Аккумуляторные батареи для тягового электродвигателя

Тяговый аккумулятор электрического двигателя электромобиля предназначен для питания электродвигателя. У такого аккумулятора нет высокого пускового тока, но он предназначен на длительную работу, выдерживает большое количество циклов заряда-разряда. Это самый дорогой узел электромобиля. Типичная тяговая АКБ – моноблочная секционная конструкция, состоящая из толстых электронных пластин – пористых сепараторов и электролитного вещества. Такая АКБ представляет из себя набор элементарных аккумуляторов (ячеек), который управляется целой системой из микроконтроллеров. Батареи различаются по ёмкости, рабочему напряжению (на EV – от 144 до 800 вольт), а также по форме, адаптированной под компоновку конкретной модели электромобиля. Отличаются они и ячейками, при изготовлении которых могут использоваться разные материалы.

В качестве АКБ для тягового электродвигателя могут примениться различные аккумуляторы.

В соответствии с конфигурацией трансмиссии электромобиля можно классифицировать как электромобили с тяговой аккумуляторной батареей (ТАБ) (Battery Electric Vehicle — BEV), гибридные электромобили (Hybrid Electric Vehicle – HEV), гибридные электромобили с подключаемым модулем (Plug-in Hybrid Electric Vehicle – PHEV) и электромобили на топливных элементах (Fuel Cell Electric Vehicle –FCEV).

Аккумуляторы электромобилей необходимы для работы с высокой мощностью (до 100 кВт) и высокой энергией (десятки кВт×ч) в условиях ограниченного пространства и массы. В гибридном электромобиле батарея обеспечивает только часть необходимой мощности и энергии.

В корпусе высоковольтной батареи размещаются не только наборы элементов питания, но как на примере высоковольтной батареи гибридного автомобиля, также ЭБУ гибридного привода (высоковольтный контроллер) и ЭБУ батареи (в некоторых системах интегрированный с контроллером гибридного привода) (рис. 3.4). Кроме того, в корпусе находится высоковольтное реле и другие необходимые компоненты, такие как предохранители, резисторы предварительной зарядки и конденсаторы.

Энергопотребление электромобиля зависит от многих факторов: массы автомобиля, размера, формы кузова, дорожных условий, стиля вождения водителя; размер вспомогательных систем, таких как охлаждение, обогрев, освещение и т. д. Типичное энергопотребление электромобиля среднего размера колеблется в пределах 160–200 Вт⋅⋅⋅⋅⋅ч/км. Стандартный размер тяговой батареи для ЭМ может варьироваться от 20 кВтч до 60 кВтч или даже выше для большей дальности поездки. Для автобусов она находится в диапазоне от 90 кВтч до 150 кВтч и выше. После начала движения ЭМ и движения по ровной дороге мощность привода используется для ускорения автомобиля и преодоления сопротивления качению между шинами и дорожным покрытием. Однако, как только необходимая скорость достигнута, для поддержания скорости требуется меньшая мощность за счет преодоления сопротивления качению и силы аэродинамического сопротивления. Для разгонаэлектромобиля массойоколо1350 кгдо скорости около 95 км/чза 10с требуется мощность около 61 кВт. Для того же транспортного средства пиковая мощность торможения для остановки транспортного средства, движущегося со скоростью 95 км/ч, за 5 с может достигать примерно 185 кВт.

Высоковольтная батарея должна иметь следующие характеристики:

• соответствующий срок службы (количество циклов зарядки и разрядки);
• способность отдавать и принимать большой ток;
• короткое время зарядки;
• умеренный нагрев;
• безопасность во время аварии.

Никель-металлгидридные аккумуляторы. У этих аккумуляторов положительный никелевый электрод представляет собой пасту гидроксида никеля, что не позволяет вытекать ему в случае повреждения батареи, смешанную с проводящим материалом и нанесенную на стальную сетку, а отрицательный из никелевого сплава с добавлением редкоземельных элементов. Пространство между электродами заполнено желеобразным составом на основе влажной щелочи, который замерзает при -27°С.

Никель-металлогидридные аккумуляторы всех размерностей, ёмкостей и предназначений выпускают в двух основных типах форм – цилиндрической и параллелепипед типа «крона» (рис. 3.5).

Вне зависимости от формы, подобные АКБ состоят из следующих обязательных элементов:

• металлогидридных и никелевых электродов (катодов и анодов), образующих гальванический элемент сеточной структуры, который отвечает за движение и накопление электрического заряда;
• сепараторных областей, разделяющих электроды и также участвующих в процессе электролитических реакций;
• выводных контактов, отдающих во внешнюю среду накопленный заряд;
• крышки с вмонтированным в неё клапаном, необходимой для сброса излишнего давления из полостей аккумулятора (давления свыше 2-4 МПа);
• термозащитного корпуса.

Суммарная реакция, протекающая в Ni-MH аккумуляторе, выглядит следующим образом. При заряде:

Ni (OH)₂ + M ⇒ NiOOH + MH.

При разряде:

NiOOH + MH ⇒ Ni (OH)₂ + M.

При этом щелочной электролит не принимает участия в реакции образования тока. После того, как при заряде аккумулятора до уровня 70…80 процентов на оксидно-никелевом запускается выделение кислорода в соответствии со следующей реакцией:

2OH − ⇒ 1/2O₂ + H₂O + 2e⁻

На отрицательном электроде происходит реакция восстановления этого кислорода:

1/2O₂ + H₂O + 2e− ⇒ 2OH⁻

Так описывается процесс перезарядки никель-металлогидридного аккумулятора. Эти реакции образуют собой замкнутую циркуляцию кислорода. В процессе восстановления кислорода происходит увеличение ёмкости металлогидридного электрода благодаря выделению группы ОН⁻ .

В Ni-MH аккумуляторах призматической формы поочерёдное размещение разноимённых электродов. Их также разделяет сепаратор. Сборка электродов находится в металлическом или пластиковом корпусе, который закрывается герметичной крышкой. В крышке в большинстве случаев ставится датчик или клапан давления. Ниже представлена конструкция никель-металлогидридного аккумулятора призматической формы.

В качестве примера рассмотрим никель-металлгидридный аккумулятор автомобиля Toyota NHW20 Prius (рис. 3.6). Батарея состоит из двух модулей, каждый соответственно с напряжением 144 В. Оба модуля батареи соединены друг с другом через защитный выключатель и вместе выдают напряжение при уровне зарядки в 75% 288 В.

При заряде выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. Разряд никель-металлгидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и емкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная емкость никель-металлгидридного аккумулятора будет максимальной.

В зависимости от типа и условий эксплуатации наработка может составлять 500 – 1000 циклов заряд-разряд и время службы 3 – 5 лет.

К преимуществам этих батарей относятся:

• низкая цена Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов;
• возможность отдавать наибольший ток нагрузки;
• возможность быстрого заряда аккумуляторной батареи;
• сохранение высокой ёмкости аккумулятора до -20°C;
• большое количество циклов заряда-разряда.

Недостатками являются:

• при заряде этот тип батарей выделяет много тепла, из-за этого требуется установка в них температурных реле или предохранителей;
• опасность переполюсовки и перегрева элементов в батарее растёт с увеличением срока службы и количества циклов заряд-разряд.
• высокий саморазряд. Это обусловлено реакцией водорода из электролита с оксидно-никелевым электродом.
• Никель-металлогидридные аккумуляторы функционируют в более узком диапазоне температур. При минус 10 °C практически все они становятся неработоспособными. Такая же картина наблюдается при температуре выше 40 °С.

Литий-ионные аккумуляторы. Использование литий-ионных аккумуляторов в качестве тяговых батарей является перспективным направлением для электротранспорта. Технология производства этих аккумуляторов совершенствуется из года в год – улучшается характеристики, уменьшается стоимость КВт/час.

Литий-ионные аккумуляторы подразделяются на несколько типов (рис. 3.7).

а – цилиндрический; б – пакетный; в – призматический

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы устанавливаются на большинстве современных гибридных автомобилей и электромобилях (рис. 3.8).

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (рис. 3.9) (катодного материала, представляющего собой активный материал в виде оксидов переходных металлов, в кристалле которого встроены ионы лития на алюминиевой фольге 8 и анодного графитного материала на медной фольге 10), разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами 9, который предотвращает «самовольный» переход ионов лития между электродами. Электролит, который используется в данном типе аккумуляторов, представляет собой органический раствор солей лития. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус имеет предохранительный клапан 5, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала.

1 – корпус ячейки; 2 – положительный полюс; 3,7 – изолирующая шайба; 4 – положительный полюс; 5 – предохранительный клапан; 6 – верхняя крышка; 8 – катод; 9 – сепаратор; 10 – анод; 11 – отрицательный полюс

Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи.

Ионы лития при зарядке и разрядке мигрируют от анода к катоду и наоборот (рис. 3.10).

