Как работает автомобильный аккумулятор Start-Stop?

Как Имеет ли автомобиль систему «старт-стоп» Аккумулятор - Работа?

Система «старт-стоп» добавляет небольшой, но существенно повышающий нагрузку элемент к традиционному циклу эксплуатации пускового аккумулятора. 12-вольтовый (или 24-вольтовый) вспомогательный аккумулятор под капотом должен останавливать двигатель на каждом светофоре, запускать его при отпускании педали тормоза, обеспечивать питание электроники салона во время каждого выключенного состояния двигателя, а также поглощать нерегулярные импульсы высокого тока от генератора и системы рекуперативного торможения в остальное время. Ни одна из этих задач не существовала в рамках старого цикла эксплуатации — один пуск на поездку.

Чтобы понять, как работает аккумулятор для системы «старт-стоп», полезнее рассмотреть всю систему вокруг него, чем химию внутри него. Химический состав имеет значение: залитый свинцово-кислый аккумулятор не выдерживает такого цикла эксплуатации; аккумуляторы EFB или AGM являются сегодня стандартным решением; натрий-ионные аккумуляторы сейчас проходят оценку в качестве третьего варианта. Однако химический состав важен лишь постольку, поскольку он определяет, насколько хорошо аккумулятор справляется с теми задачами, которые ставит перед ним система.

В этой статье подробно описывается реальный цикл работы: что происходит с момента остановки транспортного средства на светофоре до момента его ускорения при старте, когда разряжается аккумулятор, когда он подзаряжается, чем занимается система управления батареей (BMS) и какие требования предъявляет каждый этап цикла к элементам аккумулятора.

_______________________________________________________________________

Что Происходит Во время цикла «старт– Остановка»?

Полный цикл «старт–остановка» короткий — обычно менее — но при этом одновременно задействует почти все характеристики аккумулятора.

• Транспортное средство приближается к месту остановки. Оно замедляется. Генератор зачастую переводится в режим рекуперации, направляя ток заряда обратно в аккумулятор. Напряжение на клеммах аккумулятора в этот период, как правило, повышается.

• Двигатель выключается на холостом ходу. Когда транспортное средство полностью останавливается и водитель удерживает педаль тормоза (или в некоторых системах — при движении накатом), блок управления двигателем даёт команду на отключение двигателя. Стартер и венец маховика готовы к следующему пуску. Ток аккумулятора переключается с генератора на бортовую электрическую сеть.

• Окно работы с выключенным двигателем. Фары, вентилятор климат-контроля, информационно-развлекательная система, приборная панель, датчики парковки, модули управления кузовом и длинный список других небольших ЭБУ продолжают потреблять ток. Это так называемая «покоящаяся нагрузка» или «вспомогательная нагрузка», и в современном автомобиле она может легко составлять несколько ампер.

• Водитель отпускает педаль тормоза (или нажимает педаль акселератора). Стартер включается и проворачивает двигатель. Потребляемый ток на короткое время — от доли секунды до нескольких секунд — резко возрастает до нескольких сотен ампер. Напряжение аккумулятора во время этого всплеска падает.

• Перезапуск двигателя. Восстанавливается процесс сгорания, генератор возвращается в рабочий режим, и ток заряда снова поступает в аккумулятор. Напряжение восстанавливается, после чего цикл повторяется на следующей остановке.

Эти пять событий повторяются десятки или сотни раз за одну городскую поездку. Их продолжительность, потребляемый ток, температура и уровень заряда также изменяются в течение дня и в зависимости от сезона. Именно эта изменчивость представляет собой самую высокую нагрузку в рамках рабочего цикла.

_______________________________________________________________________

Почему Аккумулятор Находится в центре системы «старт-стоп»

В автомобиле без функции «старт-стоп» аккумулятор выполняет в основном резервную функцию. Когда двигатель работает, электрическую систему питает генератор, а аккумулятор нужен лишь для запуска двигателя и кратковременного обеспечения электропотребления при выключенном двигателе. Уровень заряда обычно остаётся близким к максимальному, и аккумулятор редко подвергается нагрузкам, кроме кратковременных импульсов высокого тока — всего несколько сотен раз за весь срок службы.

Функция «старт-стоп» меняет этот приоритет. Теперь от аккумулятора требуется активно участвовать в работе системы, а не просто находиться в резерве. Он обеспечивает работу салонного оборудования при выключенном двигателе, принимает нерегулярный заряд от рекуперативного торможения и запускает двигатель десятки или сотни раз за поездку. Остальная электрическая архитектура автомобиля спроектирована с учётом возможностей аккумулятора, а не наоборот. Именно поэтому выбор аккумулятора для системы «старт-стоп» предъявляет более высокие требования, чем выбор аккумулятора для систем без функции «старт-стоп».

В случае конкретно натрий-ионной технологии вопрос заключается не в том, способна ли такая химия запустить двигатель (способна), а в том, выдержит ли она нерегулярное принятие заряда, эксплуатацию в частично заряженном состоянии и воздействие температур подкапотного пространства в течение многих тысяч таких циклов. В оставшейся части этой статьи эти требования рассматриваются подробно.

_______________________________________________________________________

Три задачи функции «старт-стоп» Аккумулятор Должен DO в Китае gLE Цикл

Аккумулятор системы «старт-стоп» должен выполнять три задачи, которые перекрываются в течение поездки. Каждая задача создаёт на аккумулятор особую нагрузку, и химический состав, хорошо справляющийся с одной задачей, может испытывать трудности с другой.

• Обеспечивать мощный токовый импульс при запуске. При перезапуске двигателя стартер потребляет несколько сотен ампер в течение доли секунды — нескольких секунд. Напряжение аккумулятора должно оставаться выше порогового значения, необходимого стартеру, на всём протяжении импульса, даже при температурах ниже нуля. Внутреннее сопротивление и поведение аккумулятора при разряде на морозе определяют, сможет ли он обеспечить требуемый импульс в критический момент.

•Питать электрическую систему во время остановки двигателя. Современные вспомогательные потребители транспортного средства —вентилятор климатической системы, информационно-развлекательная система, фары, датчики, блок управления кузовом —могут потреблять в совокупности несколько ампер непрерывно. Аккумулятор системы «старт-стоп» должен покрывать эту нагрузку в каждый интервал остановки двигателя, зачастую без поддержки генератора. Длительные интервалы остановки двигателя в условиях интенсивного городского движения представляют наиболее сложный случай для выполнения этой задачи.

• Принимать зарядка от генератора и рекуперативного торможения. Приём заряда — это наиболее чувствительная к химическому составу часть рабочего цикла. Генератор подаёт импульсы высокого тока в аккумулятор каждый раз при перезапуске двигателя и при замедлении; рекуперативное торможение добавляет нерегулярные импульсы высокого тока во многих современных системах «старт-стоп». Аккумулятор должен поглощать эти импульсы без выделения газов, перегрева и долгосрочного повреждения элементов.

Эти три задачи перекрываются в рамках одной поездки. От аккумулятора требуется выполнить пуск двигателя, затем пребывать при частичном уровне заряда, принять заряд, снова выполнить пуск и снова принять заряд — зачастую десятки раз до выключения транспортного средства. Химический состав, хорошо справляющийся с одной задачей, но быстро деградирующий при выполнении остальных, не подходит для данного рабочего цикла.

_______________________________________________________________________

Пуск двигателя, стабильность напряжения и Запас мощности при низких температурах

Пусковые характеристики оцениваются в амперах холодного пуска (CCA) и амперах пуска (CA). Оба значения указывают, какой ток аккумулятор способен отдать при заданной температуре в течение заданного времени, сохраняя напряжение выше определённого порога. CCA, измеряемый при −18 °C (или 0 °F), — это стандартное значение для холодной погоды, указанное на большинстве этикеток автомобильных аккумуляторов.

Для автомобиля с системой «старт-стоп» релевантное значение CCA — это не просто CCA при первом запуске. Это CCA, который аккумулятор способен обеспечить после тысяч частичных циклов зарядки-разрядки и после месяцев эксплуатации при температурах подкапотного пространства. Внутреннее сопротивление возрастает по мере старения аккумулятора и снижения его уровня заряда, поэтому запас пусковой мощности в холодную погоду, имеющийся у аккумулятора в первый день эксплуатации, не совпадает с запасом, доступным через три года службы. В опубликованных испытаниях химия натрий-ионных аккумуляторов продемонстрировала полезное поведение при разряде при низких температурах, что является одной из причин растущего внимания к этой технологии в автомобильных программах для холодных климатов.

Стабильность напряжения во время пускового импульса столь же важна, сколь и пиковый ток. Двигатель стартера требует, чтобы напряжение оставалось выше порогового значения его рабочего диапазона на протяжении всего импульса; химический состав аккумулятора, при котором напряжение проседает под нагрузкой, вынуждает двигатель стартера работать интенсивнее, замедляет проворачивание коленчатого вала и повышает риск отказа при запуске. Плоский профиль напряжения большинства натрий-ионных и литий-ионных элементов во время импульса высокого тока представляет собой реальное инженерное преимущество по сравнению с химией свинцово-кислых аккумуляторов, напряжение которых заметно падает при нагрузке пуска.

