Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)
Objavljeno: 22 Jun 2018, 09:25
Že nekaj časa me muči eno vprašanje glede segrevanja baterije pri vožnji. Predvsem se to nanaša na vozila, ki nimajo aktivne temperaturne regulacije (npr. Leaf).
Preden začnem pa za tiste, ki ne marajo enačb, samo kratek zaključek: vozite počasi. Vsako relativno majhno povečanje hitrosti EV bo povzročilo precejšnje zvišanje temperature baterije.
Pri večjih hitrostih vozila je njegova poraba na km sorazmerna s kvadratom hitrosti:
C = K1*v^2
(C = poraba na km, K1 je konstanta, ki je odvisna od Cx in površine vozila, v pa je hitrost vozila)
Seveda je moč motorja (pri teh večjih hitrostih) sorazmerna s hitrostjo na kubik (K2 je spet neka konstanta odvisna od čelne površine avtomobila in koeficienta upora):
P = K2*v^3
To moč dobi iz baterije (Pb), in sicer iz napetosti baterije (U) in iz toka (I):
Pb = U*I
Ker sta obe moči približno enaki (zanemarimo izgube na prenosih), je to skozi baterijo naslednji:
I = P/U = K2*v^3/U = K3*v^3
Torej je tok skozi baterijo sorazmeren hitrosti na kubik (še vedno nič presenetljivega).
Dobro. Sedaj pa si oglejmo izgube v bateriji. Vsaka baterija ima neko notranjo upornost (R). Večja kot je notranja upornost, večje bodo toplotne izgube znotraj baterije pri istem toku skozi baterijo (polnjenje ali praznjenje).
Izgubna toplotna moč v bateriji (Pt) je sorazmerna kvadratu toka:
Pt = R*I^2
Če upoštevamo, da je tok sorazmeren hitrosti na kubik, pa dobimo, da so toplotne izgube v bateriji sorazmerne hitrosti na šesto stopnjo! Torej:
Pt = R*K3*v^6 = K4*v^6
Sedaj pa si oglejmo posledice: Če se pri hitrosti 100 km/h baterija greje z močjo 1 kW, potem se pri hitrosti 120 km/h greje z močjo 3 kW, pri 80 km/h pa le s približno 260 W. Torej hitrost vozila lahko izjemno vpliva na to ali se nam bo baterija med vožnjo pregrevala ali ne. Z nekoliko nižjo hitrostjo lahko praktično zaustavimo segrevanje baterije.
Če nas zanima vsa prejeta toplotna energija (Et) na neki določeni poti, pa izgubimo eno potenco v rezultatu (konstanta K5 je odvisna od dolžine poti):
Et = K5*v^5
Še vedno je to zelo nelinearna enačba, kar pomeni naslednje: Če pri hitrosti 100 km/h na neki določeni poti baterija odda 1 kWh toplotne energije, potem pri hitrosti 120 km/h odda 2.5 kWh energije, pri 80 km/h pa le 330 Wh energije.
Kako je glede hlajenja baterije? Pri Leafu se baterija praktično paca v "lastnem soku", od zunaj je zadeva zaščitena, tako da predvidevam, da se oddajanje toplotne energije nad neko določeno hitrostjo zanemarljivo zvišuje (temperatura zunanje zaščite pod vozilom bo približno enaka temperaturi okolice = To). V tem primeru bo tudi končna temperatura baterije (Tb) (po zelo dolgi vožnji) naslednja:
Tb = To + K6*v^6
Torej, po zelo dolgem času bo razlika med temperaturo baterije in okolice sorazmerna s hitrostjo vozila na šesto stopnjo! Vozite zmerno!
Še enkrat naj omenim, da zgornja izpeljava velja za hitrosti, kjer se največ moči porablja za premagovanje zračnega upora.
Še nekaj. Zaradi izjemnega nelinearnega značaja odvisnosti med hitrostjo in segrevanjem se bodo močna pospeševanja pri vožnji zelo poznala pri temperaturi baterije. Pri dveh EVjih pri isti povprečni hitrosti vožnje bo lahko temperatura baterije vozila, ki je pogosto agresivno prehiteval druga vozila (ali agresivno speljeval pri semaforjih - čeprav to ni zajeto v zgornjih izračunih!), precej višja od drugega vozila, ki je vozil enakomerno.
Preden začnem pa za tiste, ki ne marajo enačb, samo kratek zaključek: vozite počasi. Vsako relativno majhno povečanje hitrosti EV bo povzročilo precejšnje zvišanje temperature baterije.
Pri večjih hitrostih vozila je njegova poraba na km sorazmerna s kvadratom hitrosti:
C = K1*v^2
(C = poraba na km, K1 je konstanta, ki je odvisna od Cx in površine vozila, v pa je hitrost vozila)
Seveda je moč motorja (pri teh večjih hitrostih) sorazmerna s hitrostjo na kubik (K2 je spet neka konstanta odvisna od čelne površine avtomobila in koeficienta upora):
P = K2*v^3
To moč dobi iz baterije (Pb), in sicer iz napetosti baterije (U) in iz toka (I):
Pb = U*I
Ker sta obe moči približno enaki (zanemarimo izgube na prenosih), je to skozi baterijo naslednji:
I = P/U = K2*v^3/U = K3*v^3
Torej je tok skozi baterijo sorazmeren hitrosti na kubik (še vedno nič presenetljivega).
Dobro. Sedaj pa si oglejmo izgube v bateriji. Vsaka baterija ima neko notranjo upornost (R). Večja kot je notranja upornost, večje bodo toplotne izgube znotraj baterije pri istem toku skozi baterijo (polnjenje ali praznjenje).
Izgubna toplotna moč v bateriji (Pt) je sorazmerna kvadratu toka:
Pt = R*I^2
Če upoštevamo, da je tok sorazmeren hitrosti na kubik, pa dobimo, da so toplotne izgube v bateriji sorazmerne hitrosti na šesto stopnjo! Torej:
Pt = R*K3*v^6 = K4*v^6
Sedaj pa si oglejmo posledice: Če se pri hitrosti 100 km/h baterija greje z močjo 1 kW, potem se pri hitrosti 120 km/h greje z močjo 3 kW, pri 80 km/h pa le s približno 260 W. Torej hitrost vozila lahko izjemno vpliva na to ali se nam bo baterija med vožnjo pregrevala ali ne. Z nekoliko nižjo hitrostjo lahko praktično zaustavimo segrevanje baterije.
Če nas zanima vsa prejeta toplotna energija (Et) na neki določeni poti, pa izgubimo eno potenco v rezultatu (konstanta K5 je odvisna od dolžine poti):
Et = K5*v^5
Še vedno je to zelo nelinearna enačba, kar pomeni naslednje: Če pri hitrosti 100 km/h na neki določeni poti baterija odda 1 kWh toplotne energije, potem pri hitrosti 120 km/h odda 2.5 kWh energije, pri 80 km/h pa le 330 Wh energije.
Kako je glede hlajenja baterije? Pri Leafu se baterija praktično paca v "lastnem soku", od zunaj je zadeva zaščitena, tako da predvidevam, da se oddajanje toplotne energije nad neko določeno hitrostjo zanemarljivo zvišuje (temperatura zunanje zaščite pod vozilom bo približno enaka temperaturi okolice = To). V tem primeru bo tudi končna temperatura baterije (Tb) (po zelo dolgi vožnji) naslednja:
Tb = To + K6*v^6
Torej, po zelo dolgem času bo razlika med temperaturo baterije in okolice sorazmerna s hitrostjo vozila na šesto stopnjo! Vozite zmerno!
Še enkrat naj omenim, da zgornja izpeljava velja za hitrosti, kjer se največ moči porablja za premagovanje zračnega upora.
Še nekaj. Zaradi izjemnega nelinearnega značaja odvisnosti med hitrostjo in segrevanjem se bodo močna pospeševanja pri vožnji zelo poznala pri temperaturi baterije. Pri dveh EVjih pri isti povprečni hitrosti vožnje bo lahko temperatura baterije vozila, ki je pogosto agresivno prehiteval druga vozila (ali agresivno speljeval pri semaforjih - čeprav to ni zajeto v zgornjih izračunih!), precej višja od drugega vozila, ki je vozil enakomerno.