Baterie pentru vehicule electrice

Proiectarea pachetelor de baterii pentru vehiculele electrice (VE) este complexă și variază foarte mult în funcție de producător și de aplicația specifică. Cu toate acestea, toate încorporează o combinație de mai multe sisteme simple de componente mecanice și electrice care îndeplinesc funcțiile de bază necesare ale pachetului.

Celele actuale ale bateriei pot avea o chimie, forme fizice și dimensiuni diferite, după cum preferă diverși producători de pachete. Pachetele de baterii vor încorpora întotdeauna mai multe celule discrete conectate în serie și în paralel pentru a atinge cerințele totale de tensiune și curent ale pachetului. Pachetele de baterii pentru toate vehiculele electrice cu tracțiune electrică pot conține câteva sute de celule individuale. Fiecare celulă are o tensiune nominală de 3-4 volți, în funcție de compoziția sa chimică.

Pentru a ajuta la fabricare și asamblare, stiva mare de celule este de obicei grupată în stive mai mici numite module. Mai multe dintre aceste module vor fi plasate într-un singur pachet. În cadrul fiecărui modul, celulele sunt sudate împreună pentru a completa calea electrică pentru fluxul de curent. Modulele pot încorpora, de asemenea, mecanisme de răcire, monitoare de temperatură și alte dispozitive. În cele mai multe cazuri, modulele permit, de asemenea, monitorizarea tensiunii produse de fiecare celulă de baterie din stivă prin utilizarea unui sistem de gestionare a bateriei (BMS).

Stiva de celule de baterie are o siguranță principală care limitează curentul pachetului în condiții de scurtcircuit. O „fișă de serviciu” sau „deconectare de serviciu” poate fi îndepărtată pentru a împărți stiva de baterii în două jumătăți izolate electric. Cu fișa de service scoasă, bornele principale expuse ale bateriei nu prezintă un potențial ridicat de pericol electric pentru tehnicienii de service.

Pachetul de baterii conține, de asemenea, relee, sau contactoare, care controlează distribuția energiei electrice a pachetului de baterii către bornele de ieșire. În cele mai multe cazuri, vor exista cel puțin două relee principale care conectează stiva de celule ale bateriei la bornele principale de ieșire pozitive și negative ale pachetului, care apoi furnizează curent ridicat motorului electric de acționare. Unele modele de baterii vor include căi alternative de curent pentru preîncărcarea sistemului de acționare prin intermediul unei rezistențe de preîncărcare sau pentru alimentarea unei magistrale auxiliare, care vor avea, de asemenea, propriile relee de control asociate. Din motive de siguranță, aceste relee sunt toate în mod normal deschise.

Pachetul de baterii conține, de asemenea, o varietate de senzori de temperatură, tensiune și curent. Colectarea datelor de la senzorii pachetului și activarea releelor pachetului sunt realizate de unitatea de monitorizare a bateriei (BMU) sau de sistemul de gestionare a bateriei (BMS) a pachetului. BMS este, de asemenea, responsabil pentru comunicațiile cu vehiculul din afara pachetului de baterii.

ReîncărcareEdit

Bateria din BEV-uri trebuie să fie reîncărcată periodic. BEV-urile se încarcă cel mai frecvent de la rețeaua electrică (la domiciliu sau folosind un punct de reîncărcare de pe stradă sau din magazin), care la rândul său este generată de o varietate de resurse interne, cum ar fi cărbunele, hidroelectricitatea, energia nucleară, gazele naturale și altele. Se poate utiliza, de asemenea, energia de la domiciliu sau de la rețea, cum ar fi panourile fotovoltaice cu celule solare, energia eoliană sau microhidrocentralele, care sunt promovate din cauza preocupărilor legate de încălzirea globală.

Cu surse de alimentare adecvate, o durată de viață bună a bateriei se obține, de obicei, la rate de încărcare care nu depășesc jumătate din capacitatea bateriei pe oră („0.5C”), necesitând astfel două sau mai multe ore pentru o încărcare completă, dar este disponibilă o încărcare mai rapidă chiar și pentru bateriile de capacitate mare.

Timpurile de încărcare la domiciliu sunt limitate de capacitatea prizei electrice de uz casnic, cu excepția cazului în care se efectuează lucrări specializate de cablare electrică. În SUA, Canada, Japonia și alte țări cu electricitate de 110 volți, o priză casnică normală furnizează 1,5 kilowați. În țările europene cu electricitate de 230 de volți pot fi livrați între 7 și 14 kilowați (monofazată și, respectiv, trifazată 230 V/400 V (400 V între faze)). În Europa, o conexiune la rețeaua de 400 V (230 V trifazat) este din ce în ce mai populară, deoarece casele mai noi nu au conexiune la gaze naturale din cauza reglementărilor de siguranță ale Uniunii Europene.

Timpul de reîncărcareEdit

Autoturismele electrice, cum ar fi Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3 etc., își pot reîncărca bateriile la 80 la sută la stațiile de încărcare rapidă în 30 de minute. De exemplu, un Tesla Model 3 Long Range care se încarcă la un Supercharger Tesla Version 3 de 250 kW a trecut de la o stare de încărcare de 2% cu o autonomie de 6 mile (9,7 km) la o stare de încărcare de 80% cu o autonomie de 240 mile (390 km) în 27 de minute, ceea ce echivalează cu 520 mile (840 km) pe oră.

ConectoriEdit

Puterea de încărcare poate fi conectată la mașină în două moduri. Primul este o conexiune electrică directă, cunoscută sub numele de cuplaj conductiv. Aceasta poate fi la fel de simplă ca un cablu de rețea într-o priză rezistentă la intemperii, prin intermediul unor cabluri speciale de mare capacitate cu conectori care să protejeze utilizatorul de tensiuni înalte. Standardul modern pentru încărcarea vehiculelor cu priză este conectorul conductiv SAE 1772 (IEC 62196 tip 1) în SUA. ACEA a ales VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 Tip 2) pentru implementarea în Europa, care, fără zăvor, înseamnă cerințe suplimentare inutile de energie pentru mecanismul de blocare.

A doua abordare este cunoscută sub numele de încărcare inductivă. O „paletă” specială este introdusă într-o fantă de pe mașină. Paleta reprezintă o înfășurare a unui transformator, în timp ce cealaltă este încorporată în mașină. Atunci când paleta este introdusă, aceasta completează un circuit magnetic care furnizează energie acumulatorului. Într-un sistem de încărcare inductivă, o înfășurare este atașată la partea inferioară a mașinii, iar cealaltă rămâne pe podeaua garajului. Avantajul abordării inductive este că nu există posibilitatea de electrocutare, deoarece nu există conductori expuși, deși interblocajele, conectorii speciali și detectoarele de defect de împământare pot face ca cuplarea conductivă să fie aproape la fel de sigură. De asemenea, încărcarea inductivă poate reduce greutatea vehiculului, prin mutarea mai multor componente de încărcare în afara bordului. Un susținător al încărcării inductive de la Toyota a susținut în 1998 că diferențele generale de cost erau minime, în timp ce un susținător al încărcării conductive de la Ford a susținut că încărcarea conductivă era mai eficientă din punct de vedere al costurilor.

Puncte de reîncărcareEdit

Până în aprilie 2020, există 93.439 de locații și 178.381 de stații de încărcare a vehiculelor electrice în întreaga lume.

Autonomie de deplasare înainte de reîncărcareEdit

Agența unui BEV depinde de numărul și tipul de baterii utilizate. Greutatea și tipul de vehicul, precum și terenul, vremea și performanțele șoferului au, de asemenea, un impact, la fel ca și asupra kilometrajului vehiculelor tradiționale. Performanța conversiei vehiculelor electrice depinde de o serie de factori, inclusiv de chimia bateriei:

• Baterii plumb-acid sunt cele mai disponibile și mai ieftine. Astfel de conversii au, în general, o autonomie de 30 până la 80 km (20 până la 50 mi). EV-urile de serie cu baterii plumb-acid au o autonomie de până la 130 km (80 mi) la o încărcare.
• Baterii NiMH au o energie specifică mai mare decât cele plumb-acid; prototipurile EV-urilor oferă o autonomie de până la 200 km (120 mi).
• Noi EV-uri echipate cu baterii litiu-ion oferă o autonomie de 320-480 km (200-300 mi) la o încărcare. Litiul este, de asemenea, mai puțin costisitor decât nichelul.
• Bateria de nichel-zinc este mai ieftină și mai ușoară decât bateriile de nichel-cadmiu. Ele sunt, de asemenea, mai ieftine decât (dar nu la fel de ușoare ca) bateriile litiu-ion.

Rezistența internă a unor baterii poate crește semnificativ la temperaturi scăzute, ceea ce poate cauza o reducere notabilă a autonomiei vehiculului și a duratei de viață a bateriei.

Găsirea echilibrului economic între autonomie și performanță, capacitatea bateriei și greutate și tipul de baterie și cost reprezintă o provocare pentru fiecare producător de vehicule electrice.

Cu un sistem de curent alternativ sau un sistem avansat de curent continuu, frânarea regenerativă poate prelungi autonomia cu până la 50% în condiții extreme de trafic, fără oprirea completă. În caz contrar, autonomia este extinsă cu aproximativ 10 până la 15% în oraș și doar în mod neglijabil pe autostradă, în funcție de teren.

BEV-urile (inclusiv autobuzele și camioanele) pot utiliza, de asemenea, remorci cu grup electrogen și remorci împingătoare pentru a-și extinde autonomia atunci când doresc, fără greutatea suplimentară în timpul utilizării normale pe distanțe scurte. Remorcile cu coșuri descărcate pot fi înlocuite cu unele reîncărcate pe traseu. Dacă sunt închiriate, atunci costurile de întreținere pot fi amânate la agenție.

Câteva BEV-uri pot deveni vehicule hibride, în funcție de remorcă și de tipurile de energie și de grup motopropulsor ale mașinii.

RemorciEditură

Capacitatea bateriei auxiliare transportate în remorci poate crește autonomia totală a vehiculului, dar crește, de asemenea, pierderea de putere care rezultă din rezistența aerodinamică, crește efectele de transfer al greutății și reduce capacitatea de tracțiune.

Schimbul și îndepărtareaEdit

O alternativă la reîncărcare este schimbarea bateriilor descărcate sau aproape descărcate (sau a modulelor de extindere a autonomiei) cu baterii complet încărcate. Acest lucru se numește schimb de baterii și se face în stațiile de schimb.

Caracteristicile stațiilor de schimb includ:

1. Consumatorul nu mai este preocupat de costul de capital al bateriei, de ciclul de viață, de tehnologie, de întreținere sau de problemele legate de garanție;
2. Schimbul este mult mai rapid decât încărcarea: echipamentele de schimb de baterii construite de firma Better Place au demonstrat schimburi automatizate în mai puțin de 60 de secunde;
3. Stațiile de schimb sporesc fezabilitatea stocării distribuite a energiei prin intermediul rețelei electrice;

Configurările legate de stațiile de schimb includ:

1. Potențialul de fraudă (calitatea bateriei poate fi măsurată doar pe parcursul unui ciclu complet de descărcare; durata de viață a bateriei poate fi măsurată doar pe parcursul unor cicluri repetate de descărcare; cei care participă la tranzacția de schimb nu pot ști dacă primesc o baterie uzată sau cu eficacitate redusă; calitatea bateriilor se degradează lent în timp, astfel încât bateriile uzate vor fi forțate treptat în sistem)
2. Nevoia producătorilor de a standardiza accesul la baterii/detalii de implementare
3. Preocupări legate de siguranță

ReumplereEdit

Baterii de flux zinc-bromină pot fi reumplute folosind un lichid, în loc să fie reîncărcate cu ajutorul conectorilor, economisind timp.

Ciclul de viață al bateriilor pentru vehicule electriceEdit

Reciclarea bateriilor pentru vehicule electrice aflate la sfârșitul ciclului de viațăEdit

Bateriile pentru vehicule electrice care se află la sfârșitul ciclului de viață (care au o capacitate energetică redusă și nu mai sunt adecvate pentru alimentarea vehiculelor electrice) pot fi reutilizate pentru aplicații de a doua viață, cum ar fi utilizarea în blocurile de alimentare pentru autobuze electronice, de rezervă pentru clădirile mari, utilizarea în stocarea energiei la domiciliu, stabilizarea alimentării generatoarelor de energie solară și eoliană, energie de rezervă pentru stațiile de bază de telecomunicații și centrele de date, alimentarea stivuitoarelor, a scuterelor și a bicicletelor electrice etc. Reutilizarea bateriilor de automobile în aplicații de a doua viață necesită o expertiză specială în domeniul logisticii inverse. Alexander Kupfer, responsabil pentru dezvoltarea durabilă a produselor/economie circulară la Audi, afirmă că ar trebui dezvoltată „o interfață de conectare comună prin care aceste baterii auto să poată fi controlate de un sistem de gestionare a stocării staționare”. Acest tip de interfață ar oferi un mecanism de comunicare cu sistemul de control al stocării independent de producătorul bateriei. Interfața ar trebui să fie dezvoltată împreună cu furnizorii de sisteme de stocare.

Pacific Gas and Electric Company (PG&E) a sugerat că societățile de utilități ar putea achiziționa baterii uzate în scopuri de rezervă și de nivelare a sarcinii. Aceștia afirmă că, deși este posibil ca aceste baterii uzate să nu mai poată fi utilizate în vehicule, capacitatea lor reziduală are încă o valoare semnificativă.

Durata de viațăEdit