Аккумуляторы, используемые в современных автомобилях, испытывают значительные нагрузки при эксплуатации в климатических условиях большинства регионов России. Особенно это касается высоковольтных аккумуляторов, которые применяются для питания электромотора в гибридных и полностью электрических авто. В следствие падения емкости источника уменьшается расстояние, которое можно преодолеть на «одном заряде». В Хабаровске пять месяцев в году средняя температура не поднимается выше 0 градусов.
Для решения данной проблемы можно использовать две возможности: разработать эффективную систем обогрева/охлаждения литий-ионных аккумуляторов либо изменить их состав-структуру.
Исходя из этого нам было интересно изучить влияние температур на работу литий-ионного аккумулятора, для этого понадобилось:
– создать испытательный стенд с возможностью одновременного контроля температуры среды (в которую будет помещаться аккумулятор) и емкости литий-ионного аккумулятора
– исследовать влияние отрицательных и положительных температур (характерных для климата Дальневосточного региона) на емкость аккумуляторов
Практическое значение работы заключается в оптимизации использовании электромобилей в среде с перепадами температур или с постоянным пониженным\повышенным показателем температур. В связи уже обоснованной актуальностью работы, может появиться необходимость в поддержании оптимальной работы аккумуляторов электромобилей для увеличения срока работы как в однократных поездках, так и в продолжительности всего эксплуатационного периода.
На практике мы решили проследить влияние температуры окружающей среды на емкость аккумулятора. Для осуществления заданных целей нам понадобилось собрать схему измерения температуры на Arduino для удобства замера: датчик автоматически считывает температуру внешней среды и выводит ее на компьютер. Запись данных ведется с учетом времени, что облегчает нам задачу исследования (рис. 1)
Рис. 1. Внешний вид стенда для определения текущей температуры и емкости аккумулятора
Как мы выяснили позднее, емкость аккумулятора возможно измерить самостоятельно при помощи мультиметра. Емкость аккумулятора есть произведение возникающей силы тока на время продолжительности ее измерения. Для самостоятельной пробы мы использовали мультиметр: в течение продолжительного времени наш опытный аккумулятор подвергался нескольким пробам. Начальная — измерение емкости в обычных условиях, вторая — при пониженной температуре, третья — в условиях повышенной температуры. Как выяснилось, температура имеет важное значение в работе аккумулятора. Как в условиях повышения, так и понижения температур наблюдается понижение емкости, а также повышенное электропотребление (табл. 1)
Таблица 1
Результаты проведенных измерений
|
№ п/п |
Температура, °C |
Время работы, мин |
Напряжение, В |
Ёмкость, мАч |
|
1 |
+22 |
20 |
4,8 |
416 |
|
2 |
-14 |
5 |
4,6 |
83 |
|
3 |
+38 |
17 |
4,7 |
390 |
В результатах работы и ее дальнейшем применении мы рассчитываем каким-либо образом стабилизировать работу аккумуляторов в неоптимальной среде. У нас есть возможный концепт решения данной проблемы. Одно из них — использование наночастиц в составе литий-ионных батарей, которые способны увеличить емкость аккумуляторов приблизительно в 10 раз. Для этого возможно использовать кремниевые наночастицы. Как показано в работе канадских ученых, введение наночастиц кремния в состав литий-ионных батарей обусловлено относительной дешевизной материала и свойством кремния абсорбировать намного больше лития, чем графит (который сейчас используется в таких батареях). Однако, если вводить кремний в виде макрочастиц, то при многократной подзарядке такие аккумуляторы начинают растрескиваться. Но, если использовать наночастицы кремния в форме нанотрубок или проволок, то разрушение не происходит.
Показано, что адаптация литий-ионных аккумуляторов для работы в климатических условиях с резким сезонным градиентом температур, является важной задачей. Произведены модельные испытания таких аккумуляторов на специально созданном стенде, позволяющем производить одновременные замеры температуры и емкости. Установлено, что происходит изменение емкости и, соответственно, рабочих характеристик батарей при значительном отклонении температуры окружающей среды от оптимальной. Даны рекомендации по решению данной проблемы.
Литература:
- Кулова Т. Л. Проблемы низкотемпературных литий-ионных аккумуляторов / Кулова Т. Л., Скундин А. М. / Электрохимическая энергетика, 2017. — № 2. — с. 61–88
- Эрфурт А. А. Зависимость запаса хода электромобиля Nissan Leaf от температуры окружающей среды / Эрфурт А. А., Базанов А. В. // В сборнике: Транспортные и транспортно-технологические системы Материалы Международной научно-технической конференции. Отв. ред. Н. С. Захаров. 2018. С. 332–335.
- Охрименко И. В. Пути совершенствования систем заряда аккумуляторных батарей наземного автотранспорта / Охрименко И. В., Руденко Н. В., Филь М. М., Сычева М. А. // Молодой исследователь Дона. 2017. № 3 (6). С. 62–67.
- Новиков А. В. Исторически обзор и перспективы развития аккумуляторных батарей / Новиков А. В., Бурмистров А. В. // Апробация, 2016. — № 4(43). — с. 12–22
- Винаков А. Ф. Технические характеристики современных электромобилей / Винаков А. Ф., Савёлова Э. В., Скринник А. И. // Электротехнические и компьютерные системы. 2016. № 22 (98). С. 371–377.
