Cum funcționează o baterie auto start-stop?

Cum Are sistem de pornire-oprire automotive Baterie Aparatul?

Un sistem de pornire-oprire adaugă o sarcină mică, dar severă, peste ciclul de funcționare tradițional al bateriei de pornire. Bateria auxiliară de 12 volți (sau 24 volți), situată sub capota vehiculului, este solicitată să oprească motorul la fiecare semafor, să-l repornească când se eliberează pedala de frână, să alimenteze echipamentele din cabină în fiecare interval în care motorul este oprit și să absoarbă impulsuri neuniforme de curent înalt provenite de la alternator și de la sistemul de frânare regenerativă în restul timpului. Niciuna dintre aceste sarcini nu exista în ciclul tradițional de funcționare, care presupunea o singură pornire pe parcursul unei călătorii.

Pentru a înțelege modul în care funcționează o baterie de pornire-oprire, este mai util să analizăm sistemul din jurul ei decât chimia din interiorul ei. Chimia contează — o baterie cu electrolit lichid pe bază de plumb nu poate rezista acestui ciclu de funcționare, iar bateriile EFB sau AGM reprezintă soluția actuală, în timp ce acum se evaluează și bateriile cu ion sodiu ca a treia variantă — însă chimia are importanță doar în raport cu ceea ce sistemul cere bateriei să execute.

Acest articol descrie ciclul real de funcționare: ce se întâmplă de la momentul în care un vehicul se oprește la un semafor până în momentul în care acceleră din nou, unde este descărcată bateria, unde este reîncărcată, ce face sistemul de management al bateriei (BMS) și ce solicită fiecare etapă a ciclului celulelor.

_______________________________________________________________________

Ce Se întâmplă În timpul unui ciclu de pornire– Oprire?

Un ciclu complet de pornire–oprire este scurt — de obicei sub —, dar pune în funcționare aproape toate specificațiile bateriei simultan.

• Vehiculul se apropie de o oprire. Vehiculul frânează. Alternatorul este adesea trecut în modul de regenerare, împingând curentul de încărcare înapoi în baterie. Tensiunea la bornele bateriei crește, de obicei, în această fază.

• Motorul se oprește în regim de ralanti. Când vehiculul ajunge la oprire completă și pedala de frână este apăsată (sau, în unele sisteme, când vehiculul rulează în liber), unitatea de gestionare a motorului comandă oprirea acestuia. Motorul de pornire și coroana de angrenare sunt acum pregătite pentru următorul ciclu de pornire. Curentul bateriei trece de la alternator la sistemul electric al vehiculului.

• Perioada de oprire a motorului. Farurile, ventilatorul sistemului de climatizare, sistemul de infotainment, tabloul de bord, senzorii de parcare, modulele de control ale caroseriei și o lungă listă de alte UC-uri mai mici continuă să consume curent. Aceasta este sarcina de repaus sau sarcina accesorilor, iar la un vehicul modern poate ușor depăși câțiva amperi.

• Șoferul eliberează pedala de frână (sau apasă pedala de accelerație). Motorul de pornire se angrenează și pune în mișcare motorul. Consumul de curent crește brusc la câțiva sute de amperi, timp de o fracțiune de secundă până la câteva secunde. Tensiunea bateriei scade în această perioadă.

• Repornirea motorului. Arderea reîncepe, alternatorul revine în funcțiune și curentul de încărcare revine în baterie. Tensiunea se restabilește, apoi ciclul se repetă la următoarea oprire.

Aceste cinci evenimente se repetă zeci sau sute de ori pe parcursul unei deplasări urbane. De asemenea, ele variază în ceea ce privește momentul apariției, consumul de curent, temperatură și starea de încărcare, atât pe parcursul zilei, cât și în funcție de anotimp. Această variabilitate reprezintă cea mai solicitantă parte a ciclului de funcționare.

_______________________________________________________________________

De ce Baterie Se află în centrul sistemului start-stop

Într-un vehicul fără sistem start-stop, bateria este în principal o sursă de rezervă. Alternatorul alimentează sistemul electric atunci când motorul funcționează, iar bateria are rolul de a porni motorul la demarare și de a acoperi cerințele electrice scurte când motorul este oprit. Starea de încărcare rămâne aproape întotdeauna la valoarea maximă, iar bateria este rar solicitată să facă altceva decât să furnizeze o descărcare scurtă, cu curent ridicat, de câteva sute de ori pe durata vieții sale.

Sistemul start-stop inversează această prioritate. Acum bateria este solicitată să fie o componentă activă a sistemului, nu o sursă de rezervă. Aceasta alimentează habitaclul în timp ce motorul este oprit, acceptă încărcare neregulată provenită din frânarea regenerativă și repornește motorul de zeci sau sute de ori pe parcursul unei călătorii. Restul arhitecturii electrice a vehiculului a fost proiectat în funcție de ceea ce poate face bateria, nu invers. De aceea, selecția bateriei pentru un program start-stop este mai exigentă decât selecția bateriei pentru un program fără start-stop.

În cazul specific al unui program cu ioni de sodiu, întrebarea nu este dacă chimia cu ioni de sodiu poate porni un motor (poate), ci dacă această chimie poate suporta acceptarea neregulată a încărcării, funcționarea la stare parțială de încărcare și expunerea la temperaturi din compartimentul motorului pe parcursul a mii de astfel de cicluri. Restul acestui articol analizează în detaliu aceste cerințe.

_______________________________________________________________________

Trei roluri ale unui sistem start-stop Baterie Trebuie DO într-un Sin gLE Ciclu

O baterie start-stop trebuie să îndeplinească trei sarcini care se suprapun pe parcursul unei călătorii. Fiecare sarcină solicită bateria în mod diferit, iar o formulă chimică care îndeplinește una dintre ele cu eficiență poate întâmpina dificultăți în îndeplinirea celorlalte.

• Furnizează o descărcare de curent ridicat pentru pornire. Când motorul pornește din nou, motorul de pornire consumă câteva sute de amperi timp de o fracțiune de secundă până la câteva secunde. Tensiunea bateriei trebuie să rămână deasupra pragului necesar motorului de pornire pe tot parcursul acestei descărcări, chiar și la temperaturi sub zero grade Celsius. Rezistența internă și comportamentul la descărcare în condiții de frig determină dacă bateria poate furniza această descărcare atunci când este esențială.

•Alimentează sistemul electric în timp ce motorul este oprit. Accesoriile moderne ale vehiculului —ventilatorul de climatizare, sistemul infotainment, farurile, senzorii, controlul caroseriei —pot consuma în mod continuu mai mulți amperi. O baterie start-stop trebuie să acopere acest consum pe toată durata fiecărei perioade în care motorul este oprit, adesea fără ajutorul alternatorului. Perioadele lungi în care motorul este oprit în traficul intens reprezintă cazul cel mai defavorabil pentru această sarcină.

• Acceptă încărcare de la alternator și din frânarea regenerativă. Acceptarea încărcării este partea ciclului de funcționare cea mai sensibilă din punct de vedere al compoziției chimice. Alternatorul injectează impulsuri de curent intens în baterie de fiecare dată când motorul pornește din nou și în timpul decelerării; frânarea regenerativă adaugă impulsuri neregulate de curent intens în multe sisteme moderne de pornire-oprire. Bateria trebuie să absoarbă aceste impulsuri fără a degaja gaze, fără a se supraîncălzi și fără deteriorare pe termen lung a celulelor.

Aceste trei sarcini se suprapun într-o singură călătorie. Se cere bateriei să pornească motorul, să rămână la o stare parțială de încărcare, să accepte încărcare, să pornească din nou motorul și să accepte o nouă încărcare, adesea de zeci de ori înainte ca vehiculul să fie oprit. O compoziție chimică care funcționează bine pentru o singură sarcină, dar se degradează rapid sub influența celorlalte, nu este soluția potrivită pentru acest ciclu de funcționare.

_______________________________________________________________________

Pornirea motorului, stabilitatea tensiunii și Margele pentru condiții de frig

Performanța de pornire este exprimată în amperi de pornire la rece (CCA) și amperi de pornire (CA). Ambele valori indică cantitatea de curent pe care bateria o poate furniza la o temperatură specificată, pe o durată determinată, menținând tensiunea peste o limită prestabilită. CCA, măsurat la −18 °C (sau 0 °F), reprezintă valoarea standard pentru condiții frigide, afișată pe majoritatea etichetelor bateriilor auto.

