กลไกการนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่ในแบตเตอรี่ลิเธียมคืออะไร?
การติดตั้ง SEPTA ในปี 2019 จะบอกคุณทุกอย่างเกี่ยวกับจุดที่เราอยู่ในระบบการปฏิรูป พวกเขาทิ้งแบตเตอรีลิเธียมไอออน 1.5 เมกะวัตต์-ที่สถานีย่อยแห่งหนึ่ง โดยได้เงินเกือบ 500,000 ดอลลาร์ในปีแรก- ครึ่งหนึ่งจากค่าไฟฟ้าที่ลดลง ครึ่งหนึ่งจากตลาดควบคุมความถี่ (scientificamerican.com) ไม่ใช่เพราะพวกเขาคิดค้นสิ่งใหม่ เพราะในที่สุดเคมีไฟฟ้าก็เป็นไปตามสิ่งที่วิศวกรระบบขนส่งต้องการมาตั้งแต่ปี 1920
มอเตอร์ไฟฟ้าวิ่งถอยหลัง แค่นั้นแหละ. เมื่อ EV ของคุณช้าลง มอเตอร์จะกลายเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า พลังงานจลน์แปลงเป็นกระแส กระแสไหลเข้าสู่แพ็ค เซลล์จะชาร์จใหม่ เราเรียกมันว่าการเบรกแบบจ่ายพลังงานใหม่ แต่ไม่มีอะไรแปลกใหม่เกี่ยวกับฟิสิกส์-เพียงแต่ว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่ใช้เวลาหลายทศวรรษในการช้าเกินไป แพงเกินไป หรือเปราะบางเกินกว่าจะทำให้มันทำงานได้ในวงกว้าง
ปัญหาด้านประสิทธิภาพที่ไม่มีใครพูดถึง
ที่นี่มันน่าสนใจตรงไหน มอเตอร์-เมื่อ-ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงาน 85-92% ขึ้นอยู่กับความเร็วและโหลดของคุณ อินเวอร์เตอร์กำลังดำเนินการลดอีกครั้ง ประมาณ 95% หากออกแบบมาถูกต้อง ชาร์จแบตเตอรี่เอง? 90-95% ภายใต้สภาพดี เมื่อรวมเข้าด้วยกันแล้วคุณจะมีประสิทธิภาพในการฟื้นฟูโดยรวมอยู่ที่ 60-70%
ฟังดูแย่จนคุณจำได้ว่ามีอีกทางเลือกหนึ่งคือแผ่นเสียดสีเปลี่ยนทุกอย่างให้เป็นความร้อนเหลือทิ้ง. 60% ของบางสิ่งบางอย่าง เอาชนะ 0% ของความไม่มีอะไรเลย
สิ่งที่จำกัดทั้งระบบจริงๆ ก็คือการยอมรับค่าธรรมเนียม ลิเธียมไอออนต้องย้ายจากแคโทดผ่านอิเล็กโทรไลต์ และแทรกเข้าไปในกราไฟท์แอโนด นั่นเป็นการแพร่กระจาย-กระบวนการที่จำกัด แรงกระแสเข้าเร็วกว่าที่ไอออนสามารถแทรกแซงได้ และคุณจะได้รับการชุบโลหะลิเธียม-ที่สะสมบนขั้วบวกแทนการแทรกสอดที่เหมาะสม ความจุลดลง ทิ้งวงจรชีวิต กรณีที่เลวร้ายที่สุดทำให้เกิดกางเกงขาสั้นภายใน
อัตรา C- บอกคุณว่าเซลล์สามารถชาร์จได้เร็วแค่ไหน. 1 C หมายถึงชาร์จเต็มในหนึ่งชั่วโมง เคมีของ LFP จัดการกับ 1C อย่างยั่งยืนโดยไม่มีปัญหา ความคล้ายคลึงของ NMC ขึ้นอยู่กับปริมาณนิกเกิล ค่าผิดปกติของ LTO ที่ -10C ยังคงอยู่ได้เนื่องจากเคมีของแอโนดทำให้หลีกเลี่ยงปัญหาการชุบโดยพื้นฐาน นั่นคือเหตุผลที่คุณเห็น LTO ในแอปพลิเคชันที่มีความต้องการการฟื้นฟูที่โหดร้าย แม้ว่าความหนาแน่นของพลังงานจะได้รับผลกระทบก็ตาม
การจัดการแบตเตอรี่คือที่ที่เงินอาศัยอยู่
BMS ไม่ใช่แค่การตรวจสอบ-แต่ยังทำการตัดสินใจแบบแยก-ครั้งที่สองเกี่ยวกับการยอมรับและการกระจายข้ามกลุ่มเซลล์ในปัจจุบัน แพ็กใกล้เต็มหรือยัง? พื้นที่ว่างสำหรับกระแสรีเจนจะหายไป ระบบส่วนใหญ่เริ่มจำกัดสถานะการชาร์จประมาณ 90-95% และปิดใช้งานโดยสมบูรณ์เมื่อใกล้แรงดันไฟฟ้าสูงสุด หากคุณเคยขับรถ EV คุณจะรู้สิ่งนี้: ทิ้งแบตเตอรี่ไว้เต็มถนนและอัตราพลังงานจะรู้สึกอ่อนแรงในช่วง 2-3 ไมล์แรก
