Чому автомобільні акумулятори погано працюють в холодну погоду?

  1. Приступаючи до роботи
  2. Порівняння процесів, що протікають в транспортних засобах
  3. Характеристики АКБ, залежні від температури
  4. Напруга розімкнутого елемента
  5. Фізичні характеристики електроліту і електродів
  6. кінетика електродів
  7. терморегулювання
  8. висновок

Процес запуску автомобільного двигуна морозним зимовим ранком може доставити вам масу клопоту, якщо не подбати про нього з вчора. Часто двигун незапускается через акумуляторної батареї (АКБ). Чому АКБ чутливіші до зовнішніх умов, ніж інші вузли і системи автомобіля? Відповідь криється в здатності АКБ перетворювати хімічну енергію в електричну з мінімальним виділенням тепла і в малому обсязі теплової енергії, доступної при низькій температурі.

Приступаючи до роботи

Пам'ятаю, як пару років назад я восени купив собі машину. Зима виявилася однією з найхолодніших за останні кілька років. Протягом двох тижнів стовпчик садового термометра не піднімався вище -10 ° C.

Ми відпочивали на шведському гірськолижному курорті. І ось одним лютневого ранку я вийшов на вулицю завести машину, розраховуючи з комфортом довезти сім'ю до підйомника. Поворот ключа запалювання ... Машина ледь завелася. Судячи по звуку, всі шість циліндрів працювали не так плавно як зазвичай. Перш ніж двигун заурчал як раніше, пройшла майже ціла хвилина. Мене це насторожило, адже машина була новою. ЖК-екран між спідометром і тахометром повільно ожив. -35 ° C за бортом! Цього ранку обійдемося без лиж!

Оскільки я за фахом інженер-електрохімік, думки мої від засніжених схилів плавно звернулися до старого доброго свинцево-кислотного акумулятора, який до того моменту вже видавав на стартер піковий струм, так що двигун запускався з півоберта.

Проблема не обмежується АКБ, робота будь-якого двигуна внутрішнього згоряння в умовах вкрай низьких температур буде нестійкою. Масло системи змащення густіє, реакції згоряння сповільнюються, а в важливих ділянках системи подачі палива може замерзнути конденсат. Однак, моя машина завелася. А ось автомобіль з електричним двигуном навряд чи вдалося б завести, якщо не підключати його на ніч до розетки.

В чому різниця? Відповідь криється в тому, як саме хімічна енергія перетворюється в механічну:

  • ДВС перетворює міститься в паливі хімічну енергію в тепло, яке потім перетворюється в механічну енергію.
  • Двигун електромобіля перетворює хімічну енергію АКБ в електричну, яка в подальшому перетворюється в механічну електромотором. У порівнянні з ДВС кількість тепла, що виділяється набагато менше.

Процес перетворення ДВС теплової енергії в механічну призводить до утворення великої кількості тепла, прогріває двигун, вже на першому такті, що забезпечує практично миттєве початок руху. У двигуні електромобіля тепло при низькій температурі утворюється повільно, тому прогріву не відбувається. Як говорив Лес Гроссман: «Закони фізики. Їх не зупинити ».

Зверніть увагу, що ККД при перетворенні хімічної енергії в механічну в електромобілі набагато вище, так як втрати енергії в АКБ і електродвигуні відносно невеликі.

Залишимо осторонь проблеми ККД і теплоутворення і, перш ніж перейти до розмови про АКБ, давайте порівняємо процеси, що ускладнюють запуск двигуна електромобіля і звичайного автомобіля в умовах низької температури.

Порівняння процесів, що протікають в транспортних засобах

Почнемо порівняння з двигунів: електричного та ДВС. Ми можемо припустити, що електродвигун в меншій мірі схильний до впливу низьких температур у порівнянні з ДВС. Кількість рухомих компонентів в електродвигуні менше, а між ними знаходиться повітря, тому вони повинні вимагати менше мастила і бути не настільки чутливі до впливу низьких температур.

