- Споживання електроенергії у ході їздового циклу
- Як створити модель літій-іонного акумулятора
- майбутнє електромобілів
Можливо ви вважаєте, що ведете машину рівно, але ваш двигун, ймовірно, з вами не погодиться. Перешкоди, які ви зустрічаєте на шляху - світлофори і обмеження швидкості - означають, що потужність, споживана ходовою частиною автомобіля, постійно змінюється. Ми очікуємо, що нові технології, такі як електромобілі і гібридні автомобілі, так же миттєво реагують на натиснення педалі акселератора, як і існуючі машини, а значить, проектувальники повинні домогтися, щоб це відбувалося безпечно і надійно. Для цього, зокрема, моделюється робота акумуляторів.
Споживання електроенергії у ході їздового циклу
Звичайним випробуванням для автомобіля є такий їздовий цикл: запуск двигуна, прискорення, швидкісний рух, гальмування, зупинка, після чого цикл повторюється заново. На анімації ви бачите вимоги по току, що пред'являються до акумулятора гібридного електромобіля в ході такого циклу:
Струм в їздовому циклі гібридного автомобіля. Позитивні піки означають потужність, передану двигуну або ходової частини, а негативні - рекуперацію потужності від двигуна або при гальмуванні.
Спочатку з'являється великий позитивний пік - двигун внутрішнього згоряння запускається, харчуючись від акумулятора. Акумулятор також покриває частину потужності, необхідної для прискорення. Коли автомобіль розігнався, можлива рекуперація акумулятором частини потужності двигуна, так що струм акумулятора стає негативним. На позначці 110 секунд ми бачимо кілька гострих негативних піків, що з'являються через рекуперації енергії при гальмуванні і зупинці автомобіля. Після цього двигун внутрішнього згоряння зупиняється на холостому ходу і запускається заново на початку наступного циклу.
«Схема гібридного автомобіля з підзарядкою від електромережі (PHEV)», автор Метт Ховард (Matt Howard) - Схема гібридного автомобіля з підзарядкою від електромережі (PHEV) Завантажено Пітером Койпером (Pieter Kuiper). Доступно за ліцензією Creative Commons 2.0 «Атрибуція - На тих же умовах» на Вікісховища .
Як ми бачимо, токопотребление акумулятором ніяк не можна назвати плавно мінливих! Швидкі зміни струму акумулятора, а також струму рекуперації в гібридному автомобілі, можуть викликати зміни робочої напруги і підвищення температури. Хоча акумулятор може працювати з високою вихідною (або вхідний) потужністю протягом короткого часу, підвищені струмові навантаження часто викликають його прискорений нагрів. Система управління акумулятором повинна стежити за тим, щоб він накопичував енергію при рекуперації, але не перегрівався. Це, однак, повинно відбуватися непомітно для водія - нікому не сподобається, якщо потужність автомобіля буде непередбачувано змінюватися в залежності від поточного стану акумулятора, про який водій не має уявлення.
Як створити модель літій-іонного акумулятора
Інженери можуть визначити діапазон умов, що забезпечують безпечну роботу акумулятора, моделюючи його заряд і розряд з різною швидкістю, а також в умовах, наближених до реальних їздовим циклам в звичайній дорожній обстановці. Фізична модель літій-іонного акумулятора повинна враховувати основні фізичні принципи, що визначають взаємозв'язок між напругою і струмом комірки. Серед цих принципів:
- Кінетика реакції впровадження літію в пористих електродних матеріалах
- Теорія переносу концентрованих речовин для розрахунку переносу заряду і маси іонами Li + та іншими іонами в електроліті
- Массообмен літію в електродних матеріалах
- Перенесення заряду в твердотільних провідниках, наприклад, в колекторах і пористих електродах
На перший погляд, це велика кількість рівнянь, але, на щастя, їх можна розрахувати за допомогою модуля Акумулятори та паливні елементи в COMSOL Multiphysics, поєднуючи готовий інтерфейс Lithium-Ion Battery (Літій-іонний акумулятор) з інтерфейсом Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердих тілах) і прогнозуючи профіль температури в акумуляторі.
Після того, як задані фізичні рівняння, можна встановити умови по струму або напрузі. Ми можемо почати з моделювання заряду і розряду з постійною швидкістю. Швидкості зазвичай вимірюються в одиницях C, в яких 1 C означає повний розряд або заряд акумулятора за одну годину. Як ви можете бачити на графіку струму в їздовому циклі (вище), пікова необхідна швидкість може доходити до 20 C, але на практиці настільки великі швидкості потрібні лише на короткий час. Вимірявши експериментально залежність струму акумулятора від часу в реальному випробуванні, ми можемо встановити типову тривалість і розподіл стрибків струму.
Давайте подивимося на характеристику стану заряду акумулятора. Стан заряду (SOC) - це міра доступного заряду, що залишився в акумуляторі. Коли акумулятор використовується в гібридному автомобілі або іншому пристрої зі змінною споживаної потужністю, система управління акумулятором (BMS) відстежує стан акумулятора і визначає можливий струм.
Стан заряду можна визначити по вимірюється параметрами електричного кола декількома способами. Один з них - кулонівський, при якому струм акумулятора інтегрують по часу. Системи управління гібридних автомобілів можуть також вимірювати стан заряду і допустимий діапазон робочих напруг акумулятора згідно специфікації виробника. Фізична модель акумулятора дозволяє порівняти фактичний стан заряду осередки, визначене за кількістю літію в кожному електроді, і експериментальні вимірювання стану заряду, виконані у відповідності з різними протоколами. Таким чином інженери можуть краще уявляти собі динамічну характеристику акумулятора, знімати з нього дані і визначати безпечні умови роботи.
Кулонівське стан заряду акумулятора в ході їздового циклу відображено на графіку нижче:
Стан заряду осередки в ході їздового циклу, розраховане кулоновским методом (інтеграцією струму).
Ці дані говорять нам, що акумулятор починає роботу з 56% заряду і розряджається, віддаючи потужність трансмісії в ході першого циклу. Стан заряду збільшується при рекуперації енергії в гібридному автомобілі, але в цілому стан заряду зменшується, оскільки в кожному наступному їздовому циклі споживається більше потужності, ніж повертається.
Зв'язок між струмом і станом заряду задається просто, але вона нічого не повідомляє нам про те, яку потужність можна отримати від акумулятора. Ідеальний акумулятор в теорії буде завжди підтримувати рівноважний напруга, як би швидко її ні заряджали або розряджали, так що потужність просто дорівнює добутку напруги осередку і струму. На практиці, однак, електричний опір, кінетика реакцій і массообмен призводять до поляризації акумуляторів. Це означає, що частина напруги розімкнутого ланцюга, виміряного при нульовому струмі, втрачається, коли через ланцюг починає текти ненульовий струм.
У межі при дуже високому струмі може мати місце виснаження акумулятора - в ньому просто закінчиться хімічно активна речовина. Все це збільшує частину хімічної енергії акумулятора, яка витрачається на забезпечення вироблення струму - ця частина не перетвориться в механічну роботу, що знижує ККД.
Щоб оцінити величину цього ефекту, давайте подивимося на напругу комірки в ході їздового циклу.
Напруга осередку в ході їздового циклу коливається навколо рівноважного напруги (напруги розімкнутого ланцюга), близького до 4 В.
Ми бачимо, що напруга осередку коливається навколо рівноважного напруги (близько 4 В) в той час, як акумулятор віддає або одержує заряд. На графіку нижче побудована різниця між рівноважним напругою осередки для даного стану заряду і виміряним напругою осередки. Цей графік демонструє відмінності в поляризації осередку при різній струмового навантаження:
Поляризація осередки в ході їздового циклу. Позитивні значення поляризації відповідають процесу розряду.
Величина поляризації осередки завжди менше 0,4 В, а напруга осередку близько до 4 В. Таким чином, ми можемо сказати, що втрати помітно менше корисної потужності. Ми також можемо побудувати графік корисної потужності:
Зауважимо, що це потужність одного осередку в акумуляторі, який на практиці може містити безліч осередків, з'єднаних по паралельній або змішаною схемою. З потужністю нижче 1 кВт далеко на автомобілі не заїдеш! Звичайний двигун видає приблизно 75 кВт.
Розрахувавши поляризацію, ми можемо оцінити втрати потужності, пов'язані з опором переносу заряду, кінетикою електродних реакцій і масообмінних в осередку:
Ми бачимо, що втрати потужності не перевищують 0,1 кВт навіть для пікової вихідної потужності близько 1 кВт. Це означає, що втрати, хоча і не є пренебрежимо малими, все-таки не накладають жорстких обмежень на ефективність віддачі або прийому потужності при досліджених величинах струму.
Втрачена потужність розсіюється у вигляді тепла і може привести до підвищення температури. Для безпечної роботи акумуляторів дуже важливо стежити за температурою. Тепловий розгін літій-іонного акумулятора може призвести до займання, так що в будь-який акумуляторної системі, особливо розрахованої на великі потужності або непередбачувані навантаження, життєво важливо уникати перегріву. Крім того, високі температури призводять до прискореного зносу і старіння акумулятора при повторних циклах заряду і розряду, особливо для стандартного літій-іонного акумулятора при температурі вище 50 ° C. В кінцевому рахунку це знижує енергоємність і максимальну видається потужність акумулятора. Комбінуючи модель літій-іонного акумулятора з моделлю теплопередачі в осередку, можна розрахувати температуру в перехідному режимі.
Комбінована модель враховує розсіювання тепла осередки за рахунок конвекційного охолодження, тепловиділення за рахунок резистивного нагрівання та в хімічних реакціях, а також температурну залежність електричної провідності і констант швидкості реакцій.
Для двох точок в осередку на графіку нижче показаний профіль температури:
Розрахункові значення температури в ході їздового циклу для двох точок в акумуляторі.
Результати можна інтерпретувати по-різному! Добре, що акумулятор нагрівається досить рівномірно - різниця температур між центром осередку і поверхнею осередку нехтує мала. Це дозволяє уникнути пошкодження осередки, пов'язаного з нерівномірним нагріванням і термічним напруженням. Крім цього, температура не сильно виросла в ході 10-хвилинного їздового циклу, всього лише з 25 ° C до 35 ° C. Ми знаємо, що в цьому діапазоні температур деградація акумулятора відбувається повільно.
Проблема полягає в тому, що температура акумулятора продовжує зростати. Якщо зростання температури триватиме протягом невизначеного періоду часу, довго працює акумулятор може перегрітися. Зрозуміло, це неприйнятно і може бути попереджено збільшенням потужності системи охолодження, але така система збільшить масу і енергоспоживання автомобіля.
майбутнє електромобілів
До сих пір ми говорили про гібридних автомобілях, в яких акумулятор працює спільно з двигуном внутрішнього згоряння. Чим відрізняються від них електромобілі?
Традиційний двигун внутрішнього згоряння легкових автомобілів працює на оборотах від 1000 до 4000 об. / Хв. Якщо двигун зупиняється, на його повторний запуск витрачається значна збільшують споживання електроенергії. Поки двигун працює, система трансмісії передає потужність на колеса за допомогою зубчастих передач, а також ручної коробки передач або автоматичною коробки з гидротрансформатором, які дозволяють значно варіювати потужність, що видається на колеса, без необхідності такого ж зміни швидкості двигуна. Навіть з урахуванням цього прискорення автомобіля за рахунок збільшення подачі палива обмежена.
Ходова частина електромобіля. Nissan Leaf 012, автор зображення Tennen-Gas. Доступно за ліцензією Creative Commons 3.0 «Атрибуція - На тих же умовах» на Вікісховища .
Електромобілі працюють по-іншому. Акумулятор може припинити подачу потужності, які не відключаючи, тому потужність можна відразу передавати на колеса, не використовуючи систему трансмісії. Крім того, потужність, що видається акумулятором, можна дуже швидко змінити. Миттєва передача крутного моменту дозволяє швидко розганятися від 0 до 100 км / год (менше, ніж за 10 секунд), забезпечуючи комфортні відчуття від керування, за словами тих, хто спробував ці машини в справі .
Але у цих переваг є своя ціна. Якщо акумулятор стає єдиним джерелом енергії, вимоги до видаваної потужності і швидкості зміни видаваної потужності зростають в порівнянні з гібридними автомобілями. Створення акумуляторної системи, яка зможе забезпечувати таку потужність протягом багатьох циклів без перегріву і зносу - важливе завдання для проектувальників електромобілів наступного покоління. Мультіфізіческіе моделі акумуляторів, що поєднують електрохімію і фізику теплопередачі, можуть допомогти визначити, які деталі конструкції слід покращувати і яку користь можуть виявитися найбільш корисними.
