Статья из журнала "Автомобиль и электроника. Современные технологии." Основан в 2011 г. кафедрой Автомобильной электроники Харковского национального автомобильно-дорожного университета (ХНАДУ). ISSN: 2226-9266 . Журнал включен в Перечень научных профессиональных изданий Украини Категории "Б" приказом Министерства образования и науки Украини №612 от 07.05.2019. Открыть источник.
УДК 629-341 DOI: 10.30977/VEIT.2019.15.0.44
Авторы: Данков В. В. , Паникарский А. С.
Аннотация
Работоспособность АБ электромобиля определяется в полной зависимости от уровня качества наиболее слабого модуля в её составе. На примере опыта, установлено, что при прочих равных условиях, при проведении контрольного разряда Li-ion АКБ, когда со стороны (+) вывода батареи был установлен наиболее сильный модуль, а остальные в порядке убывания их емкости, батарея отдала большую емкость на 10% чем в обратном порядке. Модули расставляют в цепи по приоритетам от (+) к (-). Приоритет №1 – зарядная емкость, №2 – внутреннее сопротивление, №3 – производная наклона разрядной характеристики. Комплектация модулей аккумуляторной батареи с минимальным разбросом параметров и правильным их расположением в цепи позволяет увеличить отдаваемую емкость на 10% и соответственно километраж пробега, а также увеличить срок службы батареи. Ключевые слова: электромобиль, аккумуляторная батарея, электрическая емкость.
Введение
В настоящее время всё больше на дорогах Украины можно встретить электромобили «Nissan Leaf». Эти автомобили преимущественно ввезены из США как бывшие в эксплуатации. Следовательно, они требуют предпродажной подготовки аккумуляторной батареи (АКБ), а также своевременного технического обслуживания. Ранее авторы этой статьи указывали, что своевременное техническое обслуживании свинцово-кислотных батарей может продлить срок их эксплуатации почти в 2 раза [1]. Вероятно, что своевременное и грамотное обслуживание литийионных батарей также приведет к улучшению их эксплуатационных свойств.
Анализ публикаций
В текущих изданиях, посвященных ремонту (Li-ion) автомобильных аккумуляторов указывается о необходимости замены изношенных ячеек на однотипные, где ёмкость не менее 80% в долях номинальной, без рассмотрения предварительной детальной диагностики ячеек аккумуляторной батареи [2-9]. В статье [2] даны важные рекомендации: не держать АКБ 100 % заряженной если при этом не следует поездка, а так-же разряжать АКБ до минимума для продления срока эксплуатации. При ремонте важна диагностика всех модулей, в том числе и которые заменяют, так как замененные модули могут вторично быть использованы на солнечных или ветровых электростанциях. Эту идею уже воплощает в жизнь компания BMW [3].
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является: разработка методики диагностики электрических параметров ячеек аккумуляторной батареи автомобиля «Nissan Leaf» и информировать специалистов о параметрах батареи, которые необходимо учитывать при её ремонте с целью увеличения емкости и продления срока эксплуатации.
Исследование эксплуатационных параметров аккумуляторной батареи электромобиля в процессе её ремонта
Обеспечение высоконадёжной работы литиевых аккумуляторных батарей на электро-мобилях – обострившаяся проблема. Производство литиевых модулей типа Li-ion в Украине до настоящего времени не организовано, однако уже в течение не менее 3-4 лет в нашей стране эксплуатируются десятки тысяч электромобилей (машин) типа Nissan-Leaf. Как правило, эти машины завезены к нам с не новыми аккумуляторными батареями.
Из опыта работы известно, что в условиях производства невозможно изготавливать новые литиевые модули с абсолютно одинаковыми их техническими характеристиками.
Известно также, что с наработкой ресурса службы разбежность показателей величины характеристик Li-ion модулей в составе 48-ми модульной АКБ электромобиля нарастает, что неотвратимо происходит, даже при самых правильных режимах заряда батареи.
Как свидетельствует опыт интенсивной эксплуатации электромобилей (например, в системе maxi) после первых 2,5…3-х лет пробег этих машин между полными зарядами, по сравнению с начальными показателями, сокращается в 1,5…2 раза.
При этом отмечается прогрессивное снижение уровня мощности электроэнергии, потребляемой при заряде АКБ, а также уменьшение километража пробега.
Основная причина этого –образовавшийся высокий уровень разбежности величин характеристик среди аккумуляторов в составе АКБ электромобиля. При этом наиболее прогрессирующее снижение уровня качества работы АКБ электромобиля происходит, если со стороны « –» выхода батареи находятся наиболее сильные модули.
В системе защиты АКБ Li-ion заложены условия прекращения заряда батареи на момент достижения одной из ячеек какого-либо одного двухъячеечного модуля заданного верхнего предела величины напряжения заряда. При этом завершение разряда происходит при достижении программно установленного нижнего предела величины напряжения разряда на какой-либо ячейке одного из Li-ion модулей.
Таким образом, работоспособность АКБ электромобиля определяется в полной зависимости от уровня качества наиболее слабого модуля в её составе.
Из опыта работы установлено, что при снижении ёмкости наиболее слабого модуля в составе АКБ электромобиля до уровня 0,5 в долях номинальной однотипного нового, от половины до 2/3 модулей в составе батареи имеют (сохраняют) отдаваемую ёмкость на уровне от 80% и более в долях номинальной (Сном).
С целью восстановления работоспособности АКБ электромобиля Li-ion модули со сниженным уровнем ёмкости заменяют на однотипные, где ёмкость не менее 80% в долях номинальной.
При этом какая-либо сравнительная оценка каждого модуля,устанавливаемого в состав восстановленной АКБ электромобиля не проводится. Авторы считают необходимым производить комплексную диагностику модулей АКБ в режимах близких к эксплуатационным в городских условиях. Из этих соображений выбран ток нагрузки при разряде–25 А. Время диагностики эквивалент-но среднему времени разгона автомобиля на перекрестке от 0 до 50 км/час.
По данным исследований, проведенных в 2018 г. в лаборатории кафедры автомобильной электроники ХНАДУ, максимально возможный уровень отдаваемой ёмкости Li-ion АКБ может быть достигаемым, если со стороны « + » вывода батареи будет установлен модуль с наибольшей ёмкостью, а остальные в порядке её уменьшения.
На примере опыта, проведенного в лаборатории кафедры автомобильной электроники ХНАДУ, установлено, что при прочих равных условиях, при проведении контрольного разряда Li-ion АКБ, когда со стороны «+ » вывода батареи был установлен наиболее сильный модуль, а остальные в порядке убывания их силы, – батарея отдала емкость на 10% больше
А при установке со стороны « + » вывода АКБ наиболее слабого модуля, а остальных – в порядке возрастания емкости при контрольном разряде эта же батарея отдала меньшую емкость.
С целью обеспечения возможности проведения объективной оценки состояния каждого Li-ion модуля, устанавливаемого в состав АКБ электромобиля может быть использована методика контроля состояния Li-ion модулей, которую разработал инженер-изобретатель Данков В.В. (далее методика).
Эта методика, реализованная в виде алгоритма работы автоматического зарядно-разрядного устройства типа «БЗВМ-4/12-4-Li-Д», в 2018 году прошла успешные испытания в условиях лаборатории кафедры Автомобильной электроники ХНАДУ, рис. 1.
Блок «БЗВМ 4/12-4-Li-Д» предназначен для проведения контрольно-тренировочных циклов одновременно 4-х 7,6-ти вольтовых Li-ION аккумуляторных батарей номинальной емкости от 28 до 150 А-ч.
Блок позволяет производить 3 различных контрольно-тренировочных цикла.
1. «F3» -заряд. Этот режим используется для зарядки АКБ с неизвестным предыдущем состоянием (заряжен или разряжен).
2. «F2» -восстановительный цикл. В этом режиме разряд производится токами не более 0,1С до 6,2 В на модуль, затем идет пауза и заряд. Этот режим используется для тренировки АБ и выравнивания характеристик элементов, составляющих батарею.
3 «F1» -контрольный. В этом режиме разряд ведется постоянным током. Блок позволяет установить ток контрольного разряда от 5,0 до 25,0 А.
Данные измерений хранятся в энергонезависимой памяти, поэтому можно произвести работу, выключить блок, перенести в другое место и подключить к компьютеру и считать данные протокола.
