Как устроены и работают аккумуляторы для электромобилей


Скорость, пробег, крутящий момент и все подобные жизненно важные параметры электромобиля зависят исключительно от технических характеристик двигателя и аккумуляторной батареи, используемой в автомобиле. Хотя использование мощного двигателя не составляет большого труда, проблема заключается в разработке аккумуляторной батареи, которая могла бы обеспечивать достаточный ток для двигателя в течение длительного времени, не уменьшая его срок службы. Чтобы справиться с напряжением и током, производителям электромобилей приходится объединять сотни, если не тысячи ячеек, чтобы сформировать аккумуляторную батарею для одного автомобиля.

Как устроены и работают аккумуляторы для электромобилей

Чтобы дать представление, модель Tesla S имеет около 7104 ячеек, а Nissan Leaf — около 600 ячеек. Такое большое количество, а также нестабильная природа литиевых элементов затрудняют разработку аккумуляторной батареи для электромобиля. В этой статье давайте рассмотрим, как спроектирован аккумуляторный блок электромобиля и каковы жизненно важные параметры, связанные с аккумуляторами, о которых необходимо заботиться. Вы также можете прочитать статью о различных типах батарей, если хотите узнать больше о батареях в целом.

Что находится внутри аккумуляторной батареи электромобиля?

Если бы вы прочитали статью «Введение в электромобиль», вы бы уже ответили на этот вопрос. Для новичков позвольте мне кратко подвести итоги. На изображении ниже показаны компоненты аккумуляторного блока Nissan Leaf.

Компоненты аккумуляторного блока Nissan Leaf

Современные электромобили используют литиевые батареи ввиду ряда очевидных причин, которые мы обсудим позже в этой статье. Но литиевые батареи имеют напряжение всего около 3,7 В на ячейку, тогда как электромобилю требуется где-то около 300 В. Для достижения такого высокого напряжения и номинала Ач (Ампер-час) литиевые элементы объединяются последовательно и параллельно в модули, и эти модули вместе с некоторыми схемами защиты (BMS) и системой охлаждения размещаются в механическом корпусе, который вместе называется аккумуляторным блоком, как показано выше.

Типы батарей электромобилей

Хотя в большинстве автомобилей используются литиевые батареи, мы не ограничиваемся ими. Существует множество типов химических аккумуляторов. В целом подобные батареи можно разделить на три типа.

Основные батареи: это неперезаряжаемые батареи. Они могут преобразовывать химическую энергию в электрическую, а не наоборот. Примером может служить использование щелочных батареек (AA, AAA) в игрушках и пультах дистанционного управления.

Вторичные аккумуляторы: это аккумуляторы для электромобилей, которые нас интересуют. Они могут преобразовывать химическую энергию в электрическую для питания электромобиля, а также снова преобразовывать электрическую энергию в химическую энергию во время процесса зарядки. Эти батареи обычно используются в мобильных телефонах, электромобилях и большинстве другой портативной электроники.

Резервные батареи: это особый тип батарей, используемый в очень уникальных целях. Как следует из названия, большую часть срока службы эти аккумуляторы находятся в резервном режиме (режиме ожидания) и, следовательно, имеют очень низкую скорость саморазряда. Примером могут служить батарейки для спасательных жилетов.

Базовая химия батарей

Как говорилось ранее, для батарей доступно множество различных химических составов. У каждого из этих составов есть свои плюсы и минусы. Но независимо от типа химического состава есть несколько вещей, которые являются общими для всех батарей, давайте взглянем на них, не вдаваясь в подробности их химического устройства. 

Базовое устройство батареи

В аккумуляторе есть три основных слоя: катод, анод и сепаратор . Катод — это положительный слой батареи, а анод — отрицательный слой батареи. Когда нагрузка подключена к клеммам батареи, ток (электроны) течет от анода к катоду. Аналогичным образом, когда зарядное устройство подключено к клеммам батареи, поток электронов меняется на противоположный, то есть от катода к аноду, как показано на рисунке выше.

Чтобы любая батарея работала, должна произойти химическая реакция, называемая окислительно-восстановительной реакцией. Эта реакция происходит между анодом и катодом батареи через электролит (сепаратор). Анодная сторона батареи будет готова принимать электроны, и, следовательно, произойдет реакция окисления, а катодная сторона батареи будет готова терять электроны, и, следовательно, произойдет реакция восстановления. В результате этой реакции ионы передаются с катодной стороны батареи на анодную через сепаратор. В результате на аноде накапливается больше ионов. Чтобы нейтрализовать этот анод, он должен подтолкнуть электроны со своей стороны к катоду.

