Aký je mechanizmus obnovy energie v lítiových batériách?
Inštalácia SEPTA 2019 vám povie všetko o tom, kde sme s regeneračnými systémami. V rozvodni vypustili lítium{3}}iónovú banku s výkonom 1,5 MW, pričom prvý rok zarobili takmer 500 000 USD-polovicu zo znížených nákladov na elektrinu, polovicu z trhov s reguláciou frekvencie (scientificamerican.com). Nie preto, že by vymysleli niečo nové. Pretože elektrochémia konečne dobehla to, čo dopravní inžinieri chceli od 20. rokov minulého storočia.
Elektromotory bežia dozadu. To je všetko. Keď sa vaše EV spomalí, motor sa stane generátorom. Kinetická energia sa premieňa na prúd, prúd tečie do obalu, bunky sa nabíjajú. Nazývame to regeneratívne brzdenie, ale na fyzike nie je nič exotické-len to, že technológia batérií bola desaťročia príliš pomalá, príliš drahá alebo príliš krehká na to, aby fungovala vo veľkom rozsahu.
Problém efektívnosti, o ktorom nikto nehovorí
Tu to začína byť zaujímavé. Účinnosť motora-ako{2}}generátora je 85 – 92 %, závisí od vašej rýchlosti a zaťaženia. Invertor robí ďalší rez, okolo 95 %, ak je správne navrhnutý. Samotné nabíjanie batérie? 90-95% za dobrých podmienok. Spojte to a ste na 60-70% celkovej regeneračnej účinnosti.
Znie to hrozne, kým si nespomeniete, že alternatívou sú trecie podložky, ktoré premieňajú všetko na odpadové teplo. 60 % niečoho prekoná 0 % ničoho.
Čo vlastne obmedzuje celý systém, je akceptácia poplatkov. Lítiové ióny musia migrovať z katódy cez elektrolyt, interkalovať do grafitovej anódy. Ide o-obmedzený proces. Vnútite prúd rýchlejšie, než sa dokážu interkalovať ióny a namiesto správnej interkalácie získate na anóde kovové usadeniny-lítium. Zabíja kapacitu, ruší životnosť cyklu, v najhoršom prípade vytvára vnútorné skraty.
Rýchlosť C-udáva, ako rýchlo sa môže bunka nabíjať. 1C znamená úplné nabitie za jednu hodinu. LFP chémia zvláda trvalé 1C bez problémov. NMC je podobný, mení sa s obsahom niklu. LTO je odľahlý 10C trvalý, pretože chémia anód zásadne obchádza problém pokovovania. To je dôvod, prečo vidíte LTO v aplikáciách s brutálnymi požiadavkami na regeneráciu, aj keď hustota energie potrebuje zásah.
Správa batérie je miesto, kde žijú peniaze
BMS nielen monitoruje-ale robí zlomkové{1}}rozhodnutia o aktuálnom prijatí a distribúcii medzi bunkovými skupinami. Blíži sa plný balík? Priestor pre regeneračný prúd zmizne. Väčšina systémov začína obmedzovať stav nabitia okolo 90-95%, úplne deaktivuje takmer maximálne napätie. Ak ste jazdili na EV, poznáte to: opustite príjazdovú cestu s nabitou batériou a počas prvých kilometrov budete mať pocit slabosti.
Teplota je ďalším obmedzením, s ktorým sa nikto nechce zaoberať. Pod 10 stupňov pohyblivosť iónov v elektrolyte klesá. Systémy obmedzujú regeneračný prúd, aby sa zabránilo pokovovaniu. Dostatočne vychladnite a regen sa úplne vypne, kým sa obal nezohreje.
Prevádzkovatelia chladnej klímy to vedia – 15 až 20 minút jazdy, kým sa obnoví plná schopnosť regenerácie. SAE AIR6897 pokrýva leteckú stránku tohto problému, ale princípy riadenia nabíjania a tepelného manažmentu sa prenášajú priamo do pozemných vozidiel.
Kde skutočne záleží na miere návratnosti
Mestské osobné elektromobily? 15-25% zotavenie. Slušné. Elektrobusy na pevných trasách? Tam to začína byť skutočné. Autobusy BYD na Antelope Valley Transit Authority - 37,3 % zotavenie na štandardných 40-stopových modeloch, 40,2 % na 60-stopových kĺbových. Tento pracovný cyklus je ideálny na regeneráciu: časté spomaľovanie z konštantných rýchlostí.
Priemyselné aplikácie majú inú matematiku. Vysokozdvižné vozíky vykonávajúce nepretržité zdvíhanie-spodných cyklov, banské vozíky klesajúce z okraja jamy do spracovateľskej oblasti s plným zaťažením. Potenciálna premena energie v týchto prípadoch môže byť masívna.
