Trakční baterie – vlastnosti, principy činnosti a implikace pro elektromobily a průmysl

Řekneme vám, jak funguje nejdražší součást elektromobilu.

• Co způsobuje vysoké náklady na baterie?
• Proč potřebuje elektromobil vysokonapěťovou baterii?
• Jaké články se používají v bateriích elektromobilů?
• Jak elektronika hospodaří s bateriemi
• Jak elektronika chrání baterii a lidi
• Pouzdro na baterie
• Provoz na baterie

Podrobná recenze Nissanu Leaf s přihlédnutím k moderní realitě,…

Řekneme vám, jak funguje nejdražší součást elektromobilu.

Baterie je drahá součást elektromobilu. Je hlavním zdrojem energie, která pohání auto. Cena elektromobilu a jeho dojezd závisí na baterii. Jak funguje nejsložitější součást elektromobilu, jak dlouho vydrží a jak ji správně ovládat?

Co způsobuje vysoké náklady na baterie?

V roce 2010, kdy se elektrická vozidla teprve začínala dostávat na trh, stála každá „baterie“ kWh přibližně 1200 150 USD, což je mnohonásobně dražší než energie, kterou akumulovala. Za dvanáct let vývoje technologie baterií klesla cena skladování elektřiny na 10 dolarů. Navíc se tento parametr každý rok zlevní o 15–XNUMX %. Navzdory tomu zůstává podíl baterie na ceně elektromobilu nejvyšší.

Vysoká cena baterie je způsobena několika důvody:

• Velikost. Bateriová sestava elektromobilu, která má dojezd 350 kilometrů, váží asi 500 kilogramů.
• Téměř 90 % této jednotky tvoří výkonné elektricky vodivé přípojnice a drahé bateriové články – při jejich výrobě se používají vzácné chemické prvky, barevné a drahé kovy.
• Každá baterie má mnoho elektronických součástek a senzorů, ochranné obvody a obvod tepelné regulace.

Proč potřebuje elektromobil vysokonapěťovou baterii?

Trakční baterie elektromobilu se od autobaterie liší svým provozním napětím. Místo 12 V (nebo 24 V u nákladních aut) se i v prvních elektromobilech měřilo ve stovkách voltů. Dnes je standardní napětí 350-450 V. U drahých modelů je vyšší, například Porsche Taycan dosahuje 800 V a elektrická platforma elektrických nákladních vozidel je založena na 1200 nebo 1600 voltovém systému.

Vysokonapěťový systém umožňuje uložit mnohem více energie na jednotku hmotnosti baterie. Pokud byste z jednoduchých autobaterií vyrobili konvenční autobaterii pro elektromobily, potřebovali byste k jejich přepravě nákladní automobil. Kromě toho jsou proudy ve vysokonapěťovém systému při stejném výkonu motoru nižší, což znamená, že pro úsporu hmotnosti lze použít tenčí dráty.

Jaké články se používají v bateriích elektromobilů?

Na rozdíl od autobaterií neobsahují bateriové články pro elektromobily elektrolyt ani gel, který jej nahrazuje. Svým obsahem jsou podobné běžným bateriím do gadgetů.

První elektromobily byly vybaveny nikl-metal hydridovými (Ni-MH) bateriemi. Umožňovaly uložit až 300 W/h. Ale v praxi bylo možné využít jen pětinu jejich schopností. Nahradily je lithium-iontové články, které byly dlouho považovány za nerentabilní kvůli jejich vysoké ceně. Ale jen ty mohly poskytnout skutečnou měrnou energetickou náročnost na úrovni 100-250 Wh/kg.

Tesla začala používat válcové Li-Ion články ve formátu 18650 (o něco větší než AA baterie), které byly určeny pro baterie notebooků. V Tesle Model S jsou sestaveny do šestnácti 25voltových modulů.

Japonští výrobci preferují bateriové články plochého tvaru, které jsou speciálně navrženy pro elektromobily, pohodlnější je skládat je do sáčků potřebné kapacity. Evropané si vybírají ještě technologicky vyspělejší buňky, které mají tvar tyčí.

Technologie výroby lithium-iontových článků je již dostatečně vyvinuta velkými společnostmi z Číny, Japonska a Jižní Koreje. Více se o nich dočtete v článku „Top 5 výrobců baterií pro elektromobily“.

Všimněte si, že Li-Ion je obecný název pro baterie s různým složením:

• Lithium-kobalt – poskytují nejvyšší energetickou náročnost, ale jsou výbušné a toxické.
• Lithium-mangan – uchová méně energie a přestane pracovat při teplotě -10℃.
• Fosforečnan lithný je nejstabilnější, má normální energetickou kapacitu a funguje i při -30 ℃.
• Grafen-polymer a lithium-síra jsou stále ve fázi vývoje. Umožní vám dosáhnout ještě větší energetické náročnosti a rychlosti nabíjení.

Jak elektronika hospodaří s bateriemi

Trakční baterie je matice elementárních nízkonapěťových článků vzájemně propojených. O jejich nabíjení a vybíjení se stará celá síť mikroprocesorů na různých úrovních matice.

Každý článek baterie je tedy vybaven jedním nebo dvojicí teplotních čidel a vlastním ovladačem, které zodpovídají za bezpečné proudové režimy, ochranu proti přepětí, přehřátí atd.

Regulátor BMU je zodpovědný za nabíjení bloku desítek nebo stovek článků. Vyrovnává proudy mezi sériově a paralelně zapojenými bateriovými články.

Centrální BMS ovladač je zodpovědný za celkovou kontrolu a distribuci energie v závislosti na typu nabíjení (pomalé, normální, rychlé nebo ultrarychlé). Zajišťuje také optimální rozložení zátěže mezi všechny moduly.

Jak elektronika chrání baterii a lidi

Výše zmíněné řídicí jednotky řídí nejen články baterie, ale i celou elektrickou síť, která prvky propojuje. Pokud dojde k poruše jednoho článku, řídicí systém sníží jeho zátěž nebo úplně zastaví nabíjení, aby se eliminovalo i sebemenší riziko vnitřního poškození baterie.

Elektronika také řídí napájecí obvody elektromobilu. V případě abnormálních odchylek v měniči nebo úniků proudu výkonná relé přeruší obvody. Klasické pojistky chrání proti zkratu. Fyzický stav všech kritických připojení je monitorován pomocí end-to-end sběrnice pro monitorování konektorů. Snímače otřesů se také používají k ochraně před úrazem elektrickým proudem v případě nehody. Když jsou spuštěny, napětí je odstraněno z obvodů.

Pouzdro na baterie

Ve většině elektromobilů je baterie podobná sporáku a je umístěna pod podlahou kabiny. Tímto způsobem je vhodné vyrábět modulární baterie, které se liší hmotností, kapacitou, velikostí, cenou, ale jsou zaměnitelné v rámci stejné elektrické platformy.

Toto uspořádání vyžaduje zvýšenou pevnost pouzdra baterie. Proto je navržena tak, aby odolala silným nárazům ze všech stran. Spodní část baterie musí také zajistit těsnost a odolat nárazům např. od odletujících kamenů. Proto je baterie nejodolnějším prvkem elektrického vozidla.

K tomu přidejte hydraulickou ochranu, systém trubek, sadu speciálně chráněných vysokonapěťových konektorů, upevňovací prvky na karoserii, která u některých modelů činí baterii součástí energetické struktury elektrického vozidla, a jednoduchou „bateriovou skříň“ se stává technologickým mistrovským dílem, které je vyrobeno speciální technologií z vysoce pevných hliníkových slitin a nerezových ocelí

Provoz na baterie

Baterie elektromobilu, stejně jako jakákoli jiná dobíjecí lithium-iontová baterie, ztrácí při používání svou kapacitu. To je přirozený proces. Z článku „Degradace baterie. Dá se tomu vyhnout? se dozvíte, jak prodloužit životnost baterie.

Životnost baterie je negativně ovlivněna:

• Časté používání vysokorychlostního EPS s výkonem nad 100 kW/h. Jedná se o vynikající možnost pro dobíjení na cestách, kdy za pouhých 30-40 minut můžete obnovit rezervu chodu až 200 kilometrů. Ale pro bateriové články je nabíjení superintenzivními proudy stresující. Pro běžné nabíjení se doporučuje používat stanice s výkonem do 22 kW/h. Mohou být instalovány v garáži, na dvoře nebo v podzemním parkovišti.
• Pracujte při velmi nízkých teplotách. V zimě je lepší nechat elektromobil v garáži připojený na EPS až do odjezdu a den předem zapnout topení ze sítě na časovač.
• Pravidelné dobíjení až na 100 %.

Za posledních deset let baterie třikrát zlevnily a jejich kapacita několikrát zestárla. Stále ale zůstávají nejdražšími součástmi elektromobilů. Značný podíl nákladů na baterii připadá na pouzdro, které je vysoce odolné a poměrně složité na výrobu.

O distribuci energetických toků uvnitř baterie se stará složitý systém s velkým množstvím teplotních čidel a regulátorů. Každý článek, modul, část obvodu a celá baterie jako celek jsou pod kontrolou.

Baterie se opotřebovává stejně jako jakákoli dobíjecí lithium-iontová baterie. Většina výrobců garantuje jeho provoz po dobu osmi let nebo 160 000 kilometrů. Jak dlouho baterie vydrží závisí na způsobu nabíjení.