Як працює автомобільна акумуляторна батарея з функцією старт-стоп?

Як Чи має автомобіль систему старт-стоп Акумулятор - Робота?

Система старт-стоп додає невелику, але вимогливу навантаження до старої циклової роботи стартерної батареї. Додаткова 12-вольтна (або 24-вольтна) батарея під капотом повинна зупиняти двигун на кожному світлофорі, запускати його знову після відпускання гальма, живити електроніку салону під час кожного періоду зупинки двигуна та поглинати нерегулярні імпульси високого струму від генератора й системи рекуперативного гальмування в усі інші моменти. Жодне з цих завдань не існувало в старій цикловій роботі «один запуск на поїздку».

Щоб зрозуміти, як працює батарея для системи старт-стоп, корисніше розглядати систему навколо неї, ніж хімічний склад самої батареї. Хімічний склад має значення — затоплена свинцево-кислотна батарея не витримає такого циклу роботи, батареї EFB або AGM є сучасним стандартом, а натрій-іонні батареї зараз оцінюють як третю можливість — але хімічний склад важливий лише в контексті того, що система вимагає від батареї.

У цій статті розглядається реальний цикл роботи: що відбувається від моменту зупинки транспортного засобу на світлофорі до моменту його прискорення після зупинки, де батарея розряджається, де вона підзаряджається, що робить система управління батареєю (BMS) та які вимоги до елементів батареї пред’являє кожна фаза цього циклу.

_______________________________________________________________________

Що Відбувається Під час запуску Циклу «Старт–Стоп»?

Повний цикл «Старт–Стоп» короткий — зазвичай менше — але він одночасно навантажує майже всі параметри батареї.

• Транспортний засіб наближається до зупинки. Він уповільнює рух. Альтернатор часто переводиться в режим рекуперації, забезпечуючи приплив зарядного струму назад у батарею. Напруга на клемах батареї зазвичай зростає під час цієї фази.

• Двигун вимикається на холостому ході. Коли транспортний засіб повністю зупиняється й водій утримує педаль гальма (або, у деяких системах, коли транспортний засіб рухається за інерцією), блок керування двигуном наказує вимкнути двигун. Стартер і маховик готові до наступного запуску. Струм акумулятора переходить від генератора до бортової електричної системи.

• Період вимкнення двигуна. Фари, вентилятор системи клімат-контролю, інформаційно-розважальна система, приладова панель, датчики паркування, модулі керування кузовом та довгий перелік інших менших ЕБУ продовжують споживати струм. Це називається «спокоєм» або «навантаженням від аксесуарів», і в сучасному транспортному засобі воно легко може становити кілька ампер.

• Водій відпускає педаль гальма (або натискає педаль акселератора). Стартер включається й прокручує двигун. Споживання струму стрибає до кількох сотень ампер протягом частки секунди або кількох секунд. Напруга акумулятора падає під час цього спалаху.

• Перезапуск двигуна. Відновлюється згоряння, генератор повертається в роботу, і струм заряджання знову надходить у акумулятор. Напруга відновлюється, після чого цикл повторюється на наступній зупинці.

Ці п’ять подій повторюються десятки або сотні разів під час одного міського поїздки. Їх тривалість, споживаний струм, температура та рівень заряду також змінюються протягом дня й у різні пори року. Саме ця змінність є найбільш навантаженою частиною експлуатаційного циклу.

_______________________________________________________________________

Чому Акумулятор Розташований у центрі системи «старт-стоп»

У транспортному засобі без системи «старт-стоп» акумулятор в основному виконує резервну функцію. Коли двигун працює, електричну систему живить генератор, а акумулятор призначений лише для запуску двигуна та задоволення короткочасних електричних потреб під час його зупинки. Рівень заряду зазвичай залишається близьким до максимального, і акумулятор рідко вимагає виконання будь-чого, крім подачі короткого імпульсу високого струму кілька сотень разів протягом усього терміну його служби.

Функція старт-стоп змінює цей пріоритет. Тепер акумулятор має виконувати активну роботу в системі, а не просто перебувати в режимі резерву. Він живить салон під час зупинки двигуна, приймає нерегулярний заряд від рекуперативного гальмування та запускає двигун десятки чи сотні разів за поїздку. Решта електричної архітектури транспортного засобу спроектована з урахуванням можливостей акумулятора, а не навпаки. Саме тому вибір акумулятора для програми старт-стоп є більш вимогливим, ніж для програми без старт-стоп.