Конструктивно трансмісія електромобіля менш складна, ніж трансмісія автомобіля, оснащеного ДВС, так як електродвигун може працювати з великим діапазоном навантажень, видаючи чудовий крутний момент. Крім того, в електромобілі може бути встановлено кілька двигунів (наприклад, один в передній, а другий в задній частині), тому йому не потрібно складної силової передачі для використання повного приводу. Таким чином, електромобілю не потрібна складна коробка передач, що вимагає мастила. Відповідно, електромобіль повинен бути менш сприйнятливий до фактору температури.

Не забувайте і про те, що електромобіль не потребує складної системи подачі палива з насосами, клапанами, датчиками, форсунками і т.д. Це також позитивно позначиться на чутливості електромобіля до холодної погоди в порівнянні зі звичайним автомобілем, адже у нього менше компонентів, де можливе утворення льоду.

Найслабшою ланкою в умовах холоду очікувано є АКБ. Взагалі-то вплив низьких температур на роботу акумулятора можна спостерігати на безлічі прикладів: від військового і космічного устаткування до мобільних телефонів і домашніх охоронних систем. Для автомобіля, оснащеного ДВС, даний компонент набагато менш важливий, так для його запуску потрібно лише короткочасний піковий струм. Електромобілю для роботи, навпаки, необхідний постійний струм. Давайте ближче глянемо на роботу АКБ і вплив на неї температури.

Характеристики АКБ, залежні від температури

До складу АКБ входять два пористих електрода: позитивний і негативний. Електропровідний матеріал електрода складається з частинок з великою щільністю. Пористість електродів викликана порожнечами між частинками (див. Ілюстрацію нижче).

Два електрода відокремлені один від одного електролітом. Крім того, пори обох електродів містять електроліт, що заповнює порожнечі між частками матеріалу. Ілюстрація нижче демонструє процес розряду в АКБ, причому розмір часток сильно перебільшений.

Ілюстрація нижче демонструє процес розряду в АКБ, причому розмір часток сильно перебільшений

Втрати в АКБ при зазначеному рівні заряду зображені на наступній ілюстрації, яка демонструє вольтамперні криві для позитивного (червоний) і негативного (синій) електродів. Робочі точки електродів позначені як i1 і -i1. Припустимо, що потенціал позитивного і негативного електродів змиритися з допомогою еталонного електрода по центру ємності з електролітом (див. Ілюстрацію вище). Це необхідно для з'ясування потенціалу електродів окремо, а також для того, щоб врахувати активні втрати на обох кінцях еталонного електрода.

Це необхідно для з'ясування потенціалу електродів окремо, а також для того, щоб врахувати активні втрати на обох кінцях еталонного електрода

Напруга гальванічного елемента нижче в порівнянні c напругою розімкнутого (див. Нижче) через втрати на активацію (внаслідок кінетики електромеханічної реакції) і массообмен, а також активних втрат. Зверніть увагу, що катодний струм на позитивних пластинах визначається як негативно заряджений, в той час як анодний струм на негативному електроді - як позитивно заряджений. Справа в тому, що полярність електроліту всередині АКБ обратна полярності зовнішньої ланцюга.

Напруга розімкнутого елемента

Різниця потенціалів електродів при нульовій щільності струму називається напругою розімкнутого елемента при заданому стані заряду, як показано на ілюстрації вище.

Ця напруга для АКБ у вигляді функції температури при заданому стані заряду розраховується за допомогою наступного виразу:

(1)

E_T ^ 0 \ approx E_ {T ^ 0} ^ 0 + \ frac {{\ Delta S}} {{zF}} \ left ({T - {T ^ 0}} \ right)

де E - напруга елемента, {\ Delta S} - зміна ентропії реакції АКБ, z - кількість переданих електронів, F - постійна Фарадея. Це означає, що для АКБ, в якій сумарна реакція розряду викликає позитивну зміну ентропії ({\ Delta S}), зростання температури призведе до збільшення напруги гальванічного елемента. Для АКБ з негативним зміною ентропії це призведе до зниження напруги.

Велика частина літій-іонних батарей, які використовуються в сучасних електричних пристроях, володіє невеликим негативним зміною ентропії, що означає невелике зростання напруги розімкнутого елемента при зменшенні температури. Цього вже буде досить для поліпшення роботи в умовах низьких температур. Однак, зміна напруги відкритого елемента в залежності від температури в порівнянні з іншими параметрами відносно невелика і складає близько 0-0,4 мВ / К -менш 30 мВ в діапазоні від вкрай низької температури (-35 ° C) до кімнатної. Таким чином, причиною погіршення експлуатаційних характеристик АКБ при низьких температурах є термодинаміка сумарною реакції її розряду.

Фізичні характеристики електроліту і електродів

Фізичні характеристики електроліту роблять значний вплив на роботу АКБ. Температура впливає на провідність і діффузівность електроліту і, відповідно, на ефективну провідність і діффузівность електроліту в порах електродів.

Провідність електроліту може збільшуватися на один або більше порядків при зміні температури від дуже холодної (-35 ° C) до кімнатної . Якщо ми побудуємо логарифмический графік провідності електроліту як функції 1 / T, то отримаємо лінійну залежність, представлену на ілюстрацію нижче. Дана ілюстрація демонструє рівень провідності при низькій температурі і його зростання в геометричній прогресії при її підвищенні.

Дана ілюстрація демонструє рівень провідності при низькій температурі і його зростання в геометричній прогресії при її підвищенні

Таки чином, активні (реостатні) втрати в електроліті АКБ зростають при зниженні температури, що призводить до низької напруги гальванічних елементів при заданій силі струму і низькій температурі. Крім того, недостатня провідність електроліту призводить до менш однорідної щільності струму при розподілі в пористих електродах, що, в свою чергу, знижує ємність АКБ. Ємність визначається як кількість ампер-годин, яке можна отримати з АКБ до швидкого падіння напруги. Ємність АКБ залишається незмінною і при низьких температурах, однак слабка провідність і, відповідно, нерівномірний розподіл щільності струму не дозволяють задіяти повну ємність АКБ до тих пір, поки вона не нагріється.

Більш того, діффузівность хімічних компонентів електроліту, вкрай важлива для протікання електрохімічних реакцій, знижена в тій же мірі, що і провідність електроліту. Зменшення діффузівності збільшує перевантаження, що веде до зменшення напруги гальванічного елемента. Знижена діффузівность також веде до зменшення ємності АКБ, так як великі фракції частинок електродів АКБ стають недоступними в результаті обмежень масообміну.

Зверніть увагу, що і провідність, і діффузівность електроліту пов'язані з рухливістю (див. співвідношення Нернста - Ейнштейна ).

З точки зору фізики знижена рухливість є результатом того, що в електроліті скорочується кількість доступної теплової енергії, отже іонів і молекул стає складніше долати силу взаємодії або тертя. Рухливість в електролітичних розчинах як функція температури описується рівнянням Арреніуса, в якому енергія активації (Ea на ілюстрації вище) являє собою енергію необхідну для того, щоб молекули змогли подолати силу взаємодії з сусідніми молекулами і почати рухатися в електролітичному розчині.

Твердий матеріал електрода, як правило, має провідність, на кілька порядків перевищує провідність електроліту в порах. Ступінь зміни провідності в твердих матеріалах зі зміною температури зазвичай не впливає на експлуатаційні характеристики АКБ. Однак зарядка деяких АКБ в умовах низької температури може стати проблематичною, оскільки призведе до утворення дендритів, що руйнують АКБ.

кінетика електродів

Останнім компонентом нестійкої роботи АКБ при низькій температурі є повільна кінетика анодних і катодних реакцій, що призводить до перевантаження по напрузі при запуску. З точки зору фізики повільна кінетика електродів є наслідком того, що енергію активації стає складніше подолати, оскільки при низьких температурах в системі є менше теплової енергії.

Ілюстрація нижче демонструє загальний вплив зростання втрат при запуску, активних втрат і витрат на массообмен на експлуатаційні характеристики АКБ. Ми бачимо, як зростання загальної перевантаження на двох електродах призводить до зниження напруги гальванічного елемента при зазначеної силі струму і стан заряду АКБ.

