Baterii Hybrid

3

Ce este nou?

Menu

Despre încărcarea ultra-rapidă

Consumatorii cer timpi de încărcare mai rapizi. Lider în această mișcare este industria vehiculelor electrice (EV), care se străduiește să obțină timpi de încărcare similari cu umplerea unui vehicul la o benzinărie. Pomparea a 50 de litri (13 galoane) de combustibil într-un rezervor are o putere calorică de 600 kWh. Umplerea este rapidă. O baterie EV, în comparație, stochează doar între 50-100 kWh de energie, iar încărcarea durează mult timp.

Încărcarea unui EV va dura întotdeauna mai mult decât umplerea unui rezervor cu combustibil; bateria va furniza întotdeauna mai puțină energie pe greutate decât combustibilul fosili. Un Li-ion modern pentru vehicule electrice produce până la 250Wh per kg; energia din combustibili fosili este de 13.000Wh/kg, de 50 de ori mai mare. Avantajele acționării electrice sunt eficiența energetică ridicată și puterea curată. Acestea sunt motive întemeiate pentru a trece la propulsia electrică.

Încărcarea ultra-rapidă este o necesitate pentru călătoriile între orașe, dar are două dezavantaje. Unul este alimentarea costisitoare de energie de până la 120 kW per stație, care echivalează nevoile de energie a cinci gospodării. Un dezavantaj mai puțin menționat este stresul indus asupra bateriei la încărcarea ultra-rapidă.

Majoritatea vehiculelor electrice pot fi încărcate cu trei sisteme de încărcare.

Nivelul 1

este un set de cablu care se conectează la o priză obișnuită de uz casnic de 115VAC, 15A (230VAC, ~6A în Europa). Conectarea monofazată produce aproximativ 1,5–3 kW; timpul de încărcare este de 7 până la 30 de ore, în funcție de dimensiunea bateriei. Nivelul 1 îndeplinește cerințele de încărcare peste noapte pentru biciclete electrice, scutere, scaune cu rotile electrice și PHEV cu baterii care nu depășesc 12 kWh.

Nivelul 2

este o conexiune cu doi poli de 230 VCA, 30 A, asemănătoare cu un uscător de uz casnic, pentru a încărca un EV de dimensiuni medii în 4 până la 5 ore. Aceasta este cea mai comună stație de încărcare pentru vehicule electrice, producând aproximativ 7 kW pentru a alimenta încărcătorul de 6,6 kW de la bord pentru vehicule electrice. Costul de instalare este de aproximativ 5.000 USD.

Nivelul 3

este încărcătorul rapid DC care furnizează 400–600VDC, până la 300A. Ocolește încărcătorul de bord și alimentează direct bateriei. Încărcătoarele de nivel 3 furnizează până la 120 kW pentru a umple o baterie Li-ion până la o stare de încărcare de 80% în aproximativ 30 de minute. Costul de instalare este de 35.000 USD și mai mare per stație.

Bateria este un dispozitiv electrochimic care poate absorbi doar o anumită cantitate de energie. Încărcarea Li-ion are loc prin intercalarea ionilor de litiu și a electronilor pe electrozi. Încercarea de a împinge mai multă energie în Li-ion decât poate absorbi eficient creează o stare de supraalimentare. Litiu metalic se acumulează pe anod, rezultând o placare cu litiu care formează dendrite care compromit siguranța și scurtează durata de viață a bateriei. Aceleași simptome apar și la încărcarea Li-ion la temperaturi scăzute, când intercalarea este încetinită.

Acceptarea încărcării este guvernată de designul celulei, iar Li-ion vine în două versiuni. Celulele de putere cu suprafața sa mare permit curenți mari de sarcină și încărcare rapidă. Această celulă este folosită pentru unelte electrice și mai puțin pentru vehicule electrice din cauza energiei specifice scăzute. Celula energetică mai comună are o energie specifică (capacitate) mare, dar manevrarea sa curentă este limitată; necesită, de asemenea, timpi de încărcare mai lungi decât Power Cell. Bateria EV este un hibrid care gravitează către celula energetică pentru o capacitate mare și o rază lungă de acțiune.

Excepția este titanatul de litiu, o baterie pe bază de litiu care poate fi încărcată rapid. Acest lucru este posibil prin înlocuirea anodului de carbon al unui Li-ion obișnuit cu nanocristale de titanat de litiu care oferă o suprafață mult mai mare, permițând electronilor să intre și să părăsească rapid anodul. Li-titanatul este folosit de unele vehicule electrice japoneze, dar sistemul de baterii este scump și are o capacitate mai mică decât Li-ionul obișnuit.

Pentru a obține o încărcare rapidă și o autonomie lungă de condus, bateria EV este supradimensionată, iar Tesla S 85 este un astfel de exemplu. Supraîncărcarea bateriei sale de 90 kWh aruncă aproximativ 90 kW în baterie. Aceasta reprezintă o rată C de încărcare de 1C pentru un timp. Pe măsură ce bateria se umple, rata C scade la o valoare mai confortabilă de 0,8 C, apoi coboară și mai mult, evitând stresul dăunător al bateriei care este legat de încărcarea ultra-rapidă.

 

Oamenii se întreabă: „De ce un încărcător ultra-rapid încarcă o baterie doar la 70 și 80 la sută?” Răspunsul simplu este că acceptarea încărcării este cea mai bună în intervalul mediu; tensiunile bateriei sunt, de asemenea, reduse în intervalul mediu.

 

Când puneți bateria la încărcare, tensiunea crește. Acest comportament este similar cu ridicarea unei greutăți cu o bandă de cauciuc în care greutatea sau încărcarea rămâne în urmă. În funcție de timpii de încărcare, Li-ion este încărcat în proporție de aproximativ 70% când atinge 4,20 V/celulă, un prag de tensiune care este comun cu Li-ion. În această fază, curentul începe să scadă și acceptarea încărcării încetinește.

Încărcarea ultra-rapidă Li-ion trebuie să îndeplinească aceste condiții pentru a minimiza stresul și pentru a menține siguranța:

1. Bateria trebuie să fie proiectată să accepte o încărcare ultra-rapidă.

2. Bateria trebuie să fie în stare bună. Îmbătrânirea încetinește acceptarea sarcinii.

3. Încărcarea ultra-rapidă durează mai mult.

4. Toate celulele trebuie să aibă rezistență scăzută și să fie bine echilibrate ca capacitate. Celulele slabe sunt expuse la mai mult stres decât cele puternice. Acest lucru agravează și mai mult starea celulelor slabe.

5. Încărcați la o temperatură moderată. Temperatura scăzută încetinește intercalarea ionilor de litiu, provocând o supraaprovizionare cu energie. Energia neabsorbită se transformă în acumulare de gaz, căldură și placare cu litiu. Unele baterii mari includ sisteme de încălzire și răcire pentru a proteja bateria.

Creșterea curentului de încărcare este simplă — a evalua cât de multă energie poate absorbi o baterie este mai dificilă. O analogie este un tren de mare viteză care se deplasează cu 300 km pe oră (188 mph) pe o linie bună. Motoarele puternice sunt ușor de construit, dar în cele din urmă pista este cea care guvernează viteza. În același mod, starea bateriei dictează timpii de încărcare.

Un încărcător ultra-rapid bine conceput evaluează starea bateriei pentru a potrivi curentul de încărcare cu rata pierderii de energie. Încărcătorul trebuie, de asemenea, să se adapteze la temperatură și să respecte echilibrul celulelor. În plus, încărcătorul ultra-rapid recomandat ar trebui să aibă trei setări: Încărcare peste noapte (0,5C); Încărcare rapidă (0,8–1C) și încărcare ultra-rapidă (peste 1C). Acest lucru permite utilizatorului să limiteze încărcarea ultra-rapidă doar atunci când este necesar și la o temperatură adecvată. Deși un astfel de încărcător poate să nu existe încă, cunoștințele de bază ale bateriei și bunul simț ar trebui să prevaleze atunci când se încarcă bateriile într-un mod neconvențional.

Cel mai bine este să nu încărcați complet Li-ion. Se spune că fiecare reducere a tensiunii de vârf de 0,10 V/celulă dublează durata de viață a ciclului. (Consultați Cum să prelungiți bateriile pe bază de litiu.) Acesta este motivul pentru care vehiculele electrice operează bateria doar între 30 și 80% SoC atunci când sunt noi. BMS-ul mărește lățimea de bandă SoC pe măsură ce bateria îmbătrânește pentru a menține intervalul de rulare dorit. La fel de importante sunt temperaturile reci și ratele de încărcare moderate.

Trecerea de la motorul cu ardere internă la baterii

Guvernele europene au stabilit o dată de încheiere pentru motorul cu ardere internă (ICE) în mașini. A fost nevoie de 100 de ani pentru a construi infrastructura de combustibili fosili și ar putea dura la fel de mult pentru a trece la propulsia electrică. Întreprinderile private au construit benzinării; în multe regiuni astăzi, contribuabilii subvenționează stațiile de încărcare și achiziționarea unui vehicul electric. Navetiștii care merg cu bicicleta la serviciu sau fac transport în transport văd această fișă ca o consternare, deoarece plătesc dublu.

O problemă importantă care este trecută cu vederea de către cei care fac reguli este asigurarea adecvării unei baterii într-un vehicul electric. Bateria Tesla S 85 cântărește 540 kg (1.200 lb). În comparație, un motor pe benzină are 130 până la 350 kg (300 până la 800 lbs). Mai mult, bateria este cea mai slabă componentă din majoritatea dispozitivelor; longevitatea sa este adesea mai mică decât gazda pe care o alimentează. Luați o mașină de găurit care funcționează cu baterie, care este minunată atunci când este nouă, dar bateria este prima care merge. Pachetele de înlocuire, dacă sunt disponibile, sunt scumpe și un burghiu bun este adesea aruncat prematur.

Pe măsură ce EV înlocuiește mașinile cu motoare cu ardere, ne întrebăm: „V-ul își va păstra valoarea? Se va potrivi EV-ul în cele din urmă cu prețul și autonomia unei mașini obișnuite? Cum va funcționa bateria când expiră garanția de 8 ani? Înlocuirea pachetului va fi economică sau mașina va fi aruncată la fel ca un telefon mobil vechi sau o periuță de dinți electrică când bateria se descarcă? Ce probleme de mediu se vor dezvolta eliminarea bateriilor mari de vehicule electrice?

Bateriile pentru EV sunt de o calitate mai bună decât cele din produsele de larg consum, iar experții spun că bateria EV va supraviețui mașinii. Testele de laborator au dovedit că acest lucru este adevărat, dar adevăratul test vine atunci când noile vehicule electrice strălucitoare îmbătrânesc. Conducerea civilizată, temperaturile moderate și bunele practici de încărcare ajută la prelungirea duratei de viață a bateriei.

Cu toate acestea, cumpărătorii de vehicule electrice se vor înfiora când vor afla că o baterie de schimb are prețul unei mașini compacte cu motor cu ardere internă. Autoritățile de reglementare ar trebui să se asigure că bateriile de schimb sunt disponibile la un cost rezonabil, pentru ca EV-ul să nu devină un articol de unică folosință, la fel ca un mașină de găurit fără fir sau un smartphone, atunci când bateria se stinge.

Au apărut companii care testează bateriile EV după pensionare pentru reutilizare în aplicații secundare. (Consultați Acordarea unei a doua viață bateriilor). Utilizările tipice sunt stocarea energiei pentru panourile solare în locuințe. Nu sunt disponibile suficiente informații despre viabilitatea și siguranța acestor baterii într-o a doua viață.

Rezumat

Utilizatorii bateriei au o dorință puternică de a prelungi durata de viață a bateriei și iată recomandări despre ceea ce poate face custodele bateriei:

– Încărcați la o rată moderată. Încărcarea ultra-rapidă provoacă stres. (NiCd este singura baterie care poate accepta încărcare ultra-rapidă cu stres minim.)

– Dacă este posibil, nu umpleți Li-ion până la starea de încărcare de 100%. (Numai plumbul acidului necesită o încărcare complet saturată pentru a preveni sulfatarea.) Majoritatea încărcătoarelor încarcă complet bateria.
– Preveniți temperaturile ridicate. Menținerea Li-ionului la încărcare completă și a temperaturii ridicate provoacă mai mult stres decât ciclismul în condiții normale.

– O încărcare ultra-rapidă umple bateria doar parțial; sarcina de saturație completează încărcarea într-un ritm mai lent. Mergeți ușor la saturație, deoarece Li-ion nu are nevoie de o încărcare completă.

– Nu aplicați încărcare rapidă când bateria este fierbinte, rece, are celule nepotrivite sau este estompată.

Sursa: https://batteryuniversity.com/article/ultra-fast-charging