Jak změřit kapacitu trakční baterie v elektromobilu

Víte, jak funguje baterie v autě se spalovacím motorem? A co v elektromobilu? Proč je kapacita v prvním případě uvedena v ampérhodinách a ve druhém v kilowatthodinách? A jaká je vůbec kapacita baterie? Jak je to ve srovnání s dojezdem a množstvím elektřiny? Nastal čas se s těmito problémy jednou provždy vypořádat.

První věc, kterou potřebujete vědět o elektrických bateriích, je to, že přísně vzato, neskladují elektřinu. Produkují ho během chemické reakce.

Akumulaci elektřiny provádějí zcela jiná zařízení – kondenzátory. Jejich kapacita se měří ve faradech – to jsou hodnoty, které charakterizují schopnost pojmout určité množství elektřiny. Kondenzátory se ale pro elektromobily nehodí: přijímají náboj, uvolňují ho, ale špatně se skladují. V důsledku toho se kondenzátory používají například v elektrických obvodech k vyrovnání napěťových rázů: přebytečné absorbují a okamžitě je plynule uvolňují zpět.

Čas od času se objevují zprávy o pokusech využít vysokokapacitní kondenzátory (superkondenzátory) jako zdroje energie pro automobily. Tímto směrem uvažovali zejména designéři notoricky známých domácích „e-mobilů“. V důsledku toho se však záležitost nikdy nedostala nejen do sériových vozů, ale ani do běžících modelů.

Obecně pro nás nejsou vhodné kondenzátory, jejichž kapacita se měří ve faradech. Pojďme k bateriím.

Zásadní rozdíl mezi baterií je v tom, že se nejedná o fyzické zařízení, ale o elektrochemické zařízení. Uvnitř každé baterie, ať už je to tradiční olověná baterie v autě Žiguli nebo lithium-iontová baterie v Tesle a většině chytrých telefonů, dochází k chemické reakci, která produkuje elektrický proud. Tato reakce je vratná: když elektrický proud prochází zpět baterií, chemická reakce se obrátí a zařízení se „nabije“.

Hlavní výhodou oproti kondenzátoru je, že baterie může zůstat v „nabitém“ stavu poměrně dlouhou dobu – dny a dokonce i měsíce. Existují i ​​nevýhody – například baterie nemůže uvolnit všechnu energii v ní nahromaděnou najednou, potřebuje k tomu chemickou reakci a to vyžaduje čas.

Baterie tedy na rozdíl od kondenzátoru elektrickou energii neakumuluje – vyrábí ji. A právě to, jaký proud a jak dlouho baterie produkuje, charakterizuje její „kapacitu“.

Pro měření takové kapacity je třeba změřit parametry generovaného proudu. Změřte například sílu proudu a dobu, po kterou nezeslábne. Proud se měří v ampérech, čas se měří v hodinách, takže se ukazuje, že kapacita jakékoli baterie se měří v ampérhodinách nebo Ah.

Zde je důležité pochopit, že tato kapacita se měří výhradně empiricky. Pokud baterie vyrobila své ampérhodiny, neznamená to, že přestala vyrábět elektřinu. To znamená, že již není schopen produkovat požadovaný proud. Například u olověné autobaterie se proud měří během 20hodinového vybíjecího cyklu. Pokud se rovná 3 ampérům, pak je kapacita 60 Ah. To ale neznamená, že po 20 hodinách bude baterie zcela vybitá.

Jak udělat baterii větší? Na první pohled je nejzřetelnějším způsobem zvýšení množství látky zapojené do chemické reakce. Pak se buď zvýší proud, nebo reakce bude moci trvat déle – v každém případě se zvýší počet ampérhodin. Ale je tu nuance.

Bez ohledu na to, jak velká je baterie, bez ohledu na to, kolik lithia se spotřebuje na její výrobu, napětí výsledného proudu bude konstantní. Tento parametr je vlastní chemické reakci samotné a zvýšením množství látky nelze měnit aktuální napětí.

Například u olověných baterií je to 2 volty a u lithium-iontových baterií je to 3,7 voltu. Abychom byli přesní, napětí se stále pohybuje v nějakých mezích, ale v průměrné (nominální) hodnotě je konstantní.

Jak tedy auta dosáhnou 12 voltů? Je to velmi jednoduché – připojte baterie do baterie. Typická olověná baterie vyžaduje šest 2voltových baterií spojených dohromady.

Obecně lze baterie zapojit dvěma způsoby: sériově a paralelně. Pokud připojíme baterie paralelně, pak ve skutečnosti jednoduše zvětšíme velikost baterie: počet ampérhodin se zvýší, ale napětí zůstane nezměněno. Pokud je zapojíte do série, stane se opak: napětí se zvýší, ale počet ampérhodin zůstane stejný, protože proudová síla se nemění.

Řekněme, že máte dvě AA lithium-iontové baterie s kapacitou 1 Ah. Pokud je zapojíte paralelně, celková kapacita bude 2 Ah a napětí se nezmění. A pokud paralelně, napětí se zvýší na 7,2 voltů, ale kapacita zůstane stejná – 1 Ah. Je jasné, že skutečné množství elektrické energie z těchto baterií k napájení něčeho se v obou případech zdvojnásobí.

Ukazuje se, že kapacita měřená v Ah je orientační pouze pro jednotlivé baterie s pevným napětím. U baterií, jejichž napětí může být libovolné, je správnější a pohodlnější měřit praktickou kapacitu v kilowatthodinách. Co je to kilowatt? Jedná se o jednotku výkonu, tedy o práci, kterou dokáže vyrobit elektrický proud. Výkon proudu 1 ampér při napětí 1 volt je 1 watt a tisíc wattů je kilowatt.

Chcete-li zjistit kapacitu baterie ve Wh, stačí vynásobit její ampérhodiny napětím ve voltech. Pro převod na kWh vydělte výslednou hodnotu tisíci. Například olověná baterie běžného auta se spalovacím motorem, která si řekne 60 Ah, s napětím 12 voltů bude mít kapacitu 12 * 60 = 720 Wh nebo /1000 – 0,72 kWh.

Tento výpočet je však dost hrubý. Jak již bylo zmíněno v tomto článku, kapacita buď baterie v ampérhodinách nebo baterie v kilowatthodinách je charakteristika získaná empiricky a neodráží celkové množství elektřiny, které je baterie schopna vyrobit, ale její schopnost napájet jakýkoli elektrický spotřebič. Například trakční motor.

Řekněme, že motor elektromobilu při jízdě konstantní rychlostí 100 km/h po rovné silnici spotřebuje proud 20 kW. To znamená, že baterie s kapacitou 100 kWh vydrží pět hodin nebo 500 km.

Pro ilustraci toho, že Ah nelze snadno převést na kWh, si připomeňme příběh Tesly Model 3. Automobilka při prezentaci hned neuvedla kapacitu baterie. Ale americké vládní agentury, které testovaly auto pomocí svých vlastních metod, obdržely následující údaje: jmenovité napětí 350 voltů, kapacita – 230 Ah. Vynásobením těchto čísel dostaneme 80,5 kWh. Generální ředitel Tesly Elon Musk však tyto výpočty vyvrátil: říkají, že v reálném životě tolik nevymáčknete pouze 75 kWh nabití na pohon trakčního elektromotoru.

Jaký je tedy výsledek? Na co se zaměřit? Přesně pro kapacitu v kWh. Za prvé, všechna elektrická vozidla mají různá napětí, takže kapacita Ah není orientační (pokud neznáte typ a počet základních baterií v baterii). Za druhé, moderní baterie nejenže nejsou schopny dodat požadovaný proud až do úplného vybití, ale v zásadě se bojí vybít na nulu – to je kazí.

Důležité tedy není množství elektřiny v baterii, ale práce, kterou elektromotor při napájení z baterie zvládne. V konečném důsledku to určuje dojezd vozidla na jedno nabití.

A kWh je také výhodná, pokud se chystáte používat svůj elektromobil jako úložiště energie pro váš domov. Spotřeba elektřiny domácími spotřebiči – ať už je to žárovka nebo lednička – se měří v kWh – tyto jednotky se počítají měřičem. Sami tak můžete odhadnout, kolik hodin nebo dní vám baterie elektromobilu vydrží, pokud u vás doma vypadne proud.

Při výběru baterie je třeba vzít v úvahu několik důležitých ukazatelů, které ovlivňují její výkon a odpovídají konkrétnímu modelu vozu. Jedná se o celkové rozměry, kapacitu, polaritu. Dalším klíčovým ukazatelem je náběhový proud, kterému se budeme věnovat v této recenzi.

