Wszystko, co chcesz wiedzieć o akumulatorach do pojazdów elektrycznych

Prędkość, przebieg, moment obrotowy i wszystkie te istotne parametry samochodu elektrycznego zależą wyłącznie od specyfikacji silnika i zastosowanego w nim akumulatora. Podczas gdy użycie mocnego silnika nie jest wielkim problemem, problem polega na zaprojektowaniu zestawu akumulatorów, który mógłby dostarczać wystarczającą ilość prądu dla silnika przez długi czas bez obniżania jego żywotności. Aby sprostać zapotrzebowaniu na napięcie i prąd, producenci pojazdów elektrycznych muszą łączyć ze sobą setki, jeśli nie tysiące ogniw, aby utworzyć pakiet akumulatorów dla jednego samochodu. Aby dać wyobrażenie, model Tesla S ma około 7 104 ogniw, a liść Nissana ma około 600 ogniw. Ta duża liczba wraz z niestabilnym charakterem ogniw litowych utrudnia zaprojektowanie zestawu akumulatorów do samochodu elektrycznego. W tym artykule przyjrzyjmy się, jak zaprojektowano akumulator pojazdu elektrycznego do pojazdu elektrycznegoi jakie istotne parametry związane z bateriami należy zadbać.

Co znajduje się w zestawie akumulatorów pojazdu elektrycznego?

Jeśli przeczytałeś artykuł Wprowadzenie do pojazdu elektrycznego, odpowiedziałbyś już na to pytanie. Dla nowych ludzi pozwolę sobie na szybką zmianę. Poniższe zdjęcie pokazuje, że pakiet akumulatorów Nissana Leaf jest rozdzierany do poziomu ogniwa z pakietu.

Nowoczesne samochody elektryczne wykorzystują baterie litowe do zasilania swoich samochodów z kilku oczywistych powodów, które omówimy w dalszej części tego artykułu. Ale te baterie litowe mają tylko około 3,7 V na ogniwo natomiast wymaga EV samochód gdzieś w pobliżu 300V. Aby uzyskać tak wysokie napięcie i wartość Ah, ogniwa litowe są łączone szeregowo i równolegle w celu utworzenia modułów, a moduły te wraz z niektórymi obwodami zabezpieczającymi (BMS) i układem chłodzenia są umieszczone w obudowie mechanicznej zwanej zbiorczo pakietem akumulatorów, jak pokazano powyżej.

Rodzaje baterii

Podczas gdy większość samochodów korzysta z baterii litowych, nie jesteśmy do tego ograniczeni. Dostępnych jest wiele rodzajów chemii baterii. Ogólnie baterie można podzielić na trzy typy.

Baterie pierwotne: są to baterie jednorazowego użytku. Oznacza to, że może przekształcić energię chemiczną w energię elektryczną, a nie na odwrót. Przykładem mogą być baterie alkaliczne (AA, AAA) używane do zabawek i pilotów.

Akumulatory wtórne: Są to akumulatory, którymi jesteśmy zainteresowani do pojazdów elektrycznych. Może przekształcić energię chemiczną w energię elektryczną, aby zasilać pojazd elektryczny, a także może ponownie przekształcić energię elektryczną w energię chemiczną podczas procesu ładowania. Baterie te są powszechnie używane w telefonach komórkowych, pojazdach elektrycznych i większości innych przenośnych urządzeń elektronicznych.

Baterie rezerwowe: Są to specjalne typy baterii używane w bardzo wyjątkowych zastosowaniach. Jak sama nazwa wskazuje, akumulatory są utrzymywane w rezerwie (tryb gotowości) przez większość czasu ich eksploatacji, dzięki czemu mają bardzo niski współczynnik samorozładowania. Przykładem mogą być baterie do kamizelki ratunkowej.

Podstawy chemii baterii

Jak wspomniano wcześniej, dostępnych jest wiele różnych chemii baterii. Każda chemia ma swoje wady i zalety. Ale bez względu na rodzaj chemii niewiele rzeczy jest wspólnych dla wszystkich akumulatorów, przyjrzyjmy się im bez wchodzenia w skład chemiczny.