Robin Zeng z CATL to vystihol lepšie ako väčšina: cena za cyklus, nie cena vopred (rolandberger.com). Koľko energie batéria nesie, ako ďaleko jazdí, ako funguje počas životného cyklu. Pre aplikácie regenerácie je dôležité,-či bunky zvládnu časté nabíjacie impulzy bez degradácie.
Degradačná krivka ľudí prekvapuje
Mysleli by ste si, že regeneračné impulzy-s vysokým prúdom urýchlia starnutie. Dáta hovoria niečo iné. Vyššia intenzita regeneratívneho brzdenia v skutočnosti koreluje so zníženou degradáciou. Mechanizmus spočíva v hĺbke vybitia,-keď regenerácia zachytí viac spomaľovacej energie, batéria má plytšie cykly a menej hlbokých cyklov. Keďže kapacita lítium-iónových článkov sa znižuje pomocou hlbokého vybitia, agresívna regenerácia môže predĺžiť životnosť.
Na teplote počas regenerácie stále záleží. Studená batéria znamená pomalú interkaláciu, vyššiu pravdepodobnosť pokovovania. Horúca batéria urýchľuje vedľajšie reakcie na rozhraní elektród-elektrolytu. Tepelné modely BMS upravujú prípustný regeneračný prúd na základe predpokladaných teplôt buniek, ale presnosť modelu do značnej miery závisí od umiestnenia snímača a sofistikovanosti algoritmu. Tu vidíte rozdiel medzi lacnými implementáciami a dobrými.
Výber chémie nie je jeden-veľkosť{1}}sadne-všetkým. LFP vám poskytuje vynikajúcu životnosť a tepelnú stabilitu pri miernych rýchlostiach nabíjania-aplikácie vo vozovom parku to milujú. NMC časť z nich vymieňa za vyššiu energetickú hustotu, kde je hmotnosť a objem obmedzené. LTO úplne obetuje energetickú hustotu, ale poskytuje akceptáciu poplatkov, ktorým sa nič iné nevyrovná. Autobusy mestskej dopravy s častými-spomaľovacími zastávkami, výkonné vozidlá s-denným brzdením{10}}to je oblasť LTO.
Integrácia systému je ťažšia, ako sa zdá
Riadiaca jednotka motora, menič, BMS, riadiaca jednotka vozidla-musí byť koordinovaná. Vodič zdvihne plynový pedál, čo generuje požiadavku na krútiaci moment. Preloží sa na príkaz prúdu motora. Invertor riadi tok energie z motora do batérie. BMS potvrdzuje, že batéria môže prijať tento prúd bez porušenia ochranných limitov. Akýkoľvek komponent narazí na obmedzenie a vy zmiešavate trecie brzdenie, aby ste udržali rýchlosť spomalenia.
Prechod medzi regeneráciou a trením je plynulý zo sedadla vodiča, ale riadiace algoritmy za tým sú sofistikované. Musíte tiež sledovať, ako sa napätie zhoduje-veľkosť regeneračného prúdu závisí od rozdielu medzi zadnou stranou motora-EMF a napätím batérie. Vysoká rýchlosť vozidla znamená vyššie spätné-EMF, ktoré potenciálne prekračuje maximálne nabíjacie napätie batérie. Fáza návrhu musí brať do úvahy tieto prevádzkové body.
Zmiešané brzdové systémy sú teraz štandardom v sériových vozidlách. Automaticky proporcionálne medzi regeneráciou a trením, maximalizujte regeneráciu pri zachovaní predvídateľného správania vozidla. Tamojšia sofistikovanosť sa za posledné desaťročie výrazne zlepšila.
Čo to znamená prakticky
Pokroky v účinnosti motora, konštrukcii meniča, chémii batérie, tepelnom manažmente, riadiacich algoritmoch-všetko z toho posúva ručičku na celkovú účinnosť regenerácie. Koordinovaná prevádzka celého systému je to, čo zabezpečuje rekuperáciu energie.
Jazda po diaľnici? Minimálna možnosť regenerácie. Trasy s predĺženým klesaním alebo častými zastávkami? Významné využitie energie. Prevádzkovatelia vozového parku tiež zaznamenávajú troj- až päťnásobné predĺženie životnosti brzdových komponentov v porovnaní s bežnými vozidlami-trecie brzdy v dobre-navrhnutom EV si sotva zvyknú na jazdu v meste.
To, čo sa pred dvoma desaťročiami začalo ako druhotná výhoda, je teraz základom hodnotovej ponuky. Fyzika sa nezmenila. Technológia batérií potrebná na efektívne využitie fyziky dozrela. To je ten rozdiel. SEPTA generuje pol milióna ročne z jednej inštalácie rozvodne-to nie je o železničných inováciách, ale o lítium{5}}iónových systémoch, ktoré sú konečne dosť dobré na to, aby zachytili to, čo tam vždy bolo.