Щодо програми на основі натрій-іонних акумуляторів, питання полягає не в тому, чи може така хімія запустити двигун (може), а в тому, чи здатна вона витримувати нерегулярне приймання заряду, роботу в умовах часткового заряду та температурні навантаження моторного відсіку протягом багатьох тисяч таких циклів. У решті цієї статті детально розглядаються саме ці вимоги.

_______________________________________________________________________

Три завдання функції старт-стоп Акумулятор Має DO у Sin gLE Цикл

Акумулятор системи «старт-стоп» має виконувати три завдання, які перекриваються протягом поїздки. Кожне з цих завдань навантажує акумулятор по-різному, і хімічний склад, що добре справляється з одним із них, може мати труднощі з іншим.

• Доставляти потужний струмовий імпульс для запуску двигуна. Під час перезапуску двигуна стартер споживає кілька сотень ампер протягом частки секунди до кількох секунд. Напруга акумулятора повинна залишатися вище мінімального порогу, необхідного стартеру, протягом усього імпульсу — навіть за температур нижче нуля. Внутрішній опір та поведінка акумулятора під час розряду на холоді визначають, чи зможе він надати такий імпульс у критичний момент.

•Забезпечувати електричну систему під час зупинки двигуна. Сучасне навантаження від споживачів у транспортному засобі —вентилятор клімат-системи, інформаційно-розважальна система, фари, датчики, блок керування кузовом —може становити кілька ампер постійно. Акумулятор системи «старт-стоп» має забезпечувати це навантаження протягом кожного періоду зупинки двигуна, часто без підтримки від генератора. Найскладнішим випадком для цього завдання є тривалі періоди зупинки двигуна у пробках.

• Приймати заряджання від генератора та рекуперативного гальмування. Прийняття заряду — це найбільш чутлива до хімічного складу частина циклу роботи. Генератор подає імпульси високого струму назад у акумулятор щоразу, коли двигун запускається знову, а також під час сповільнення; рекуперативне гальмування додає нерегулярні імпульси високого струму в багатьох сучасних системах «старт-стоп». Акумулятор має поглинати ці імпульси без виділення газів, перегріву та довготривалого пошкодження елементів.

Ці три завдання перекриваються протягом одного рейсу. Акумулятор повинен забезпечувати запуск двигуна, залишатися в стані часткового заряду, приймати заряд, знову забезпечувати запуск двигуна й приймати додатковий заряд — часто десятки разів, перш ніж транспортний засіб буде вимкнено. Хімічний склад, який добре справляється з одним із завдань, але швидко деградує під впливом інших, не є правильним рішенням для цього циклу роботи.

_______________________________________________________________________

Запуск двигуна, стабільність напруги та Запас потужності в холодну погоду

Робочі характеристики пуску оцінюються в амперах холодного пуску (CCA) та амперах пуску (CA). Обидва значення вказують, який струм акумулятор здатен забезпечити при певній температурі протягом певного часу, зберігаючи напругу вище встановленого порогу. CCA, виміряне при −18 °C (або 0 °F), є стандартним показником для холодної погоди, який зазвичай вказують на більшості етикеток автомобільних акумуляторів.

Для транспортного засобу з системою старт-стоп релевантне значення CCA — це не лише CCA при першому запуску. Це CCA, яке акумулятор здатен забезпечити після тисяч часткових циклів і після місяців експлуатації при температурі моторного відсіку. Внутрішній опір зростає зі старінням акумулятора й із зниженням рівня заряду, тому запас за пусковим струмом у холодну погоду, доступний акумулятору в перший день експлуатації, не збігається з запасом, що залишиться через три роки служби. У наукових дослідженнях було продемонстровано корисну поведінку натрій-іонних акумуляторів при розрядженні за низьких температур, що й пояснює зростаючу увагу до цієї хімії в автомобільних програмах для холодних кліматів.

Стабільність напруги під час спалаху запуску є такою ж важливою, як і піковий струм. Двигун стартера потребує, щоб напруга залишалася вище його робочого порогу протягом усього спалаху; хімічна основа, при якій напруга просідає під навантаженням, змушує двигун стартера працювати інтенсивніше, уповільнює обертання колінчастого валу й загрожує відмовою запуску. Плоский профіль напруги більшості натрій-іонних та літій-іонних елементів під час спалаху високого струму є справжньою інженерною перевагою порівняно з олов’яно-кислотною хімією, де напруга помітно падає під навантаженням запуску.