Но сепаратор только пропускает через себя поток ионов и блокирует любое движение электронов от анода к катоду. Таким образом, единственный способ, которым батарея может передавать электроны, — это через ее внешние клеммы, поэтому, когда мы подключаем нагрузку к клеммам батареи, мы получаем ток (электроны), протекающий через нее.

Основы химии литиевых батарей

Мы собираемся обсудить литиевые батареи, поскольку они являются наиболее предпочтительными для электромобилей, давайте углубимся немного в их химический состав. Существует много типов литиевых батарей, среди которых наиболее распространенными сейчас являются: литий-никель-кобальт-алюминий (NCA), литий-никель-марганцево-кобальтовый (NMC), литий-марганцевая шпинель (LMO), литий-титанат (LTO), литий-железо-фосфат (LFP). Опять же, каждый химический состав имеет свои особенности, которые четко проиллюстрированы на рисунке ниже, сделанном группой Boston Consulting .

Основы химии литиевых батарей

Из них наиболее часто используется литий-никель-кобальт-алюминий из-за его низкой стоимости. Подробнее об этих параметрах мы поговорим позже в этой статье. Но здесь можно заметить одну общую вещь: литий присутствует во всех батареях. В основном это связано с электронной конфигурацией лития. Нейтральный атом металлического лития показан на следующем рисунке.

Структура нейтрального атома металлического лития

Его атомный номер три означает, что вокруг его нуклеазы будут находиться три электрона, а внешняя оболочка имеет только один валентный электрон. Во время реакции этот валентный электрон вытягивается, что дает нам один электрон и ион лития, причем два электрона образуют ион лития. Как обсуждалось ранее, электрон будет течь в виде тока через внешние клеммы батареи, а ион лития будет течь через электролит (сепаратор) во время окислительно-восстановительной реакции.

Основы аккумуляторов для электромобилей

Теперь мы знаем, как работает аккумулятор и как он используется в электромобиле, но чтобы исходить из этого, нам необходимо понять некоторые основные термины, которые обычно используются при проектировании аккумуляторной батареи. Давайте обсудим их…

Номинальное напряжение: два очень распространенных номинала, которые можно найти на батарее, — это номинальное напряжение и рейтинг Ач. Свинцово-кислотные батареи обычно имеют напряжение 12 В, а литиевые — 3,7 В. Это называется номинальным напряжением батареи. Это не означает, что аккумулятор будет постоянно обеспечивать напряжение 3,7 В на своих клеммах. Значение напряжения будет варьироваться в зависимости от емкости аккумулятора. Мы обсудим это позже.

Номинал Ач или рейтинг мАч: рядом с номиналом напряжения еще одним распространенным параметром является рейтинг Ач (Ah). Термин Ah означает Ампер-час. Некоторые производители используют обозначение мАч, что означает не что иное, как миллиампер-час, то есть 1 Ач = 1000 мАч. Номинал батареи говорит нам о ее емкости.

Например аккумулятор емкостью 2Ач может отдать ток 2А в течение часа, этот же аккумулятор будет отдавать ток 1А в течение 2 часов, а если от него взять 4А, то аккумулятора хватит всего на 30 минут работы.

Приведенные выше формулы не справедливы для всех случаев, но должны дать вам примерное представление о том, как долго прослужит ваша батарея. Вы не можете ожидать, что батарея емкостью 2 Ач будет потреблять ток 30 А и рассчитывать, что ее хватит на 3,6 минуты. Существуют ограничения на максимальный ток, который вы можете потреблять, а также в процессе будут возникать некоторые потери, которые всегда сокращают время работы. Кроме того, ни один электромобиль не будет потреблять постоянный ток, поэтому определить, как долго ваш электромобиль будет работать от этой батареи, — непростая задача.

«Когда мне следует прекратить использовать батарею?»

Напряжение отключения: Напряжение отключения — это минимальное напряжение аккумулятора, ниже которого его нельзя использовать. Скажем, для литиевого элемента с напряжением 3,7 В его напряжение отключения будет где-то около 3,0 В. Это означает, что ни при каких обстоятельствах эту батарею нельзя подключать к нагрузке, если ее напряжение опускается ниже 3,0 В. Значение напряжения отключения аккумулятора можно найти в его паспорте.

Если аккумулятор разряжается ниже этого напряжения отключения, это называется переразрядом. Это приведет к повреждению аккумулятора, что повлияет на его емкость и срок службы. Чрезмерная разрядка батареи нарушит химический состав батареи, что может привести к дымлению или возгоранию батареи.

«Когда мне следует заряжать аккумулятор?»

Максимальное напряжение заряда: Хотя напряжение отключения — это минимальное напряжение аккумулятора, то максимальное напряжение заряда – это максимальное напряжение, которого может достичь аккумулятор. Когда мы заряжаем аккумулятор, его напряжение увеличивается, значение напряжения, при котором мы должны прекратить зарядку, называется максимальным. Для литиевого элемента с номинальным напряжением 3,7 В максимальное напряжение заряда составит 4,2 В. Это значение также можно найти в паспорте на батарею. 

Если аккумулятор заряжается выше максимального зарядного напряжения, это называется перезарядкой. Перезарядка также приведет к необратимому повреждению аккумулятора и может привести к его возгоранию.

Напряжение разомкнутой цепи (Open Circuit Voltage, OCV): Напряжение разомкнутой цепи — это значение напряжения, измеренное на положительной и отрицательной клемме аккумулятора в состоянии холостого хода. Для исправной батареи напряжение OCV литиевой батареи всегда должно находиться в пределах от 3,0 В до 4,2 В. Напряжение отключения и максимальное напряжение заряда измеряется в состоянии разомкнутой цепи.

Напряжение на клеммах: Напряжение на клеммах — это значение напряжения, измеренное на аккумуляторе в нагруженном состоянии. Значение напряжения OCV и напряжения на клеммах не будет одинаковым, поскольку, когда нагрузка подключена и ток потребляется от батареи, ее напряжение имеет тенденцию уменьшаться в зависимости от величины потребляемого тока.

«Какой ток я могу получить от батареи?»

Рейтинг C (C-rating): это еще один важный рейтинг для аккумуляторов. Этот рейтинг тесно связан с номиналом батареи в Ач. Рейтинг C батареи помогает нам узнать, какой максимальный ток может быть получен от батареи. Например, если батарея имеет емкость 2 Ач при 8C, то это означает, что от аккумулятора можно получить максимум (8*2) 16А и этого хватит на 7,5 минут. Мы сделали расчеты для этого ранее. Батарея будет работать с максимальной эффективностью при более низких рейтингах C. Приложение, в котором размер батареи небольшой, но потребляемый ток очень высокий (например, дроны), требует батарей с высоким рейтингом C.

Внутреннее сопротивление: каждый компонент имеет свое собственное сопротивление, емкость имеет его под названием емкостного реактивного сопротивления, а катушка индуктивности имеет его под названием индуктивного реактивного сопротивления. Точно так же батарея имеет некоторое внутреннее сопротивление между анодной и катодной клеммами. Это сопротивление называется ее внутренним сопротивлением.

Внутреннее сопротивление батареи

Как и все резисторы, оно также способствует потерям за счет рассеивания тепла, поэтому для идеальной системы внутреннее сопротивление должно быть равно нулю. Но на практике невозможно создать батарею с нулевым IR (Internal resistance - внутренним сопротивлением), поэтому его следует сделать как можно более низким. Значение IR не является фиксированным параметром и варьируется в зависимости от емкости и возраста аккумулятора.

Удельная энергия: Удельную энергию можно рассматривать как энергию, которую можно получить на единицу массы (веса). В электромобилях вес аккумулятора является важным фактором, поскольку автомобиль должен нести аккумулятор вместе с собой. Поэтому вес аккумулятора должен быть как можно меньшим. Удельная энергия батареи говорит нам, какую мощность (напряжение * ток) она может обеспечить на единицу массы батареи, поэтому удельная энергия батареи должна быть как можно выше. Литиевые аккумуляторы имеют очень высокую удельную энергию по сравнению со свинцово-кислотными.  Удельная мощность определяется аналогичным образом, но она также учитывает время. Она говорит нам, как быстро можно получить энергию от батареи.

Плотность энергии: Плотность энергии и удельная мощность в некоторой степени связаны. В то время как удельная энергия говорит нам, сколько энергии можно получить на единицу массы батареи, плотность энергии говорит нам, сколько энергии можно получить на единицу объема батареи. Это дает нам представление о размере батарей, поскольку мы учитываем объем батареи. Батареи с высокой плотностью энергии могут обеспечить большую мощность при небольшом корпусе, например, литий-полимерные батареи, используемые в дронах. Плотность мощности определяется аналогичным образом, но учитывается также время. Она говорит нам, как быстро можно получить энергию от батареи.

Энергетические ватт-часы (кВтч): Энергия аккумуляторных батарей электромобилей рассчитана в кВтч (киловатт-час). Это дает представление о том, как долго будет работать электромобиль. Это похоже на рейтинг Ач, но здесь мы учитываем как напряжение, так и ток. Например, у Tesla есть аккумулятор емкостью 60–100 кВтч, что означает, что он может обеспечивать мощность 60 кВт в течение 3 часов.