На аноде 4 (рис. 3.11) при подключении батареи в замкнутую цепь образуется химическая реакция, которая приводит к образованию свободных электронов. Указанные электроны при разряде, в случае подключения к цепи, стремятся попасть на катод 1, где меньше их концентрация. Однако от прямого пути к катоду от анода удерживает их электролит, который находится между электродами. В аккумуляторе предусмотрен разделительный сепаратор 8 для предотвращения самопроизвольного перемещения ионов лития. Остается единственный путь – через цепь, куда замыкается батарея. При этом электроны, двигаясь по указанной цепи, питают устройство энергией. Положительно заряженные ионы лития 5, внутри аккумулятора, через электролит преодолевают разделительный сепаратор и направляются к катоду, чтобы удовлетворить потребность в электронах на стороне катода (позиция 7 – разряд). После перемещения всех электронов к катоду аккумулятор разряжается. Но литий-ионный аккумулятор является перезаряжаемым, то есть процесс можно обратить вспять. При подаче на электроды зарядного напряжения (позиция 6) ионы лития 5 мигрируют из литийсодержащего катода 1 в анод 4, окисляя его.

Первая зарядка аккумулятора сопровождается процессом встраивания лития в анод, что создает на электрозащитный ионопроводящий слой, защищающий электроды от вредных взаимодействий с электролитом.

В массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

• кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
• литий-марганцевая шпинель LiMn2O4
• литий-феррофосфат LiFePO4.

Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:

• литий-кобальтовые LiCoO2 + 6C → Li1-xCoO2 + LiC6

литий-ферро-фосфатные LiFePO₄ + 6C → Li_1-xFePO₄ + LiC₆

1 – катод; 2 – кислород (в соли); 3 – углерод (графит); 4 – анод; 5 – литий; 6 – заряд; 7 – разряд; 8 – разделительный сепаратор

Основные характеристики литий-ионного аккумулятора: напряжение заряженного элемента – 3,6 – 4,2 В, напряжение разряженного – 2,75 В, температурный режим – (–20 до + 60) градусов Цельсия, время заряда – 2 – 4 часа. Цикл жизни – свыше 1000 разряд/заряд аккумулятора.

Типичный график заряда литий-ионного аккумулятора показан на рис. 3.12. Зарядка происходит в три этапа: заряд постоянным током (объемная заряд), заряд постоянным напряжением (заряд насыщения) и подзарядки. Литий-ионный аккумулятор считается полностью заряженным, когда его напряжение достигает номинального значения (4,2 В) и зарядный ток падает примерно до 3 % от номинального значения. Литий-ионные аккумуляторы не могут поглощать перезаряд. Даже маленькую непрерывный ток после достижения полного заряда приведет к увеличению напряжения на ячейке. Когда напряжение ячейки достигает около 4,7 В, происходит распад электролита и растворителей и образуются легковоспламеняющиеся газы, ведущие к вздутию батареи и дальнейшем к взрыву и возгоранию. Другим последствием перезарядки является литиевое покрытие. При чрезмерном токе после достижения полного заряда ионы лития не могут быстро аккомодироваться внутри слоев углерода, в результате чего ионы лития накапливаются на аноде, то есть образуется литиевое покрытие. Следствием это является потеря зарядной емкости и рост дендритов. Дендриты — это волокна из металлического лития. Эти образования могут стать причиной замыкания и выхода из строя батареи.

Деградация батареи приводит к снижению емкости (рис. 3.13), постепенно уменьшая запас хода. Емкости аккумуляторов всех транспортных средств снижаются со скоростью 2,3 % в год. Тем не менее, аккумулятор электромобиля может разряжаться с большей или меньшей скоростью в зависимости от того, как эксплуатируется электромобиль: скорость разряда-заряда, температура хранения и эксплуатации и т.д.

Каждая зарядка аккумулятора электромобиля на 100 %, значительно сокращает срок его службы, так как это приводит к коррозии алюминиевого коллектора и образованию газов внутри батареи, ведущих к внутреннему механическому напряжению. В итоге это приводит к разрядке аккумулятора. Чтобы продлить срок службы зарядка должна быть не более 80 % полной емкости. Оставшиеся 20 % позволят осуществлять рекуперативное торможение, которое может преобразовывать кинетическую энергию в полезную энергию, так как при заряде более 80 % эта функция автоматически отключается.

Нельзя разряжать аккумулятор до 0 %. Такая глубокая разрядка аккумуляторной батареи приведет к чрезмерному износу и ухудшению состояния медного токосъемника и переходных металлов. Зарядку необходимо осуществлять только тогда, когда заряд аккумулятора электромобиля упадет до 10 %, чтобы он не оставался разряженным в течение длительного периода времени.