_______________________________________________________________________

Приём заряда и альтернатор поведение альтернатора

Приём заряда — это часть рабочего цикла, в которой программы автомобильных аккумуляторов наиболее склонны к сбоям. Генератор и система рекуперативного торможения подают ток в аккумулятор нерегулярными импульсами, и аккумулятор должен поглощать эти импульсы без повреждений. Залитый свинцово-кислый аккумулятор быстро деградирует при таком режиме: импульсы высокого тока при частичном уровне заряда ускоряют коррозию решёток, сульфатацию пластин и потерю воды. Аккумуляторы EFB и AGM были специально разработаны для работы в таком режиме, поэтому автопроизводители изначально перешли на эти химические составы для систем «старт-стоп».

Химия натрий-ионных аккумуляторов по-иному реагирует на импульсы зарядного тока высокой силы. Натрий-ионные элементы, как правило, способны принимать высокий ток заряда без таких проблем, как коррозия решётки или сульфатация пластин, характерных для свинцово-кислых аккумуляторов. Это делает химию натрий-ионных элементов структурно совместимой с импульсами рекуперативного торможения и генератора, присущими режиму движения «старт-стоп». Проявится ли это преимущество в реальных условиях эксплуатации, зависит от конкретной химии элемента, типа катода, формата элемента, стратегии управления системой управления батареей (BMS) и интеграции в транспортное средство — оно не возникает автоматически, и покупатель должен искать данные по валидации, относящиеся именно к тому профилю импульсов заряда, который будет генерироваться в конкретном транспортном средстве.

Динамическая способность к зарядке — то есть сколько тока может принять аккумулятор при частичном уровне заряда, на холоде и в конце длительного периода выключенного двигателя — представляет собой более сложную версию того же вопроса. Аккумуляторы EFB были разработаны для повышения динамической способности к зарядке по сравнению с залитыми свинцово-кислотными; AGM повышает её ещё больше. Натрий-ионная химия показала полезную динамическую способность к зарядке в опубликованных испытаниях, однако реальные значения сильно варьируются в зависимости от конструкции элементов, а рабочий цикл, в котором элементы эксплуатируются на практике, важнее любых лабораторных данных.

_______________________________________________________________________

Частичный уровень заряда, SOC, an d SOH Мониторинг

Аккумуляторы для систем «старт-стоп» редко находятся в состоянии полного заряда (100 %). Генератор и рекуперативное торможение подзаряжают аккумулятор в течение поездки, однако периоды выключенного двигателя, нагрузка от вспомогательных устройств и пусковые импульсы удерживают уровень заряда ближе к 70–80 % на большей части срока службы. Это наихудший режим работы для залитого свинцово-кислотного аккумулятора: сульфатация ускоряется при частичном заряде, ёмкость снижается быстрее, а запас мощности для пуска при низких температурах сокращается.

Современные системы «старт-стоп» контролируют аккумулятор с помощью системы управления аккумулятором (BMS), которую в документации производителей иногда называют модулем датчика аккумулятора или интеллектуальным датчиком аккумулятора. BMS отслеживает состояние заряда (SOC), состояние здоровья (SOH), температуру и силу тока. На основе этих данных она решает, должен ли двигатель остановиться на следующем светофоре, должен ли генератор заряжать аккумулятор при повышенном или пониженном напряжении, а также когда следует предупредить водителя о необходимости замены аккумулятора.

Для программы старт-стоп на основе натрий-ионных аккумуляторов система управления батареей (BMS) является обязательной. Натрий-ионные элементы требуют балансировки ячеек, ограничений напряжения и тока при высоких и низких температурах, а также защиты от глубокого разряда в периоды длительного выключения двигателя. Кроме того, BMS должна взаимодействовать с бортовой электрической системой автомобиля, чтобы генератор и контроллер рекуперативного торможения могли формировать импульсы заряда с учётом реального состояния аккумулятора, а не на основе усреднённого профиля для традиционных залитых свинцово-кислых аккумуляторов. Покупателям, оценивающим натрий-ионные решения для систем старт-стоп, следует особенно внимательно изучить способ интеграции BMS в автомобиль, а не только химию элементов.

_______________________________________________________________________

Температура, моторный отсек и термические нагрузки

Большинство вспомогательных автомобильных аккумуляторов размещаются в моторном отсеке или непосредственно за его пределами. Они подвергаются широкому диапазону температур: холодным зимним ночам при минус десятках градусов Цельсия, летним температурам в моторном отсеке, превышающим 60 °C, и промежуточные условия, которые быстро меняются между двумя крайностями. Аккумулятор для систем «старт-стоп» должен работать по всему диапазону, и требования в каждой из крайних точек различны.