Ми бачимо, як зростання загальної перевантаження на двох електродах призводить до зниження напруги гальванічного елемента при зазначеної силі струму і стан заряду АКБ

Ці криві грунтуються на рівняннях Аррениуса для рухливості і кінетики електродів, які для оборотних електрохімічних реакцій представляються у вигляді відповідних рівнянь Батлера - Вольмер .

терморегулювання

Сучасні акумуляторні системи електромобілів оснащуються складними системами терморегуляції. Ці системи охолоджують АКБ при підвищених навантаженнях або, навпаки, нагрівають її при підключенні до розетки холодної зимової ночі.

Система терморегуляції дозволяє підтримувати АКБ в   оптимальному діапазоні робочих температур   (Див
Система терморегуляції дозволяє підтримувати АКБ в оптимальному діапазоні робочих температур (Див. Ілюстрацію вище). Зверніть увагу, що на графіку показана не температура навколишнього середовища, а робоча температура АКБ. Система терморегуляції також знижує ризик виникнення термічної нестабільності в літій-іонних АКБ .

Обігрів АКБ в умовах низьких температур також призводить до зниження ККД електродвигуна і зменшення максимальної дальності поїздки, так як частина електроенергії або регенерує потужності необхідно перетворювати в теплову енергію для підтримки температури АКБ в оптимальному діапазоні. Крім того, частина цієї потужності може використовуватися для обігріву кабіни, що також негативно позначається на ККД автомобіля і максимальної дальності поїздки.

На ілюстрації вище представлені результати моделювання автомобільної літій-іонної АКБ, оснащеної каналами для охолодження і обігріву. Подібні моделі широко використовуються при проектуванні систем терморегуляції АКБ.

висновок

Неможливість швидкого самостійного нагріву АКБ електромобіля після дуже холодної зимової ночі, є наслідком високого ККД електродвигуна, а також того факту, що йому не потрібно виробляти теплову енергію, яка перетворюється в механічну роботу. Тому в ніч перед лижними вилазками на зразок моєї електромобіль потрібно обов'язково підключити до розетки, щоб підтримувати температуру АКБ в межах допустимого діапазону .

Якщо ви будете слідувати цій раді, ваш електромобіль легко заведеться навіть в горах Швеції. Насправді, більшість відкритих парковок в умовах Півночі (наприклад, на Алясці, в Канаді, Швеції чи Норвегії) оснащені електричними розетками, а більшість бензинових автомобілів оснащуються засобами обігріву двигуна. В таких умовах не варто ризикувати, навіть якщо у вас автомобіль з двигуном внутрішнього згоряння .

В таких умовах не варто ризикувати, навіть якщо у вас автомобіль з   двигуном внутрішнього згоряння

Якщо ж ви забули підключити машину до розетки на гірськолижному курорті, то краще повернутися в затишний котедж і згадати про Сванте Арреніус , Шведському вченому, який першим розробив кількісний опис температурної залежності швидкості хімічних реакцій від характеристик переносу.

Чому АКБ чутливіші до зовнішніх умов, ніж інші вузли і системи автомобіля?
В чому різниця?

Разделы

» Ваз

» Двигатель

» Не заводится

» Неисправности

» Обзор

» Новости


Календарь

«    Август 2017    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 

Архив

О сайте

Затраты на выполнение норм токсичности автомобилей в США на период до 1974 г.-1975 г произошли существенные изменения. Прежде всего следует отметить изменение характера большинства работ по электромобилям: работы в подавляющем большинстве стали носить чисто утилитарный характер. Большинство созданных в начале 70х годов электромобилей поступили в опытную эксплуатацию. Выпуск электромобилей в размере нескольких десятков штук стал обычным не только для Англии, но и для США, ФРГ, Франции.

ПОПУЛЯРНОЕ

РЕКЛАМА

www.school4mama.ru © 2016. Запчасти для автомобилей Шкода