Jaký je mechanismus obnovy energie v lithiových bateriích?
Instalace SEPTA 2019 vám řekne vše o tom, kde jsme s regeneračními systémy. Vypustili 1,5 MW lithium-iontovou banku v rozvodně, první rok získali téměř 500 000 $-polovinu ze snížených nákladů na elektřinu, polovinu z trhů s regulací frekvence (scientificamerican.com). Ne proto, že by vymysleli něco nového. Protože elektrochemie konečně dohnala to, co dopravní inženýři chtěli od 20. let 20. století.
Elektromotory běží pozpátku. To je vše. Když vaše EV zpomalí, motor se stane generátorem. Kinetická energie se přeměňuje na proud, proud teče do obalu, články se dobíjejí. Říkáme tomu regenerativní brzdění, ale ve fyzice není nic exotického-je to jen to, že technologie baterií strávila desítky let tím, že byla příliš pomalá, příliš drahá nebo příliš křehká na to, aby fungovala ve velkém.
O problému efektivity nikdo nemluví
Tady to začíná být zajímavé. Účinnost motoru-jako-generátoru je 85–92 %, v závislosti na vaší rychlosti a zatížení. Invertor má další snížení, asi 95 %, pokud je správně navržen. Samotné nabíjení baterie? 90-95% za dobrých podmínek. Spojte to dohromady a jste na 60-70% celkové regenerační účinnosti.
Zní to hrozně, dokud si nevzpomenete, že alternativou jsou třecí podložky, které přeměňují vše na odpadní teplo. 60 % něčeho, co překoná 0 % ničeho.
Co vlastně celý systém omezuje, je akceptace poplatků. Lithné ionty musí migrovat z katody přes elektrolyt, interkalovat do grafitové anody. To je proces-omezený šířením. Vynucení proudu rychleji, než se ionty dokážou interkalovat, a na anodě se místo řádné interkalace vytvoří kovové usazeniny pokovování lithiem-. Zabíjí kapacitu, ruší životnost cyklu, v nejhorším případě vytváří vnitřní zkraty.
C-rychlost udává, jak rychle se může článek nabít. 1C znamená úplné nabití za jednu hodinu. Chemie LFP zvládá trvalé 1C bez problémů. NMC je podobný, liší se obsahem niklu. LTO je odlehlý 10C udržitelný, protože chemie anody zásadně obchází problém pokovování. To je důvod, proč vidíte LTO v aplikacích s brutálními požadavky na regeneraci, i když hustota energie zabírá.
Správa baterií je místo, kde žijí peníze
BMS nejen monitoruje-ale ve zlomku{1}}sekundy rozhoduje o aktuálním přijetí a distribuci mezi buněčnými skupinami. Blíží se balení plné? Prostor pro regenerační proud zmizí. Většina systémů začíná omezovat kolem 90-95% stavu nabití, zcela deaktivuje téměř maximální napětí. Pokud jste jeli s EV, znáte to: opusťte příjezdovou cestu s plnou baterií a během prvních pár kilometrů je regenerace slabá.
Teplota je další omezení, které nikdo nechce řešit. Pod 10 stupňů pohyblivost iontů v elektrolytu klesá. Systémy omezují regenerační proud, aby se zabránilo pokovování. Vychladněte dostatečně a regen se úplně vypne, dokud se obal nezahřeje.
Provozovatelé chladného klimatu to vědí – 15 až 20 minut jízdy, než se obnoví plná schopnost regenerace. SAE AIR6897 pokrývá leteckou stránku tohoto problému, ale principy řízení nabíjení a tepelného managementu se přímo promítají do pozemních vozidel.
Kde na míře návratnosti skutečně záleží
Městské osobní elektromobily? 15-25% výtěžnost. Slušný. Elektrobusy na pevných trasách? Tam to začíná být skutečné. Autobusy BYD u Antelope Valley Transit Authority – 37,3 % zotavení u standardních 40stopých modelů, 40,2 % u 60stopých kloubových. Tento pracovní cyklus je ideální pro regeneraci: časté zpomalování z konstantní rychlosti.
Průmyslové aplikace fungují jinak. Vysokozdvižné vozíky s nepřetržitým zdvihem-nižší cykly, těžařské vozíky sjíždějící z okraje jámy do zpracovatelské oblasti s plným zatížením. Potenciální přeměna energie v těchto případech může být masivní.
Robin Zeng z CATL to umí lépe než většina ostatních: cena za cyklus, nikoli cena předem (rolandberger.com). Kolik energie baterie nese, jak daleko jede, jak si vede po celou dobu životnosti. To je to, na čem pro regenerační aplikace záleží,-zda buňky zvládnou časté nabíjecí pulsy, aniž by došlo k jejich degradaci.
Degradační křivka lidi překvapuje
Řekli byste si, že regenerační pulsy s vysokým proudem-urychlí stárnutí. Data tvrdí něco jiného. Vyšší intenzita regeneračního brzdění ve skutečnosti koreluje se sníženou degradací. Mechanismus spočívá v hloubce vybití,-když regenerace zachytí více energie zpomalení, baterie má mělčí cykly a méně hluboké cyklování. Vzhledem k tomu, že kapacita lithiových -iontových článků pohání hluboké vybíjení, může agresivní regenerace prodloužit životnost.
Na teplotě během regenerace stále záleží. Studená baterie se rovná pomalé interkalaci, vyšší pravděpodobnosti pokovování. Horká baterie urychluje vedlejší reakce na elektrodovém-rozhraní elektrolytu. Tepelné modely BMS upravují přípustný regenerační proud na základě předpokládaných teplot článků, ale přesnost modelu do značné míry závisí na umístění senzoru a sofistikovanosti algoritmu. V tom vidíte rozdíl mezi levnými implementacemi a těmi dobrými.
Výběr chemie není jeden-velikost-se hodí-všem. LFP vám poskytuje vynikající životnost a tepelnou stabilitu při mírných rychlostech nabíjení-Flotové aplikace to milují. NMC část z nich vyměňuje za vyšší hustotu energie, kde jsou omezeny hmotnost a objem. LTO zcela obětuje energetickou hustotu, ale dává vám akceptaci poplatků, které se nic jiného nevyrovná. Městské autobusy s častými-zpomalovacími zastávkami, výkonná vozidla s-denním brzděním{10}}to je oblast LTO.
Integrace systému je těžší, než se zdá
Ovladač motoru, invertor, BMS, řídicí jednotka vozidla-to vše musí být koordinováno. Řidič zvedne plynový pedál, což generuje požadavek na točivý moment. Převede se na příkaz proudu motoru. Invertor řídí tok energie z motoru do baterie. BMS potvrzuje, že baterie může přijmout tento proud bez porušení limitů ochrany. Jakákoli součást narazí na omezení a vy kombinujete třecí brzdění, abyste udrželi rychlost zpomalení.
Přechod mezi regenerací a třením je plynulý z místa řidiče, ale řídicí algoritmy za tím jsou sofistikované. Musíte také sledovat, jak se napětí shoduje-velikost regeneračního proudu závisí na rozdílu mezi zpětným napětím motoru-a napětím baterie. Vysoká rychlost vozidla znamená vyšší zpět{4}}EMF, které může překročit maximální nabíjecí napětí baterie. Fáze návrhu musí brát v úvahu tyto provozní body.
Smíšené brzdové systémy jsou nyní standardem ve sériových vozidlech. Automaticky proporcionální mezi regenerací a třením, maximalizuje regeneraci a zároveň udržuje chování vozidla předvídatelné. Sofistikovanost se za poslední desetiletí výrazně zlepšila.
Co to znamená prakticky
Pokroky v účinnosti motoru, designu měniče, chemii baterie, tepelném managementu, řídicích algoritmech-všechny z těchto posouvají ručičku na celkovou účinnost regenerace. Koordinovaný provoz celého systému je to, co zajišťuje rekuperaci energie.
Jízda po dálnici? Minimální možnost regenerace. Trasy s prodlouženým klesáním nebo častými zastávkami? Významná rekuperace energie. Provozovatelé vozového parku také vidí, že životnost brzdových komponent se ve srovnání s konvenčními vozidly prodlužuje třikrát až pětkrát.-Třecí brzdy v dobře-konstruovaném elektromobilu si při jízdě ve městě sotva zvyknou.
To, co před dvěma desetiletími začalo jako druhotný přínos, je nyní pro hodnotovou nabídku zásadní. Fyzika se nezměnila. Technologie baterií potřebná k efektivnímu využití této fyziky dozrála. To je ten rozdíl. SEPTA generující půl milionu ročně z jediné instalace rozvodny-to není o železničních inovacích, ale o lithium{5}}iontových systémech, které jsou konečně dost dobré na to, aby zachytily to, co tu vždy bylo.