Pentru un vehicul cu sistem start-stop, CCA relevant nu este doar CCA-ul de pornire inițial. Este CCA-ul pe care bateria îl poate furniza încă după mii de cicluri parțiale și după luni întregi de expunere la temperaturile din compartimentul motorului. Rezistența internă crește pe măsură ce bateria îmbătrânește și pe măsură ce starea de încărcare scade; astfel, marja de pornire la temperaturi scăzute disponibilă în prima zi de funcționare nu este aceeași cu marja disponibilă în al treilea an de exploatare. Compoziția cu ioni de sodiu a demonstrat, în testări publicate, un comportament util de descărcare la temperaturi joase, motiv pentru care această tehnologie atrage tot mai mult interes în programele auto destinate climatelor reci.

Stabilitatea tensiunii în timpul impulsului de pornire este la fel de importantă ca și curentul de vârf. Motorul de pornire necesită ca tensiunea să rămână deasupra pragului său de funcționare pe întreaga durată a impulsului; o chimie a cărei tensiune scade sub sarcină obligă motorul de pornire să lucreze mai intens, încetinește rotirea și poate duce la eșecul pornirii. Profilul plat al tensiunii pentru majoritatea celulelor cu ion de sodiu și cu ion de litiu în timpul unui impuls de curent ridicat reprezintă un avantaj ingineresc real față de chimia cu plumb-acid, unde tensiunea scade vizibil sub sarcina de pornire.

_______________________________________________________________________

Acceptarea încărcării și comportamentul alternatorului comportamentul alternatorului

Acceptarea încărcării este partea ciclului de funcționare în care programele pentru baterii auto au cel mai mare risc de eșec. Alternatorul și sistemul de frânare regenerativă injectează curent în baterie sub formă de impulsuri neregulate, iar bateria trebuie să absoarbă aceste impulsuri fără a suferi deteriorări. O baterie cu electrolit lichid (flooded lead-acid) se degradează rapid în această situație: impulsurile de curent ridicat la o stare parțială de încărcare accelerează coroziunea grilelor, sulfatarea plăcilor și pierderea apei. Bateriile EFB și AGM au fost dezvoltate special pentru a gestiona acest tip de solicitare, motiv pentru care producătorii auto au trecut inițial la aceste tehnologii pentru sistemele start-stop.

Chimia bazată pe sodiu gestionează impulsurile de încărcare cu curent ridicat într-un mod diferit. Celulele cu sodiu pot accepta, în mod tipic, un debit de încărcare ridicat fără a suferi aceleași probleme de coroziune a grilelor sau sulfatare a plăcilor care afectează acumulatorii cu plumb-acid. Acest lucru conferă chimiei cu sodiu o potrivire structurală cu frânarea regenerativă și cu impulsurile de încărcare provenite de la alternator, caracteristice conducerii cu pornire-oprire. Faptul că acest avantaj se manifestă în condiții reale de utilizare depinde de chimia specifică a celulei, de familia catodului, de formatul celulei, de strategia de control a sistemului de management al bateriei (BMS) și de integrarea în vehicul — nu este un rezultat automat, iar cumpărătorul ar trebui să caute date de validare care să reflecte exact tipul de impuls de încărcare generat de vehiculul real.

Acceptarea dinamică a încărcării — adică cât de mult curent poate accepta o baterie la o stare parțială de încărcare, în condiții reci și la finalul unei perioade lungi cu motorul oprit — este varianta mai exigentă a aceleiași întrebări. Bateriile EFB au fost concepute pentru a îmbunătăți acceptarea dinamică a încărcării față de bateriile cu electrolit lichid pe bază de plumb; AGM o îmbunătățește din nou. Chimia cu ioni de sodiu a demonstrat o acceptare dinamică utilă a încărcării în testele publicate, dar valorile reale variază foarte mult în funcție de designul celulelor, iar ciclul de funcționare pe care celulele îl suportă în exploatare este mai important decât orice valoare obținută în laborator.

_______________________________________________________________________

Stare parțială de încărcare, SOC, un d SOH Monitorizare

Bateriile pentru sistemele start-stop rar rămân la starea de încărcare de 100%. Alternatorul și frânarea regenerativă reîncarcă bateria pe parcursul unei călătorii, dar perioadele în care motorul este oprit, consumul accesoriilor și pornirile repetitive mențin bateria în jurul stării de încărcare de 70–80% pe durata majorității vieții sale utile. Aceasta este cea mai nefavorabilă zonă de funcționare pentru o baterie cu electrolit lichid pe bază de plumb: sulfatarea se accelerează la stări parțiale de încărcare, capacitatea scade mai rapid, iar marjele de pornire în condiții de temperaturi scăzute se reduc.

Sistemele moderne start-stop monitorizează bateria prin intermediul unui sistem de management al bateriei (BMS) – denumit uneori modul senzor baterie sau senzor inteligent baterie în documentația producătorilor de echipamente originale (OEM). BMS urmărește starea de încărcare (SOC), starea de sănătate (SOH), temperatura și fluxul de curent. Aceste date sunt utilizate pentru a determina dacă motorul trebuie oprit la următoarea oprire, dacă alternatorul trebuie să încarce la o tensiune mai mare sau mai mică și când trebuie emis un avertisment către șofer privind necesitatea înlocuirii bateriei.

Pentru un program de pornire-oprire cu baterii cu ioni de sodiu, sistemul de management al bateriei (BMS) nu este opțional. Celulele cu ioni de sodiu necesită echilibrare la nivel de celulă, limite de tensiune și curent la temperaturi înalte și joase, precum și protecție împotriva descărcării excesive în perioade lungi de oprire a motorului. BMS-ul trebuie, de asemenea, să comunice cu sistemul electric al vehiculului, astfel încât alternatorul și unitatea de comandă a frânării regenerative să poată modela impulsurile de încărcare în funcție de starea reală a bateriei, nu pe baza unui profil generic de baterie cu electrolit lichid pe bază de plumb-acid. Cumpărătorii care evaluează bateriile cu ioni de sodiu pentru funcția de pornire-oprire trebuie să acorde o atenție deosebită modului în care BMS-ul este integrat în vehicul, nu doar compoziției chimice a celulelor.

_______________________________________________________________________

Temperatura, compartimentul motorului și stresul termic

Majoritatea bateriilor auxiliare auto sunt amplasate în compartimentul motorului sau chiar în afara acestuia. Ele sunt expuse unui domeniu larg de temperaturi: nopți reci de iarnă la minus zeci de grade Celsius, temperaturi din compartimentul motorului în timpul verii care pot depăși 60 °C, și condiții intermediare care se schimbă rapid între cele două extreme. O baterie start-stop trebuie să funcționeze pe întreaga gamă, iar cerințele de la fiecare extremă sunt diferite.

La temperaturi scăzute, bateria trebuie să pornească motorul când rezistența internă este maximă. Acesta este momentul în care comportamentul publicat al chimiei cu ioni de sodiu la descărcare la temperaturi joase devine un avantaj structural. La temperaturi ridicate, bateria trebuie să accepte impulsuri de încărcare, să rămână la o stare parțială de încărcare și să reziste perioadelor lungi de oprire a motorului fără o îmbătrânire calendaristică accelerată. Îmbătrânirea calendaristică este pierderea lentă de capacitate care are loc indiferent dacă bateria este sau nu utilizată și se accelerează la temperaturi mai mari pentru majoritatea chimilor.

Un cumpărător ar trebui să caute date despre celulele cu ion de sodiu care acoperă ambele capete ale acestui interval: validarea pornirii în condiții de frig la temperaturile de desfășurare pe care le vor întâlni efectiv vehiculele și datele privind îmbătrânirea calendaristică la temperaturi ridicate, care să susțină garanția pe mai mulți ani pe care programul dorește să o ofere. Valorile obținute în laborator la 25 °C nu înlocuiesc niciuna dintre aceste cerințe.

_______________________________________________________________________

Ce cere aceasta de la chimia bateriei

Reunind ciclul de funcționare, o chimie de baterie pentru sistemele start-stop trebuie să asigure cinci caracteristici în exploatare, nu doar pe bancul de testare.

• Pornire fiabilă în condiții de frig după mii de cicluri parțiale și pe parcursul mai multor ani de expunere în compartimentul motorului.

• Acceptare ridicată a încărcării sub forma impulsurilor neregulate provenite de la alternator și de la frânarea regenerativă, la stări parțiale de încărcare și într-un domeniu larg de temperaturi.

• Livrare stabilă a energiei pentru echipamentele auxiliare în ferestrele lungi de timp în care motorul este oprit, fără a descărca bateria până la o adâncime dăunătoare.

• Durată lungă de viață calendaristică la en temperaturi de la gheață, nu doar la temperatura camerei.

• Coordonarea BMS astfel încât sistemul electric al vehiculului să poată modela impulsurile alternatorului și ale frânării regenerative în jurul stării reale a bateriei.

Aceste cinci cerințe explică de ce bateriile cu plumb-acid inundate nu mai sunt soluția potrivită pentru majoritatea programelor start-stop, de ce bateriile EFB și AGM au devenit opțiunile dominante și de ce acum bateriile cu ion sodiu sunt evaluate serios. Dacă bateriile cu ion sodiu reprezintă soluția potrivită pentru un anumit program depinde de modul în care chimia este integrată în vehicul, de modul în care este ajustat BMS și de modul în care este validat ciclul de funcționare — nu doar de denumirea chimiei.

_______________________________________________________________________

De ce chimia cu ion sodiu se potrivește bine serviciului start-stop

Chimia cu ion sodiu are o potrivire structurală semnificativă cu ciclul de funcționare start-stop din trei motive care corespund direct celor cinci cerințe de mai sus.

• Comportamentul la descărcare la temperaturi scăzute. Testele publicate efectuate pe mai multe familii de catod pentru bateriile cu ion de sodiu arată că această chimie păstrează o capacitate utilă și o rezistență internă redusă la temperaturi sub zero grade Celsius, ceea ce este exact domeniul în care pornirea în condiții de frig este cel mai importantă. Aceasta corespunde cerinței de pornire în condiții de frig.

• Toleranță la impulsuri de încărcare. Celulele cu ion de sodiu suportă rate ridicate de încărcare fără a suferi același tip de coroziune a grilei sau deteriorare prin sulfatare ca în cazul chimiei cu plumb-acid. Cu un sistem de management al bateriei (BMS) corect calibrat, aceasta corespunde cerinței de acceptare ridicată a încărcării.

• Maturitate adecvată pentru baterii auxiliare. Piața ciclul de funcționare start-stop nu necesită densitatea energetică a bateriilor destinate tracțiunii. Chimia cu ion de sodiu nu trebuie să egaleze densitatea energetică a bateriilor NMC sau LFP pentru a oferi o performanță utilă ca baterie auxiliară de 12 volți sau 24 volți, iar curba de maturizare a bateriilor cu ion de sodiu se potrivește foarte bine acestui ciclu de funcționare. Aceasta corespunde cerințelor privind durata de viață calendaristică și coordonarea cu BMS, ambele putând fi abordate de un program de celule cu ion de sodiu la nivelul chimiei și al lanțului de aprovizionare.

Un cumpărător care intră într-un program de pornire-oprire cu baterii cu ioni de sodiu, conștient de aceste trei avantaje structurale —și conștient de efortul de verificare al furnizorului necesar pentru această tehnologie la stadiul incipient —se află într-o poziție mult mai puternică decât un cumpărător care presupune că bateriile cu ioni de sodiu se comportă exact ca o sursă AGM matură. Ca furnizor de baterii și sisteme de stocare a energiei pentru importatori, distribuitori, angroști, dealeri și cumpărători OEM și ODM din domeniul automotive, PITTAR lucrează cu celule cu ioni de sodiu

în programe concepute special pentru ciclurile de pornire-oprire. Atunci când această chimie se potrivește programului — fiabilitate în climă rece, diversificarea lanțului de aprovizionare, angajamente de volum pe mai mulți ani și integrare adaptată prin sistemul de management al bateriei (BMS) în sistemul electric al vehiculului — conversația merită purtată. Atunci când această chimie nu se potrivește încă, cea mai bună decizie este să rămâneți cu soluția existentă până când potrivirea se modifică.

_______________________________________________________________________

Întrebări frecvente

Cum funcționează o baterie de tip pornire-oprire ?

O baterie start-stop este integrată în sistemul electric al unui vehicul care oprește automat motorul în timpul staționării și îl repornește când șoferul este pregătit să pornească. În fiecare ciclu, bateria furnizează o descărcare de curent ridicat pentru a reporni motorul, alimentează electronica cabinei și modulele de comandă în perioada în care motorul este oprit și primește încărcare de la alternator și de la sistemul de frânare regenerativă după ce motorul pornește din nou. Sistemul de management al bateriei (BMS) coordonează starea de încărcare, temperatura și limitele de curent, astfel încât bateria să poată repeta acest model de mii de ori pe durata vieții sale utile.

Ce face ca o baterie start- stop să difere de a obișnuit mașină bateriei?

O baterie obișnuită de autoturism este concepută pentru un ciclu de funcționare simplu: o pornire la fiecare călătorie, o încărcare lentă de completare și o sarcină scurtă pentru accesorii. O baterie start-stop este concepută pentru mii de porniri la fiecare călătorie, impulsuri neregulate de încărcare cu curent ridicat provenite din frânarea regenerativă, perioade lungi de oprire a motorului la un nivel parțial de încărcare și expunere la temperaturile din compartimentul motor pe parcursul mai multor ani. Tehnologiile EFB, AGM și ion-sodiu sunt formulate special pentru acest regim mai sever; bateriile cu electrolit lichid pe bază de plumb nu sunt potrivite.

De câte ori efectuează o baterie start-stop o pornire ? motor în al său de viață?

Numărul variază foarte mult în funcție de ciclurile de conducere, de climă, de integrarea vehiculului și de compoziția chimică. Estimările publicate de producătorii de echipamente originale (OEM) și de terți pentru programele de pornire-oprire se situează, de obicei, între zeci de mii și sute de mii de porniri pe durata de viață a produsului, dar numărul exact depinde de designul specific al celulei, de ajustarea sistemului de management al bateriei (BMS) și de ciclul real de funcționare în exploatare. Cumpărătorii ar trebui să caute date de validare care să reflecte același tip de ciclu de funcționare cu cel la care vor fi supuse vehiculele, nu un număr generic obținut în condiții de laborator.

Are o baterie de pornire-oprire nevoie de un încărcător special? încărcător?

Uneori. Bateriile cu ion de sodiu, AGM și EFB au profile diferite de tensiune de încărcare față de bateriile cu electrolit lichid pe bază de plumb, iar utilizarea unui profil incorect de încărcare poate reduce durata de funcționare sau poate duce la nerealizarea încărcării unei baterii profund descărcate. Pentru un program de start-oprire cu baterii cu ion de sodiu, sistemul electric al vehiculului trebuie ajustat la fereastra de tensiune de încărcare a celulelor, iar sistemul de management al bateriei (BMS) trebuie să coordoneze acțiunile cu regulatorul alternatorului; un încărcător extern de banc utilizat într-un depozit sau într-un mediu de service trebuie să corespundă aceluiași profil.

DE CE se evaluează bateriile cu ion de sodiu pentru serviciul de start-oprire?

Chimia bazată pe ionii de sodiu a demonstrat un comportament util de descărcare la temperaturi scăzute, suportă impulsuri de încărcare cu curent ridicat neregulate și nu necesită densitatea energetică a bateriei de tracțiune pentru a oferi performanța unei baterii auxiliare de 12 volți sau 24 volți. Aceste avantaje structurale corespund cerințelor de pornire în condiții de frig, acceptare a încărcării și maturitate adecvată pentru bateriile auxiliare, care definesc ciclul de funcționare start-stop; de aceea, bateriile cu ion de sodiu sunt evaluate serios, alături de cele EFB și AGM, în programele auto.