Akumulator pojazdu elektrycznego

Komponenty wewnętrzneEdit

Projekty pakietów akumulatorów dla pojazdów elektrycznych (EV) są złożone i różnią się znacznie w zależności od producenta i konkretnego zastosowania. Jednakże, wszystkie one zawierają kombinację kilku prostych mechanicznych i elektrycznych systemów komponentów, które wykonują podstawowe wymagane funkcje pakietu.

Faktyczne ogniwa baterii mogą mieć różną chemię, kształty fizyczne i rozmiary preferowane przez różnych producentów pakietów. Pakiety akumulatorów zawsze zawierają wiele oddzielnych ogniw połączonych szeregowo i równolegle w celu osiągnięcia całkowitego napięcia i prądu wymaganego przez pakiet. Pakiety akumulatorów dla wszystkich pojazdów elektrycznych mogą zawierać kilkaset pojedynczych ogniw. Każde ogniwo ma nominalne napięcie 3-4 V, w zależności od jego składu chemicznego.

Aby ułatwić produkcję i montaż, duży stos ogniw jest zazwyczaj grupowany w mniejsze stosy zwane modułami. Kilka z tych modułów jest umieszczanych w pojedynczym opakowaniu. W każdym module ogniwa są spawane razem, aby zakończyć ścieżkę elektryczną dla przepływu prądu. Moduły mogą również zawierać mechanizmy chłodzące, monitory temperatury i inne urządzenia. W większości przypadków moduły pozwalają również na monitorowanie napięcia wytwarzanego przez każde ogniwo baterii w stosie za pomocą systemu zarządzania bateriami (BMS).

Stos ogniw baterii posiada główny bezpiecznik, który ogranicza prąd pakietu w warunkach zwarcia. Wtyczka serwisowa” lub „odłącznik serwisowy” może zostać usunięty w celu podzielenia stosu baterii na dwie elektrycznie odizolowane połowy. Po usunięciu wtyczki serwisowej, odsłonięte główne zaciski akumulatora nie stanowią wysokiego potencjalnego zagrożenia elektrycznego dla techników serwisowych.

Zestaw akumulatorów zawiera również przekaźniki lub styczniki, które kontrolują dystrybucję energii elektrycznej zestawu akumulatorów do zacisków wyjściowych. W większości przypadków istnieją co najmniej dwa główne przekaźniki, które łączą stos ogniw akumulatorowych z głównymi dodatnimi i ujemnymi zaciskami wyjściowymi pakietu, które następnie dostarczają wysoki prąd do elektrycznego silnika napędowego. Niektóre konstrukcje pakietów zawierają alternatywne ścieżki prądowe do wstępnego ładowania systemu napędowego poprzez rezystor wstępnego ładowania lub do zasilania dodatkowej szyny, które również mają swoje własne przekaźniki sterujące. Ze względów bezpieczeństwa wszystkie te przekaźniki są normalnie otwarte.

Komplet akumulatorów zawiera również różne czujniki temperatury, napięcia i prądu. Zbieranie danych z czujników pakietu i aktywacja przekaźników pakietu są realizowane przez Battery Monitoring Unit (BMU) lub Battery Management System (BMS). BMS jest również odpowiedzialny za komunikację z pojazdem poza pakietem akumulatorów.

ŁadowanieEdit

Baterie w pojazdach BEV muszą być okresowo ładowane. BEV najczęściej ładują się z sieci energetycznej (w domu lub korzystając z ulicznego lub sklepowego punktu ładowania), która z kolei jest wytwarzana z różnych zasobów krajowych, takich jak węgiel, energia wodna, energia jądrowa, gaz ziemny i inne. Energia domowa lub sieciowa, taka jak fotowoltaiczne panele słoneczne, wiatr lub mikrohydro może być również używana i jest promowana ze względu na obawy dotyczące globalnego ocieplenia.

Przy odpowiednich źródłach zasilania, dobra żywotność baterii jest zwykle osiągana przy szybkości ładowania nieprzekraczającej połowy pojemności baterii na godzinę („0.5C”), co oznacza, że pełne naładowanie trwa dwie lub więcej godzin, ale szybsze ładowanie jest dostępne nawet dla akumulatorów o dużej pojemności.

Czas ładowania w domu jest ograniczony przez pojemność domowego gniazdka elektrycznego, chyba że wykonuje się specjalistyczne prace elektroinstalacyjne. W Stanach Zjednoczonych, Kanadzie, Japonii i innych krajach o napięciu 110 V zwykłe domowe gniazdko elektryczne dostarcza prąd o mocy 1,5 kilowata. W krajach europejskich z prądem o napięciu 230 V można dostarczyć od 7 do 14 kilowatów (odpowiednio jednofazowe i trójfazowe 230 V/400 V (400 V między fazami)). W Europie podłączenie do sieci 400 V (trójfazowe 230 V) jest coraz bardziej popularne, ponieważ nowsze domy nie mają podłączenia do gazu ziemnego ze względu na przepisy bezpieczeństwa Unii Europejskiej.

Czas ładowaniaEdit

Samochody elektryczne, takie jak Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3, itp. mogą naładować swoje baterie do 80 procent na stacjach szybkiego ładowania w ciągu 30 minut. Na przykład, Tesla Model 3 Long Range ładowany przez 250 kW Tesla Version 3 Supercharger przeszedł z 2% stanu naładowania z 6 milami (9,7 km) zasięgu do 80% stanu naładowania z 240 milami (390 km) zasięgu w 27 minut, co równa się 520 mil (840 km) na godzinę.

PodłączeniaEdit

Moc ładowania może być podłączona do samochodu na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest bezpośrednie połączenie elektryczne znane jako sprzężenie przewodzące. Może to być tak proste, jak przewód sieciowy do gniazdka odpornego na warunki atmosferyczne poprzez specjalne kable o wysokiej pojemności ze złączami chroniącymi użytkownika przed wysokim napięciem. Współczesnym standardem dla ładowania pojazdów typu plug-in jest złącze przewodzące SAE 1772 (IEC 62196 Type 1) w USA. ACEA wybrała do zastosowania w Europie złącze VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 Type 2), które bez zatrzasku oznacza niepotrzebne dodatkowe zapotrzebowanie na energię dla mechanizmu blokującego.

Drugie podejście znane jest jako ładowanie indukcyjne. Specjalna „łopatka” jest wkładana w szczelinę w samochodzie. Łopatka jest jednym z uzwojeń transformatora, podczas gdy drugie jest wbudowane w samochód. Gdy łopatka jest włożona, tworzy obwód magnetyczny, który dostarcza energię do akumulatora. W jednym z systemów ładowania indukcyjnego jedno uzwojenie jest przymocowane do spodu samochodu, a drugie pozostaje na podłodze w garażu. Zaletą podejścia indukcyjnego jest to, że nie ma możliwości porażenia prądem, ponieważ nie ma odsłoniętych przewodów, chociaż blokady, specjalne złącza i detektory zwarć doziemnych mogą sprawić, że sprzężenie przewodzące jest prawie tak samo bezpieczne. Ładowanie indukcyjne może również zmniejszyć masę pojazdu, dzięki przeniesieniu większej ilości podzespołów ładujących poza pokład pojazdu. Zwolennik ładowania indukcyjnego z Toyoty twierdził w 1998 roku, że ogólne różnice w kosztach były minimalne, podczas gdy zwolennik ładowania przewodzącego z Forda twierdził, że ładowanie przewodzące jest bardziej efektywne kosztowo.

Miejsca ładowaniaEdit

W kwietniu 2020 r. na całym świecie istnieje 93 439 lokalizacji i 178 381 stacji ładowania pojazdów elektrycznych.

Zasięg podróży przed ładowaniemEdit

Zasięg pojazdu BEV zależy od liczby i typu zastosowanych akumulatorów. Waga i typ pojazdu, a także ukształtowanie terenu, pogoda i sprawność kierowcy również mają wpływ na zasięg, podobnie jak w przypadku tradycyjnych pojazdów. Wydajność konwersji pojazdów elektrycznych zależy od wielu czynników, w tym od składu chemicznego akumulatorów:

• Akumulatory kwasowo-ołowiowe są najbardziej dostępne i niedrogie. Takie konwersje mają zazwyczaj zasięg od 30 do 80 km (20 do 50 mil). Produkcyjne pojazdy EV z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi mogą przejechać do 130 km (80 mil) na jednym ładowaniu.
• Akumulatory NiMH mają wyższą energię właściwą niż kwasowo-ołowiowe; prototypowe pojazdy EV mają zasięg do 200 km (120 mil).
• Nowe pojazdy EV wyposażone w akumulatory litowo-jonowe mają zasięg 320-480 km (200-300 mil) na jednym ładowaniu. Lit jest również mniej kosztowny niż nikiel.
• Akumulatory niklowo-cynkowe są tańsze i lżejsze od niklowo-kadmowych. Są one również tańsze niż (ale nie tak lekkie jak) baterie litowo-jonowe.

Wewnętrzna rezystancja niektórych akumulatorów może znacznie wzrosnąć w niskiej temperaturze, co może spowodować zauważalne zmniejszenie zasięgu pojazdu i skrócenie czasu eksploatacji akumulatora.

Znalezienie równowagi ekonomicznej pomiędzy zasięgiem a wydajnością, pojemnością akumulatora a jego masą oraz typem akumulatora a kosztami stanowi wyzwanie dla każdego producenta pojazdów elektrycznych.

W przypadku systemu AC lub zaawansowanego systemu DC, hamowanie odzyskowe może zwiększyć zasięg nawet o 50% w ekstremalnych warunkach drogowych bez konieczności całkowitego zatrzymania. W przeciwnym razie, zasięg zwiększa się o około 10 do 15% przy jeździe miejskiej i tylko nieznacznie przy jeździe autostradowej, w zależności od terenu.

BEV (w tym autobusy i ciężarówki) mogą również korzystać z przyczep z agregatem prądotwórczym i przyczep pchanych w celu zwiększenia zasięgu, gdy jest to pożądane, bez dodatkowego ciężaru podczas normalnego użytkowania na krótkich dystansach. Rozładowane przyczepy z koszem można w trasie zastąpić naładowanymi. Niektóre pojazdy BEV mogą stać się pojazdami hybrydowymi, w zależności od typu przyczepy i samochodu pod względem energii i układu napędowego.

PrzyczepyEdit

Pomocnicze akumulatory przewożone w przyczepach mogą zwiększyć całkowity zasięg pojazdu, ale również zwiększają straty mocy wynikające z oporu aerodynamicznego, zwiększają efekty przenoszenia ciężaru i zmniejszają możliwości trakcyjne.

Zamiana i usuwanieEdit

Alternatywą dla ładowania jest wymiana wyczerpanych lub prawie wyczerpanych akumulatorów (lub modułów zwiększających zasięg akumulatorów) na w pełni naładowane akumulatory. Nazywa się to wymianą akumulatorów i odbywa się w stacjach wymiany.

Cechy stacji wymiany obejmują:

1. Konsument nie martwi się już o koszty inwestycyjne akumulatorów, cykl życia, technologię, konserwację lub kwestie gwarancyjne;
2. Wymiana jest znacznie szybsza niż ładowanie: sprzęt do wymiany akumulatorów zbudowany przez firmę Better Place zademonstrował zautomatyzowaną wymianę w czasie krótszym niż 60 sekund;
3. Stacje wymiany zwiększają wykonalność rozproszonego magazynowania energii poprzez sieć elektryczną;

Obawy dotyczące stacji wymiany obejmują:

1. Potencjał oszustwa (jakość baterii może być mierzona tylko w pełnym cyklu rozładowania; żywotność baterii może być mierzona tylko w powtarzających się cyklach rozładowania; osoby biorące udział w transakcji wymiany nie mogą wiedzieć, czy otrzymują zużytą lub o obniżonej efektywności baterię; jakość baterii pogarsza się powoli z upływem czasu, więc zużyte baterie będą stopniowo wprowadzane do systemu)
2. Niechęć producentów do standaryzacji dostępu do baterii / szczegółów implementacji
3. Obawy dotyczące bezpieczeństwa

Ponowne napełnianieEdit

Baterie przepływowe cynkowo-bromowe można ponownie napełniać za pomocą cieczy, zamiast ładować przez złącza, co oszczędza czas.

Cykl życia baterii do pojazdów elektrycznychEdit

Down-cycling wycofanych z eksploatacji baterii do pojazdów elektrycznychEdit

Baterie do pojazdów elektrycznych, które są na etapie wycofywania się z eksploatacji (mają zmniejszoną pojemność i nie nadają się już do zasilania pojazdów elektrycznych), mogą być ponownie wykorzystane do zastosowań związanych z drugim cyklem życia, takich jak wykorzystanie w zasilaczach e-busów, w zasilaczach e-busów, w zapasowych systemach zasilania dużych budynków, w domowych magazynach energii, do stabilizacji zasilania generatorów słonecznych i wiatrowych, do zasilania zapasowego stacji bazowych telekomunikacji i centrów danych, do zasilania wózków widłowych, elektrycznych skuterów i rowerów itp. Ponowne wykorzystanie akumulatorów samochodowych w zastosowaniach związanych z drugim życiem wymaga specjalistycznej wiedzy z zakresu logistyki zwrotnej. Alexander Kupfer, odpowiedzialny w Audi za zrównoważony rozwój produktów i gospodarkę okrężną, twierdzi, że konieczne jest opracowanie „wspólnego interfejsu połączeniowego, za pomocą którego akumulatory samochodowe będą mogły być kontrolowane przez stacjonarny system zarządzania magazynem”. Ten rodzaj interfejsu zapewniłby mechanizm komunikacji z systemem sterowania magazynem, niezależny od producenta akumulatorów. Interfejs ten musiałby zostać opracowany wspólnie z dostawcami pamięci masowej.

Pacific Gas and Electric Company (PG&E) zasugerowała, że przedsiębiorstwa użyteczności publicznej mogłyby kupować używane akumulatory do celów rezerwowych i wyrównywania obciążenia. Twierdzą oni, że chociaż te używane akumulatory mogą nie nadawać się już do użytku w pojazdach, ich pojemność rezydualna nadal ma znaczną wartość.

ŻywotnośćEdit