Быстрая зарядка сокращает общий срок службы аккумулятора вследствие интенсивного нагрева аккумулятора, которое ведет к ускорению химических реакций, разрушающих ячейки.

Технической задачей является обеспечение оптимальной скорости зарядки аккумуляторных батарей электромобилей, исходя из их технического состояния и остаточного ресурса.

Инновационным в развитии литий-ионных батарей являются разработки Tesla, проведенные совместно с Panasonic изготавливающая не только электромобили, но и аккумуляторы к ним еще в 2020 году представила новый тип литий-ионного аккумулятора, хранящего значительный, объем энергии на единицу объема. Конструкторы Tesla не изменили пальчиковый формат литий-ионных аккумуляторов, но сделали элемент питания в 5 раз крупнее (рис. 3.14, а). До сих главной проблемой пор на пути увеличения отдельных аккумуляторов было то, что с ростом мощности увеличивается и их термонагруженность. Иначе говоря, такие элементы такие элементы склонны к перегреву, а предлагаемые элементы Tesla решают эту проблему. Цилиндрические элементы Tesla увеличенного формата 4680 (46 мм диаметр, 80мм – высота), используют бесконтактную пироконтактную конструкцию, отличающуюся от прежних более низкими значениями внутреннего сопротивления. Вместо контактной пластины ток подается на широкий контакт по всему краю полоски электрода (рис. 3.14, б).

Рис. 3.14. Литий-ионные аккумуляторы Tesla:

а – общий вид и маркировка; б –конструкция нового вида аккумулятора 1 – стандартный аккумулятор; 2 – увеличенный аккумулятор; 3 – корпус; 4 – гелеобразный электролит в виде рулона; 5 – широкий контакт

На катодной фольге в ячейке сделана лазерная гравировка (3.15), чтобы создать спираль с черепицей, что привело к сокращению длины прохождения заряда до 50 мм по сравнению с 250 мм в нынешних ячейках.

Новый элемент дает возможность получить снижения стоимости АКБ на 1 кВт/ч на 7%, в результате существенного снижения затрат на ее производство. Запас хода электромобиля увеличиться на 16%.

Однако предлагаемые аккумуляторы все же требуют более интенсивного охлаждения по сравнению с предыдущими батареями. Высокие требования при производстве увеличенных аккумуляторов предъявляются к электролиту по загрязнениям металлическими частицами, которые становятся причиной короткого замыкания и последующего возгорания.

В 2022 году начался выпуск таких аккумуляторов на заводах Tesla расположенных в разных странах.

Литий—ионные аккумуляторы Ultium General Motors (GM). АКБ этой фирмы имеют низкое содержание кобальта. По конструкции они представляют широкоформатные элементы в виде пакетов (рис. 3.16).

Ячейки плотно прилегают друг к другу, что уменьшает расстояние между ними и увеличивает энергоемкость ячейки. Конструкция АКБ позволяет устанавливать ячейки не только горизонтально, но и вертикально (рис. 3.17). В такой конструкции могут устанавливаться ячейки разных производителей и моделей электромобилей.

Модули ячейки могут устанавливаться в один или два ряда (рис. 3.18).

Модульная конструкция батареи позволяет ставить новые блоки, взамен старых. Существенным отличием электромобилей GM является то, что управление батареей производится на более детальном уровне чем другие производители. Большинство других систем управления батареями производителей работают на уровне всей АКБ. Система управления GM работает на уровне отдельных модулей.

Это позволяет инженерам оптимизировать плотность энергии аккумулятора и его компоновку для каждой конструкции автомобиля. В случае необходимости заменять часть АКБ в течении время ее эксплуатации, вместо того чтобы сразу менять всю батарею Емкость батарей Ultium варьируется от 50 до 200 кВт⋅ч, что может обеспечить для электрокаров GM максимальный запас хода в 645 км.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов:

• большая плотность энергии – как весовая, так и объемная;
• напряжение на одном элементе батареи в три раза выше, чем у других разновидностей аккумуляторов;
• предельно быстрый заряд батареи до 90-95% емкости за 30-40 минут;
• отсутствие эффекта памяти;
• низкий саморазряд (максимум 20% в год и 6% в месяц);
• длительный срок рок эксплуатации — до 10 лет;
• утилизация без переработки.

Недостатки литий-ионных аккумуляторов:

• возможность взрыва при зарядке или механическом повреждении аккумулятора;
• срок нормальной продуктивной работы не более пяти лет;
• достаточно высокая стоимость аккумуляторов.

Один из самых перспективных кандидатов на замену литий-ионным аккумуляторам – натрий-ионный. Вопрос перехода на новые типы аккумуляторов назрел давно. Для прогресса в различных областях, особенно в автомобилестроении, нужны дешевые и емкие аккумуляторы, а литий дорожает год от года, к тому же он химически очень активен и пожароопасен. Результаты исследований показывают, что натриевые аккумуляторы могут заменить литий-ионные, используемые сегодня в электронных устройствах и некоторых типах электромобилей. При этом электроды могут быть сделаны из оксидов железа, а не из никеля или кобальта. Такие материалы, как натрий и железо широко распространены в природе, и их использование приведет к снижению стоимости, при этом плотность энергии останется такой же, как и у литиевых аккумуляторов.

Натрий является одним из двух элементов в поваренной соли хлорида натрия (NaCl). В отличие от лития, он имеется в изобилии как в месторождениях (каменная соль), так и в морях и океанах. Следовательно, Na-ионные элементы могут быть во много раз дешевле, чем литий-ионные, и, кстати, они должны быть сконструированы с использованием тех же веществ и структур, что и литий-ионные элементы.

Натрий-ионный аккумулятор (NIB) относится к типу и , аналогичная литий-ионной батарее , но использующая ионы натрия ионы (Na) в качестве носителей. Его принцип работы и конструкция элемента (рис. 3.19) идентичны литий-ионной батареи с той лишь разницей, что соединения лития заменены соединениями натрия.

Во время зарядки Na извлекается из катода и вставляется в анод, пока электроны проходят через внешнюю цепь; во время разряда происходит обратный процесс, когда Na извлекается из анода и повторно вводится в катод, а электроны, проходящие через внешнюю цепь, выполняют полезную работу.

Анод, используемый в литий-ионных батареях, состоящий из графита, не может использоваться в натрий-ионных батареях, поскольку он не может накапливать более крупные ионы натрия в заметных количествах. В связи с этим в качестве материала для анода используется неупорядоченный углеродный материал, состоящий из неграфитизируемой, некристаллической и аморфной углеродной структуры (называемой «твердым углеродом»). Инновационный анод натрий-ионного аккумулятора, разрабатываемого в НПЦ Национальной академии наук Беларуси по материаловедению выполнен из графеноподобного углерода, представляющего собой углеродный наноматериал. Графеноподобный углерод удерживает в себе жидкий металлический сплав натрия с калием (крупные ионы натрия) при зарядке. Благодаря тому, что активный электродный материал находиться в жидкой фазе, снижается вероятность роста металлических дендритов и короткого замыкания аккумулятора.

Катоды в натрий-ионных батареях выполнены на основе натрийсодержащего материала (оксидов переходных металлов натрия). Как и литий-ионные катоды, катоды с ионами натрия также накапливают натрий посредством механизма реакции интеркаляции. Катод белорусского натрий ионного аккумулятора выполнен как аналог берлинской лазури – железо с содержанием натрия (Nax[Fe(СН)6].

В натриево-ионных батареях можно использовать как водные, так и неводные электролиты. Ограниченное окно электрохимической стабильности воды приводит к созданию натриево-ионных аккумуляторов с более низким напряжением и ограниченной плотностью энергии при использовании водных электролитов. Чтобы расширить диапазон напряжений натрий-ионных батарей, можно использовать те же полярные апротонные растворители неводного эфира карбоната, которые используются в литий-ионных электролитах, такие как этиленкарбонат, диметилкарбонат, диэтилкарбонат, пропиленкарбонат и т. д. В наиболее широко используемом в настоящее время неводном электролите используется гексафторфосфат натрия в качестве соли, растворенной в смеси этих растворителей.

Есть у натрий-ионных батарей и недостатки. Натрий тяжелее лития, и удельная энергоемкость таких батарей заметно ниже: до 160 Вт∙ч/кг против 250 – 280 Вт∙ч/кг у литий-ионных. Кроме того, у натрий-ионных аккумуляторов выше требования к материалам катода и анода: неправильный подбор приводит к большим перепадам напряжения и падению эффективности.

Литий-железо-фосфатные батареи. В последние годы получают все большее распространение литий-железо-фосфатные аккумуляторы, дополненные разными материалами (например, марганцем), что позволяет заметно улучшить их энергетические характеристики.

