Az elektromos autó akkumulátorának felépítése és működése

Elgondolkozott már azon, hogy mitől futnak ilyen gördülékenyen az elektromos járművek (EV-k)? Mindez a hallónak köszönhető: a lítium akkumulátoroknak! A modern elektromos autózás megteremtésében az anyagtechnológia, azon belül is az akkumulátortechnológia fejlődése játszotta és játssza ma is a legnagyobb szerepet. Hogy ezt jobban megértsük, érdemes megismerkedni az energiatárolás fejlődésével.

A lítium a legkönnyebb fém a periódusos rendszerben, de egyben a legnagyobb elektrokémiai potenciállal is rendelkezik. Ennek köszönhető, hogy az egyik legnagyobb energiasűrűségű akkumulátor alapanyaga lehet. A lítium felhasználásának lehetőségét a különböző tölthető és nem tölthető áramforrásokban egy amerikai kémikus, Gilbert Newton Lewis már 1912-ben felvetette, de a 70-es évekig kellett várni, mire elkészült az első kereskedelmi forgalomban kapható, nem tölthető lítiumelem. Ezt követően újabb évtizedek teltek el sikertelen próbálkozásokkal, amelyek a tölthető lítiumakkumulátor megalkotására irányultak. A legnagyobb problémát a cella instabilitása okozta. Stabil cella csak akkor jött létre, amikor a lítiumot valamilyen vegyület formájában alkalmazták elektrolitként és oxidja formájában a cella katódjaként. Anódként szenet, vagyis grafit elektródát használtak. 1991-ben a Sony dobta piacra a világon elsőként a lítiumion akkumulátort, amely a későbbiekben a vezető akkumulátorfajtává nőtte ki magát.

Az akkumulátorok összetettsége és technológiai fejlettsége számos tényezőtől függ. Az elektromos autó akkumulátorok az elektromos autók szíve. Más akkumulátorokhoz képest különösen nagy teljesítményűek és a legnagyobb energiasűrűséggel rendelkeznek. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátorok kilogrammonként a legtöbb energiát képesek tárolni.

Az akkumulátor felépítése: cellák, modulok, csomagok

Egy elektromos autó akkumulátor felépítése kevésbé bonyolult dolog, mint amilyennek első ránézésre tűnhet. Minden egyes akku három részből áll: akkumulátorcellákból, modulokból és az akkumulátorcsomagból. Ezek közül a legfontosabb elemnek a cellák számítanak.

Bennük minden esetben egy lítiumból vagy más fém-oxidból készült pozitív elektróda és egy karbonból készült negatív elektróda található. A töltés során a cellákon folyik át az áram, a lítiumionok pedig a negatív elektróda irányából áramlanak a pozitív elektróda felé. Kisütéskor az anódban (grafitban) lévő lítium-ionok elektronokat szabadítanak fel. Ezek az elektronok áthaladnak a külső áramkörön, táplálva az eszközt. Ezek az anyagok, beleértve az aktív elektródákat és a vezetőképes anyagokat, meghatározzák az akkumulátor hatékonyságát, töltési kapacitását és általános teljesítményét.

Toyota Auris hibrid részletes adatok

A modulok szerkezeti védelmet nyújtanak a celláknak, és lehetővé teszik a könnyebb kezelhetőséget, illetve karbantartást. Az akkumulátorcsomag több, sorosan vagy párhuzamosan kapcsolt cellából áll. Az akkumulátorcsomag általános teljesítménye és élettartama a benne lévő leggyengébb cellától függ. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátorcsomagban lévő egyes cellák teljesítményének egységesnek kell lennie. Az egyes cellák teljesítményében és az alapanyagok minőségében mutatkozó eltérések mellett a legfontosabb tényező a gyártási folyamat.

A lítium-ion akkumulátorok kémiája és típusai

A folyamatos kutatás-fejlesztésnek köszönhetően, míg 1994-ben egy 18650 jelölésű (méretű) cella előállítási költsége meghaladta a 10 amerikai dollárt, kapacitása pedig 1100 mAh körül alakult, addig 2001-ben az ár 3 dollárra csökkent, a kapacitás pedig 1900 mAh-ra nőtt. Az elektromos autók egészen más típusú akkumulátort igényelnek, mint egy hagyományos jármű. A leggyakrabban a gyártók lítiumion akksit használnak, melyekre a nagy energiasűrűség jellemző. Ez határozza meg, hogy az adott méretű és térfogatú eszköz mennyi energiát képes tárolni. A magasabb energiasűrűség hosszabb hatótávolságot biztosít. Ennek köszönhetően magas hőmérsékleten is jó teljesítményt nyújtanak, a lemerülési sebességük pedig alacsony. Bizonyos villanyautó-típusoknál ólomsavas vagy nikkel-fém hibrid akkumulátorokat is használhatunk. Ezek azonban általában alacsonyabb energiasűrűséggel rendelkeznek, nagyobb a súlyuk, előállítási folyamatuk pedig kevésbé környezetkímélő.

Nézzük meg a főbb lítium-ion akkumulátor kémiákat:

Lítium-kobalt-oxid (LCO): Az akkumulátor katódja, vagyis a pozitív elektródája kobalt-oxidból, anódja, vagyis negatív elektródája grafitból készül. Ez az összetétel a mobiltelefonokban, laptopokban, kis fogyasztású eszközökben terjedt el, mivel energiasűrűsége az egyik legnagyobb a lítiumcellák közül, de nem tud nagy áramot leadni, tehát a teljesítménye kicsi.
Lítium-mangán-oxid (LMO): A névadó vegyület ebben az esetben is a katód anyagát jelöli. A belső térhálós szerkezetnek (spinel) köszönhetően alacsony belső ellenállással rendelkezik, tehát nagy áram leadására képes. Olyannyira, hogy egy átlagos 18650 méretű cella tartósan 10 amper feletti, impulzusszerűen pedig 50 ampernél is több áramot képes kipréselni magából. A nagy teljesítmény leadása közben azonban hő termelődik, és ha nem tudja elég gyorsan leadni, fennáll a veszélye, hogy károsodik a cella. Szintén a térhálós szerkezetből adódóan nagyobb mechanikai stabilitással is rendelkezik.
Nikkel-mangán-kobalt (NMC): Ennek a cellának a vegyületéből rögtön kitűnik, hogy az előző két verzió kombinációját takarja. Ez az ötvözés a tulajdonságaiban is tetten érhető, mert a mérnököknek sikerült egyesíteni benne a teljesítmény és a kapacitás iránti igényeket. Az anód ennél a cellánál szilíciumot is tartalmaz. A hozzáadott szilícium mértékével nő a kapacitás, de csökken a teljesítmény. A nikkel és a kobalt mértékével szintén lehet befolyásolni az akkumulátor tulajdonságait.
Lítium-titanát (LTO): Ebben az összetételben az előzőektől eltérően az anód anyaga a grafit helyett titán, a katód lehet mangán-oxid szintén térhálós szerkezetben. Ez az összetétel speciálisan a nagy kapacitást igénylő alkalmazásokhoz fejlesztették ki. A korábbi cellatípusoknál alacsonyabb cellafeszültséggel rendelkezik és a tárolókapacitása is alacsonynak mondható. Ez a kémiai összetétel a korábbiaknál ellenállóbbá teszi a cellákat a maximális feszültségre történő töltéssel szemben, de ez az átlagos lítiumion akkumulátoroknál alacsonyabb, ezért névleges feszültsége is kisebb.

Akkumulátorok fizikai formái és tokozása

Az akkumulátorok számtalan szabványos tokozásban testet ölthetnek, mégis vannak olyan formák, amelyek egy-egy technológiához köthetők, azzal egy időben terjedtek el.

Hengeres lítiumcella: A hagyományos ceruzaelemeknél minden irányban nagyobb tokozás segít elkerülni az akkumulátorok véletlen felcserélődését. A hengeres tokozás azért is ideális a lítiumcellák számára, mert ennek a felépítésnek a legnagyobb a mechanikai szilárdsága. A hagyományos ceruzaelemek (és NiMH testvérei) „AA” jelölésű 14,5 mm átmérőjű és 50 mm hosszú hengeres tokozást kaptak. Ezzel szemben a 90-es években megalkotott 18650 jelű lítiumcellák, ahogy a számokból kiolvashatók, 18 milliméter átmérőjűek és 65 mm hosszúak. A Tesla és a Panasonic közös fejlesztésének eredménye a 2170 méretű lítiumakkumulátor. A 65 mm hosszú cellákból még léteznek 26650 és 32650 jelöléssel ellátott 26 mm és 32 mm átmérőjű alakzatok is. Mivel az elektromos autózásban a Tesla által használt hengeres forma a legelőremutatóbb, ennek szabványos méreteit vizsgáljuk meg részletesebben.
Gombakkumulátorok: Gyakori a lapos gombelemre jellemző felépítés is (Button cell), jellemzően kisméretű és energiaigényű hordozható készülékek számára.
Prizmatikus és tasakos (pouch) cellák: A szögletes, téglatest alakú li-ion akkumulátorok előfordulása is meglehetősen gyakori. A mobiltelefonok, tabletek és vékony notebookok energiatárolójaként találkozhatunk velük. A lapos, szögletes cellák kétféle mechanikai védelmi szinten készülnek. A gyengébbet a szakirodalom csak zacskós akkumulátorként (Pouch cell) emlegeti, mivel az elektrolit kifolyását egy műanyag fólia akadályozza meg. A zacskós cellák előnye, hogy szinte bármilyen méretű téglalap alakú helyre lehet őket méretezni. A magasabb védelem érdekében a cellára vékony műanyag tokot helyezve megkapjuk a mobiltelefonok cserélhető akkumulátorairól ismert téglatestet (Prismatik cell), amely belsejében valójában egy zacskós cella lapul.