Скорость саморазряда: аккумулятор теряет часть своей емкости, даже если он идеален. Этого нельзя избежать из-за его химических свойств, но его можно спроектировать так, чтобы свести этот эффект к минимуму. Скорость, с которой батарея теряет заряд, даже если она не подключена к нагрузке, называется скоростью саморазряда.

Есть еще много мелких терминов, которые мы, возможно, пропустили, но здесь собраны почти все важные термины, которые вам следует знать при работе с батареями.

Система управления батареями (BMS)

Система управления аккумулятором или BMS (Battery management system) считается мозгом аккумуляторной батареи. Это схема в сочетании с алгоритмом, который контролирует напряжение, ток и температуру ячеек аккумуляторной батареи и обеспечивает работоспособность и безопасность отдельных ячеек аккумуляторной батареи. Он также отвечает за балансовую зарядку, измерение SOC и SOH ячеек и многие другие важные функции. Давайте посмотрим, что они делают.

«Как узнать количество оставшегося заряда в аккумуляторе?»

Состояние заряда (SOC, State of Charge)

Состояние заряда или SOC является одним из наиболее важных параметров, которые необходимо измерять в аккумуляторе. Как мы видели ранее, значения Ач батареи не могут быть использованы для определения того, какая емкость фактически осталась в батарее. Только если мы рассчитаем SOC, мы сможем сказать пользователю, сколько заряда осталось в батарее. SOC сообщает нам, какой процент заряда остался в батарее. Представьте, как тяжело вашему телефону, когда на нем нет информации о проценте заряда батареи.

Измерить емкость аккумулятора не так просто, как измерить напряжение на его клеммах, поскольку многие люди считают, что на емкость аккумулятора влияет множество факторов, включая циклы зарядки, температура, скорость разряда и т. д. Существует множество методов, с помощью которых это можно сделать. Чтобы сделать это, обычно используется метод подсчета Колумбов. О том, как это делается, мы поговорим в отдельной статье.

Глубина разряда (DOD, Depth of Discharge)

Глубина разряда (DOD) является противоположностью SOC. В то время как SOC сообщает нам, какой процент заряда остался, DOD сообщает нам, какой процент заряда израсходован в батарее.

Состояние здоровья (SOH, State of Health)

Емкость аккумулятора уменьшается с возрастом - это уменьшает пробег электромобиля на одном заряде. Только если мы будем следить за старением, мы сможем узнать, когда пора менять батарею. Скорость старения электромобиля также зависит от рабочей температуры, коэффициента C, при котором эксплуатируется аккумулятор, циклов зарядки и т. д. Состояние здоровья измеряет состояние аккумулятора в процентах с учетом его коэффициента старения. Чем больше он стареет, тем ниже будет здоровье батареи.

Балансировка ячеек

Балансировка ячеек — еще одна важная задача, выполняемая BMS, поскольку мы знаем, что несколько ячеек будут объединены последовательно или параллельно для формирования аккумуляторной батареи. Напряжение всех ячеек всегда должно быть одинаковым, например, в блоке из четырех ячеек 18650, соединенных последовательно, напряжение на всех ячейках должно быть одинаковым, иначе ячейка с более низким напряжением будет переразряжена, а ячейка с более высоким напряжением выйдет из строя. Чтобы предотвратить это, BMS выполняет так называемую балансировку ячеек: она обнаруживает ячейки с более высоким напряжением и разряжает их до тех пор, пока потенциал не совпадет с потенциалом соседей. Более подробно про методы балансировок ячеек в аккумуляторах вы можете прочитать в этой статье.

Безопасность ячеек

Помимо этого, BMS также обеспечивает экологическую и электрическую защиту ячейки. Она контролирует температуру ячеек и управляет системой охлаждения, присутствующей в BMS. Модель Tesla S имеет внутри аккумуляторной батареи систему жидкостного охлаждения (гликоля), которая контролируется BMS. Охлаждающая жидкость не только охлаждает аккумулятор, но и нагревает его до номинальной температуры, если это необходимо в зимнее время.

На этом мы подошли к концу статьи, но явно не к концу того, что можно узнать об аккумуляторах для электромобилей. Так что, если вы хотите стать экспертом, вам просто нужно начать с этого. Можно еще многому научиться, например, моделированию аккумуляторов, проектированию BMS, протоколам тестирования аккумуляторов и т. д., но давайте рассмотрим все это позже в отдельной статье. Я считаю, что эта информация была полезной и вызвала у вас интерес узнать больше об аккумуляторах для электромобилей и о том, как они работают. 

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
18 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *