Verdák, Motorosport, Tech

Cellaválasztás

12. MX5-ből villamos hajtású autó

2018. július 07. - kazykazy

 

A villamos autó építésnél/átépítésnél kritikus komponens az akkumulátor és általában a legdrágább is. Érdemes jól végig gondolni, hogy milyen akkumulátor cellákból fogunk építkezni. Ebben a cikkben röviden összegyűjtöttük, hogy milyen szempontok alapján gondolkodtunk, milyen méréseket végeztünk és végül milyen cellát választottunk.

Alapgondolatok

Az első szempont lehet a kapacitás. Pontosabban a tárolt energia az ami számít igazán, hiszen a motor ezt fogja mechanikai munkává alakítani. Több energiával messzebbre lehet menni.

Gyakran a minimális tömegre és minimális méretre szeretnénk törekedni, ilyenkor olyan cellát érdemes választani, ami kis helyen és kis tömeggel tárol minél több energiát. A lítium-akkus cikkünkben már emlegettük az energiasűrűség fogalmát. Ha a tömeg és/vagy térfogat minimalizálás a fő cél, akkor minél nagyobb Wh/kg és/vagy Wh/l paraméterű cellát kell keresni.

Fontos paraméter a cella maximális kisütő árama. A szükséges maximális kisütőáramot a hajtásrendszer paramétereiből lehet kitalálni. Ha egy cella nem képes szolgáltatni a szükséges áramot, akkor több cellát párhuzamosan lehet kötni, így az áram megoszlik rajtuk. A villamos motorokban a rajtuk átfolyó áram arányos a nyomatékkal, tehát szükségszerűen az akku kisütő árama valamilyen kapcsolatban lesz a járgány gyorsulásával. A kisütőáram az akku feszültséggel együtt megszabja majd a maximális teljesítményt, ami pedig szorosan összefügg a maximálisan elérhető sebességgel.

Ha gyors töltést szeretnénk, akkor a maximálisan megengedhető töltőáram is fontos paraméter, általában a lítium cellák 1C körüli töltőáramot meg szoktak engedni, ami ideális esetben 1 órás töltést jelentene. A gyakorlatban (a veszteségek és az akku töltési karakterisztikája miatt) ennyi idő alatt kb. 85%-ra lehet tölteni, a maradék 15%-ra pedig nagyjából még elmegy 1-2 óra. Természetesen vannak olyan cellák, amelyeket nagyobb árammal is lehet tölteni, de a nagyobb töltőáram csökkenti az akku élettartamát. Valamit valamiért. Ha a hajtásrendszer visszatápláló üzemmódban is működni fog, akkor a töltőáramnál ezt is figyelmebe kell venni, hiszen ilyenkor a motor generátorként üzemel és tölti az akkut.

Nem utolsó szempont a cella beszerezhetősége és ára. Tegyük fel hogy építünk egy akkut 100 cellából, beépítjük a járműbe és vígan használjuk jó pár hónapig. Ekkor kiderül, hogy az egyik cella gyenge, drasztikusan leesett a kapacitása és miatta nem lehet kivenni a teljes kapacitást az akkuból. Ilyenkor nagyon rosszul tudunk járni, ha szeretnénk kicserélni a cellát, de már nem gyártják vagy nem forgalmazzák.

Mechanika

Az akku építés egyik legnagyobb kérdése a cellák rögzítése és összekötése, ezért figyelembe kell venni a szerelhetőséget is.

Hengeres cellákhoz viszonylag olcsón lehet kapni műanyag építő kereteket, a cella összeköttetéshez ponthegesztő berendezésre van szükség. Ezek a cellák a technika jelenlegi állásán 10-20Ah kapacitásnál többel nem rendelkeznek, ezért viszonylag sokat kell párhuzamosan kötni belőlük, hogy megfelelő eredő kapacitást és eredő kisütő áramot érjünk el. Ez azt jelenti, hogy sok cellára lesz szükség, ami sok szerelési munkát jelent.

1_ut8agqcxmxcxxagofbxj.jpg18650 méretű hengeres cellákhoz való építőkeret
(Forrás: AliExpress)

Nagyobb kapacitású cellák érhetők el tasakos kiszerelésben, illetve nagyon sokféle méretben kaphatók, így jobban a projekthez illeszthető az akku formája. Ennél a típusnál a cella fülek összekötése és a cella rögzítése a kihívás. A füleket össze lehet kapcsolni ponthegesztéssel, lézeres hegesztéssel, speciális krimpelő szerszámmal vagy trükkös mechanikai kötőelemekkel. A pozitív és negatív fülek általában eltérő anyagból készülnek (tipikusan réz és alu), ezért a felsorolt eljárások közül jónéhány kihívás lehet. Általában típusonként eltér a fülek hosszúsága és szélessége. Ha túl rövidek vagy túl keskenyek, akkor nagyon meg tudják keseríteni az ember életét.

2_img_20180112_192928.jpg

3_img_20180117_090355_1.jpgKísérleti megoldásaink tasakos cellák összekötésére

Talán a tartályos kivitel a legkönnyebben szerelhető. A cella kivezetései menetesek, egyszerűen csak rájuk kell csavarozni a cella összekötőket, ami lehet saruzott kábel vagy direkt erre a célra kialakított réz lemez. A tartályos cellák általában LiFePO4 típusúak, tehát energiasűrűség szempontjából alulmaradnak a többihez képest. Talán nem véletlenül használnak a Teslákban inkább hengeres cellákat.

4_2014-08-19_19_10_42.jpgTesla Model S akkumulátora, fedél nélkül
(Forrás: teslamotorsclub.com)

Belső ellenállás

Talán fizika óráról ismerős ez a kifejezés, azzal a tapasztalattal kapcsolatos, hogy ha megmérjük egy feszültségforrás, például egy akkumulátor, feszültségét terhelés nélkül (nem folyik rajta áram) és utána megmérjük terhelés alatt (mondjuk a névleges árama folyik rajta), akkor a két feszültségérték általában eltér egymástól, terhelt állapotban kisebb.

Első közelítésben ezt magyarázhatjuk úgy, hogy tulajdonképpen a forrás belsejében van egy állandó feszültségű ideális feszültségforrás, csak azt nem tudjuk közvetlenül elérni, a kivezetések és az ideális forrás között van egy ellenállás. Ezen az ellenálláson terhelés közben a terhelő áram átfolyik és feszültség esést okoz.

 5_internalres.pngBelső ellenállás modell
(Forrás:mdpi.com)

Ha egy akkumulátor cella esetén sokáig mérjük a feszültséget (nem csak a terhelés pillanatában), akkor azt tapasztaljuk, hogy a terhelés hatására hirtelen beesik a feszültség, majd viszonylag rövid ideig gyorsan csökken tovább, végül körülbelül állandó ütemben csökken (amíg az akku a lemerülés határát meg nem közelíti).

6_internalimpedance.pngTerhelés hatása az akku kapocsfeszültségére (elvi jelleggörbe)

Ezt a jelenséget már csak úgy tudjuk magyarázni a korábbi modellel, hogy ha az a belső ellenállás nem állandó értékű, hanem valami fura módon változik. Az ilyen viselkedésű ellenállásokat impedanciának hívják, impedanciát pedig normál ellenállások, kapacitások és induktivitások megfelelő párhuzamos és soros kapcsolásával lehet készíteni. Ennek megfelelően lehetséges olyan impedanciát rakni a belső ellenállás helyére, ami már jobban visszaadja az akku viselkedését (bővebben például itt lehet erről olvasni ).