Az elektromos autózás úttörői és az akkumulátorok fejlődése

Amikor az elektromos autózás inkább néhány őrült hobbija volt, mint valós közlekedési alternatíva, akkor még a házi projektekhez savas ólomakkumulátorokat használtak. Aztán később megjelent az árban versenyképes, tömbszerű lítiumakkumulátor, de akkoriban még nagyon kevés információ állt rendelkezésre ezeknek a „különös jószágoknak” a működéséről. Mégis sokaknak sikerült működő járműveket létrehozni, még néhány kis cég is vállalt átépítéseket, természetesen az akkumulátorok, motorok, vezérlők és töltők beszerzésével együtt.

Késések az elektromos Land Rover terveiben

A lítium alapú akkumulátorok járműipari alkalmazásának vastag jegét a Tesla Motors, egy kis amerikai start-up vállalat törte meg azzal, hogy egy Lotus Elise vázat teletömött 18650-es lítiumakkumulátorral és tettek mellé egy brutálisan erős motort. A közönség lélegzete elállt és egy csapásra megváltozott a világ korai elfogadóinak véleménye arról, hogyan is kell egy elektromos autónak kinéznie és az úton viselkednie. Ezután hosszú-hosszú éveknek kellett eltelnie, mire egyáltalán a hibrid autókban elkezdték alkalmazni a ezeket a cellákat.

A lítium-ion akkumulátorok számos előnye van: kompakt méretüknek köszönhetően több lítium-ion akkumulátor is elfér az elektromos autókban. Az akkumulátorainkat nem befolyásolja az úgynevezett "memóriahatás". A lítium akkumulátorok energiasűrűsége általában háromszor nagyobb, mint a NiCd és NiMH akkumulátoroké. Ezeket a megoldásokat ugyanis úgy tervezték, hogy a hatékony működés érdekében a lehető legtöbb energia tárolására legyenek képesek. Az eltérő típusú járművekhez általában más-más méretű és kivitelezésű megoldásra lesz szükségünk.

A lítium-fém akkuk forradalmasíthatják az elektromos autókat 💻 PC World

Az akkumulátorok kulcsfontosságú jellemzői

Az elektromos autó akkumulátorainak megértéséhez fontos néhány alapvető fogalommal tisztában lenni:

Nyitott áramköri feszültség (OCV): A nyitott áramköri feszültség az akkumulátor kapcsain mért feszültséget jelenti, amikor az nincs csatlakoztatva semmilyen terheléshez vagy áramkörhöz. Ez lényegében az a feszültség, amelyet az akkumulátor termel, amikor nincs áram.
Üzemi feszültség (Working Voltage): Az üzemi feszültség az a feszültség, amely az akkumulátor kivezetésein lép fel, miközben az áram átfolyik az áramkörön. Ez mindig alacsonyabb, mint a szakadási feszültség az akkumulátor belső ellenállása miatt.
Lezárási kisülési feszültség (Discharge Cut-off Voltage): A lítium akkumulátor kisülési zárófeszültsége az a minimális feszültségszint, amelyen az akkumulátort le kell meríteni, hogy elkerülje a károsodást vagy az élettartam csökkenését. Ez alatt a feszültség alatt a további kisülés visszafordíthatatlan károsodást okozhat az akkumulátor celláiban.
Töltési határfeszültség (Charge Cut-off Voltage): A töltési határfeszültség a lítium akkumulátor maximális feszültsége, amelyre az akkumulátor biztonságosan tölthető. Ennek a feszültségnek a túllépése túlmelegedéshez, az akkumulátor élettartamának csökkenéséhez vagy akár biztonsági kockázatokhoz vezethet. Ez az a feszültség is, amelyen a töltés állandó áramról állandó feszültségre vált.
Kapacitás: A kapacitás az akkumulátor által tárolható energia mennyiségét jelenti, ami a teljesítményének kulcsmutatója.
Energiasűrűség: A tömeg- vagy térfogategységre jutó energia, Wh/kg-ban vagy Wh/L-ben mérve.
Teljesítménysűrűség: A tömeg- vagy térfogategységre jutó kimenő teljesítmény, W/kg-ban vagy W/L-ben mérve.
Kisülési sebesség (C-ráta): A kisülési sebesség, amelyet gyakran C-rátaként is emlegetnek, azt jelzi, hogy az akkumulátor a kapacitásához képest milyen gyorsan meríthető le. Például az 1C kisütési sebesség azt jelenti, hogy az akkumulátor egy óra alatt lemeríti teljes kapacitását. A magasabb C-arány gyorsabb kisülést, míg az alacsonyabb C-arány lassabb kisülést jelez.
Belső ellenállás: Az akkumulátor azon ellenállására utal, amellyel működés közben az akkumulátoron keresztül áramlik az áram. Két típusa van: ohmos ellenállás és polarizációs ellenállás. Az ohmikus ellenállás az elektródák anyagából, elektrolitokból, szeparátorokból, valamint a különböző alkatrészek érintkezési ellenállásából tevődik össze. A belső ellenállás megléte miatt, amikor az akkumulátor lemerül, hő keletkezik, és energiát fogyaszt. Minél kisebb a belső ellenállás, annál jobb az akkumulátor teljesítménye.
Önkisülés: Az önkisülés aránya a tárolás során elvesztett kapacitás és a teljes akkumulátorkapacitás arányára vonatkozik. Az elektrolitban lévő elektródák instabilitása miatt következik be. A környezeti hőmérséklet jelentős hatással van az önkisülési sebességre. Az akkumulátor önkisülése közvetlenül csökkenti az akkumulátor kapacitását, és befolyásolja a tárolási teljesítményét.
Kisülési plató: A lítium akkumulátor kisülési platója arra az időszakra vonatkozik az akkumulátor kisülési ciklusa során, amikor a feszültség viszonylag stabil marad, mielőtt jelentősen csökken. Ebben a fázisban az akkumulátor egyenletes feszültségkimenetet biztosít, ami különösen fontos az eszközök egyenletes teljesítményének biztosításához.
Formáció: A formáció az akkumulátorban lévő pozitív és negatív aktív anyagok aktiválásának folyamatát jelenti egy meghatározott töltési és kisütési módszerrel az akkumulátor gyártása után. Ez a folyamat javítja az akkumulátor töltési és kisütési teljesítményét, önkisülését, tárolását és egyéb átfogó jellemzőit. A formáció után az akkumulátor megmutathatja valódi teljesítményét.

Az elektromos autók akkumulátorainak élettartama és karbantartása

Egy elektromos gépkocsi akkumulátorának élettartama sok dologtól függ. Többek között attól, hogy milyen körülmények között, milyen éghajlaton használjuk, valamint attól is, hogy milyen gyakran, milyen módszer segítségével töltjük. Érdemes tudni, hogy egy idő után a legjobb akkuk hatótávolsága is csökkenhet, azonban a megfelelő használat és töltés mellett ez hosszú évekig nem okozhat problémát.

Az akkumulátor degradáció azt jelenti, hogy az elektromos autó akkumulátora idővel kevesebb energiát tud tárolni, mint új korában. Ez nem feltétlenül hiba, hanem a lítium alapú akkumulátorok természetes öregedési folyamata. Minél nagyobb a degradáció, annál alacsonyabb lehet a hatótáv. Például ha egy jármű új korában 500 kilométert tudott megtenni, később az akkumulátor állapotától függően ez az érték csökkenhet.

Corolla elektromos ablak beépítés

A töltés és a hőmérséklet jelentős mértékben befolyásolja az akkumulátor élettartamát:

Töltési szokások: Az akkumulátort leginkább megfelelő töltési szokásokkal lehet kímélni. Napi használatban nem mindig érdemes 100%-ra tölteni az autót. Sok esetben elegendő az alacsonyabb, például 70-80%-os töltöttségi szint, főleg akkor, ha nincs szükség hosszabb útra. Hosszabb utazás előtt természetesen lehet 100%-ra tölteni, de nem ideális, ha az elektromos autó napokig teljesen feltöltve áll. A mindennapi töltést érdemes inkább AC töltéssel megoldani, például otthoni vagy munkahelyi fali töltővel. A nagy teljesítményű DC gyorstöltés hosszabb utak közben nagyon hasznos, mert rövid idő alatt sok energiát lehet visszatölteni az elektromos autó akkumulátorába. Ugyanakkor ha valaki folyamatosan csak DC gyorstöltőt használ, az hosszú távon jobban igénybe veheti az akkumulátort. Fontos, hogy ne merítsük le teljesen, mivel ez károsíthatja az akkumulátort, és megnövelheti a töltési időt. Mélykisülésről akkor beszélünk, ha az akkucella gyenge áramleadása miatt teljesen kisült (nincs kapacitás) és feszültsége a kisütési végfeszültség alatt van. Ez általában akkor fordul elő, ha az akkumulátorokat lemerülten tárolják, és így azok még tovább merülnek.
Hőmérséklet: A hideg idő jelentősen csökkenti az elektromos autók hatótávolságát, mert az alacsony hőmérséklet rontja az akkumulátor kapacitását. -10 °C alatt akár 50%-os csökkenés is előfordulhat, főleg ha erősen használjuk a fűtést. Havas úton a nagyobb ellenállás miatt nő a fogyasztás, ami tovább csökkenti a hatótávot. A szélsőséges hőmérsékletek jelentősen befolyásolják az autó akkumulátorának élettartamát. A túl meleg időjárás felgyorsítja az akkumulátor belsejében zajló kémiai reakciókat, míg a hideg idő csökkenti az akkumulátor teljesítményét, ami a kapacitás gyorsabb csökkenéséhez vezethet. A termikus rendszer feladata az elektromos autó kulcsfontosságú alkatrészeinek, mint az akkumulátor, a villanymotor és a teljesítményelektronika megfelelő üzemi hőmérsékleten való tartása.

Egy modern elektromos autó akkumulátora hosszú élettartamra készül, ezért normál használat mellett nem kell attól tartani, hogy néhány év után cserélni kell. Az elektromos autó akkumulátorára a gyártó általában külön garanciát vállal. Sok gyártók által alkalmazott megoldás a 8 év vagy 160 000 km körüli akkumulátorgarancia, amely gyakran meghatározott minimum kapacitáshoz kötött. Ez például azt jelentheti, hogy az akkumulátor kapacitása nem csökkenhet egy bizonyos szint alá. A pontos feltételek márkánként eltérnek, ezért érdemes az adott jármű garanciális dokumentumait átnézni.

Bár elektromos autóról van szó, a járműben továbbra is található egy hagyományos 12 V-os akkumulátor, amely többek között az elektronikai rendszerek, a világítás és a fedélzeti funkciók működéséért felel. Ezt az akkumulátort általában 3-5 évente szükséges cserélni.

Töltési technológiák és idők

Az elektromos autózás alapvetően megváltoztatta a „tankolás” fogalmát. Az elektromos autó töltése már nem egyetlen helyhez kötődik, hiszen elvégezhető otthon, a munkahelyen, bevásárlás közben vagy útközben. Nem mindegy, hogy az autót konnektorról (10-12 óra), AC fali töltőről (5-8 óra), vagy DC gyorstöltőről (30-60 perc) töltjük. Az AC (váltakozó áram) olyan elektromos áram, amelynek iránya és intenzitása időszakosan változik, míg a DC (egyenáram) állandó irányban áramlik, és az intenzitása is közel állandó.

AC töltés: AC töltés esetén a hálózatból érkező AC áramot az autó fedélzeti töltője alakítja át az akkumulátornak megfelelő DC árammá. Tehát az átalakítás az autón belül zajlik, ami miatt lassabb a töltési folyamat.
DC töltés: DC töltésnél az átalakítás már a töltőállomásban történik, így az energia közvetlenül az akkumulátorba jut, ami jelentősen gyorsabb töltést tesz lehetővé. Az utcai, autópályák mentén elhelyezett gyorstöltők lehetővé teszik, hogy az autó akár 20-30 perc alatt jelentős mértékben feltöltődjön 20%-ról 80%-ra.

Hiába nagy teljesítményű a töltő, az autó csak annyi energiát vesz fel, amennyit a fedélzeti invertere enged. A töltés 20-80% között a leggyorsabb. A nagyobb kapacitású akkumulátor feltöltése több időt igényel. Például egy 35 kWh-s akkumulátor egy 11 kW-os AC töltőn ideális körülmények között körülbelül 3-4 óra alatt tölthető fel, míg egy 60 kWh-s akkumulátor ugyanazon a töltőn 5-6 órát igényel.

tags: #elektromos #auto #akkumulator #felepitese