якщо елемент розряджається понад 2,5 В, елемент буде пошкоджено. Термін життя клітини скорочується. Перезарядка літій-іонного елемента також зменшує термін його служби, але також небезпечна. Перезарядження елемента може призвести до його займистості. Температура елементів також впливає на термін їх служби: при температурі нижче 0°C елементи можуть більше не заряджатися. Вирішенням у цьому випадку є функція обігріву.
Суперкодовий конденсатор (supercap):
У попередніх абзацах згадано різні типи акумуляторів, кожен зі своїм застосуванням, перевагами та недоліками. Недоліком, з яким стикається кожен з такою батареєю, є час зарядки. Заряджання акумуляторної батареї може тривати кілька годин. Швидка зарядка є варіантом, але це пов’язано з більшим нагріванням і, можливо, також швидшим старінням (і пошкодженням) акумуляторної батареї.
В даний час проводиться багато досліджень і розробок суперконденсаторів. Ми також називаємо їх «суперконденсаторами» або «ультраконденсаторами». Використання supercaps може забезпечити вирішення цієї проблеми:
- Зарядка дуже швидка;
- Вони можуть дуже швидко виділяти енергію (розряджатися), тому можливе значне збільшення потужності;
- Довговічніший, ніж літій-іонний акумулятор, завдяки необмеженій кількості циклів зарядки (мінімум 1 мільйон), оскільки не відбувається електрохімічних реакцій;
- Частково у зв’язку з попереднім пунктом суперковпачок може бути повністю розряджений без будь-якого шкідливого впливу на його термін служби.
Суперконденсатори — це конденсатори, ємність і щільність енергії яких у тисячі разів перевищують стандартні електролітичні конденсатори. Ємність збільшується завдяки використанню спеціального електроліту (ізоляційного матеріалу), який містить іони і тому має дуже високу діелектричну проникність між пластинами. Сепаратор (тонку фольгу) змочують у розчиннику з іонами і поміщають між пластинами. Пластини зазвичай виготовляють з карбону.
Ємність показаного конденсатора становить 5000 Ф.
Суперковпачки можна комбінувати з літій-іонною високовольтною батареєю; При короткочасному прискоренні замість енергії високовольтної батареї можна використовувати енергію конденсаторів. За допомогою рекуперативного гальмування конденсатори повністю заряджаються за частки секунди. Майбутні розробки можуть також зробити можливим заміну літій-іонного акумулятора пакетом supercap. На жаль, за сучасних технологій ємність і, отже, питома потужність занадто низькі порівняно з літій-іонним акумулятором. Вчені шукають шляхи збільшення потужності та питомої потужності.
Баланс батареї:
Завдяки пасивному та активному балансуванню елементів батареї, кожен елемент контролюється ECU, щоб підтримувати належний стан батареї. Це подовжує термін служби елементів, запобігаючи глибокому розряду або перезаряду. Особливо літій-іонні елементи повинні залишатися в суворих межах. Напруга елементів пропорційна стану заряду. Заряди клітин повинні бути максимально збалансовані один з одним. За допомогою балансування елемента можна точно контролювати стан заряду з точністю до 1 мВ (0,001 вольт).
- Пасивне балансування забезпечує рівновагу в стані заряду всіх елементів батареї шляхом часткового розряду елементів із занадто високим рівнем заряду (ми повернемося до цього пізніше в розділі);
- Активне балансування – це більш складна техніка балансування, яка може окремо контролювати елементи під час заряджання та розряджання. Час зарядки при активному балансуванні менший, ніж при пасивному балансуванні.
На наступному зображенні ми бачимо акумуляторний модуль із вісьмома елементами.
Вісім елементів заряджені на 90%. Тривалість життя елемента зменшується, якщо він постійно заряджається до 100%. І навпаки, термін служби також зменшується, якщо батарея розряджається понад 30%: при рівні заряду <30% елемент глибоко розряджається.
Таким чином, стан заряду елементів завжди буде між 30% і 90%. Це контролюється електронікою, але не бачить водій транспортного засобу.
Цифровий дисплей на панелі приладів показує 0% або 100% при досягненні 30% або 90%.
Через старість деякі клітини можуть стати слабшими за інші. Це має великий вплив на стан заряду акумуляторного модуля. На наступних двох зображеннях ми бачимо стан заряду, коли дві клітини мають меншу ємність через вік. У цих ситуаціях елементи батареї не збалансовані.
- Швидший розряд через погані елементи: дві середні клітини розряджаються швидше через їх меншу ємність. Щоб запобігти глибокому розряду, інші шість комірок у модулі більше не можуть виділяти енергію і тому більше не можуть використовуватися;
- Не повністю заряджається через погані елементи: через малу ємність двох середніх елементів вони заряджаються швидше. Оскільки вони досягають 90% швидше, ніж інші шість елементів, подальше заряджання не відбувається.
Зрозуміло, що елементи меншої ємності є обмежуючим фактором як при розрядці (під час руху), так і при зарядці. Для оптимального використання повної ємності акумуляторної батареї та забезпечення тривалого терміну служби.
Існує два способи балансування акумулятора: пасивний і активний.
- Без балансування: усі чотири елементи мають різний стан заряду. Комірка 2 майже порожня, а комірка 4 повністю заряджена;
- Пасивний: клітини з найбільшою ємністю розряджаються, доки не буде досягнуто заряду найслабшої клітини (комірка 2 у прикладі). Розряд комірок 1, 3 і 4 є втратою.
У прикладі ми бачимо, що склянки розряджаються, доки вони не досягнуть стану заряду комірки 2; - Активний: енергія заповнених клітин використовується для заповнення порожніх клітин. Тепер відбувається не втрата, а передача енергії від однієї клітини до іншої.
Принцип роботи пасивного та активного балансування клітин пояснюється нижче.
Пасивне балансування клітин:
У прикладі ми бачимо чотири елементи батареї, з’єднані послідовно з перемиканим резистором (R) паралельно. У цьому прикладі резистор підключений до землі за допомогою перемикача. Насправді це транзистор або FET.
У прикладі ми бачимо, що комірка 3 завантажена на 100%. З попередніх абзаців ми знаємо, що цей елемент заряджається швидше, тому що він слабший за три інших. Оскільки рівень заряду комірки 3 становить 100%, інші три комірки більше не заряджаються.
Опір, який розташований паралельно комірці 3, включається в ланцюг струму перемикачем. Осередок 3 розряджається, оскільки резистор поглинає напругу, як тільки через нього проходить струм. Розряд триває, поки клітина не опиниться на рівні інших клітин; в цьому випадку 90%.
Коли всі чотири клітини в цьому модулі мають однаковий стан заряду, їх можна заряджати далі.
При пасивному балансуванні елемента енергія втрачається: напруга, поглинена паралельно з’єднаними резисторами, втрачається. Тим не менш, багато виробників донині використовують цей спосіб балансування.
Активне балансування клітин:
Звичайно, набагато ефективнішим є активне балансування клітин. Енергія переповненої клітини використовується для зарядки порожньої клітини. Нижче ми бачимо приклад активного балансування клітинок.
У прикладі ми бачимо дві комірки, з’єднані послідовно (3 і 4), з напругою вище (4 і 3,9 вольта відповідно). Осередок 3 розряджається за допомогою трансформатора. FET на первинній стороні дозволяє розряджатися. Цим заряджається первинна котушка в трансформаторі. FET на стороні вторинної обмотки вмикає вторинну котушку трансформатора. Отриманий зарядний струм використовується для живлення трансформатора під іншим елементом. Трансформатор під осередком 4 також вмикається та вимикається польовими транзисторами.
