Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

Baterije bodo tako pomembne da si zaslužijo svoj forum
crunchy
EV entuziast
EV entuziast
Prispevkov: 478
Kraj: Cerklje na Gorenjskem
Avto: V pričakovanju EV-ja
276
229

Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a crunchy » 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.
Zadnjič spremenil crunchy, dne 22 Jun 2018, 09:29, skupaj popravljeno 1 krat.
kt57, darjan, DGJ, CRF, Robie, Nejccc, Matej
darjan
EV specialist
EV specialist
Prispevkov: 606
Kraj: Maribor
Avto: Chevrolet Volt
139
42

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a darjan » 22 Jun 2018, 09:28

Torej ne samo, da je problem polnjenje pri ne-hlajenih baterijah, tudi vožnja je problematična.

Še en razlog več za aktivno hlajenje in še dodatno nerazumevajoča poteza nekaterih proizvajalcev.
crunchy
EV entuziast
EV entuziast
Prispevkov: 478
Kraj: Cerklje na Gorenjskem
Avto: V pričakovanju EV-ja
276
229

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a crunchy » 22 Jun 2018, 09:33

darjan je napisal/-a:Torej ne samo, da je problem polnjenje pri ne-hlajenih baterijah, tudi vožnja je problematična..

Ja, zato so tudi težave pri višjih hitrostih na avtocestah.
Po moje ni velikih razlih med polnjenjem s 50 kW ali pri vožnji EV, ko porablja 50 kW. V obeh primerih teče enak tok skozi baterije (akumulator). Predvidevam, da se notranja upornost ne spreminja znatno med fazama polnjenja in praznjenja.
darjan
EV specialist
EV specialist
Prispevkov: 606
Kraj: Maribor
Avto: Chevrolet Volt
139
42

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a darjan » 22 Jun 2018, 09:41

Čisto logična zadeva ja. Mogoče niso razmišljali, da se bo nekdo z EV po AC vozil 150kmh+ :)
Uporabniški avatar
CRF
EV ambasador
EV ambasador
Prispevkov: 2704
Kraj: Tržič
Avto: Zoe R240
1253
1609

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a CRF » 22 Jun 2018, 10:20

Odlično zapisano/izračunano! :clap:
The big boss @ EVSVET.eu & Zoe fan
Uporabniški avatar
Damijan
EV specialist
EV specialist
Prispevkov: 889
Kraj: West Gorenjska
Avto: Kia Soul EV, Toyota RAV4 HybridAWD, Nissan X-Trail
609
836

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a Damijan » 24 Jun 2018, 09:23

darjan je napisal/-a:Čisto logična zadeva ja. Mogoče niso razmišljali, da se bo nekdo z EV po AC vozil 150kmh+ :)


Zato proizvajalci uvajajo omejitve - najvišja hitrost Leaf2 je 151km/h po GPS (160 po števcu). In najvišja nastavitev tempomata je 144.
Soul EV believer ;)
peion
EV začetnik
EV začetnik
Prispevkov: 23
Kraj: Jesenice
Avto: Peugeot Ion
23
31

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a peion » 24 Jun 2018, 12:03

Katere temperature so pa "neprijetne" za baterije? Meni se je baterija segrela po cca. 130 km vožnje po AC in dveh hitrih polnjenj na 39°C in s strani vozila ni bilo nobenih omejitev (želve).
Priponke
bat temp krk.png
crunchy
EV entuziast
EV entuziast
Prispevkov: 478
Kraj: Cerklje na Gorenjskem
Avto: V pričakovanju EV-ja
276
229

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a crunchy » 25 Jun 2018, 13:33

40oC se mi ne zdi kritično. Okrog 50oC pa je že bolj kritično.
peion
elbic
EV začetnik
EV začetnik
Prispevkov: 11
Kraj: Ljubljana
Avto: e-kolo
11
12

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a elbic » 25 Jun 2018, 23:52

Pozdravljeni !
Zmotila me je zadnja formula, kjer je temperatura odvisna od hitrosti na šesto potenco. Mislim, da to ni mogoče. Že v prejšnjih formulah je napaka, da se pojavlja hitrost namesto faktorja povečanja hitrosti, vendar je zaključek vseeno pravilen. Zračni upor se res povečuje s kvadratom hitrosti (mišljeno je faktor povečanja hitrosti na kvadrat), enako se povečuje poraba energije za isto prevoženo pot. Prav tako je pravilno, da se moč motorja povečuje s faktorjem povečevanja hitrosti na tretjo potenco. Vse to velja za hitrosti, ki jih dosegajo avtomobili v razmerah, ko je zračni upor bistveni dejavnik za spremembe potrebne moči in za spremembo porabe energije (običajna vožnja).
Dvigovanje temperature baterije je odvisno od več dejavnikov, bistveni pa so trije - tok (oddajana moč), toplotna prevodnost okolice baterije in čas segrevanja. Izgube energije v bateriji so približno 1%. Toliko prejete ali oddane energije se v bateriji spremeni v toploto. Povprečen avto (recimo zoe ali leaf) bi deloval nekako takole:

hitrost km/h 80 100 130 150
moč kW 8 15 32 50
kWh/100 km 9 15 25 33
za gretje baterije W 80 150 320 500
koliko minut za dvig
temperature za 1 st. 9,9 6,3

Pravilnost podatkov v tabeli je enostavno preverljiva med vožnjo. Odvisnosti segrevanja baterije od hitrosti na šesto potenco tu ni videti.
V spodnji vrstici je izračun časa za dvig temperature baterije med polnjenjem za 1 stopinjo (če ni hlajenja). Tudi ta podatek je bolj točen, če ga pokaže zaslon v avtu med polnjenjem baterije. Za izračun sem vzel specifično toploto li-ion 18650 celic 950 Ws/kgK in maso jedra 40 kWh baterij 200 kg. Če so izgube v bateriji recimo 2%, je segrevanje 2-kret hitrejše.
pirpy, CRF, DGJ
elbic
crunchy
EV entuziast
EV entuziast
Prispevkov: 478
Kraj: Cerklje na Gorenjskem
Avto: V pričakovanju EV-ja
276
229

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a crunchy » 26 Jun 2018, 13:22

elbic je napisal/-a:Zmotila me je zadnja formula, kjer je temperatura odvisna od hitrosti na šesto potenco. Mislim, da to ni mogoče.
Že v prejšnjih formulah je napaka, da se pojavlja hitrost namesto faktorja povečanja hitrosti, vendar je zaključek vseeno pravilen. Zračni upor se res povečuje s kvadratom hitrosti (mišljeno je faktor povečanja hitrosti na kvadrat), enako se povečuje poraba energije za isto prevoženo pot. Prav tako je pravilno, da se moč motorja povečuje s faktorjem povečevanja hitrosti na tretjo potenco. Vse to velja za hitrosti, ki jih dosegajo avtomobili v razmerah, ko je zračni upor bistveni dejavnik za spremembe potrebne moči in za spremembo porabe energije (običajna vožnja).


V formulah ni namerne napake. Prav zato sem namreč omenil da izpeljava velja pri višjih hitrostih, ko je upor zraka ključen (da lahko zanemarimo tudi linearno odvisnost). Nisem namreč želel, da postane zadeva preveč zapletena.

elbic je napisal/-a:Izgube energije v bateriji so približno 1%. Toliko prejete ali oddane energije se v bateriji spremeni v toploto...

V povprečju, ko upoštevamo povprečje različnih režimov delovanja je to morda res, vsekakor pa ne v konkretnem primeru. Toplotna moč, ki se sprošča v bateriji je Pb=R*I^2 (torej sorazmerna notranji upornosti R in toku na kvadrat). Dvakrat večjo moč bomo dovajali motorju, štirikrat več toplotne moči se bo sproščalo v bateriji. Temu se ne moremo izogniti, če to želimo ali ne (fizikalni zakon). Če temu dodamo, da je moč motorja sorazmerna hitrosti na kubik (pri velikih hitrostih to v veliki meri drži), potem dobimo relacijo, da je sproščena toplotna moč v bateriji sorazmerna s hitrostjo na šesto stopnjo (ne na peto stopnjo, kot bi se nekomu morda zdelo).

Še enkrat naj omenim, da izpeljave veljajo za hitrosti, kjer se daleč največ moči porablja za premagovanje zračnega upora. V praksi pa je situacija nekoliko manj grozljiva, ker moramo upoštevati še druge porabnike moči. Dolgoročno se zadeva nekoliko omili z zmanjšanjem notranje upornosti baterije pri visokih temperaturah malce manj pa poslabša s tem, da tok skozi baterijo ni popolnoma sorazmeren z močjo motorja (zaradi padca napetosti na notranji upornosti baterije). Kljub vsemu temu pa je odvisnost med hitrostjo vozila in izgubno toplono močjo baterije zelo nelinearna. Glavni zaključki torej po moje ostanejo nespremenjeni, tudi če je dejanska odvisnost toplotne moči baterije bolj podobna peti ali četrti stopnji hitrosti.

Da pa zadevo nekoliko razčistimo in upoštevamo tudi ostale odvisnosti (trenje, ostala električna poraba vozila), bom v naslednjem sporočilu dodal izračun relativnih toplotnih izgub baterije v odvisnosti od hitrosti vozila Leaf 30 kWh, ki sem jih dobil na osnovi podatkov iz GreenRace-ja. Upam samo, da niso hudo kiksnili v GreenRace-u. ;)
crunchy
EV entuziast
EV entuziast
Prispevkov: 478
Kraj: Cerklje na Gorenjskem
Avto: V pričakovanju EV-ja
276
229

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a crunchy » 26 Jun 2018, 13:38

Tukaj je obljubljen izračun relativnih toplotnih izgub (moči) baterije v odvisnosti od hitrosti vozila. Podatke o porabi vozila na 100 km sem snel z http://www.jurassictest.ch/GR/, kjer sem izbral Leaf 30 kWh ter 1kW v rubriki "Accessories power". Porabo sem dobil tako, da sem na nekem daljšem odseku avtoceste z zanemarljivo višinsko razliko računal porabo pri različnih hitrostih vozila (od 70 km/h do 140 km/h), nato sem za vsak primer še izračunal porabe v nasprotni strani vožnje ter oba rezultata povprečil. Dobil sem naslednji graf porabe:

vehicle_consumption_kmh.png


Nato sem izračunal moč motorja pri različnih hitrostih vozila:

vehicle_power_kmh.png


Nadaljeval sem z izračunom relativnih toplotnih izgub baterije, kjer sem za referenco (100%) vzel hitrost 100 km/h:

heating_power_kmh.png


Lahko opazimo, da če povečamo hitrost iz 100 km/h na 120 km/h, se sprošena toplotna moč znotraj baterije poveča za faktor 2.2. To je manj od izračuna, kjer smo upoštevali zgolj upor zraka, vendar je še vedno zelo zaskrbljujoče. Za vsak primer pa sem še izračunal relativno sproščeno toplotno energijo v bateriji na neki določeni prevoženi poti vozila:

heating_energy_kmh.png


V praksi bo odvisnost sproščene toplotne moči ali toplotne energije glede na hitrost vozila še nekoliko manj nelinearna zaradi zmanjšanja notranje upornosti baterije pri višjih temperaturah baterije. Kljub vsemu pa je potrebno vedeti, da imamo opravka z zelo nelinearnimi odvisnostmi in da če želimo bateriji dobro, ne pretiravajmo s hitrostjo.
CRF, Nejccc, DGJ, evid, kt57, Damijan, MIRANRR
Uporabniški avatar
matija
EV ambasador
EV ambasador
Prispevkov: 1384
Kraj: Slovenia
Avto: BMW 225xe | Citroën C-Zero
909
1664

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a matija » 28 Jun 2018, 16:38

peion je napisal/-a:Katere temperature so pa "neprijetne" za baterije? Meni se je baterija segrela po cca. 130 km vožnje po AC in dveh hitrih polnjenj na 39°C in s strani vozila ni bilo nobenih omejitev (želve).


Ta avto ima konkretno drugacno kemijo kot novejsi, te LEV50 celice so zelo odporne, 50°C naj ne bi bilo se skodljivo, proti 60°C pa ze. Sicer ne smes gledati le tega povprecja ampak graf ali dva nazaj, ki kaze temperature vseh 88 blokov. Posamezni so lahko 4-5°C toplejsi od povprecja. V tvojem primeru so sigurno doloceni dosegali 43-44.

Jaz ponavadi kar usmerim en del klime v baterijo kar sam, ne cakam da to naredi avto. V temi "rabljen c-zero" sem to opisal.
peion
peion
EV začetnik
EV začetnik
Prispevkov: 23
Kraj: Jesenice
Avto: Peugeot Ion
23
31

Re: Segrevanje baterij med vožnjo (in polnjenjem)

OdgovorNapisal/-a peion » 28 Jun 2018, 21:33

Hvala za natančen odgovor.

  • Podobne Teme
    Odgovori
    Ogledi
    Zadnji prispevek

Vrni se na