Лікбез по батареях

Якщо ви хочете дізнатися найголовніше про сучасні автомобільні батареї, а також про батареї взагалі, то цей розділ для вас.

Батарея – вогонь!

Слово «батарея» походить від старофранцузького «baterie», яке досі застосовується у військовій справі. У більш широкому значенні це слово означає групу, або набір елементів, що мають енергію. У нашому випадку – електричних акумуляторних елементів живлення. Поодинокі елементи в автомобілях застосовуються хіба що в ключах і брелках, у всіх інших випадках, такі елементи зібрані в батареї, причому найчастіше – в кілька рівнів. Так, батарея Tesla model S складається з 16-ти блоків, або секцій, кожен з яких є батареєю з 444 елементів Panasonic 18650. Батарея «народного» Nisan Leaf 2013-2016 років складається з 48 нерозбірних блоків, кожен з яких є батареєю із 4-х елементів.

Послідовно та паралельно.

Для досягнення потрібних параметрів елементи в батареях з’єднують послідовно і паралельно. Ці схеми з’єднання елементів прийнято позначати літерами “s” та “p” відповідно. Кількість з’єднаних елементів позначають цифрою перед літерою. Наприклад, одна вищеописана секція Tesla model S складається з 444 елементів, 74 з яких з’єднані паралельно і послідовно 6, це позначається 6s74p. А схема всієї батареї з деталізацією елемента – (16х6)s74p, тобто 96s74p. Одна секція батареї Nisan Leaf, описана вище, складається з 4-х елементів, підключених за схемою 2s2p, вся батарея з деталізацією до елемента має схему підключення 96s2p.

У всьому потрібний баланс!

Якщо в батареї є послідовне з’єднання елементів, то в процесі її роботи можливі неприємності. Наприклад, акумулятор має схему 10s. При заряді батареї перший елемент зарядився до 100%, другий до 80%, тоді як вісім інших (з 3-го по 10-й) – до 90%. Якщо заряджання не вимкнеться, перший елемент почне грітися і швидко деградувати. Якщо відключиться – вся батарея при розряді зможе видати лише 80% місткості, тому що другий елемент при цьому розрядиться до нуля. Таким чином, навіть якщо всі елементи батареї хороші, мають 100% місткості, проте вся батарея в нашому прикладі матиме лише 80% місткості. Таке явище називається розбалансуванням. Актуальність розбалансування батареї зростає зі збільшенням числа послідовно з’єднаних елементів, а електромобілях їх близько сотні!

Своя система менеджменту.

Для балансування батарей застосовують спеціальні електронні пристрої – схеми балансування, або балансири. Для опису їх роботи повернемося до прикладу батареї зі схемою 10s. Як тільки заряд першого елемента наблизиться до 100%, балансир зашунтує цей елемент резистором, зменшивши зарядний струм цього елемента. Перший елемент буде чекати, поки зарядяться інші. Потім, як тільки заряд восьми елементів (з 3 по 10) наблизиться до 100%, балансир зашунтує і їх. Тепер уже 9 елементів будуть «чекати», поки зарядиться другий, який є останнім за швидкістю заряду і за відсутності балансира зарядився б лише до 80%. Після того, як заряд всіх елементів досягне 100%, зарядний пристрій відключиться, і вся батарея матиме 100% заряду. Таким чином, батарея балансується тільки при повному заряді, і якщо Ви є власником електромобіля, то тепер знаєте, чому так довго заливаються у Вашу батарею останні відсотки заряду. Балансири доповнюються пристроями моніторингу, контролю та захисту, що стежать за тим, щоб жоден елемент не вийшов за межі свого робочого режиму, і отримують нову, шикарну назву: BMS – Battery Management System, багато з яких здатні підключатися до зовнішнього комп’ютера. Ще в BMS бувають складні активні балансири, в яких при балансуванні енергія не втрачається на нагрівання резисторів, а перетворюється електронікою для якнайшвидшого заряду елементів, що «відстають», – немає межі досконалості!

Основні параметри батареї.

Мій викладач із електродинаміки мав талант складне робити простим. Безліч страшних формул він звів до трьох основних і мав повне моральне право вимагати, щоб ці три формули ми знали на зубок! Для батарей, як і для кожного окремого елемента живлення, є три основні параметри: місткість, напруга і внутрішній опір. Місткість є найважливішим параметром. Вона показує, який струм батарея здатна видати протягом години (або скільки годин може видавати струм силою в 1А), і вимірюється в Ампер-годинах (Ah). Що таке напруга, і в чому вона вимірюється, Вам відомо, тільки стосовно батарей є нюанс: існують три напруги. Напруга повного заряду, повного розряду та номінальна напруга. Наприклад, більшість елементів Li-ion це 4,2V; 3V та 3,7V відповідно. Якщо зазначено просто напругу, то найчастіше мають на увазі номінальну напругу. В електромобілях ж найчастіше вказується напруга повного заряду батареї. Внутрішній опір використовується не так часто, але саме він визначає максимальний струм, який здатна видати батарея, і вимірюється в мілі-омах.

Проте стосовно електромобілів, найпопулярніший параметр – це місткість не в Ампер-годинах, а кіловат-часах (kWh), тобто місткість не за струмом, а за потужністю. Вона показує, яку потужність може видати батарея протягом години (або скільки годин здатна видавати потужність 1kW). Таку місткість легко знайти шляхом множення місткість Ah на напругу, але це вже відноситься до арифметики батареї.

Арифметика батареї.

Ви любите рахувати? Якщо так, то таблиця, за допомогою якої Ви зможете прорахувати основні параметри будь-якої батареї, якщо маєте необхідні вступні дані.

Для прикладу порахуємо максимальну місткість батареї Tesla model S, про яку йшлося на початку цієї статті. Місткість одного елемента Panasonic дорівнює 3,4Аh, напруга повного заряду 4,2V. Вважаємо місткість елемента за потужністю: 3,4 х4, 2 = 14,28 Wh. В одній секції 444 елементи вважаємо місткість секції: 444х14,28 = 6340Wh або 6,3kWh. І, нарешті, вважаємо максимальну місткість потужності всієї батареї: 16х6,3 = 101,44kWh. Таким чином, у даному випадку ми маємо справу із Tesla model S 100D.

Розглянемо другий приклад. Відома напруга батареї: 400V, її місткість 24kWh і те, що вона складається із 48 секцій. А також те, що кожна секція складається з 4 елементів, підключених за схемою 2s2p. Потрібно знайти місткість одного елемента в Ah. Спочатку знаходимо загальну кількість елементів батареї: 48х4=192. Знаходимо потужну місткість одного елемента: 24/192=0,125kWh або 125Wh. Залишилося цю місткість розділити на напругу елемента, яке знаходимо шляхом розподілу загальної напруги на кількість послідовно з’єднаних елементів: 400/(48х2) = 4,17V. І шукана місткість елемента дорівнює 125/4,17 = 29,98 Аh

Сподіваюся, що ви насолодилися арифметикою, і тепер з почуттям виконаного обов’язку я можу завершити цю статтю, тому що тепер Ви знаєте деякі основні відомості про електричні батареї, як про набір окремих акумуляторних елементів. Але це далеко не все про її найважливіші властивості та параметри! Справа в тому, що ці властивості та параметри повністю залежать від типу самого елемента живлення, точніше від того, що знаходиться у нього всередині. Тому для подальшого вивчення переходьте в ЛІКБЕЗ ПО АКУМУЛЯТОРНИМ ЕЛЕМЕНТАМ.