Alles wat u wilt weten over accu's voor elektrische voertuigen

De snelheid, kilometerstand, koppel en al dergelijke vitale parameters van een elektrische auto hangen uitsluitend af van de specificaties van de motor en het accupakket dat in de auto wordt gebruikt. Hoewel het gebruik van een krachtige motor geen probleem is, ligt het probleem bij het ontwerpen van een batterijpakket dat gedurende lange tijd voldoende stroom voor de motor kan leveren zonder de levensduur te verminderen. Om aan de spannings- en stroomvraag te voldoen, moeten EV-fabrikanten honderden, zo niet duizenden cellen combineren om een ​​batterijpakket voor één auto te vormen. Om een ​​idee te geven heeft het Tesla-model S ongeveer 7.104 cellen en het Nissan-blad ongeveer 600 cellen. Dit grote aantal, samen met de onstabiele aard van lithiumcellen, maakt het moeilijk om een ​​batterijpakket voor een elektrische auto te ontwerpen. Laten we in dit artikel onderzoeken hoe een accupakket voor elektrische voertuigen is ontworpen voor een elektrische autoen wat zijn de vitale parameters in verband met batterijen waarvoor moet worden gezorgd.

Wat zit er in een accupack voor elektrische voertuigen?

Als je het artikel Inleiding tot elektrische voertuigen hebt gelezen, zou je de vraag inmiddels beantwoord hebben. Voor mensen die nieuw zijn, laat me een snelle re-cap geven. De onderstaande afbeelding laat zien hoe het batterijpakket van de Nissan Leaf tot op celniveau uit het pakket wordt gerukt.

Moderne elektrische auto's gebruiken lithiumbatterijen om hun auto van stroom te voorzien vanwege een aantal voor de hand liggende redenen die we later in dit artikel zullen bespreken. Maar deze lithiumbatterijen hebben slechts ongeveer 3,7 V per cel, terwijl een EV-auto ergens in de buurt van 300 V nodig heeft. Om een ​​dergelijke hoge spanning en Ah-classificatie te bereiken, worden lithiumcellen in serie en parallelle combinatie gecombineerd om modules te vormen en deze modules zijn samen met enkele beveiligingscircuits (BMS) en koelsysteem gerangschikt in een mechanische behuizing die gezamenlijk een batterijpakket wordt genoemd, zoals hierboven weergegeven.

Soorten batterijen

Hoewel de meeste auto's lithiumbatterijen gebruiken, zijn we er niet alleen toe beperkt. Er zijn veel soorten batterijchemie beschikbaar. In grote lijnen kunnen batterijen in drie typen worden ingedeeld.

Primaire batterijen: dit zijn niet-oplaadbare batterijen. Dat wil zeggen dat het chemische energie kan omzetten in elektrische energie en niet omgekeerd. Een voorbeeld hiervan zijn de alkalinebatterijen (AA, AAA) die worden gebruikt voor speelgoed en afstandsbedieningen.

Secundaire batterijen: dit zijn de batterijen waarin we geïnteresseerd zijn voor elektrische voertuigen. Het kan chemische energie omzetten in elektrische energie om de EV van stroom te voorzien en ook kan het tijdens het laadproces elektrische energie weer omzetten in chemische energie. Deze batterijen worden vaak gebruikt in mobiele telefoons, EV's en de meeste andere draagbare elektronica.

Reservebatterijen: dit zijn speciale soorten batterijen die worden gebruikt in een zeer unieke toepassing. Zoals de naam al aangeeft, worden de batterijen het grootste deel van hun levensduur als reserve (stand-by) gehouden en hebben ze daardoor een zeer lage zelfontlading. Een voorbeeld hiervan zijn reddingsvestbatterijen.

Fundamentele chemie van een batterij

Zoals eerder verteld, zijn er veel verschillende chemieproducten beschikbaar voor batterijen. Elke chemie heeft zijn eigen voor- en nadelen. Maar ongeacht het soort chemie zijn er weinig dingen die bij alle batterijen voorkomen, laten we ze eens bekijken zonder veel in te gaan op de chemie.

Er zijn drie hoofdlagen in een batterij: de kathode, anode en scheidingsteken. De kathode is de positieve laag van de batterij en de anode is de negatieve laag van de batterij. Wanneer een belasting is aangesloten op de accupolen, stroomt er stroom (elektronen) van anode naar kathode. Evenzo wanneer een oplader is aangesloten op de accupolen, wordt de stroom van elektronen omgekeerd, dat wil zeggen van kathode naar anode zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding.

Om een ​​batterij te laten werken, moet een chemische reactie plaatsvinden die oxidatiereductiereactie wordt genoemd. Soms ook wel Redoxreactie genoemd. Deze reactie vindt plaats tussen de anode en kathode van de batterij via de elektrolyt (scheider). De anode-zijde van de batterij zal bereid zijn elektronen op te nemen en daarom zal er een oxidatiereactie optreden en de kathode-zijde van de batterij zal bereid zijn elektronen te verliezen en daarom zal een reductiereactie optreden. Vanwege deze reactie worden ionen via de separator overgebracht van de kathode naar de anode-zijde van de batterij. Als gevolg hiervan zullen er meer ionen worden verzameld in de anode. Om deze anode te neutraliseren, moet hij de elektronen van zijn kant naar de kathode duwen.

Maar de separator laat alleen ionen stromen erdoorheen en blokkeert elke elektronenbeweging van de anode naar de kathode. Dus de enige manier waarop de batterij de elektronen kan overbrengen is via de buitenste terminals, dit is de reden waarom wanneer we een belasting op de terminals van de batterij aansluiten, we een stroom (elektronen) krijgen die dacht dat het.

Grondbeginselen van chemie van lithiumbatterijen

Aangezien we het gaan hebben over lithiumbatterijen, omdat ze de meest geprefereerde batterij voor EV zijn, laten we ons wat meer verdiepen in de chemie ervan. Er zijn weer veel soorten lithiumbatterijen, lithium-nikkel-kobalt-aluminium (NCA), lithium-nikkel-mangaan-kobalt (NMC), lithium-mangaan-spinel (LMO), lithium-titaan (LTO), lithium-ijzerfosfaat (LFP) zijn de meest gewone. Opnieuw heeft elke chemie zijn eigen kenmerken die netjes worden geïllustreerd in onderstaande afbeelding door Boston Consulting Group.

Hiervan wordt het lithium-nikkel-kobalt-aluminium het meest gebruikt vanwege de lage kosten. We zullen later in dit artikel meer van deze parameters bespreken. Maar wat u hier vaak kunt opmerken, is dat lithium in alle batterijen aanwezig is. Dit komt voornamelijk door de elektronenconfiguratie van de lithium. Een neutraal lithiummetaalatoom wordt hieronder weergegeven.

Het heeft een atoomnummer van drie, wat betekent dat er drie elektronen rond zijn nuclease zullen zijn en de buitenste schil slechts één valentie-elektron heeft. Tijdens de reactie wordt dit valance-elektron eruit getrokken, waardoor we een elektron en een lithiumion krijgen met twee elektronen die een lithiumion vormen. Zoals eerder besproken, zal het elektron als stroom door de buitenste aansluitingen van de batterij stromen en zal het lithiumion door de elektrolyt (separator) stromen tijdens de redoxreactie.

Basisprincipes van accu's van elektrische voertuigen

Nu weten we hoe een batterij werkt en hoe deze wordt gebruikt in een elektrisch voertuig, maar om vanaf hier verder te gaan, moeten we enkele basisterminologieën begrijpen die vaak worden gebruikt bij het ontwerpen van een batterijpakket. Laten we ze bespreken…

Voltageclassificatie: Twee veel voorkomende classificaties die u op een batterij kunt vinden, zijn de voltageclassificatie en Ah-classificatie. Loodzuurbatterijen zijn gewoonlijk van 12V en lithiumbatterijen van 3,7V. Dit wordt de nominale spanning van een batterij genoemd. Dit betekent niet dat de batterij altijd 3,7 V levert over de polen. De waarde van de spanning is afhankelijk van de capaciteit van de batterij. We zullen bespreken