อุณหภูมิเป็นข้อจำกัดอีกประการหนึ่งที่ไม่มีใครอยากรับมือ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 10 องศา การเคลื่อนที่ของไอออนในอิเล็กโทรไลต์จะลดลง ระบบจะจำกัดกระแสไฟฟ้ารีเจนเพื่อป้องกันการชุบ ปล่อยให้เย็นพอแล้วรีเจนจะปิดลงทั้งหมดจนกว่าแพ็คจะอุ่นขึ้น
ผู้ปฏิบัติงานในสภาพอากาศหนาวเย็นจะทราบสิ่งนี้ในการขับขี่ 15 ถึง 20 นาทีก่อนที่ความสามารถในการฟื้นฟูจะกลับมาเต็มประสิทธิภาพอีกครั้ง AIR6897 ของ SAE ครอบคลุมด้านการบินและอวกาศในเรื่องนี้ แต่หลักการเกี่ยวกับการควบคุมประจุและการจัดการความร้อนแปลโดยตรงไปยังยานพาหนะภาคพื้นดิน
ในกรณีที่อัตราการฟื้นตัวมีความสำคัญจริงๆ
EVs สำหรับผู้โดยสารในเมือง? ฟื้นตัว 15-25% เหมาะสม. รถเมล์ไฟฟ้าวิ่งตามเส้นทางประจำ? นั่นคือที่ที่มันเป็นจริง รถโดยสาร BYD ที่ Antelope Valley Transit Authority ฟื้นตัวได้ 37.3% ในรุ่นมาตรฐาน 40 ฟุต และ 40.2% สำหรับรุ่นเชื่อมต่อ 60 ฟุต รอบการทำงานนั้นสมบูรณ์แบบสำหรับการฟื้นฟู: การชะลอตัวบ่อยครั้งจากความเร็วที่สม่ำเสมอ
การใช้งานทางอุตสาหกรรมใช้คณิตศาสตร์ที่แตกต่างกัน รถยกที่ทำการยกอย่างต่อเนื่อง-ในรอบที่ต่ำกว่า รถบรรทุกเหมืองแร่ลงจากขอบหลุมไปยังพื้นที่แปรรูปที่มีการบรรทุกเต็ม การแปลงพลังงานที่อาจเกิดขึ้นในกรณีเหล่านั้นอาจมีขนาดใหญ่มาก
Robin Zeng ที่ CATL ให้คะแนนสิ่งนี้ดีกว่าส่วนใหญ่: ต้นทุนต่อรอบ ไม่ใช่ราคาล่วงหน้า (rolandberger.com) แบตเตอรี่มีพลังงานเท่าใด ขับเคลื่อนได้ไกลแค่ไหน มีประสิทธิภาพอย่างไรตลอดอายุการใช้งาน นั่นคือสิ่งที่สำคัญสำหรับแอปพลิเคชันการฟื้นฟู-ว่าเซลล์จะสามารถรองรับพัลส์การชาร์จบ่อยครั้งโดยไม่ลดคุณภาพหรือไม่
เส้นโค้งการย่อยสลายทำให้ผู้คนประหลาดใจ
คุณคงคิดว่าพัลส์การรีเจนปัจจุบันที่สูง-จะช่วยเร่งการแก่ชราได้ ข้อมูลพูดเป็นอย่างอื่น ความเข้มของการเบรกแบบจ่ายซ้ำที่สูงขึ้นนั้นจริงๆ แล้วสัมพันธ์กับการเสื่อมสภาพที่ลดลง กลไกนี้คือความลึกของการคายประจุ-เมื่อรีเจนจับพลังงานการชะลอตัวมากขึ้น แบตเตอรี่จะมีวงจรที่ตื้นขึ้น และวงจรที่ลึกน้อยลง เนื่องจากการคายประจุแบบลึกจะทำให้ความจุลดลงในเซลล์ลิเธียม- การสร้างเซลล์ใหม่เชิงรุกจึงสามารถยืดอายุการใช้งานได้
อุณหภูมิระหว่างการรีเจนยังคงมีความสำคัญ แบตเตอรี่เย็นเท่ากับอินเทอร์คาเลชันที่เชื่องช้า ความน่าจะเป็นในการชุบสูงกว่า แบตเตอรี่ที่ร้อนจะเร่งปฏิกิริยาข้างเคียงที่อิเล็กโทรด-ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์ แบบจำลองความร้อน BMS จะปรับกระแสการรีเจนที่อนุญาตตามอุณหภูมิของเซลล์ที่คาดการณ์ไว้ แต่ความแม่นยำของแบบจำลองขึ้นอยู่กับการวางเซ็นเซอร์และความซับซ้อนของอัลกอริทึมเป็นอย่างมาก นั่นคือจุดที่คุณเห็นความแตกต่างระหว่างการใช้งานราคาถูกและการใช้งานที่ดี
การเลือกสารเคมีไม่ใช่-ขนาด-ที่เหมาะกับทุกคน LFP ให้อายุการใช้งานวงจรที่ดีเยี่ยมและความเสถียรทางความร้อนด้วยอัตราการชาร์จปานกลาง-กลุ่มยานพาหนะต่างๆ ชื่นชอบ NMC แลกเปลี่ยนบางส่วนกับความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น โดยที่น้ำหนักและปริมาตรถูกจำกัด LTO เสียสละความหนาแน่นของพลังงานโดยสิ้นเชิง แต่ให้การยอมรับประจุแก่คุณ ซึ่งไม่มีสิ่งใดเทียบได้ รถโดยสารประจำทางในเมืองที่มีการจอดลดความเร็วสูง-บ่อยครั้ง ยานพาหนะสมรรถนะสูงที่มี-การเบรกตอนกลางวัน-นั่นคืออาณาเขตของ LTO
การรวมระบบทำได้ยากกว่าที่คิด
ตัวควบคุมมอเตอร์ อินเวอร์เตอร์ BMS หน่วยควบคุมยานพาหนะ-ล้วนต้องประสานงานกัน คนขับจะยกคันเร่งขึ้นซึ่งทำให้เกิดแรงบิด ได้รับการแปลเป็นคำสั่งกระแสมอเตอร์ อินเวอร์เตอร์จัดการการไหลของพลังงานจากมอเตอร์สู่แบตเตอรี่ BMS ยืนยันว่าแบตเตอรี่สามารถรับกระแสไฟฟ้านั้นได้โดยไม่ละเมิดขีดจำกัดการป้องกัน ส่วนประกอบใดก็ตามถึงขีดจำกัด และคุณกำลังผสมผสานการเบรกด้วยแรงเสียดทานเพื่อรักษาอัตราการชะลอความเร็ว
การเปลี่ยนแปลงระหว่างการรีเจนและการเสียดสีนั้นราบรื่นจากที่นั่งคนขับ แต่อัลกอริธึมการควบคุมที่อยู่เบื้องหลังนั้นซับซ้อน นอกจากนี้ คุณยังต้องดูการจับคู่แรงดันไฟฟ้า-ขนาดกระแสไฟฟ้าที่สร้างใหม่ขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างมอเตอร์แบ็ค-EMF และแรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่ ความเร็วของยานพาหนะที่สูงหมายถึงแรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับที่สูงขึ้น- ซึ่งอาจเกินแรงดันไฟชาร์จสูงสุดของแบตเตอรี่ ขั้นตอนการออกแบบต้องคำนึงถึงจุดปฏิบัติการเหล่านั้นด้วย
ระบบเบรกแบบผสมผสานเป็นมาตรฐานในยานยนต์ที่ใช้งานจริงแล้ว สัดส่วนระหว่างการฟื้นฟูและแรงเสียดทานโดยอัตโนมัติ เพิ่มการฟื้นตัวสูงสุดในขณะที่ยังคงคาดการณ์พฤติกรรมของยานพาหนะได้ ความซับซ้อนมีการปรับปรุงอย่างมากในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา
สิ่งนี้หมายถึงอะไรในทางปฏิบัติ
ความก้าวหน้าในด้านประสิทธิภาพของมอเตอร์ การออกแบบอินเวอร์เตอร์ เคมีของแบตเตอรี่ การจัดการความร้อน อัลกอริธึมการควบคุม-สิ่งเหล่านี้ล้วนส่งผลต่อประสิทธิภาพในการฟื้นฟูโดยรวม การทำงานที่ประสานกันของทั้งระบบคือสิ่งที่ช่วยนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่
การขับรถทางหลวง? โอกาสในการฟื้นฟูน้อยที่สุด เส้นทางที่มีทางลงยาวหรือหยุดบ่อย? การกู้คืนพลังงานจำนวนมาก ผู้ควบคุมยานพาหนะยังพบว่าส่วนประกอบเบรกมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นสามถึงห้าเท่าเมื่อเทียบกับยานพาหนะทั่วไป-เบรกแบบเสียดทานใน -EV ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีแทบจะไม่เคยชินกับการขับขี่ในเมืองเลย
สิ่งที่เริ่มต้นในฐานะผลประโยชน์รองเมื่อสองทศวรรษที่แล้ว ได้กลายเป็นพื้นฐานของการนำเสนอคุณค่าแล้ว ฟิสิกส์ไม่เปลี่ยนแปลง เทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่จำเป็นในการใช้ประโยชน์จากฟิสิกส์นั้นได้เติบโตเต็มที่แล้ว นั่นคือความแตกต่าง SEPTA สร้างรายได้ครึ่งล้านต่อปีจากการติดตั้งสถานีย่อยแห่งเดียว-ซึ่งไม่เกี่ยวกับนวัตกรรมด้านราง แต่เกี่ยวกับระบบลิเธียม-ซึ่งสุดท้ายแล้วจะดีพอที่จะบันทึกสิ่งที่อยู่ที่นั่นอยู่เสมอ
