Публикации
Быстрая зарядка – жизненная необходимость для владельцев электрокаров
Gaetan Damblanc – Siemens PLM Software
Всем нам встречались электрокары на улицах города. Безусловно они выглядят футуристично и сразу приковывают к себе взгляд прохожих. Кроме того, подобный вид транспорта еще и крайне удобен… Вы можете заряжать его на трассе, в парках, в некоторых местах даже бесплатно. Ценник у такого «счастья», конечно, кусается и подобный автомобиль еще пока не может похвастаться широкой аудиторией владельцев, несмотря на то, что для последних введены определенные льготы во многих странах.
Другой весомой причиной замедленного захвата рынка, является расстояние, которое способен преодолеть данный автомобиль на одной зарядке. На сегодняшний день, предельная дистанция при езде в реальных условиях составляет 300 км. И несмотря на тот факт, что для ежедневного передвижения между офисом и работой этого достаточно, опрос показал, что несколько раз в год люди все равно ездят на расстояния более 500 км. Безусловно, это не означает, что Вам, например, надо перестать навещать своих родственников в других городах, расположенных дальше 300 км. Однако, очевидно, что ни у кого нет желания постоянно держать в голове мысль о том, хватит ли Вам топлива (в нашем случае электричества), чтобы добраться до места назначения за один заезд или придется прибавить несколько часов на дозарядку на станции. И вместо того, чтобы как можно скорее доехать до бабули, Вам еще предстоит потратить дополнительные деньги на еду и низкопробное чтиво, в отчаянных попытках скоротать внезапно освободившееся время. Вот если бы только зарядка электрокара занимала бы столько же времени, сколько заправка топливного бака…
В равной мере раздвигая границы парусного спорта и возможности самих мореходов, престижное соревнование в последние годы породило новый всплеск интереса к плаванию на быстрых яхтах, технологическим инновациям, спортсменам и командам, поддерживаемым миллиардерами.
Слияние и дробление играют значительную роль в большинстве процессов перемешивания в различных отраслях промышленности. В подобных системах, учет объемной доли газа, его распределения и эффекта, оказываемого на массоперенос и реакции, является абсолютно необходимым.
Итак, первый вопрос: какие проблемы вызывает быстрая зарядка? Сразу перейдем к главному, быстрая зарядка может серьезно повредить батарею. Для ее осуществления требуется высокое напряжение. Чем выше напряжение, тем выше температура ячеек в батарее, что существенно снижает срок ее жизни. Также, при высоком напряжении, возникает взаимодействие отрицательных электродов на поверхности твердого электролита. Данная реакция приводит к образованию литиевых дендритов и их росту при низких температурах (ниже 0 С). Дендриты могут нанести значительное повреждение не только батарее, но и машине в целом. Если один из них «разрастется» в достаточной степени, он может добраться до положительно-заряженного электрода и вызвать короткое замыкание, что в может привести к возгоранию.
Соответственно, нам нужно контролировать процесс зарядки и спроектировать ячейку батареи таким образом, чтобы она могла держать высокую температуру.
Давайте рассмотрим самую обычную цилиндрическую литиево-ионную батарею из любого ноутбука или Тесла-кара с конфигурацией 18650. Батарея имеет никелево-кобальто-алюменевую/графитовую химическую основу и ее емкость составляет 2.8 ампер-часа, что, в рамках заданной конфигурации, делает ее высокоэнергитической. Мы полностью оцифровали данную батарею в BDS, подгрузили геометрию, задали настройки физической модели и можем начать тест пуска и зарядки.
Тестирование батареи проходит в трех разных режимах зарядки постоянным током в 3A, 6A и 9A и в четырех температурных режимах (10oC, -5oC, 5oC и 25oC (при данных температурах чаще всего эксплуатируется автомобиль).
Для того, чтобы точно уловить момент образования литиевого осадка, в BDS встроен удобный монитор, который отслеживает отрицательный потенциал вблизи сепаратора. Если потенциал отрицательный, это означает, что литий осаждается. Следовательно, задача состоит в том, чтобы обеспечить наличие высокого напряжения в отсутствии вероятности приближения к зоне, где потенциал отрицательно заряженного отрицательного электрода (катода) становится отрицательным. Результаты исследования показывают, что существует только одно условие при котором образуется литиевый осадок – напряжение в 3А при температуре -10С.
Рис. 1: Рост напряжения в батарее при зарядке в 9А для разных температурных режимов
Рис. 2: Повышение температуры батареи при зарядке в 9А
Рис. 3: Отрицательная разность потенциалов вблизи сепаратора при зарядке в 9А и разных температурных режимах
Наблюдая за тем, насколько мы можем зарядить батарею за 20 минут, что в целом было принято нами как неплохой показатель для зарядных станций, мы обратили внимание, что при 9А батарею удалось зарядить на 80%. И хотя этот результат был удовлетворительным, температура самой батареи по-прежнему была слишком высокой. Для соблюдения безопасности, мы должны были остановить зарядку на 45С. Однако, в этом случае, уровень зарядки был бы порядка 55%, что очевидно недостаточно для завершения Вашего путешествия в 500 км.
Рис. 4: Рост уровня зарядки при 3,6 и 9А
Рис. 5: Рост температуры при зарядке в 3,6 и 9А
Соответственно, скорость зарядки ограничена допустимой температурой батареи. В действительности, ее рост обусловлен высоким положительным и отрицательным перенапряжением активации, а также рассеиванием и омической поляризацией в электролите. Эти параметры мы можем проанализировать в BDS.
Рис. 6: Различные источники потери напряжения при зарядке в 9А
Так как же нам уложится в требуемые 20 минут?
Для начала, нам надо найти способ снизить влияние перенапряжения активации за счет увеличения площади поверхности активного материала. Для снижения уровня распространения электролита, нам нужно повысить пористость и сократить неравномерность электродов и сепаратора. Наконец, вывод (не совсем удачное слово — лучше использовать разъем или контакт контакт) и токоприемники также являются источниками нагрева, и их геометрию надо сделать такой, чтобы в последствии генерировалось меньшее количество омического тепла.
Тут мы сталкиваемся со сложной задачей, в которой требуется следить за большим количеством параметров. В дополнение, мы бы хотели выяснить, как именно нужно изменить конструкцию батареи, чтобы иметь возможность максимизировать уровень зарядки за отведенные 20 минут. Безусловно, нам также надо удостовериться, что температура не превысит допустимые 45С и не будут образовываться литиевые дендриты.
Благодаря совместному расчету в BDS и HEEDS (инструмент для поиска оптимальных проектных решений компании Siemens), мы можем произвести эти сложные изменения в конструкции в автоматическом режиме. Итак, нам надо решить следующую задачу:
Рис. 7: Исследование параметров конструкции
После проверки, приблизительно, 160 вариантов конструкций, мы нашли наилучший и запустили задачу на совмещенный с HEEDS расчет.
Рис. 8: Рост максимального уровня зарядки для каждого варианта конструкции
В итоге, мы получили 20-ти процентное увеличение производительности зарядной емкости батареи, в ходе двадцатиминутной зарядки.
Рис. 9
Рис. 10
Как видно из результатов для наилучшей конструкции, литиевые осадки не выпали. Основным фактором остановки зарядки было достижение температуры в 45С.
Рис. 11: Потеря напряжения в наилучшем варианте конструкции
Положительное перенапряжение активации и потери напряжения в электролите – это основные причины перегрева батареи.
Тем не менее, мы можем улучшить конструкцию батареи и обеспечить зарядку на 81% в течение 20 минут в безопасных условиях.