Такие батареи в качестве накопителя энергии установлены на электробусе МАЗ-303 Е с запасом хода на одном заряде 300 км. Накопитель энергии состоит из разнесенной высоковольтной аккумуляторной батареи, включающей 18 модулей 12 на крыше и еще 6 — в моторной шахте, в специальном отсеке над двигателем, общей емкостью 412 А•ч. В задней части расположена розетка, куда подключается вилка кабеля для зарядки CCS2 Combo от зарядной станции, которая может обеспечить зарядное напряжение не менее 690 вольт. При быстром заряде максимальной силе тока в 200 ампер весь процесс зарядки займет менее 4 часов. При заряде силой тока 70 ампер электробус зарядится за 8 часов. Данные способы является оптимальными, т.к. зарядка при этом проводится используется в ночное время, а в дневное время автобус работает на линии.

Заявленная производителем величина хода электробуса составляет до 300 км, что может быть достигнуто только в весенне-летнее-осеннее время, при достаточно длительном световом дне и положительных температурах окружающего воздуха. В зимнее время расход электроэнергии значительно возрастает, в связи с включением световых приборов, системы отопления салона электробуса, обогрева аккумуляторных батарей.

Все это увеличивает расход и, как следствие, уменьшает запас хода до 220 км, вместо заявленных 300 км на одной зарядке.

Схематичное расположение компонентов электробуса показаны на рис. 3.20.

1 – фронтбокс; 2 – плата предохранителей и контакторы; 3 – инвертор двигателя; 4 – двигатель; 5 – гидростанция; 6 – инверторы компрессора и гидростанции; 7 – компрессор; 8 – высоковольтные предохранители; 9 – коммутатор; 10 – аккумуляторная батарея; 11 – кондиционер; 12 – преобразователь 800/28В; 13 – ручные сервисные размыкатели; 14 ­ зарядная розетка.

Реальная компоновка аккумуляторных модулей в электробусе МАЗ-303Е с приведением технических параметров модулей представлена на рис. 3.21.

с техническими параметрами модулей

В электробусе МАЗ – 303Е используются литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO₄) имеющие сокращенное название LFP. В данном типе литий-ионного аккумулятора в качестве катода используется LiFePO₄ .

Блок-схема подключения аккумуляторной батареи к системе электрооборудования электробуса приведена на рис. 3.22.

В литий-железо-фосфатных аккумуляторах протекают реакции (рис. 3.23), основанные на взаимодействии литий-феррофосфата как материала катода и углерода в качестве материала анода: LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6. Заряд переносят ионы лития. При разряде элемента питания они внедряются в кристаллическую структуру анода и отдают накопленный заряд, в результате чего протекают процессы окисления. При заряде источника питания ионы лития перемещаются от анода к катоду и накапливают заряд – происходит процесс восстановления.

Из всех типов литий-ионных аккумуляторов данный тип является наиболее безопасным. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LFP) не загораются при внутреннем и внешнем металлическом КЗ. Они сравнительно дешевы и хорошо работают при повышенных температурах (до + 60ºС). Вследствие этих факторов, они являются на сегодня, пожалуй, наиболее распространенными в энергетике и на электротранспорте. Эти аккумуляторы более стойки к перезаряду: если в течение длительного времени к ним приложено повышенное напряжение, то деградационные последствия будут заметно меньше в сравнение с другими литий-ионными аккумуляторами. Также, в отличие от некоторых других литий-ионных АКБ, данные аккумуляторы сравнительно медленно деградируют при хранении, что позволяет хранить их до 15 – 25 лет (при применении специальных мер, связанных с периодическим циклированием). В качестве их преимущества можно рассматривать также то, что 12-В аккумуляторные блоки LFP могут сравнительно просто заменять аналогичные 12-В аккумуляторные блоки свинцово-кислотных аккумуляторов в целом ряде применений.

Если сравнить падение напряжение литий-железо-фосфатного аккумулятора по сравнению с кислотным аккумулятором, (рис. 3.24) то можно заметить, что литий-железо-фосфатный даже при значительной потере емкости до 98%, сохраняет напряжение 12 V, в то время как у свинцового аккумулятора напряжение 12 V составляет при потере емкости 10 %, и далее напряжение резко падает.

в зависимости от емкости литий-железо-фосфатного

и кислотного аккумулятора

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы терпимее к полному разряду и менее подвержены «старению», чем другие литий-ионные системы. Также LFP более устойчивы к перезаряду, но, как и в других аккумуляторах литий-ионного типа, перезаряд может вызвать повреждение. LiFePO4 обеспечивает очень стабильное напряжение разряда – 3,2 В, это же позволяет использовать всего 4 элемента для создания батареи стандарта 12 В, что в свою очередь позволяет эффективно заменять свинцово-кислотные батареи. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы не содержат кобальт, это существенно снижает стоимость продукта и делает его более экологически чистым. В процессе разряда обеспечивает высокий ток, а также может быть заряжен номинальным током всего за один час до полной емкости. Эксплуатация при низких температурах окружающей среды снижает производительность, а температура свыше 35ºС – несколько сокращается срок службы, но показатели намного лучше, чем у свинцово-кислотных, никель-кадмиевых или никель-металлогидридных аккумуляторов. Литий-фосфат имеет больший саморазряд, чем другие литий-ионные аккумуляторы и балансировки. Число циклов заряд-разряд до потери 20% ёмкости может достигать 7000, срок хранения: до 15 лет.

На рис. 3.25 и 3.26 представлены типичные характеристики заряда и разряда литий-железо фосфатных аккумуляторов.

Литий-железо-фосфатный аккумулятор следует укомплектовывать защитной платой BMS. С помощью платы BMS обеспечивается полноценная работа балансировки ячеек. При этом само напряжение периодически падает, тем самым сохраняя нормальную температуру батареи, при которой зарядка литий железо фосфатного аккумулятора становится безопасной. Как правило, балансировка активируется при напряжении от 3,6 до 3,75 вольт.

Для продления срока эксплуатации LiFePO4, заряжать его рекомендуются до 3,65 V в обоих случаях при превышении пиковых значений или. Таким образом, нижний диапазон работы аккумуляторов принимается не ниже 3 В. А верхний диапазон принимается 3,3 В при зарядке от зарядной станции, для возможности дальнейшего использования рекуперации и не более 3.65 при рекуперации.

Преимущества в сравнении литий-железо-фосфатной батареи по сравнению с литий-ионной:

1. Безопасность и стабильность химической структуры.

2. Упрощённая утилизация благодаря химической безопасности фосфатов.

3. Отсутствие риска взрыва и возгорания при механическом повреждении, но есть возможность выделения большого количества паров и дыма.

4. Стабильность напряжения в процессе разряда.

5. Низкий саморазряд.

6. Устойчивость к высоким нагрузкам при заряде-разряде.

7. Подверженность эффекту старения и безвозвратной потери ёмкости — 1,5% в год по сравнению с 10% в год у остальных Li-ion батарей.

8. Морозоустойчивость. Некоторые модели способны работать даже при — 40 С°.

9. Имеет более высокий пиковый ток и пиковую мощность из-за стабильности напряжения чем литий-ионный аккумулятор.

Недостатки в сравнении с Li-ion аккумуляторами:

1. Более высокая цена.

2. Удельный вес на 14% больше, чем у остальных литий-ионных аккумуляторов.

3. Удельная плотность энергии (энергия/объём) новых батарей ниже на 14% по сравнению с литий-ионными.

4. Могут иметь неспособность отдать полную ёмкость при больших токах разряда.

5. В случае полного разряда ниже 2 В, происходит эффект деградации и полный выход из строя элемента с долгим восстановлением и потерей части ёмкости или невозможность восстановления.

6. Более низкое рабочее напряжение: 3,3 В против 4,2 В для Li-ion аккумуляторов, что приводит к дополнительному добавлению элементов, приводящему к увеличению веса и габаритов.

К недостаткам рассматриваемых аккумуляторов нужно отнести также узкий диапазон температур эксплуатации (не допускают заряд при отрицательных температурах), более высокое внутреннее сопротивление. В связи с этим в последние годы получают все большее распространение литий-железо-фосфатные аккумуляторы, допированные разными материалами (например, марганцем), что позволяет заметно улучшить их энергетические характеристики.

Натрий никель-хлоридные батареи или (ZEBRA) (рис. 3.27) становятся более дешевой и безопасной заменой литий-ионным аккумуляторам.

В натрий никель-хлоридных аккумуляторах используются дешевые составляющие – расплавленный натрий, хлорид никеля (II), керамический твердый электролит и расплавленный аллюмохлорид натрия (NaAlCl₄) в качестве жидкого электролита. В этих аккумуляторах катод выполнен из металлического натрия , электролитом является расплавленный хлорид натрия (то есть поваренная соль), анодом — проволока из никеля . Электролит находится в керамическом стакане-сепараторе из корунда (бета-глинозем). При заряде хлорид натрия вступает в реакцию с никелем, образуя хлорид-никеля, в результате высвобождается два иона натрия. Проходя через керамический сепаратор, ионы натрия аккумулируются на внешней его стенке.

