Оптимизированные аккумуляторы для самоуправляемых автомобилей

Brianne Costa 14/06/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

На взлете экономики после Второй мировой войны американцы приобретали рекордное количество автомобилей, что привело к сильному загрязнению окружающей среды. В настоящее время наши транспортные средства более экологичны, особенно электромобили и гибридные автомобили, но теперь на подходе автономные транспортные средства (АТС). И снова остро встает проблема загрязнения среды, хоть и видоизмененная. Ведутся споры о том, какими двигателями следует оснащать самоуправляемые автомобили: экономичными гибридными двигателями или экологически чистыми электрическими двигателями.

Какими должны быть автономные транспортные средства — гибридными или полностью электрическими?

Представьте себе будущее, в котором каждый человек едет по дороге на АТС. Похоже на сюжет одного из эпизодов сериала «Черное зеркало» Netflix®, не так ли? А теперь вообразите, что эти автономные автомобили выделяют вредные выбросы и требуют частых заправок. Эта идея кажется устаревшей — всё равно что умный дом с новейшими гаджетами, подключенными к Интернету… по модему.

Автономные транспортные средства не ездят и вряд ли станут ездить на одном только бензине. Вместо этого главный вопрос состоит в следующем: следует ли выпускать АТС исключительно с электрическим двигателем или же с гибридным? Каждая из сторон в этом споре может выдвинуть свои аргументы.

Крупный план электромобиля во время зарядки.
Электромобиль заряжается на специальной зарядной станции. Автор изображения — Сантери Винамеки (Santeri Viinamäki), собственная работа. Доступно по лицензии CC BY-SA 4.0 на Викискладе.

С одной стороны, многие автомобильные компании, разрабатывающие самоуправляемые автомобили, предполагают, что в основном (по крайней мере, вначале) они будут использоваться для каршеринга — как такси без водителя. Благодаря гибридному двигателю, который использует и топливо, и электроэнергию, автомобиль проведет больше времени на дороге (и поможет заработать больше), чем в гараже на зарядке.

С другой стороны, некоторые автомобильные компании вместе с организациями по защите окружающей среды обеспокоены тем, что эти транспортные средства будут без остановки развозить пассажиров, а значит, уровень загрязнения окружающей среды может в разы вырасти, вызвав настоящее бедствие.

Так или иначе, аккумуляторы электромобилей необходимо оптимизировать для автономного вождения относительно их выходной мощности аккумуляторов и срока службы. С помощью программного пакета COMSOL Multiphysics® и модуля расширения Аккумуляторы и топливные элементы ученые и инженеры могут изучить и разработать аккумуляторные системы как для гибридных, так и для полностью электрических АТС.

Конструкция аккумулятора с оптимальной выходной мощностью

По своей природе в автономных транспортных средствах больше электронных компонентов, чем в обычных автомобилях. Помимо систем, входящих в сам автомобиль (в том числе фар, сигнализации и радио), в АТС имеются системы навигации, обнаружения и дальномерное оборудование. Из-за высокой потребляемой мощности аккумуляторы разряжаются быстрее, чем в обычных условиях. Конструкция аккумуляторов для АТС должна предусматривать длительное использование и более высокую выходную мощность в соответствии с энергозатратами.

Системы управления аккумулятором

В гибридных и полностью электрических автомобилях система управления аккумулятором (СУА) — важнейший этап разработки. Путем тщательного контроля над работой аккумулятора СУА увеличивает до максимума выходную мощность, срок эксплуатации и уровень безопасности. С помощью моделирования литий-ионного аккумулятора в изотермических условиях можно с легкостью проанализировать факторы, имеющие значение для конструкции СУА, в том числе следующие:

  • Напряжение
  • Поляризация (падение напряжения)
  • Внутреннее сопротивление
  • Уровень заряда
  • Характеристика мощности

В Библиотеке приложений модуля Аккумуляторы и топливные элементы вы можете ознакомиться с одномерной моделью литий-ионного аккумулятора, который в стандартной конфигурации сделан из графита и оксида марганца — недорогих и термически устойчивых материалов для топливных элементов.

Изображение основных компонентов системы управления аккумулятором для электрических автомобилей.
Схема основных компонентов СУА для электрических автомобилей.

Модель аккумулятора состоит из четырех областей:

  1. Отрицательный пористый электрод
  2. Сепаратор
  3. Положительный пористый электрод
  4. Электролит

В модели вы можете протестировать входные значения и параметры и узнать, как они влияют на эффективность аккумулятора в целом. К этим факторам может относиться начальное напряжение ячейки, емкость аккумулятора, толщина сепаратора и электродов, уровень заряда ячейки, который представляет собой процентное значение заряда в аккумуляторном блоке электрического или гибридного автомобиля, аналогичное указателю уровня топлива в баке бензинового автомобиля.

Ездовой цикл

Автомобили работают согласно особому ездовому циклу, во время которого контролируется изменяющаяся температура и напряжение аккумулятора. По ездовому циклу СУА определяет уровень заряда аккумулятора — а именно, заряжен он или разряжен. Затем контрольное устройство останавливает разряд (если аккумулятор разряжен) или заряд (если он разряжен).

В одномерную модель можно включить тепловой расчет для мониторинга ездового цикла. Рассмотрим аккумуляторную ячейку, которая работает в ездовом цикле гибридного автомобиля.

Изображение основных компонентов системы управления аккумулятором и ездового цикла.
Схема основных компонентов СУА и ездового цикла.

Моделируя ездовой цикл для литий-ионного аккумулятора, можно спрогнозировать его работу, изучить параметры, которые трудно измерить, или проверить результаты экспериментов. На ездовой цикл аккумулятора влияют:

  • Внутреннее сопротивление и поляризация в каждой части аккумуляторной ячейки
  • Уровень заряда ячейки
  • Уровень заряда каждого электродного материала
  • Локальная температура
  • Материалы

Входные данные о токовой нагрузке можно импортировать в модель из внешнего источника данных о ездовом цикле, например, из данных о зависимости скорости разряда от времени (в единицах C, связывающих скорость разряда и максимальную емкость). В данном случае импортированные данные соответствуют характерным значениям для гибридного электромобиля. В результате анализа можно много узнать о ездовом цикле аккумулятора, в том числе о напряжении ячейки, электрическом потенциале и суммарной поляризации. Во время ездового цикла можно также определить уровень заряда ячейки и электродов под нагрузкой (как и температуру).

Ездовой цикл (слева) и результаты моделирования, в которых показано напряжение ячейки в течение всего ездового цикла (справа).

Судя по результатам на этом примере, ездовой цикл подходит для аккумулятора такой конструкции. Из них также видно, что следует оптимизировать систему терморегулирования, чтобы аккумулятор выдерживал длительные ездовые циклы. Как будет показано в следующем разделе, оптимизация ездового цикла АТС повлияет на его успех на рынке потребительского транспорта.

Оценка мощности и энергии

Характеристика мощности позволяет определить, подходит ли конструкция аккумулятора для конкретной прикладной задачи. Есть два варианта оптимизации: увеличение энергии и увеличение мощности. Аккумуляторы с высокой емкостью по энергии рассчитаны на относительно низкие токовые нагрузки — такой аккумулятор идеален для мобильных электронных устройств. Для гибридных или электрических автомобилей больше подходят аккумуляторы, оптимизированные для высокой мощности. При относительно малой емкости они рассчитаны на высокие токовые нагрузки: например, их можно заряжать при крайне высокой силе тока.

Возвращаясь к одномерной модели литий-ионного аккумулятора, можно оценить соотношение между мощностью и емкостью, чтобы определить характеристику мощности. Модель при разных токовых нагрузках воспроизводит разряд аккумулятора с момента его полного заряда и заряд с момента полного разряда.

Напряжение ячейки при разных токовых нагрузках разряда (слева) и диаграмма Рагона для двух разных типов аккумуляторных ячеек (справа).

Результаты показывают напряжение ячейки при разных токовых нагрузках, по которому можно сравнить выходную мощность и энергоемкость аккумулятора. На диаграмме Рагона (справа сверху) показано влияние химического состава аккумулятора и скорости разряда на его емкость.

Моделирование износа аккумулятора в программном пакете COMSOL®

Переход на автономное вождение не случится в одночасье. Многие изобретатели думали о том, что при первом появлении АТС на рынке они будут использоваться скорее для каршеринга, а не как персональные или семейные автомобили. Логично предположить, что каждое АТС в парке компании по каршерингу будет использоваться за день не одним человеком, а примерно десятью, к тому же круглосуточно, а не только в определенные часы.

Это значит, что при использовании АТС исключительно для каршеринга аккумуляторы будут изнашиваться намного быстрее, чем в обычных персональных автомобилях. А здесь придется кстати анализ снижения емкости.

Снижение емкости

В аккумуляторах происходит снижение как емкости, так и мощности — с определенным различием. Снижение мощности представляет собой снижение напряжения аккумулятора при постоянной скорости разряда. Снижение емкости аккумулятора происходит вне зависимости от зарядного тока.

Напряжение аккумулятора во время ездового цикла (слева) и емкость аккумулятора за весь цикл (справа).

В зависимости от различных материалов, из которых состоит аккумулятор, а также их сочетаний, скорость износа может быть разной. Эти же факторы могут ускорить износ, приводя к быстрой потере емкости аккумулятора. На износ и деградацию аккумулятора влияют:

  • Стадия цикла нагрузки
  • Потенциал
  • Локальная концентрация
  • Температура
  • Направление тока

Анализируя состояние аккумулятора в ходе цикла заряда-разряда, можно определить напряжение во время разряда и сопоставить емкость с суммарным временем работы и количеством циклов. Можно также проанализировать объемную долю электролита и падение потенциала на границе электрода и электролита в зависимости от номера цикла и локального уровня заряда на границах сепаратора и электрода. (Пограничный слой между электродом и электролитом обеспечивает проводимость и электроизоляцию электролита.) Эти факторы могут быть полезны при конструировании аккумуляторов, оптимизированных для длительного и постоянного использования в АТС.

Дальнейшие шаги

Изучите специальные функции и возможности для моделирования аккумуляторов и топливных элементов в модуле Аккумуляторы и топливные элементы, нажав на кнопку ниже.

Дополнительные источники

Netflix является зарегистрированным товарным знаком корпорации Netflix, Inc.


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Геометрическая оптика Модуль Композитные материалы Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта