Jak funguje automobilová baterie s funkcí start-stop?

Jak Má automobil systém Start-Stop Baterie Work?

Systém Start-Stop přidává malou, avšak náročnou vrstvu k tradičnímu provoznímu cyklu startovací baterie. 12voltová (nebo 24voltová) pomocná baterie pod kapotou je požadována, aby vypnula motor u každého semaforu, znovu jej nastartovala po uvolnění brzdy, zásobovala elektroniku kabiny během každého vypnutí motoru a zároveň absorbovala nepravidelné pulzy vysokého proudu z alternátoru i z rekuperačního brzdícího systému ve zbývající době. Žádná z těchto úloh neexistovala v dřívějším provozním cyklu s jedním nastartováním na jízdu.

Abychom pochopili, jak funguje baterie pro systém Start-Stop, je užitečnější zkoumat celý systém kolem ní než chemii uvnitř ní. Chemie má význam – zatopená olověná baterie tento provozní cyklus nepřežije, baterie typu EFB nebo AGM jsou současným standardním řešením a sodíkové iontové baterie se nyní hodnotí jako třetí možnost – avšak chemie má význam pouze ve vztahu k tomu, co systém od baterie vyžaduje.

Tento článek popisuje skutečný provozní cyklus: co se děje od chvíle, kdy vozidlo zastaví u semaforu, až po chvíli, kdy se znovu rozjede, kde je baterie vybíjena, kde je dobíjena, co dělá řídící systém baterie (BMS) a jaké požadavky každá fáze cyklu klade na jednotlivé články.

_______________________________________________________________________

Co Se stane Během spuštění – Zastavení?

Úplný cyklus spuštění a zastavení je krátký – obvykle kratší než –, avšak zatěžuje téměř všechny parametry baterie současně.

• Vozidlo se blíží ke zastavení. Vozidlo zpomaluje. Alternátor je často přepnut do režimu rekuperace, čímž vrací nabíjecí proud zpět do baterie. Napětí na svorkách baterie se v této fázi obvykle zvyšuje.

• Motor se vypne při volnoběhu. Když vozidlo úplně zastaví a řidič stiskne brzdový pedál (nebo u některých systémů, když vozidlo jen klouže), řídící jednotka motoru přikáže motoru vypnout. Startér a ozubené kolo jsou nyní připraveny na další spuštění. Proud z baterie se přepne z alternátoru na elektrický systém vozidla.

• Období vypnutého motoru. Světlomety, ventilátor klimatizace, informačně-zábavní systém, přístrojová deska, senzory parkování, řídící moduly karosérie a dlouhý seznam dalších menších řídících jednotek nadále odebírají proud. Toto je klidová zátěž nebo zátěž příslušenství a u moderního vozidla může snadno dosáhnout několika ampérů.

• Řidič uvolní brzdu (nebo stiskne akcelerátor). Startér se zapne a roztáčí motor. Odběr proudu se na zlomek sekundy až několik sekund prudce zvýší na několik set ampérů. Napětí baterie během tohoto špičkového odběru klesne.

• Motor se znovu spustí. Spalování se obnoví, alternátor se vrátí do provozu a nabíjecí proud se opět začne vracet do baterie. Napětí se zotaví a poté se cyklus opakuje při další zastávce.

Tyto pět událostí se opakuje desítky nebo stovkykrát během městské jízdy. Časování, odběr proudu, teplota a stav nabití se také během dne i jednotlivých ročních období liší. Právě tato proměnlivost je nejnáročnější částí provozního cyklu.

_______________________________________________________________________

Proč je Baterie Je v centru systému start-stop

U vozidla bez funkce start-stop je baterie v podstatě záložním zdrojem. Alternátor napájí elektrický systém, když motor běží, a baterie slouží pouze k nastartování motoru a k pokrytí krátkodobých elektrických požadavků, když je motor vypnutý. Stav nabití se většinu času udržuje blízko plného a baterie je jen zřídka požadována k čemukoli jinému než k dodání krátkého, výkonného proudu několik setkrát během své životnosti.

Start-stop obrací tuto prioritu. Nyní je baterii vyžadováno, aby byla aktivní součástí systému, nikoli záložním zdrojem. Zajišťuje provoz kabiny, když je motor vypnutý, přijímá nepravidelný náboj z rekuperace brzdění a stovkykrát za jízdu znovu nastartuje motor. Celá elektrická architektura vozidla je navržena tak, aby odpovídala možnostem baterie, nikoli naopak. Proto je výběr baterie pro start-stop systém náročnější než výběr baterie pro systém bez start-stop.

U konkrétního programu se sodnými ionty nejde o to, zda chemie sodných iontů dokáže nastartovat motor (to dokáže), ale zda tato chemie vydrží nepravidelné nabíjení, provoz v částečném stavu nabití a expozici teplotám v motorovém prostoru po desetitisíce takových cyklů. Zbytek tohoto článku podrobně rozebírá tyto požadavky.

_______________________________________________________________________

Tři úkoly start-stop systému Baterie Mošt Dělat v Číně gLE Cyklus

Start-stop baterie musí plnit tři úkoly, které se během jízdy překrývají. Každý z těchto úkolů baterii zatěžuje jinak, a chemické složení, které zvládne jeden úkol výborně, může mít problémy s jiným.

• Dodat krátkodobý výkonový impuls vysokého proudu. Při restartu motoru spotřebuje startér několik set ampér po zlomek sekundy až několik sekund. Napětí baterie musí zůstat po celou dobu impulsu nad prahovou hodnotou, kterou startér vyžaduje, i při teplotách pod bodem mrazu. Zda baterie dokáže tento impuls dodat v kritickém okamžiku, určují její vnitřní odpor a chování při vybíjení za nízkých teplot.

•Zásobovat elektrický systém, když je motor vypnutý. Současné příkonové zátěže vozidla —ventilátor klimatizace, informačně-zábavní systém, světlomety, senzory, řízení karoserie —mohou trvale dosahovat několika ampérů. Start-stop baterie musí tyto zátěže pokrýt během každého období, kdy je motor vypnutý – často bez pomoci alternátoru. Nejhorším případem pro tento úkol jsou dlouhá období vypnutého motoru v silném provozu.

• Přijmout nabíjení z alternátoru a rekuperace brzděním. Přijetí náboje je nejcitlivější částí provozního cyklu z hlediska chemie. Alternátor vrací do baterie pulzy vysokého proudu pokaždé, když se motor znovu spustí, a také během zpomalení; rekuperace brzděním přidává v mnoha moderních systémech start-stop nepravidelné pulzy vysokého proudu. Baterie musí tyto pulzy absorbovat bez výdaje plynu, bez přehřátí a bez trvalého poškození článků.

Tyto tři úkoly se během jedné jízdy překrývají. Baterie je požadována, aby roztáčela motor, poté zůstala v částečně nabitém stavu, přijímala náboj, znovu roztáčela motor a znovu přijímala náboj – často desítkykrát, než je vozidlo vypnuto. Chemie, která se v jednom úkolu chová dobře, ale rychle degraduje při ostatních, není pro tento provozní cyklus správnou volbou.

_______________________________________________________________________

Roztáčení, stabilita napětí a Zálohy pro chladné počasí

Výkon při startování je udáván v ampérch pro studený start (CCA) a v ampérch pro start (CA). Obě čísla popisují, kolik proudu může baterie dodat při stanovené teplotě po stanovenou dobu, aniž by napětí kleslo pod stanovenou mez. CCA, udávané při −18 °C (nebo 0 °F), je standardní hodnota pro chladné počasí u většiny štítků automobilových baterií.

U vozidel se systémem start-stop je relevantní CCA nejen CCA při prvním startu. Je to CCA, kterou baterie stále dokáže dodat po tisících částečných cyklech a po měsících vystavení teplotám v motorovém prostoru. Vnitřní odpor roste s věkem baterie a se snižujícím se stavem nabití, takže rezerva pro startování za chladného počasí, kterou má baterie v den prvního použití, není stejná jako rezerva, kterou bude mít ve třetím roce provozu. Chemie sodno-iontových baterií prokázala v publikovaných testech užitečné vybíjecí chování za nízkých teplot, což je jedním z důvodů, proč tato chemie získává pozornost v automobilových projektech určených pro chladné klimatické podmínky.

Stabilita napětí během startovacího impulsu je stejně důležitá jako maximální proud. Startovací motor potřebuje, aby napětí zůstalo po celou dobu impulsu nad jeho provozním prahem; chemie, jejíž napětí klesá pod zátěží, nutí startovací motor pracovat tvrději, zpomaluje otáčení klikového hřídele a zvyšuje riziko selhání startu. Plochý průběh napětí většiny sodnoiontových a lithiových článků při vysokoproudovém impulsu je skutečnou technickou výhodou oproti olověnému akumulátoru, u něhož se napětí při startovací zátěži výrazně snižuje.

_______________________________________________________________________

Přijetí náboje a alternátor chování alternátoru

Příjem náboje je část provozního cyklu, ve které mají automobilové bateriové systémy nejvyšší riziko selhání. Alternátor i systém rekuperativního brzdění dodávají do baterie proud v nepravidelných impulzech, a baterie musí tyto impulzy bez poškození absorbovat. Zatopená olověně-kyselinová baterie se při tomto režimu rychle degraduje: impulzy vysokého proudu při částečném stavu nabití urychlují korozi mřížek, sulfataci desek a ztrátu vody. Baterie EFB a AGM byly speciálně vyvinuty pro zvládnutí tohoto režimu, což je také důvod, proč výrobci automobilů původně přešli na tyto chemické složení pro start-stop provoz.

Chemie sodno-iontových článků zpracovává pulzy vysokého nabíjecího proudu jinak. Sodno-iontové články obvykle dokážou přijmout vysokou rychlost nabíjení bez stejných problémů s koroze mřížky nebo sulfatací desek, které postihují olověně-kyselinové akumulátory. To poskytuje sodno-iontové chemii strukturální vhodnost pro rekuperační brzdění a pulzy nabíjení alternátorem, typické pro jízdu se start-stop systémem. Zda se tato výhoda projeví v reálném provozu, závisí na konkrétní chemii článku, rodině katodových materiálů, formátu článku, strategii řízení BMS a integraci do vozidla – není to automatické, a kupující by měl vyhledat ověřovací údaje týkající se stejného vzoru nabíjecích pulsů, které ve skutečnosti vozidlo generuje.

Dynamická schopnost nabíjení – tedy množství proudu, který může baterie přijmout při částečném stavu nabití, za studena a na konci dlouhého období, kdy je motor vypnutý – je náročnější variantou této stejné otázky. Baterie EFB byly navrženy tak, aby zlepšily dynamickou schopnost nabíjení oproti bateriím s tekutým elektrolytem; AGM ji zlepšují ještě více. Chemie sodík-ion ukázala užitečnou dynamickou schopnost nabíjení v publikovaných testech, avšak skutečné hodnoty se výrazně liší podle konkrétního návrhu článků a režim provozu, kterému jsou články v praxi vystaveny, je důležitější než jakékoli čísla z laboratorních měření.

_______________________________________________________________________

Částečný stav nabití, SOC, an d SOH Monitorování

Baterie pro systémy start-stop se zřídka nacházejí ve stavu plného nabití (100 % SOC). Alternátor a rekuperace při brzdění baterii během jízdy doplňují, avšak doba, kdy je motor vypnutý, zátěž příslušenství a krátké startování motoru udržují úroveň nabití baterie po většinu její životnosti v rozmezí 70–80 % SOC. Toto je nejméně vhodná provozní oblast pro olověno-kyselinové baterie s volnou elektrolytovou náplní: při částečném nabití se zrychluje sulfatace, kapacita rychleji klesá a snižuje se rezerva pro startování za nízkých teplot.

Moderní systémy start-stop monitorují baterii prostřednictvím systému řízení baterie (BMS), který je v dokumentaci výrobců vozidel (OEM) někdy označován jako modul senzoru baterie nebo inteligentní senzor baterie. BMS sleduje stav nabití (SOC), stav zdraví (SOH), teplotu a proudový tok. Na základě těchto údajů rozhoduje, zda má být motor při další zastávce vypnut, zda má alternátor nabíjet při vyšším nebo nižším napětí a kdy má řidiči upozornit na nutnost výměny baterie.

Pro program start-stop s bateriemi na bázi sodíku není řídící systém baterie (BMS) volitelný. Buňky na bázi sodíku vyžadují vyrovnávání napětí mezi jednotlivými články, omezení napětí a proudu při vysokých i nízkých teplotách a ochranu proti přehlubokému vybíjení během dlouhých intervalů, kdy je motor vypnut. BMS také musí komunikovat s elektrickým systémem vozidla, aby alternátor a řadič rekuperativního brzdění mohly tvarovat nabíjecí pulzy podle skutečného stavu baterie, nikoli podle obecného profilu záplněné olověné akumulátorové baterie. Zakoupitelé, kteří posuzují baterie na bázi sodíku pro funkci start-stop, by měli velmi pečlivě sledovat, jak je BMS integrován do vozidla – nejen chemii článků.

_______________________________________________________________________

Teplota, motorový prostor a tepelné namáhání

Většina automobilových pomocných baterií je umístěna v motorovém prostoru nebo těsně mimo něj. Jsou vystaveny širokému rozsahu teplot: chladným zimním nocím při minus desítkách stupňů Celsia, letním teplotám v motorovém prostoru, které mohou přesáhnout 60 °C, a prostřední podmínky, které se rychle střídají mezi těmito dvěma extrémy. Start-stop baterie musí fungovat v celém tomto rozsahu a požadavky na každém z krajních bodů se liší.

Při nízkých teplotách musí baterie roztáčet motor, když je vnitřní odpor nejvyšší. Právě zde se publikované chování sodno-iontové chemie při vybíjení za nízkých teplot stává strukturální výhodou. Při vysokých teplotách musí baterie přijímat nabíjecí pulzy, zůstat v částečném stavu nabití a vydržet dlouhé intervaly, kdy je motor vypnutý, aniž by došlo k urychlenému kalendářnímu stárnutí. Kalendářní stárnutí je pomalá ztráta kapacity, ke které dochází bez ohledu na to, zda je baterie v provozu či nikoli, a u většiny chemií se zrychluje při vyšších teplotách.

Kupující by měl hledat údaje o článku s ionty sodíku, které pokrývají oba konce tohoto rozsahu: ověření startování za studena v chladném počasí při teplotách nasazení, které vozidla skutečně zažijí, a údaje o stárnutí vysokou teplotou, které podporují víceletou záruku, kterou program chce nabídnout. Hodnoty získané na laboratorním stolku při 25 °C nejsou náhradou pro žádnou z těchto dvou požadovaných charakteristik.

_______________________________________________________________________

Co to vyžaduje od chemie baterie

Znovu spojením provozního cyklu musí chemie start-stop baterie ve službě poskytnout pět věcí, nikoli pouze na testovacím stolku.

• Spolehlivé startování za studena po tisících částečných cyklů a po několika letech expozice v motorovém prostoru.

• Vysoká schopnost přijímat náboj při nepravidelném pulzním vzoru alternátoru a rekuperativního brzdění, při částečném stavu nabití a v širokém teplotním rozsahu.

• Stabilní dodávka proudu pro příslušenství během dlouhých intervalů, kdy je motor vypnut, aniž by došlo k poškození baterie hlubokým vybitím.

• Dlouhá kalendářní životnost při en teploty gine-bay, nejen pokojová teplota.

• Koordinace BMS aby elektrický systém vozidla mohl tvarovat pulzy alternátoru a rekuperativního brzdění podle skutečného stavu baterie.

Tyto pět požadavků jsou důvodem, proč jsou zatopené olověně-kyselé baterie již pro většinu start-stop programů nevhodnou volbou, proč se staly EFB a AGM dominantními možnostmi a proč je nyní sodno-iontová technologie vážně hodnocena. Zda je sodno-iontová technologie vhodnou volbou pro konkrétní program, závisí na tom, jak je chemie integrována do vozidla, jak je naladěn BMS a jak je ověřen provozní cyklus – nikoli pouze na označení chemie.

_______________________________________________________________________

Proč se sodno-iontová chemie dobře hodí pro start-stop provoz

Sodno-iontová chemie má významný strukturální soulad s start-stop provozním cyklem ze tří důvodů, které přímo odpovídají výše uvedeným pěti požadavkům.

• Chování při vybíjení za nízkých teplot. Publikované testy různých rodin katod pro sodno-iontové akumulátory ukazují, že sodno-iontová chemie uchovává užitečnou kapacitu a má nižší vnitřní odpor při teplotách pod nulou, což je právě ta oblast, kde je záběh motoru za mrazivého počasí nejdůležitější. To odpovídá požadavku na záběh motoru za mrazivého počasí.

• Odolnost vůči nabíjecím pulsům. Sodno-iontové články snášejí vysoké nabíjecí rychlosti bez toho, aby docházelo ke stejnému druhu koroze mřížky nebo síranového poškození, jaké postihuje olověně-kyselinovou chemii. Při správně nastaveném řídicím systému akumulátoru (BMS) to splňuje požadavek na vysokou schopnost přijímat náboj.

• Zralost vhodná pro pomocné akumulátory. Trh pro provozní cyklus start-stop není vyžadována energetická hustota trakčního akumulátoru. Sodno-iontová chemie nemusí dosahovat energetické hustoty materiálů NMC nebo LFP, aby poskytovala užitečný výkon pomocného akumulátoru 12 V nebo 24 V, a křivka zralosti sodno-iontových článků je pro tento provozní cyklus velmi vhodná. To odpovídá požadavkům na životnost v kalendářním čase a koordinaci s řídicím systémem akumulátoru (BMS), které lze v rámci programu sodno-iontových článků řešit na úrovni chemie a dodavatelského řetězce.

Kupující, který vstoupí do programu start-stop s bateriemi na bázi sodíkových iontů a je si vědom těchto tří strukturálních výhod —a také pečlivosti dodavatele, kterou vyžaduje tato raná fáze vývoje chemie —se nachází v mnohem silnější pozici než kupující, který očekává, že se baterie na bázi sodíkových iontů budou chovat přesně stejně jako zralé AGM baterie. Jako dodavatel baterií a systémů pro ukládání energie pro automobilové dovozce baterií, distributory, velkoobchodníky, prodejce a kupující OEM i ODM společností PITTAR spolupracuje s bateriemi na bázi sodíkových iontů

v programech, které byly navrženy s ohledem na cykly start-stop. Pokud se chemie hodí pro daný program – spolehlivost v chladném podnebí, diverzifikace dodavatelského řetězce, závazky k objemu po několik let a integrace laděná řídicím systémem baterií (BMS) do elektrického systému vozidla – stojí za to o této možnosti diskutovat. Pokud chemie ještě není vhodná, je správným krokem zůstat u dosavadního řešení, dokud se podmínky nezmění.

_______________________________________________________________________

Často kladené otázky

Jak funguje baterie start-stop ?

Start-stop baterie je součástí elektrického systému vozidla, který automaticky vypíná motor při stání a znovu jej spouští, jakmile je řidič připraven pokračovat v jízdě. Během každého cyklu dodává baterie vysoký proud pro spuštění motoru, napájí elektroniku kabiny a řídící moduly v době, kdy je motor vypnutý, a přijímá náboj od alternátoru a systému rekuperace brzdí, jakmile se motor znovu roztočí. BMS koordinuje stav nabití, teplotu a proudové limity, aby baterie mohla tento cyklus opakovat tisíckrát během své životnosti.

Co činí start-stop baterii odlišnou od a normální auto baterie?

Běžná autobaterie je navržena pro jednoduchý provozní cyklus: jedno nastartování na jízdu, pomalé doplňování náboje a krátkodobé zatížení při používání spotřebičů. Baterie pro systém start-stop je navržena pro tisíce nastartování během jedné jízdy, nepravidelné pulzy vysokého proudu při rekuperaci brzděním, dlouhé intervaly s vypnutým motorem při částečném nabití a expozici teplotám v motorovém prostoru po mnoho let. Chemické složení EFB, AGM a sodíkové iontové baterie jsou určeny pro tento náročnější režim; zatímco olověně-kyselinové baterie s volnou elektrolytickou kapalinou nejsou.

Kolikrát systém start-stop baterie nastartuje motor motor v jeho životnosti?

Počet se výrazně liší v závislosti na jízdních cyklech, klimatických podmínkách, integraci do vozidla a chemii baterie. Výrobce a nezávislé třetí strany uvádějí pro start-stop systémy obvykle od desítek tisíc do stovek tisíc spuštění během celé životnosti, avšak přesný počet závisí na konkrétním návrhu článku, ladění řídícího systému baterie (BMS) a skutečném provozním cyklu v praxi. Zakupující by měli vyhledat ověřovací údaje odpovídající stejnému typu provozního cyklu, který budou vozidla skutečně zažívat, nikoli obecné hodnoty z laboratorních podmínek.

Má start-stop baterie potřebuje speciální nabíječku?

Někdy. Baterie s obsahem sodíku, AGM a EFB mají jiné charakteristiky nabíjecího napětí než záplavové olověné baterie, a použití nesprávného nabíjecího režimu může zkrátit životnost nebo zabránit úplnému nabítí hluboce vybité baterie. Pro program start-stop s bateriemi s obsahem sodíku by měl být elektrický systém vozidla nastaven na okno nabíjecího napětí článků a řídicí jednotka baterie (BMS) by měla spolupracovat s řídicí jednotkou alternátoru; externí stolní nabíječ používaný ve skladu nebo servisním prostředí by měl používat stejný režim.

PROČ hodnotí se sodík-iontová technologie pro službu start-stop?

Sodno-iontová chemie prokázala užitečné vybíjecí chování za nízkých teplot, snáší nepravidelné nabíjecí pulzy vysokého proudu a nepotřebuje vysokou energetickou hustotu trakčního balení, aby poskytovala výkon pomocných baterií 12 V nebo 24 V. Tyto strukturální výhody odpovídají požadavkům na spouštění za zimních podmínek, příjem nabíjecího proudu a zralost vhodnou pro pomocné baterie, které definují cyklus start-stop, a proto se sodno-iontové technologie vážně posuzují vedle technologií EFB a AGM v automobilových programech.