В отличие от прочих известных способов диагностики состояния Li-ion модулей согласно методике Данкова, при использовании блока «БЗВМ-4/12-4» каждому обслуживаемому модулю проводят цикл разряда и заряда и тестовый контроль. При этом стабилизированную силу тока разряда устанавливают на уровне не более 0,08 в долях Сном. где С ном емкость ячейки) Разряд модуля автоматически завершается при достижении уровня нижнего предела величины напряжения разряда 6,2 В. После завершения разряда происходит автоматический переход на заряд.
При этом заряд проходит при ступенча-том повышении величины силы тока заряда по специальному алгоритму, рис. 2.
По ходу заряда изменяется сила зарядного тока по алгоритму, а динамика зарядного напряжения зависит от данного состояния обслуживаемого модуля. При этом верхний предел уровня зарядного напряжения –максимально допустимый для данного типа аккумуляторов. Таким образом, каждый модуль разряжают до одинакового уровня напряжения разряда, а количество электричества, соблюдаемое при заряде, зависит от данного состояния обслуживаемого модуля.
После завершения заряда проводят тест-контроль при воздействии стабилизированного тока разряда на уровне 25А в течение 8с.
На дисплей выводятся следующие результаты тестирования:
1. Количество электричества, сообщенного при заряде, А·ч.
2. Внутреннее сопротивление — частное от деления разности электродвижущей силы и напряжения в конце 20 секундного разряда на силу тока:
3. Напряжение разряда на момент завершения воздействия тестового тока (Uрк, В).
4. Разница между величиной электродвижущей силы, замеренной через 20 секунд после прекращения воздействия тестового тока (Е20,В) и величиной напряжения разряда Uрк на момент завершения воздействия тестовой нагрузки (Е20–Uрк).
На основании полученных данных проводят сравнительную оценку модулей для определения места их установки в состав АКБ электромобиля.
При этом: приоритет No 1 –есть показатель Q3 количества электричества, сообщенного при заряде (А·ч). Чем больше величина Q3, тем выше уровень качества модуля.
Эмпирическим путем установлено, что величины количества электричества, сообщенного при заряде наиболее сильному и наиболее слабому модулю в составе АБ должен быть Q3max= 1,1 Q3min
При наличии одинаковых величин Q3 приоритет No 2 –величина напряжения на мо-мент завершения воздействия тестовой нагрузки (Uрк, В). Чем больше величина Uрк, тем качество модуля выше.
При наличии одинаковых показателей Q3 и Uрк приоритет No 3 –показатель производной наклона напряжения за первые 8 секунд разряда:
(Uн–Uк, ) (2)
Чем меньше внутреннее сопротивление, тем качество модуля выше.
При наличии одинаковых показателей ве-личин Q3, Uрк, приоритет No 4 –уровень разницы между величиной электродвижущей силы (Е20), замеренной через 20 секунд от момента прекращения тестовой нагрузки и величиной Uрк. (Е20–Uрк) в милливольтах. Чем меньше величина (Е20–Uрк), тем качество модуля выше.
Правильный выбор места установки, допу-щенных к дальнейшему использова169086нию Li-ion модулей позволит достичь максимально воз-можной для данной батареи отдаваемой емкости.
Выводы
Комплектация модулей аккумуляторной батареи с минимальным разбросом параметров и правильным их расположением в цепи позволяет увеличить отдаваемую емкость на 10% и соответственно километраж пробега. А также увеличить срок службы батареи. Комплексная диагностика позволяет сразу определить пригодность отбракованных модулей для дальнейшей эксплуатации в си-стемах альтернативной энергетики.
Литература
1. Данков В.В., Панікарський О.С. Вдосконалення метода відновлення тягових свинцево-кислотних акумуляторів великої ємності. Автомобіль і електроніка. Сучасні технології ХНАДУ,Харків,вип.12. 2017. С. 187-192.
2. Сараева И. Ю., Стародубцев А. А. Применение современных литийионных аккумуляторных батарей на электромобилях. Автомобіль і електроніка. Сучасні технології, No13. 2018. С.28-35 ХНАДУ Харків. DOI: https://doi.org/10.30977/VEIT.2018.14.0.22 (да-та обращения 15.08.2018).