При низких температурах аккумулятор должен обеспечивать пуск двигателя, когда внутреннее сопротивление максимально. Именно здесь опубликованное поведение натрий-ионных аккумуляторов при разряде при низких температурах становится структурным преимуществом. При высоких температурах аккумулятор должен принимать импульсы заряда, оставаться при частичном уровне заряда и выдерживать длительные периоды простоя двигателя без ускоренного календарного старения. Календарное старение — это медленная потеря ёмкости, происходящая независимо от того, используется ли аккумулятор или нет; для большинства химических составов оно ускоряется при повышении температуры.

Покупатель должен искать данные по натрий-ионным элементам, охватывающие оба конца этого диапазона: проверку пусковых характеристик при низких температурах в условиях, соответствующих реальным температурам эксплуатации транспортных средств, а также данные по старению при высоких температурах, подтверждающие многолетнюю гарантию, которую программа намерена предоставить. Показатели, полученные при испытаниях на столе при 25 °C, не могут заменить ни те, ни другие.

_______________________________________________________________________

Что это предъявляет к химии аккумулятора

Собирая рабочий цикл воедино, химия аккумулятора для систем «старт–стоп» должна обеспечивать в эксплуатации — а не только на испытательном стенде — пять ключевых характеристик.

• Надёжный пуск при низких температурах после тысяч частичных циклов и в течение нескольких лет эксплуатации в моторном отсеке.

• Высокий коэффициент приёма заряда при нерегулярном импульсном режиме работы генератора и рекуперативного торможения, при частичном уровне заряда и в широком диапазоне температур.

• Стабильная подача питания на вспомогательные потребители в периоды длительного выключения двигателя без приведения аккумулятора в состояние чрезмерного разряда.

• Длительный срок службы в календарном исчислении при температуры в диапазоне от низких до высоких, а не только при комнатной температуре.

• Согласование работы BMS чтобы бортовая электрическая система могла формировать импульсы генератора и рекуперативного торможения с учётом реального состояния аккумулятора.

Именно эти пять требований объясняют, почему свинцово-кислые аккумуляторы с жидким электролитом больше не являются оптимальным решением для большинства систем «старт-стоп», почему EFB и AGM стали доминирующими вариантами, а также почему сейчас всерьёз рассматривается натрий-ионная технология. Подходит ли натрий-ионная технология для конкретной программы — зависит от способа интеграции химии в транспортное средство, настройки BMS и валидации рабочего цикла, а не только от химической классификации.

_______________________________________________________________________

Почему натрий-ионная химия хорошо подходит для систем «старт-стоп»

Натрий-ионная химия демонстрирует значимое структурное соответствие рабочему циклу «старт-стоп» по трём причинам, напрямую связанным с пятью требованиями, указанными выше.

• Поведение при разряде при низких температурах. Опубликованные испытания нескольких семейств катодов натрий-ионных аккумуляторов показывают, что натрий-ионная химия сохраняет полезную ёмкость и обладает более низким внутренним сопротивлением при температурах ниже нуля — именно в этом диапазоне критически важна способность к запуску двигателя в холодную погоду. Это соответствует требованию к запуску двигателя при низких температурах.

• Устойчивость к импульсным зарядам. Натрий-ионные элементы выдерживают высокие токи заряда без такого коррозионного разрушения решётки или сульфатации, которые характерны для свинцово-кислотных аккумуляторов. При правильно настроенной системе управления батареей (BMS) это соответствует требованию к высокой скорости приёма заряда.

• Созревание технологии, адекватное применению в вспомогательных аккумуляторах. Рынок режим работы «старт-стоп» не требует энергетической плотности, присущей тяговым аккумуляторным блокам. Для обеспечения полезной работы вспомогательных аккумуляторов на 12 В или 24 В натрий-ионная химия не обязана соответствовать энергетической плотности NMC или LFP; кроме того, кривая технологического созревания натрий-ионных элементов хорошо согласуется с этим режимом эксплуатации. Это соответствует требованиям к сроку службы в календарном исчислении и координации с BMS — оба параметра могут быть обеспечены программой по натрий-ионным элементам на уровне химического состава и цепочки поставок.

Покупатель, который приходит в программу стартер-стоп на основе натрий-ионных аккумуляторов, осознавая эти три структурных преимущества —и осознающий необходимость тщательной проверки поставщика, требуемую химией на ранних этапах её развития —находится в значительно более выгодном положении по сравнению с покупателем, ожидающим, что натрий-ионные аккумуляторы будут вести себя точно так же, как зрелые аккумуляторы AGM. Будучи поставщиком аккумуляторов и систем накопления энергии для импортёров, дистрибьюторов, оптовиков, дилеров автомобильных аккумуляторов, а также покупателей OEM и ODM, PITTAR работает с натрий-ионными элементами

в программах, специально интегрированных с циклами стартер-стоп. Там, где химический состав соответствует требованиям программы — надёжность в условиях холодного климата, диверсификация цепочки поставок, многолетние объёмы закупок и адаптация BMS под электрическую систему транспортного средства — обсуждение имеет смысл. Там, где химический состав пока не соответствует требованиям, правильным решением является сохранение текущего решения до тех пор, пока соответствие не будет достигнуто.

_______________________________________________________________________

Часто задаваемые вопросы

Как работает аккумулятор стартер-стоп?

Аккумулятор типа «старт-стоп» устанавливается в электрическую систему транспортного средства, которая автоматически выключает двигатель на холостом ходу и запускает его снова, когда водитель готов к движению. При каждом цикле аккумулятор обеспечивает высокотоковый пусковой импульс для повторного запуска двигателя, питает электронику салона и управляющие модули в период выключенного двигателя, а также принимает заряд от генератора и системы рекуперативного торможения после возобновления работы двигателя. Система управления батареей (BMS) координирует уровень заряда, температуру и ограничения по току, чтобы аккумулятор мог многократно повторять этот цикл тысячи раз в течение всего срока службы.

Что делает аккумулятор типа «старт-стоп» отличным от a обычный автомобиль аккумулятора?

Обычный автомобильный аккумулятор рассчитан на простой цикл эксплуатации: один пуск на поездку, медленная подзарядка до полного уровня и кратковременная нагрузка от вспомогательных устройств. Аккумулятор для системы «старт-стоп» рассчитан на тысячи пусков за одну поездку, нерегулярные импульсы заряда высоким током от рекуперативного торможения, длительные периоды выключенного двигателя при частичном уровне заряда и воздействие температур подкапотного пространства в течение многих лет. Химические составы EFB, AGM и натрий-ионные разработаны специально для этого более жёсткого режима; залитые свинцово-кислые аккумуляторы — нет.

Сколько раз система «старт-стоп» аккумулятор запускает двигатель в его срока службы?

Число сильно варьируется в зависимости от циклов движения, климата, интеграции транспортного средства и химического состава. Опубликованные производителями оригинального оборудования (OEM) и независимыми сторонами оценки для систем «старт-стоп» обычно составляют от десятков тысяч до сотен тысяч запусков за весь срок службы, однако точное число зависит от конкретной конструкции элемента, настройки системы управления батареей (BMS) и реального рабочего цикла в эксплуатации. Покупателям следует искать данные по валидации, относящиеся именно к тому типу рабочего цикла, который будет характерен для эксплуатации транспортных средств, а не к обобщённому показателю, полученному при лабораторных испытаниях.

Аккумулятор системы «старт-стоп» требует специального зарядного устройства?

Иногда. У натрий-ионных, AGM и EFB-аккумуляторов профили зарядного напряжения отличаются от профилей для залитых свинцово-кислых аккумуляторов, и использование неподходящего профиля зарядного устройства может сократить срок службы или не обеспечить полную зарядку глубоко разряженного аккумулятора. Для программы start-stop на основе натрий-ионных элементов электрическую систему транспортного средства следует настроить на рабочий диапазон зарядного напряжения элемента, а система управления батареей (BMS) должна взаимодействовать с контроллером генератора; внешнее стационарное зарядное устройство, используемое на складе или в сервисной среде, должно соответствовать тому же профилю.

ПОЧЕМУ оценивается ли натрий-ионная технология для применения в системах start-stop?

Химия натрий-ионных аккумуляторов продемонстрировала полезное поведение при разряде при низких температурах, допускает нерегулярные импульсы заряда высоким током и не требует высокой энергетической плотности тягового блока для обеспечения рабочих характеристик вспомогательных аккумуляторов на 12 В или 24 В. Эти структурные преимущества соответствуют требованиям к пуску двигателя при холодной погоде, способности принимать заряд и зрелости, характерной для вспомогательных аккумуляторов, — всё это определяет цикл работы «старт-стоп», поэтому натрий-ионные аккумуляторы серьёзно рассматриваются наряду с EFB и AGM в автомобильных программах.