Je rozšířeným názorem, že čím vyšší startovací proud baterie, tím lépe. Ve skutečnosti to není tak úplně pravda.

Definice a význam zapínacího proudu

Při vší důležitosti ostatních parametrů lze důležitost rozběhového proudu vyjádřit jednou větou: pokud nemá dostatečnou hodnotu (úroveň), tak auto prostě nenastartuje. Zvlášť v mrazu.

Startovací proud (zkráceně CT) baterie má jinou definici: studený startovací proud. A o to právě jde. V motoru, který je ve studeném nezahřátém stavu, je viskozita oleje o řád vyšší. Právě ve chvíli, kdy se auto rozjede, je startér nucen vynaložit značné množství energie. Pro uvedení setrvačníku s písty do pohybu je nutné dodat potřebnou „porci“ elektřiny z baterie.

Pokud tedy úroveň studeného startovacího proudu není nižší než standardní, můžete auto bez problémů nastartovat.

Jaké ukazatele jsou považovány za optimální?

Napětí správně fungující baterie se prakticky nemění a rovná se 12 voltům. A čím vyšší proud, tím vyššího výkonu je startér schopen dosáhnout. Ale není třeba se honit rekordy. Pojďme určit, které PT lze nazvat optimální.

Startovací proud je maximální proud, který je baterie schopna dodat, a to přesně v minimálním časovém intervalu.

Takže: ke spuštění motoru osobního vozu střední třídy je potřeba od 250 do 270 Ampér. Toto je optimální hodnota PT.

Neexistuje jediný univerzální ukazatel proudu. Koneckonců záleží na více faktorech: v jakém klimatu se používá, jaký je výkon auta, jaký je typ motoru.

Na jihu Ruska není PT tak důležitý, protože při zvýšených teplotách je ropa v požadovaném kapalném stavu. Přesně opačná je situace v severních oblastech, kde vlivem chladu výrazně narůstá viskozita oleje a na start je potřeba zvýšené úsilí. A tedy vyšší startovací proud.

Předpokládá se, že při teplotě +5 (plus nebo mínus několik stupňů) DC nesmí překročit 230 ampér a dokonce být o 10% nižší!

Pokud potřebujete nastartovat auto při mínusových teplotách kolem 15 stupňů, budete potřebovat 270-300 Ampér.

Optimální hodnoty startovacího proudu – podle odborných odhadů

Vezmeme-li v úvahu skutečnost, že benzínové motory spotřebují méně než dieselové motory, které mají vyšší kompresní poměr, lze odvodit následující vzorec:

Průměrná hodnota pro benzín je 260 ampér.

Průměrná hodnota pro vznětové motory je asi 290 ampér.

Proto můžeme s jistotou říci, že číslo 300 ampér bude pro osobní automobil optimální! Tyto ukazatele jsou zcela dostatečné.

Pokud mluvíme o nákladní dopravě, je obtížnější odvodit průměrné hodnoty: nákladní automobily mají široký rozsah výkonu. Můžete jmenovat číslo v řádu 600-800 ampérů.

Mám si vybrat baterii s vysokým proudem?

Existuje mylná představa, že čím vyšší startovací proud baterie, tím lépe. Ti, kteří tak přemýšlejí, často padají do marketingových pastí. Mnoho výrobců má zájem propagovat baterie s nepřiměřeně vysokým výkonem a samozřejmě vysokou cenou.

Vyplatí se tedy vůbec brát baterie se stejnosměrným proudem 500 ampér a více?

Odborníci odpovídají: To se nedoporučuje!

A pro takové tvrzení existují pádné argumenty. Proud přes 300 ampér je již nadměrný. Jaký má smysl kupovat baterie s obrovskou zásobou a navíc přeplácet?

No a hlavně: čím vyšší startovací proud, tím méně baterie vydrží. Protože životnost baterií se zvýšeným proudem je nižší než u průměrných!

Zamyslete se sami: pokud si koupíte baterii se zbytečnou rezervou PT přesahující dostatečnou hodnotu, pak „přebytek“ nijak nevyužijete a navíc budete nuceni baterii častěji měnit! Tedy platit častěji za nový.

Hlavní závěr: vezměte baterii se startovacím proudem 250-300 ampér, protože tyto indikátory jsou více než dost!