W baterii są trzy główne warstwy: katoda, anoda i separator. Katoda jest dodatnią warstwą baterii, a anoda jest ujemną warstwą baterii. Gdy obciążenie jest podłączone do zacisków akumulatora, prąd (elektrony) płynie od anody do katody. Podobnie, gdy ładowarka jest podłączona do zacisków akumulatora, przepływ elektronów jest odwrócony, czyli od katody do anody, jak pokazano na powyższym rysunku.

Aby jakikolwiek akumulator działał, powinna nastąpić reakcja chemiczna zwana reakcją utleniania-redukcji. Czasami nazywany również reakcją redoks. Ta reakcja zachodzi pomiędzy anodą i katodą akumulatora poprzez elektrolit (separator). Strona anodowa baterii będzie skłonna do pozyskiwania elektronów, a zatem nastąpi reakcja utleniania, a strona katodowa baterii będzie skłonna tracić elektrony, a zatem nastąpi reakcja redukcji. W wyniku tej reakcji jony są przenoszone z katody na stronę anodową baterii poprzez separator. W rezultacie w anodzie zgromadzi się więcej jonów. Aby zneutralizować tę anodę, musi przepchnąć elektrony ze swojej strony do katody.

Ale Separator pozwala tylko na przepływ jonów przez niego i blokuje wszelkie ruchy elektronów od anody do katody. Więc jedyny sposób, w jaki bateria może przenosić elektrony, to przez jej zewnętrzne zaciski, dlatego kiedy podłączamy obciążenie do zacisków baterii, otrzymujemy prąd (elektrony) przepływający przez myśl.

Podstawy chemii baterii litowych

Ponieważ mamy zamiar omówić baterie litowe, ponieważ są one najbardziej preferowanymi bateriami do pojazdów elektrycznych, przyjrzyjmy się nieco dokładniej ich składowi chemicznemu. W bateriach litowych jest ponownie wiele rodzajów, a najbardziej zwykłe. Znowu każda chemia ma swoją własną charakterystykę, którą starannie ilustruje poniższy rysunek grupy Boston Consulting.

Spośród nich najczęściej używany jest litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowy ze względu na niski koszt. Więcej z tych parametrów omówimy w dalszej części tego artykułu. Ale jedną wspólną rzeczą, którą można tutaj zauważyć, jest to, że lit jest obecny we wszystkich bateriach. Wynika to głównie z konfiguracji elektronowej litu. Neutralny atom metalu litu pokazano poniżej.

Jej liczba atomowa wynosi trzy, co oznacza, że ​​wokół jej nukleazy będą znajdować się trzy elektrony, a najbardziej zewnętrzna powłoka ma tylko jeden elektron walencyjny. Podczas reakcji ten elektron walencyjny jest wyciągany, dając nam jeden elektron i jon litu z dwoma elektronami, tworząc jon litu. Jak omówiono wcześniej, elektron będzie przepływał jako prąd przez zewnętrzne zaciski akumulatora, a jon litu będzie przepływał przez elektrolit (separator) podczas reakcji redoks.

Podstawy akumulatorów do pojazdów elektrycznych

Teraz wiemy, jak działa bateria i jak jest używana w pojeździe elektrycznym, ale aby przejść dalej, musimy zrozumieć kilka podstawowych terminologii, które są powszechnie używane podczas projektowania zestawu baterii. Omówmy je…

Napięcie znamionowe: Dwie bardzo powszechne wartości znamionowe, które można znaleźć na akumulatorze, to jego napięcie znamionowe i wartość Ah. Akumulatory kwasowo-ołowiowe mają zwykle napięcie 12 V, a akumulatory litowe 3,7 V. Nazywa się to nominalnym napięciem baterii. Nie oznacza to, że bateria będzie dostarczać 3,7 V na swoich zaciskach przez cały czas. Wartość napięcia będzie się zmieniać w zależności od pojemności baterii. Omówimy