_______________________________________________________________________

Прийняття заряду та альтернатор поведінка

Прийняття заряду — це частина циклу роботи, під час якої програми для автомобільних акумуляторів найчастіше виходять з ладу. Генератор і система рекуперативного гальмування подають струм у батарею нерегулярними імпульсами, і батарея має поглинати ці імпульси без пошкоджень. Заливна свинцево-кислотна батарея швидко деградує за такої схеми: імпульси високого струму при частковому заряді прискорюють корозію решітки, сульфатацію пластин і втрату води. Батареї EFB і AGM спеціально розроблено для роботи за такою схемою, саме тому автовиробники спочатку перейшли на ці хімічні склади для систем старт-стоп.

Хімія натрій-іонних акумуляторів по-іншому реагує на імпульси заряджання високим струмом. Натрій-іонні елементи зазвичай можуть приймати високу швидкість заряджання без таких проблем, як корозія сітки або сульфатація пластин, що характерні для свинцево-кислотних акумуляторів. Це робить хімію натрій-іонних акумуляторів структурно придатною для рекуперативного гальмування та імпульсів заряджання від генератора, притаманних рухові з системою «старт-стоп». Чи проявиться ця перевага в реальних умовах експлуатації, залежить від конкретної хімії елемента, родини катодних матеріалів, формату елемента, стратегії керування системою управління акумулятором (BMS) та інтеграції в транспортний засіб — це не гарантовано автоматично, і покупець повинен шукати дані підтвердження, отримані за тим самим режимом імпульсного заряджання, який буде дійсно використовуватися в конкретному транспортному засобі.

Динамічна здатність до заряджання — тобто скільки струму акумулятор може прийняти за часткового рівня заряду, на холоді та наприкінці тривалого періоду, коли двигун вимкнено — є більш вимогливим варіантом того самого запитання. Акумулятори EFB було розроблено для поліпшення динамічної здатності до заряджання порівняно з затопленими свинцево-кислотними акумуляторами; AGM ще більше підвищує цей показник. Натрій-іонна хімія продемонструвала корисну динамічну здатність до заряджання в опублікованих випробуваннях, однак реальні значення суттєво варіюються залежно від конструкції елементів, а цикл навантаження, якому піддаються елементи в експлуатації, має більше значення, ніж будь-яке значення, отримане в лабораторних умовах.

_______________________________________________________________________

Частковий рівень заряду, SOC, — це d SOH Моніторинг

Акумулятори систем «старт-стоп» рідко перебувають у стані повного заряду (100 %). Генератор і рекуперативне гальмування поповнюють заряд акумулятора під час поїздки, але періоди, коли двигун вимкнений, електричне навантаження від споживачів та короткочасні спроби запуску двигуна тримають акумулятор у діапазоні приблизно 70–80 % заряду протягом більшої частини його терміну експлуатації. Це найгірший режим роботи для залитих свинцево-кислотних акумуляторів: сульфатація прискорюється при частковому заряді, ємність швидше зменшується, а запас потужності для запуску двигуна на холоді скорочується.

Сучасні системи «старт-стоп» контролюють акумулятор за допомогою системи керування акумулятором (BMS), яку в документації виробників обладнання (OEM) іноді називають модулем датчика акумулятора або інтелектуальним датчиком акумулятора. BMS відстежує стан заряду (SOC), стан здоров’я (SOH), температуру та силу струму. На основі цих даних система вирішує, чи слід вимикати двигун на наступній зупинці, чи слід змінювати напругу заряджання генератора (підвищувати або знижувати її) і коли необхідно повідомити водія про потребу заміни акумулятора.

Для програми старт-стоп із натрій-іонними акумуляторами система управління батареєю (BMS) є обов’язковою. Натрій-іонні елементи потребують вирівнювання напруги між елементами, обмеження напруги й струму при високих і низьких температурах, а також захисту від глибокого розряду під час тривалих періодів вимкнення двигуна. BMS також повинна взаємодіяти з електричною системою транспортного засобу, щоб генератор і контролер рекуперативного гальмування могли формувати імпульси заряджання з урахуванням реального стану акумулятора, а не загального профілю для залитих свинцево-кислотних акумуляторів. Покупцям, які оцінюють натрій-іонні акумулятори для систем старт-стоп, слід уважно стежити за тим, як BMS інтегрована в транспортний засіб, а не лише за хімічним складом елементів.

_______________________________________________________________________

Температура, моторний відсік і теплове навантаження

Більшість автомобільних допоміжних акумуляторів розташовані в моторному відсіку або безпосередньо за його межами. Вони піддаються широкому діапазону температур: холодним зимовим ночам при мінус десятки градусів Цельсія, літнім температурам у моторному відсіку, що можуть перевищувати 60 °C, і проміжні умови, які швидко змінюються між двома крайніми випадками. Акумулятор старт-стоп повинен працювати в усьому діапазоні, і вимоги в кожному з крайніх випадків різні.

При низьких температурах акумулятор повинен обертати двигун, коли внутрішній опір максимальний. Саме тут опублікована поведінка натрій-іонних акумуляторів при розряді при низьких температурах стає структурною перевагою. При високих температурах акумулятор повинен приймати імпульси заряду, залишатися в стані часткового заряду та витримувати тривалі періоди простою двигуна без прискореного календарного старіння. Календарне старіння — це повільна втрата ємності, яка відбувається навіть за відсутності експлуатації акумулятора, і для більшості хімічних складів воно прискорюється при підвищених температурах.

Покупець повинен шукати дані щодо натрій-іонних елементів, які охоплюють обидва кінці цього діапазону: перевірку запуску в холодну погоду при температурах експлуатації, які транспортні засоби фактично зустрічатимуть у реальних умовах, та дані про старіння при високих температурах, що підтверджують багаторічну гарантію, яку програма планує надати. Показники з випробувань на столі при 25 °C не є заміною жодному з цих двох критеріїв.

_______________________________________________________________________

Що це вимагає від хімії акумулятора

Збираючи робочий цикл знову разом, хімія акумулятора для системи старт-стоп повинна забезпечувати п’ять функцій у реальній експлуатації, а не лише на випробувальному стенді.

• Надійний запуск двигуна в холодну погоду після тисяч часткових циклів і протягом років експлуатації в моторному відсіку.

• Висока прийнятність заряду за умов нерегулярного імпульсного режиму роботи генератора та рекуперативного гальмування, при частковому стані заряду й у широкому діапазоні температур.

• Стабільна подача живлення для споживачів у тривалих періодах, коли двигун вимкнено, без заглиблення акумулятора в шкідливий ступінь розряду.

• Тривалий термін служби в календарному вимірі при ви температури нижче нуля, а не лише кімнатна температура.

• Координація BMS щоб електрична система транспортного засобу могла формувати імпульси від генератора й рекуперативного гальмування з урахуванням реального стану акумулятора.

Саме ці п’ять вимог є причиною того, що затоплені свинцево-кислотні акумулятори більше не є правильним рішенням для більшості програм старт-стоп, чому EFB та AGM стали домінуючими варіантами, а також чому натрій-іонні акумулятори зараз серйозно розглядаються. Чи є натрій-іонна технологія правильним рішенням для конкретної програми, залежить від того, як хімія інтегрована в транспортний засіб, як налаштована BMS та як перевірено цикл навантаження — а не лише від назви хімії.

_______________________________________________________________________

Чому натрій-іонна хімія добре підходить для служби старт-стоп

Натрій-іонна хімія має суттєву структурну відповідність циклу старт-стоп з трьох причин, які безпосередньо відповідають п’яти вимогам, наведеним вище.

• Поведінка при розряді при низьких температурах. Опубліковані випробування кількох родин катодів натрій-іонних акумуляторів показують, що натрій-іонна хімія зберігає корисну ємність та має нижчий внутрішній опір при температурах нижче нуля — саме в цьому діапазоні найважливішою є здатність до запуску двигуна в холодну погоду. Це відповідає вимозі щодо запуску двигуна в холодну погоду.

• Стійкість до імпульсного заряджання. Натрій-іонні елементи стійкі до високих швидкостей заряджання й не схильні до такого типу корозії сітки чи сульфатації, які характерні для свинцево-кислотних акумуляторів. За умови налаштованої системи управління акумулятором (BMS) це відповідає вимозі щодо високої прийнятності заряду.

• Достатній рівень зрілості для допоміжних акумуляторів. Ринок режим роботи «старт-стоп» не вимагає енергетичної густини, характерної для тягових акумуляторних пакетів. Натрій-іонна хімія не повинна досягати енергетичної густини NMC чи LFP, щоб забезпечити корисну роботу допоміжних акумуляторів на 12 В або 24 В; крім того, крива зрілості натрій-іонних елементів добре відповідає цьому режиму роботи. Це відповідає вимогам щодо терміну служби в календарному часі та координації з BMS — обидві вимоги можна задовольнити на рівні хімічного складу та ланцюга поставок натрій-іонних елементів.

Покупець, який входить у програму старт-стоп із використанням натрій-іонних акумуляторів і знає про ці три структурні переваги —а також про необхідність додаткової ретельності постачальника через ранню стадію розвитку цієї хімії —знаходиться у значно кращій позиції, ніж покупець, який очікує, що натрій-іонні акумулятори поводитимуться точно так само, як зрілі акумулятори AGM. Як постачальник акумуляторів та систем зберігання енергії для імпортерів, дистриб’юторів, оптових продавців, дилерів та покупців OEM і ODM у сфері автомобільної промисловості, PITTAR працює з натрій-іонними елементами

у програмах, які були спеціально розроблені з урахуванням циклів старт-стоп. Там, де хімічний склад відповідає вимогам програми — надійність у холодному кліматі, диверсифікація ланцюга поставок, багаторічні обсяги замовлень та інтеграція з електричною системою транспортного засобу за допомогою налаштованої BMS — варто провести розмову. Там, де хімічний склад ще не відповідає вимогам, правильним рішенням є залишатися з поточним рішенням до тих пір, поки відповідність не покращиться.

_______________________________________________________________________

Поширені запитання

Як працює акумулятор старт-стоп ?

Акумулятор типу start-stop встановлюється в електричну систему транспортного засобу, яка автоматично вимикає двигун під час простою й запускає його знову, коли водій готовий рухатися. Під час кожного циклу акумулятор забезпечує високострумовий імпульс для запуску двигуна, живить електроніку салону та керуючі модулі під час вимкненого двигуна й приймає заряд від генератора та системи рекуперативного гальмування, як тільки двигун знову починає працювати. Система управління акумулятором (BMS) координує стан заряду, температуру та обмеження струму, щоб акумулятор міг повторювати цей цикл тисячі разів протягом усього терміну його служби.

Що робить акумулятор типу start- stop відмінним від звичайного а звичайний автомобіль акумулятора?

Звичайна автомобільна акумуляторна батарея розрахована на простий цикл експлуатації: один запуск на поїздку, повільне дозарядження та короткочасне навантаження від споживачів. Акумуляторна батарея старт-стоп розрахована на тисячі запусків на одну поїздку, нерегулярні імпульси заряджання високим струмом від рекуперативного гальмування, тривалі періоди вимкненого двигуна при частковому заряді та експлуатацію в моторному відсіку при різних температурах протягом багатьох років. EFB, AGM та натрій-іонні акумулятори — це хімічні склади, розроблені саме для такого жорсткішого режиму; залиті свинцево-кислотні акумулятори не підходять.

Скільки разів у системі старт-стоп акумулятор запускає двигун двигун у його терміну експлуатації?

Кількість значно варіює залежно від циклів руху, кліматичних умов, інтеграції транспортного засобу та хімічного складу. Опубліковані виробниками та незалежними сторонами оцінки для систем «старт-стоп» зазвичай становлять від десятків до сотень тисяч запусків протягом строку експлуатації, але точне число залежить від конкретної конструкції елемента, налаштування системи управління батареєю (BMS) та реального циклу навантаження під час експлуатації. Покупцям слід шукати дані щодо валідації, які стосуються саме того типу циклу навантаження, який буде мати місце в експлуатації транспортних засобів, а не загальних лабораторних показників.

Чи потребує батарея «старт-стоп» спеціального зарядного пристрою?

Іноді. Натрій-іонні, AGM та EFB-акумулятори мають інші профілі напруги заряджання, ніж залиті свинцево-кислотні акумулятори, і використання неправильного профілю зарядного пристрою може скоротити термін служби або не забезпечити повного заряджання глибоко розрядженого акумулятора. Для програми натрій-іонних акумуляторів у системах «старт-стоп» електричну систему транспортного засобу слід налаштувати на робочий діапазон напруги заряджання елементів, а BMS має координувати роботу з контролером генератора; зовнішній стаціонарний зарядний пристрій, що використовується на складі чи в сервісному середовищі, має відповідати тому самому профілю.

ЧОМУ чи оцінюється натрій-іонна технологія для застосування у системах «старт-стоп»?

Хімія натрій-іонних акумуляторів продемонструвала корисну роботу при розряді за низьких температур, витримує нерегулярні імпульси високого струму під час заряджання й не потребує високої щільності енергії в тяговому акумуляторному комплекті для забезпечення роботи допоміжних акумуляторів на 12 або 24 вольти. Ці структурні переваги відповідають вимогам до запуску двигуна на холоді, прийняття заряду та зрілості, характерної для допоміжних акумуляторів, що визначають цикл роботи систем «старт-стоп». Саме тому натрій-іонні акумулятори серйозно розглядаються разом із EFB та AGM у програмах для автомобілів.