Co ovlivňuje ukazatele startovacího proudu

Řidiči se často domnívají, že určitý rozběhový proud odpovídá určité kapacitě. To je špatně.

Při analýze dobíjecích baterií s jednou hodnotou kapacity, které jsou vyráběny v různých zemích, se tato vlastnost ukáže jako významný rozdíl v hodnotách DC. Navíc rozdíl může přesáhnout 35 %! S čím to souvisí?

Odpověď je jasná: důvod rozdílu spočívá v použitých technologiích. Zde je seznam hlavních nuancí:

1. Zvýšený počet desek. Pokud porovnáme pouzdra stejné velikosti, pak nejlepší výkon z hlediska DC budou mít baterie s velkým počtem desek;

2. Použití čistého (nebo jinými slovy čištěného) olova. Pokud je součástí (i tradičních) kyselých baterií, přispěje k rychlejšímu nabíjení. Výše uvedené platí i pro vypouštění. V důsledku toho bude startovací výkon lepší;

3. Zvýšená poréznost plusových desek. To způsobí, že se nahromadí více náboje;

4. Stupeň odpařování elektrolytu, který přímo závisí na úrovni těsnosti pouzdra. Utěsněné a utěsněné baterie eliminují možnost odpařování. Díky tomu je v baterii udržována požadovaná hladina a desky nejsou odkryty;

5. Rozdíl v množství nalitého elektrolytu.

Samostatně stojí za to zdůraznit použití inovací. Pokud analyzujeme nejnovější technologie, pak budou lídry z hlediska účinnosti DC GEL a samozřejmě AGM. V údajích o baterii dosahují indikátory až tisíc ampér v intervalu 30 sekund. To je výrazně více (jmenovitě 3, někdy 4krát) než u tradičních analogů kyselin.

Ale pokud se na to podíváte objektivně (a vezmete v úvahu hlavní závěr našeho článku), takové ukazatele jsou potřebné pouze pro velmi výkonné džípy nebo vysokorychlostní prémiová auta s přemrštěnými údaji o výkonu. U středně velkých vozů nemá nákup baterií ani v oblasti 500 (a ještě více výše) ampérů smysl: další ampéry a snížení životnosti baterie. Kromě toho jsou takové baterie mnohem dražší, což není opodstatněné.

Existuje také něco jako spojení se statusem: přední výrobci prohlašují garantovanou kvalitu (která ne vždy odpovídá skutečnosti). Ale to je vždy doprovázeno označením značky!

Klasifikace akceptovaná ve světě

Ve světové praxi se můžete setkat s různými klasifikacemi, podle kterých se určuje startovací proud konkrétní baterie. Pro pohodlí byl vyvinut systém značení: když najdete určitá písmena, okamžitě pochopíte, kde byla baterie vyrobena. Mezi hlavní klasifikace PT patří:

• V Německu – DIN
• V USA – SAE
• V zemích Evropské unie (kromě Německa) – EN
• V Rusku, na Ukrajině a v některých zemích bývalého SSSR jsou běžné nápisy „startovací proud“ a také „startovací proud“.

Pokud při nákupu nové baterie nejsou tyto indikátory na pouzdře (což je velmi vzácné), počáteční hodnoty proudu by měly být uvedeny v návodu/brožuře.

Spuštění techniky měření proudu

Když napětí klesá, spotřeba Ampérů se zvyšuje. Jedná se o propojený proces a metody (bez ohledu na zemi) určují výši spotřeby. To znamená, že se simuluje start a tím se měří hodnota startovacího proudu baterie. Pokud jde o proces chlazení, je nutné simulovat situaci nízké teploty a drsných provozních podmínek.

— V evropských zemích jsou baterie chlazeny na značnou hodnotu – minus 18 stupňů. Poté jsou speciálně vybity – na to je vyhrazeno deset sekund. Vybíjení je povoleno do 7,5 V.

— V Německu probíhá chlazení na stejnou teplotu, ale pro vypouštění je přiděleno třikrát delší dobu: půl minuty. Liší se také množství výboje – až 9 Voltů.

— V USA se používají úplně stejné indikátory, jedinou výjimkou je hloubka vypouštění. Je ještě nižší: 7.2 V.

— V Rusku se spoléhají na stejné standardy jako v Německu: všechny ukazatele jsou totožné.