HV akkumulátorok élettartamtervezése – 1. rész

Nem újdonság, hogy az elektromos járművek akkumulátorainak fejlesztése az elektrifikáció egyik legnagyobb kihívását jelenti, mivel az akkumulátorok kulcsszerepet játszanak az elektromos járművek teljesítményében, hatótávjában, biztonságában és költségeiben. Az amerikai autógyártók és az Egyesült Államok Energiaminisztériuma (DOE) alapított USABC konzorcium által támogatott projektek széles kört fednek le, beleértve az akkumulátor anyagok kutatását, új akkumulátor architektúrák kifejlesztését, valamint az akkumulátor-újrahasznosítási és életciklus-kezelési stratégiák kidolgozását. Rövid cikkünkben ennek legfontosabb fogalmait érintjük.

Az USABC állítása szerint egy plug-in hibrid (PHEV) által használt akkumulátornak több mint 15 évig és 300,000 töltési cikluson keresztül kell tartania. Azonban élettartama különböző stressztényezőktől függ, amelyek erőteljesen befolyásolják a leépülés mértékét, ahol a hőmérséklet jelentős tényező. Továbbá, mivel az akkumulátor az elektromos járművek legdrágább eleme, így annak fejlesztése során az autóipar arra összpontosít, hogyanfejlesszen jobb akkumulátor hőmérséklet-kezelő rendszereket, hogy elkerüljék a korai és költséges akkumulátor cseréket.

A hőmérséklet és a leépülés kapcsolatát az ún. Arrhenius-típusú viselkedéssel lehet leírni. Az Arrhenius-típusú viselkedés egy (a) kémiai reakciók sebességét meghatározó modell, amelyet Svante Arrhenius svéd kémikus dolgozott ki 1889-ben. Ez a modell leírja, hogy a reakciósebesség hogyan függ a hőmérséklettől, és alapvetően azt sugallja, hogy a reakciósebesség exponenciálisan növekszik a hőmérséklet növekedésével.

A litium-ion nagyfeszültségű (HV) akkumulátorok esetében az Arrhenius-típusú viselkedés alkalmazása kulcsfontosságú az akkumulátorok élettartamának és teljesítményének előrejelzésében, valamint a megbízhatóságuk és biztonságuk javításában. A litium-ion akkumulátorok kémiai reakciói, beleértve a töltést és kisütést, valamint az elektrokémiai degradációs folyamatokat, érzékenyek a hőmérséklet változásaira. Az Arrhenius-egyenlet segítségével megérthetjük, hogyan befolyásolja a hőmérséklet ezeket a folyamatokat és ezáltal az akkumulátor teljesítményét és élettartamát.

Hőmérséklet Hatása az Akkumulátor Teljesítményére és Élettartamára

Aktiválási Energia és Reakciósebesség
A litium-ion akkumulátorokban zajló elektrokémiai reakciók aktiválási energiával rendelkeznek. Magasabb hőmérséklet csökkenti az aktiválási energia gátat, így növelve a reakciósebességet. Ez javíthatja az akkumulátor töltési és kisütési teljesítményét rövid távon, de gyorsíthatja az elektrokémiai degradációt is, amely hosszú távon csökkenti az akkumulátor élettartamát. Fontos megjegyezni, hogy a pontos kapcsolat függ az akkumulátor specifikus elektrokémiájától és tervezésétől, ami azt jelenti, hogy nincs egyetlen élettartam-modell sem, amely minden különböző kémiai összetételt modellezne.

Degradációs Folyamatok
Az Arrhenius-egyenlet segítségével modellezhető degradációs folyamatok, mint a szilárdtest-interfész (SEI) réteg növekedése, lítium-dendritek képződése, elektrolit oxidáció, és az aktív anyag strukturális bomlása, fokozódnak a hőmérséklet növekedésével. Ezáltal a magasabb hőmérsékletek rövidítik az akkumulátor élettartamát. Bár a kapacitás növekszik az üzemeltetési hőmérséklet emelkedésével, a kapacitás csökkenésének mértéke is növekszik, ami gyorsabb degradációt eredményez.

Hőmérséklet-kezelés
A hőmérséklet szorosan kapcsolódik az akkumulátor biztonságához és megbízhatóságához. Az litium-ion akkumulátorok esetében a túlmelegedés kockázata, mint a termikus elszabadulás, kritikus lehet, különösen HV alkalmazásokban. Az Arrhenius-egyenlet alkalmazásával a mérnökök jobban megérthetik, hogyan kell tervezniük a hőmérséklet-kezelő rendszereket, hogy optimális működési tartományban tartsák az akkumulátorokat, minimalizálva ezzel a káros hatásokat. Az iparági referenciaként, az EV akkumulátorok elérik autós alkalmazásuk élettartamának végét, amint 20 százalékos kapacitásvesztést vagy 30 százalékos belső ellenállás növekedést érnek el.

(Folytatjuk)

Forrás: electronicdesign.com, automotive-iq.com, uscar.org, sciencedirect.com, mdpi.com