3.Аккумуляторные батареи для электромобилей–все, что вы хотели знать/ (2017) URL: https://hevcars.com.ua/reviews/akkumulyatornyie-batarei-dlya-elektromobiley/(дата обращения 15.08.2018).
4. Мельниченко Р.Ремонт Nissan Leaf АКБ за $3-6 тыс. и замена масла (2018) URL: https://itc.ua/articles/remont-nissan-leaf-akb-za-3-6-tyis-i-zamena-masla/ (дата обращения 12.04.2019).
5. Ремонт высоковольтной батареи Nissan Leaf –CarVizor (2017) URL: https://carvizor.ru/article/reviews/repair-the-high-voltage-battery-of-the-nissan-leaf/ (дата обраще-ния 12.04.2019)
6. Диагностика и ремонт высоковольтных батарей электромобилей URL: https://sto.astar.ua/services/remont_elektromobiley/remont_gibridnykh_silovykh_ustanovok/(дата обращения 12.04.2019)
7.Аккумулятор Nissan Leaf: ТОП-5 вопросов и ответы на них.URL: https://pronissanleaf.ru/akkumulyator(дата об-ращения 12.04.2019).
8.Аккумуляторные батареи для электромобилей. Вопросы и ответы. URL: https://ecotechnica.com.ua/stati/1718-akkumulyatornye-batarei-dlya-elektromobilej-voprosy-i-otvety.html(дата обращения 12.04.2019)
9.Батарея Ниссан Лиф –вскрываем электрические «консервы». URL: https://erazborka.com.ua/articles/batareya-nissan-lif-raskryvaem-elektricheskie-konservy/(дата обращения 12.04.2019).
Паникарский Александр Сергеевич 1, к.т.н., преподаватель, тел +380960760825, panikarski@gmail.com
Данков Владимир Васильевич 1, инженер, тел. +380966701735, mastersonrust@mail.ru
1 Харьковский государственный автомобильно-дорожный колледж, 61051, г. Харьков, ул. Ко-тельниковская 3.
Деякі особливості обслуговування та ремонту акумуляторної батареї автомобіля «NISSANLEAF»
Анотація: Своєчасне і грамотне обслуговування літій-іонних батарей приведе до покращенню їх експлуатаційних властивостей. Аналіз публікацій. В виданнях, які присвячені ремонту LI-ion акумуляторів вказується на необхідність заміни зношених комірок на відповідні з ємністю 80% в долях від номіналу без попередньої детальної діагностики комірок акумуляторної батареї. Метою цієї роботи є розробка методики діагностики електричних параметрів модулів акумуляторної батареї автомобіля «NissanLeaf», які необхідно враховувати приремонті з метою збільшення ємності і продовження строку експлуатації. Дослідження експлуатаційних параметрів акумуляторної батареї електромобіля під час її ремонту. В умовах виробництва неможливо виробляти нові (Li-ion) модулі з абсолютно однаковими технічними характеристиками. Відомо також, що з напрацюванням ресурсу слугування розбіжність показників величин характеристик модулів АКБ електромобілязбільшується. При цьому розбіжність характеристик впливає на знос найбільш слабких по енергоємності комірок в більшій чинності чим на інші. Працездатність АКБ електромобіля визначається в повній мірі від рівня якості найбільш слабкого модуля в її складі. При цьому порівняльна характеристика кожного модуля, який встановлений в склад відновленої АКБ електромобіля не проводиться. На прикладі досліду проведеного на кафедрі автомобільної електроніки ХНАДУ встановлено, що при проведенні контрольного розряду батареї, коли зі сторони «+» контакту був встановлений найбільш енергоємний елемент, а послідовно з мен-шою енергоємністю, то батарея віддала на 10% ємності більше чим навпаки. Після завершення заряду проводять тест -контроль. Далі модулі розміщують в колі по пріоритетам від (+) до (-). Правильний вибір місця встановлення Li-ion модулів дозволить одержати максимальну можливість для даної батареї ємність. Висновки. Комплектація модулів акумуляторної батареї з мінімальною різницею параметрів і правильне їх розміщення в колі дозволяє підвищити одержану ємність більшу на 10% і відповідно пробіг. Ключові слова: електромобіль, акумуляторна батарея, електрична ємність.