7_internalimp.pngEgy kapacitást tartalmazó akkumodell, ami már egészen jól leképezni az akku terhelés ugrásra adott válaszát

A bonyolult modellekkel egy baj van: bonyolultak. Ha csak a klasszikus belső ellenállás modellt használjuk, akkor is össze tudunk hasonlítani két cellát. Nyilván amelyiknek kisebb ez a virtuális belső ellenállás értéke, annak kevésbé esik majd be ugyanakkora terhelésre a feszültsége, ami jó dolog, hiszen kisebb lesz az akku vesztesége, kevésbé fog melegedni. Hogy miért? Egy ellenálláson a hőveszteséget a rajta átfolyó áram és rajta mérhető feszültség szorzata adja Watt mértékegységben. Például ha az akku belső ellenállásán 0.3V esik, miközben 400A-t hajtok át rajta, akkor 120W-al fog fűteni, ami már nem elhanyagolható.

A belső ellenállás értéke erősen függ a hőmérséklettől, melegen az akkuk általában jobban teljesítenek, kisebb a belső ellenállásuk. Nem ritka, hogy a belső ellenállás eltérő értéket mutat töltő irányú áram esetén mint kisütéskor.

Össze is állítottunk egy mérési elrendezést, amivel képesek vagyunk a belső ellenállás mérésére különböző hőmérsékleteken (klímakamrával -40 és +180°C között), különféle nagyságú töltő és kisütő áram mellett (80A kisütés irányban egy elektronikus műterheléssel, 100A töltés irányban egy labortáppal). Készítettünk egy számítógépes szoftvert, ami vezérli a berendezéseket, méri a feszültséget, áramot, hőmérsékletet és folyamatosan menti ezeket az adatokat. A segítségével jónéhány akkumulátor cella típus viselkedését meg tudtuk vizsgálni.

A mérés ciklusokra oszlik. Egy ciklusban feltöltjük a cellát, majd kisütjük és közben belső ellenállást mérünk. A mérés során a hőmérsékletet állandó értéken tartjuk.

A kisütés további alciklusokra osztható. Először kisütjük a cellát egy bizonyos ideig. Utána lekapcsoljuk a terhelést, pihentetjük. Ezután visszakapcsoljuk a terhelést egy rövid időre, majd megint pihentetünk. Végül töltjük egy rövid ideig. Ezek az alciklusok addig ismétlődnek, amíg az akku le nem merül.

A belső ellenállást a pihentetés végén és pihentetés utáni terhelés alatti feszültség különbségből lehet meghatározni (R=U/I). A rövid kisütések és töltések alatt is ellenállást számolunk.

Az alábbi ábrákon látható az egyik cella mérési adataiból pár ábra, 3.75C kisütő áram és 1C töltőáram esetén.

Jól látszik, hogy a belső ellenállás mennyire meg tud növekedni fagypont környékén, 40-50°C körül pedig egészen alacsony értékű.

Élettartam

Kíváncsiak voltunk, hogy a különféle cellák különféle hőmérsékleten vajon tényleg az előírt mértékben veszítenek a kapacitásukból, ezért életciklus teszteket végeztünk a cellákon. Ezt úgy kell elképzelni, hogy folyamatosan kisütjük-feltöltjük őket, közben belső ellenállást mérünk, a nap 24 órájában, a hét minden napján, több hónapon keresztül. Az alábbi képen látható az egyik cella mérési adata, 2C kisütő áram és 1C töltőáram esetén. A gyártó azt garantálja ennél a cellánál, hogy 10C kisütő áram melletti 100 ciklus után a kapacitás a névleges érték 80%-a felett marad. Ehhez képest mi 800-900-at mértünk, persze a kisütő áram kisebb volt.

11_capac-percent.pngKapacitás változás a ciklusok számának függvényében egy adott cella esetén

A döntés

Itt szeretném emlékeztetni az olvasót, hogy az akkumulátorokat nem személygépjárműbe szánjuk, ezért oda nem optimális a használatuk, ugyanakkor egy autó nagyon jó tesztelést tesz lehetővé, hiszen rengeteg villamos és mechanikus zavar éri az elektronikákat, mechanikát.

