Ликбез по батареям

Если вы хотите узнать самое основное о современных автомобильных батареях, а также о батареях вообще, то этот раздел для вас.

Батарея – огонь!

Слово «батарея» происходит от старо-французского «baterie», которое до сих пор применяется в военном деле. В более широком смысле это слово означает группу, или набор элементов, обладающих энергией. В нашем случае – электрических аккумуляторных элементов питания. Одиночные элементы в автомобилях применяются разве что в ключах и брелках, во всех же других случаях, такие элементы собраны в батареи, причем чаще всего – в несколько уровней. Так, батарея Tesla model S состоит из 16-ти блоков, или секций, каждый из которых представляет собой батарею из 444 элементов Panasonic 18650. Батарея «народного» Nisan Leaf 2013-2016 годов состоит из 48 неразборных блоков, каждый из которых представляет собой батарею из 4-х элементов.

Последовательно и параллельно.

Для достижения нужных параметров, элементы в батареях соединяют последовательно и параллельно. Эти схемы соединения элементов принято обозначать буквами «s» и «p» соответственно. Количество соединенных элементов обозначают цифрой перед соответствующей буквой. Например, одна вышеописанная секция Tesla model S состоит из 444 элементов, 74 из которых соединены параллельно и 6 последовательно, это обозначается 6s74p. А схема всей батареи с детализацией до элемента — (16х6)s74p, т.е. 96s74p. Одна секция батареи Nisan Leaf, описанная выше, состоит из 4-х элементов, подключенных по схеме 2s2p, вся же батарея с детализацией до элемента имеет схему подключения 96s2p.

Во всем нужен баланс!

Если в батарее есть последовательное соединение элементов, то в процессе ее работы возможны неприятности. Например, батарея имеет схему 10s. При заряде батареи первый элемент зарядился до 100%, второй до 80%, в то время, как восемь остальных (с 3-го по 10-й) –до 90%. Если зарядка не отключится, то первый элемент начнет греться и быстро деградировать. Если отключится – вся батарея при разряде сможет выдать только 80% емкости, потому что второй элемент при этом разрядится до нуля. Таким образом, даже если все элементы батареи хорошие, имеют 100% емкости, тем не менее, вся батарея в нашем примере будет иметь только 80% емкости. Такое явление называется разбалансировкой. Актуальность разбалансировки батареи растет с увеличением числа последовательно соединенных элементов, а в электромобилях их около сотни!

Своя система менеджмента.

Для балансировки батарей применяют специальные электронные устройства – балансировочные схемы, или балансиры. Для описания их работы вернемся к вышеизложенному примеру батареи со схемой 10s. Как только заряд первого элемента приблизится к 100%, балансир зашунтирует этот элемент резистором, уменьшив зарядный ток для этого элемента. Первый элемент будет как-бы ждать, пока зарядятся остальные. Затем, как только заряд восьми элементов (с 3-го по 10-й) приблизится к 100%, балансир зашунтирует и их. Теперь уже 9 элементов будут «ждать», пока зарядится второй, который является последним по скорости заряда и при отсутствии балансира зарядился бы только до 80%. После того, как заряд всех элементов достигнет 100%, зарядное устройство отключится, и вся батарея будет иметь 100% заряда. Таким образом, батарея балансируется только при полном заряде, и если Вы владелец электромобиля, то теперь знаете, почему так долго заливаются в Вашу батарею последние проценты заряда. Балансиры дополняются устройствами мониторинга, контроля и защиты, следящими за тем, чтобы ни один элемент не вышел за пределы своего рабочего режима, и получают новое, шикарное название: BMS — Battery Management System, многие из которых способны подключаться к внешнему компьютеру. Еще в BMS бывают сложные активные балансиры, в которых при балансировке энергия не теряется на нагревание резисторов, а преобразуется электроникой для скорейшего заряда «отстающих» элементов, — нет предела совершенству!

Главные параметры батареи.

Мой преподаватель по электродинамике имел талант сложное делать простым. Огромное количество страшных формул он свел к трем основным и имел полное моральное право требовать, чтобы эти три формулы мы знали на зубок! Для батарей, как и для каждого отдельного элемента питания есть три основных параметра: емкость, напряжение и внутреннее сопротивление. Емкость является самым важным параметром. Она показывает какой ток батарея способна выдать в течение часа (или сколько часов может выдавать ток силой в 1А), и измеряется в Ампер-часах (Ah). Что такое напряжение, и в чем оно измеряется, Вам известно, только применительно к батареям есть нюанс: существуют три напряжения. Напряжение полного заряда, полного разряда и номинальное напряжение. Например, для большинства элементов Li-ion это 4,2V; 3V и 3,7V соответственно. Если указано просто напряжение, то чаще всего имеется в виду номинальное напряжение. В электромобилях же, чаще всего указывается напряжение полного заряда батареи. Внутреннее сопротивление используется не так часто, но именно оно определяет максимальный ток, который способна выдать батарея, и измеряется в милли-омах.

Однако применительно к электромобилям, самый популярный параметр – это емкость не в Ампер-часах, а в киловатт-часах (kWh), т.е. емкость не по току, а по мощности. Она показывает какую мощность может выдать батарея в течение часа (или сколько часов способна выдавать мощность 1kW). Такую емкость легко найти путем умножения емкости в Ah на напряжение, но это уже относится к арифметике батареи.

Арифметика батареи.

Вы любите считать? Если да, то вот таблица, с помощью которой Вы сможете просчитать основные параметры любой батареи, если имеете необходимые вводные данные.

Для примера посчитаем максимальную емкость батареи Tesla model S, о которой шла речь в начале этой статьи. Емкость одного элемента Panasonic равна 3,4Аh, напряжение полного заряда 4,2V. Считаем емкость элемента по мощности: 3,4х4,2=14,28 Wh. В одной секции 444 элемента, считаем емкость секции: 444х14,28=6340Wh или 6,3kWh. И, наконец, считаем максимальную мощностную емкость всей батареи: 16х6,3=101,44kWh. Таким образом, в данном случае мы имеем дело с Tesla model S 100D.

Рассмотрим второй пример. Известно напряжение батареи: 400V, ее емкость 24kWh и то, что она состоит из 48 секций. А также то, что каждая секция состоит из 4-х элементов, подключенных по схеме 2s2p. Надо найти емкость одного элемента в Ah. Сначала находим общее число элементов в батарее: 48х4=192. Находим мощностную емкость одного элемента: 24/192=0,125kWh или 125Wh. Осталось эту емкость разделить на напряжение элемента, которое находим путем деления общего напряжения на количество последовательно соединенных элементов: 400/(48х2)=4,17V. И искомая емкость элемента равна 125/4,17=29,98 Аh

Надеюсь, что вы насладились арифметикой, и теперь с чувством выполненного долга я могу завершить данную статью, потому что теперь Вы знаете некоторые самые основные сведения об электрических батареях, как о наборе отдельных аккумуляторных элементов. Но это далеко не все о ее важнейших свойствах и параметрах! Дело в том, что эти свойства и параметры целиком зависят от типа самого элемента питания, точнее от того, что находится у него внутри. Поэтому для дальнейшего изучения переходите в ЛИКБЕЗ ПО АККУМУЛЯТОРНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ.