Pakiet akumulatorów i konfiguracja

Konfiguracja pakietu akumulatorów

W pojeździe elektrycznym (samochodzie elektrycznym) konfiguracja pakietu akumulatorów odnosi się do rozmieszczenia poszczególnych ogniw akumulatora w pakiecie akumulatorów. Ta konfiguracja wpływa na napięcie, pojemność, moc wyjściową i ogólne osiągi pojazdu.

Najczęstszą konfiguracją akumulatorów w samochodach elektrycznych jest układ szeregowo-równoległy. W tym układzie wiele ogniw połączonych jest szeregowo, aby zwiększyć napięcie pakietu akumulatorów, a następnie wiele grup ogniw połączonych szeregowo jest połączonych równolegle, aby zwiększyć całkowitą pojemność pakietu akumulatorów.

• Połączenie szeregowe: Zwiększa napięcie pakietu akumulatorów, co jest kluczowe do dostarczenia niezbędnej mocy do napędu pojazdu.
• Połączenie równoległe: Zwiększa pojemność pakietu akumulatorów, co jest niezbędne do magazynowania energii potrzebnej do osiągnięcia pożądanego zasięgu.

Aby obliczyć pojemność brutto pakietu akumulatorów, pomnóż całkowitą pojemność równoległą w amperogodzinach (Ah) przez napięcie znamionowe pakietu akumulatorów w woltach (V). Wynik wyrażony jest w watogodzinach (Wh).

Przykład: Audi Q8 e-tron 55

Poniższy diagram przedstawia konfigurację modułu akumulatora w modelu Audi Q8 e-tron 55. Moduł ten zawiera 12 ogniw akumulatora, z których cztery są połączone równolegle, a grupy tych równoległych zestawów są połączone szeregowo w trzech grupach.

• Specyfikacja ogniw: Każde ogniwo ma napięcie znamionowe 3,6667 wolta i pojemność 72 Ah.
• Napięcie modułu: Trzy ogniwa połączone szeregowo dają napięcie modułu wynoszące 11 woltów.
• Pojemność modułu: 4 x 72 Ah połączone równolegle daje łączną pojemność modułu 288 Ah.
• Napięcie pakietu: Q8 e-tron 55 ma łącznie 36 modułów połączonych szeregowo. 36 x 11 voltów daje 396 woltów dla pakietu.
• Pojemność brutto: 396 voltów x 288 Ah = 114 048 Wh, czyli 114 kWh pojemności brutto.

Przykład: Tesla Model Y Long Range

Tesla Model Y Long Range wykorzystuje 4 416 ogniw w małym formacie 21700, ułożonych w 96 rzędach i 46 ogniw równolegle.

• Specyfikacja ogniw: Każde ogniwo ma pojemność 4,8 Ah i napięcie znamionowe 3,7 wolta.
• Pojemność równoległa: 4,8 Ah x 46 daje łączną pojemność 220,8 Ah.
• Napięcie pakietu: 96 x 3,7 wolta daje napięcie znamionowe pakietu na poziomie 355 woltów.
• Pojemność brutto: 355 woltów x 220,8 Ah = 78,4 kWh.

Przykład: Kia EV6 Long Range

Akumulator o dużym zasięgu w modelu Kia EV6 składa się łącznie z 384 ogniw, skonfigurowanych w 192 rzędach po dwa ogniwa w każdym rzędzie, zorganizowanych w moduły po 12 ogniw.

• Specyfikacja ogniw: Każde ogniwo ma pojemność 55,6 Ah.
• Pojemność równoległa: 2 x 55,6 Ah = 111,2 Ah.
• Napięcie pakietu: Napięcie znamionowe wynosi 3,63 wolta na ogniwo. 192 x 3,63 wolta = 696,96 wolta znamionowego dla pakietu.
• Pojemność brutto: 696,96 wolta x 111,2 Ah = 77,5 kWh.

Kolejne przykłady konfiguracji pakietów akumulatorów

Oto kilka przykładów konfiguracji pakietów akumulatorów:

Konkretny układ konfiguracji pakietu akumulatorów stosowany w samochodzie elektrycznym zależy od różnych czynników, takich jak wymagany zasięg, moc wyjściowa oraz całkowita masa pojazdu.

400 czy 800 woltów?

Producenci zazwyczaj konfigurują pakiety akumulatorów na około 400 lub 800 woltów. Każda konfiguracja ma swoje zalety i wady:

Zalety pakietu 400-woltowego

• Bardziej dojrzała technologia: Systemy 400-voltowe są bardziej sprawdzone i niezawodne.
• Niższy koszt: Tańsze w produkcji.
• Szeroko dostępna infrastruktura ładowania: Łatwiej znaleźć stacje ładowania.
• Więcej dostępnych konfiguracji ogniw: Zapewnia większą elastyczność w doborze ogniw.

Wady pakietu 400-woltowego

• Wolniejsze ładowanie: Wymaga dłuższych czasów ładowania.
• Ograniczona moc wyjściowa: Może nie dostarczać takiej samej mocy jak systemy 800-voltowe.
• Cięższy: Wymaga grubszego okablowania dla osiągnięcia tej samej szybkości ładowania.

Zalety pakietu 800-woltowego

• Szybsze ładowanie: Obsługuje wyższe szybkości ładowania.
• Wyższa moc wyjściowa: Może dostarczać większą moc.
• Niższa masa: Wymaga cieńszych kabli.

Wady pakietu 800-woltowego

• Ograniczona infrastruktura ładowania: Mniej stacji publicznych obsługuje ładowanie 800-voltowe.
• Wymaga mniejszych ogniw: Uniemożliwia użycie większych ogniw, które oferują większą gęstość energii i mniejszą ilość okablowania.

Projekty pakietów akumulatorów

Istnieje kilka standardowych projektów wykorzystywanych do budowy pakietów akumulatorów.

Cell-to-Module (C2M)

Projekt Cell-to-Module (C2M) polega na złożeniu wielu ogniw akumulatora w pojedynczy, samodzielny moduł z zintegrowaną elektroniką i systemami chłodzenia. Takie moduły można następnie łatwo połączyć w kompletny pakiet akumulatorów.

Każdy moduł posiada własny System Zarządzania Akumulatorem (BMS), który monitoruje i kontroluje ładowanie i rozładowanie ogniw w module, co umożliwia bardziej precyzyjne sterowanie i monitorowanie poszczególnych ogniw.

Zalety Cell-to-Module (C2M):

• Modularność: Pojedyncze moduły akumulatorów można wymieniać lub serwisować niezależnie. Jeśli moduł ulegnie awarii, można go wymienić bez wpływu na cały pakiet akumulatorów.
• Zarządzanie termiczne: Moduły zapewniają miejsce na komponenty zarządzania termicznego (takie jak płyty chłodzące lub kanały chłodzenia cieczą), co pomaga regulować temperaturę ogniw i zapewnić optymalne osiągi.
• Skalowalność: Konstrukcje C2M umożliwiają elastyczną konfigurację pakietów akumulatorów. Producenci mogą dostosować liczbę modułów, aby spełnić różne wymagania pojazdu (np. zasięg, moc czy rozmiar).
• Bezpieczeństwo: Izolacja ogniw w modułach zwiększa bezpieczeństwo. Jeśli ogniwo doświadczy termicznego przyspieszenia lub innych problemów, nie wpłynie bezpośrednio na sąsiednie ogniwa.
• Efektywność produkcji: Oddzielna budowa modułów upraszcza montaż i kontrolę jakości. Umożliwia to również równoległą produkcję modułów, usprawniając proces wytwarzania.

Cell-to-Pack (CTP)

Baterie Cell-to-Pack (CTP) to nowy rodzaj technologii akumulatorowej, która eliminuje potrzebę stosowania modułów akumulatorowych, integrując ogniwa bezpośrednio w pakiecie. Kilka firm, takich jak Tesla, BYD i CATL, rozwija tę technologię.

BYD Blade i CATL Qilin to dwa przykłady baterii CTP. Główna różnica między tymi bateriami dotyczy systemu chłodzenia. BYD Blade wykorzystuje chłodzenie cieczą, podczas gdy CATL Qilin stosuje chłodzenie strukturalne, które jest bardziej efektywne.

Zalety Cell-to-Pack (CTP):

• Prostota: Konstrukcje CTP eliminują potrzebę stosowania modułów pośrednich, redukując złożoność. Pakiet akumulatorów integruje ogniwa bezpośrednio.
• Wykorzystanie przestrzeni: Bez modułów więcej miejsca jest dostępne dla ogniw, co może zwiększyć gęstość energii.
• Efektywność kosztowa: Mniej komponentów (brak modułów) może prowadzić do oszczędności w produkcji i montażu.
• Redukcja masy: Eliminacja obudów modułów zmniejsza ogólną masę, poprawiając efektywność pojazdu.

Strukturalny pakiet akumulatorów

Strukturalny pakiet akumulatorów jest zaprojektowany tak, aby stać się elementem konstrukcyjnym samochodu elektrycznego. Takie podejście może zmniejszyć masę pojazdu, eliminując zbędne struktury między pakietem a strukturą pojazdu, ponieważ pakiet akumulatorów staje się częścią struktury nadwozia.

Ten projekt może poprawić ogólne osiągi i efektywność samochodu elektrycznego. Strukturalne pakiety akumulatorów są wciąż stosunkowo nowe, ale kilka firm i instytucji badawczych je bada i rozwija.

Strukturalne pakiety akumulatorów, stanowiące rewolucję w projektowaniu samochodów elektrycznych, oferują wiele korzyści. Redukują masę i złożoność, zwiększają osiągi i ułatwiają płynną integrację technologii akumulatorowej w różnych zastosowaniach.

Tesla Model Y i Tesla Cybertruck to dwa modele, które mają strukturalne pakiety akumulatorów. Według Tesli, to rozwiązanie ma wiele zalet, takich jak znaczne zmniejszenie liczby części stosowanych zarówno w pakiecie akumulatorów, jak i w samochodzie.

Co ważniejsze, firma poinformowała, że nowe ogniwa i strukturalny pakiet mają zwiększyć zasięg Modelu Y o 16 procent i zmniejszyć całkowitą masę samochodu o 10 procent, co skutkuje lepszym przyspieszeniem i prowadzeniem.

Tesla używa różowej pianki poliuretanowej do enkapsulacji i zabezpieczenia komponentów w strukturalnym pakiecie akumulatorów. Ta pianka służy zarówno jako izolator, jak i element konstrukcyjny, zapewniając sztywność i ochronę. Zapewnia także, że ogniwa akumulatora i inne kluczowe komponenty pozostają bezpiecznie na swoim miejscu oraz działa jako przegroda ogniowa między różnymi sekcjami pakietu akumulatorów.

Ta pianka jest tak wytrzymała jak cegła, przyczyniając się do ogólnej integralności strukturalnej pakietu.

Poniższe wideo przedstawia szczegółową analizę pakietu przeprowadzoną przez Munro & Associates.

Gęstość energii na poziomie pakietu akumulatorów

Poniższa tabela pokazuje, jak gęstość pakietu zmieniała się w czasie dla kilku przykładowych pakietów akumulatorów.

Aby uzyskać więcej informacji na temat pakietów akumulatorów, polecamy odwiedzić stronę BatteryDesign.net.