Számunkra az egyszerű szerelhetőség és a robosztus kivitel volt a legfontosabb, így elkerülhető volt a végtelen szívás a mechanikával. Ez azt jelenti, hogy tartályos cellát választottunk, ennek megfelelően adódott a LiFePO4 típus, ami a legbiztonságosabb, ez is fő szempont volt.

A 100Ah környéki cellák 3kg körüli tömeggel rendelkeznek. Ez 12 cella esetén 30-40kg körüli tömeget jelent, amit még könnyű mozgatni. A következő lépcső a 160Ah lenne, ami kb. 60%-al nehezebb is.

Közben megvizsgáltuk a beszerezhetőséget, a gyártó meglepően készséges volt, tehát közvetlenül tőle tudunk rendelni, akár 1 cellát is, persze akkor a szállítás miatt eléggé költséges tud lenni.

A választás végül a Winston WB-LYP100AHA(A) típusra esett. 100Ah, 3C kisütés, 10C kisütés rövid ideig, 1C töltés paraméterekkel rendelkezik. Az M8-as menettel rendelkező kivezetéseire könnyen tudunk csatlakozni és még gyári cella összekötőket is lehet kapni hozzá.

12_20180224_1451_tgy4666_xtalin.jpgA választott cella

A bejegyzés trackback címe:

https://apexnews.blog.hu/api/trackback/id/tr7914095715

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

M3Hellrot 2018.07.07. 16:57:12

Pár ezer Farád ultrakapacitás párhuzamosan hogy besegítsen az áramcsúcsokban?

padisah · http://www.kozvetlen-allasok.hu 2018.07.08. 10:35:57

az egyik gondolatom, hogy az akku terhelés impedancia modelljét, illetve a jelleggörbét nézve az derül ki, hogy az akkut lüktető egyenárammal terhelve a belső ellenállása kisebb lesz mint egyenáramnál, tehát ezzel spórolni lehetne az elfűtött energiával

a másik, az akku kiszerelése-formája, és a hűtés kérdésköre

sok kicsi hengeres cellából építkezve, egy szögletes teret kitöltő csomagban szükségképpen lesznek üregek, mivel a henger a szögletes teret nem tölti ki, és ezen üregekben tud egy hűtőközeg mozogni - szeritnem főleg ezért épít a Tesla ezekből akkut

A második lépcső a zacskós kiszerelés, ami a lapos és így viszonylag nagy hűtőfelületet kínál. Feltéve, hogy nincsenek egy zárt dobozba egymásnak préselve, márpedig a youtube videókban is szinte csak ilyen elrendezést lehet látni. Az ideális az lenne, hogy folyadékhűtésű 'lapradiátorokat' tenni minden két zacskó közé, ezeket pedig összekötni és folyadékot keringetni benne.

A harmadik lépcső a tartályos kivitel, amire gondolom nincs gyári hűtés kötve, és aminek kicsi a külső felülete, az is egy hőt rosszul vezető müanyag burkolat, szóval egy ilyen akkumulátor típus nem segíti a hűtést. Nyilván a legtöbb alkalmazásban ez nem is olyan fontos talán, egy sportautó viszont egész biztos pont ilyen lehet, a hirtelen nagy gyorsítások miatt.

H_M_CS 2018.07.08. 21:48:36

Totál laikus vagyok, de mindig élvezettel olvasom az írásokat erről a villanyos projektről. Egyszerűen, érthetően de mégsem unalmasan fogalmaztok. Csak így tovább!

haromegesztizennegy 2018.07.09. 11:52:32

Követem a projectet, folytassátok!

dukeekud 2018.07.09. 12:58:19

Vajon a Tesla a jobb hutes miatt hasznal kis cellakat, tehat hogy nagyobb arammal lehessen tolteni, kisutni ?
Vagy biztonsagi okokbol ? Serules eseten nincs olyan durva zarlat.
Mert fura, hogy 7-8 ezer cellabol allitjak ossze az akkumlatort, mikozben celszerubbnek tunik az itt is hasznlat joval nagyobb cella.