Для работы данного аккумулятора необходимо поддерживать внутреннюю температуру на уровне 270-350°C . Поэтому аккумуляторные батареи ZEBRA имеют в своем составе нагреватель, воздушный охладитель и упакованы в стальной двустенный термоизолирующий корпус, между стенками которого имеется вакуумная прослойка. Благодаря тому, что твердый электролит, разделяющий анод и катод, является изолятором, батареи ZEBRA имеют нулевой уровень саморазряда.

При разряде аккумулятора электроэнергия вырабатывается за счет восстановления хлорида натрия и никеля. В процессе заряда и разряда не образуются какие-либо побочные продукты, эти процессы полностью обратимы. Никель-натрий-хлоридные аккумуляторы имеют ЭДС около 2,6 В. Соединив последовательно 5 элементов, можно получить батарею напряжением 13 В, что всего лишь на 3% превосходит номинальное напряжение свинцово-кислотного аккумулятора без нагрузки (12,6 В). Это значительно упрощает процесс переходы на новые аккумуляторы.

Основные характеристики натрий-никель-хлоридного аккумулятора: рабочая температура – + 300 градусов Цельсия, энергоемкость – 730 ВТч/кг, ЭДС – 2,6 Вольта. Количество циклов заряда-разряда при уменьшении емкости на уровне не менее 80%, достигает 3000 разрядзаряд аккумулятора. Средний пробег электромобиля достигает 150 – 200 километров за одну зарядку.

Преимущества натрий никель-хлоридных аккумуляторов:

• высокая емкость, такая же, как у литий-ионных батарей;
• низкая цена и большая доступность, которая конкурирует со свинцово-кислотными аккумуляторами;
• длительное время эксплуатации.

Недостатки:

• требует поддержания высокой рабочей температуры;
• аккумуляторы очень чувствительны к температурным перепадам и могут выдержать до 50 циклов нагрева и остывания батареи.

Воздушно-алюминиевые батареи. Металл-воздушные аккумуляторы появились на рынке не очень давно, но находят все большее применение в электромобилях.

Воздушно-алюминиевая батарея генерирует ток за счёт химической реакции металла с кислородом из окружающего воздуха. Алюминиевая пластина — анод. Катод состоят из реактивного слоя углерода с никелевым сетчатым токосъемником, катализатора (например, кобальта) и пористой гидрофобной пленки из политетрафторэтилена (ПТФЭ) (фторопласта), предотвращающего утечку электролита. Кислород в воздухе проходит через ПТФЭ, а затем вступает в реакцию с водой с образованием ионов гидроксида. С двух сторон ячейка покрыта пористым материалом с серебряным катализатором, который фильтрует CO₂ . Металлические элементы медленно деградируют до Al(OH)₃ . Реакции следующим образом:

4 Al + 3 O₂ + 6 H₂O = 4 Al (OH)₃ + 2,71 В.

Преимущества металл-воздушных аккумуляторов:

• компактность и малый вес;
• очень большой пробег. 100-килограммовая батарея Al-Air содержит достаточно энергии, чтобы обеспечить 3000 км хода компактного легкового автомобиля.

Недостатки:

• чувствительность к низким температурам;
• качественного фильтра;
• вероятность внезапной остановки;
• малое число заряд-разряда;

Литиево-серные аккумуляторы. Для значительного увеличения энергоёмкости на единицу объёма необходимы батарейки с принципиально новыми материалами для электродов, так как возможности литий-ионных аккумуляторов (Li-ion) ограничены ёмкостями материалов для катода (около 250 мАч/г для оксидов) и анода (около 370 мАч/г для графита), а также пределами напряжений, в которых электролит стабилен. И одна из технологий, позволяющая увеличить ёмкость, используя принципиально новые реакции взамен интеркаляции на электродах – это литий-серные аккумуляторы (Li-S), анод которых содержит металлический литий, а в виде активного материала для катода используется сера. Работа литий-серного аккумулятора в чём-то похожа на работу литий-ионного: и там, и там в переносе заряда участвуют ионы лития. Но в отличии от Li-ion, ионы в Li-S не встраиваются в слоистую структуру катода, а вступают с ним в следующую реакцию:

2 Li + S -> Li₂S

Литиево-серный аккумулятор сделан многослойным, между анодом и катодом расположены анодные и катодные мембраны и слой электролита. Конструкция такого аккумулятора схожа с литий-ионными аккумуляторами , однако, в отличие от него, литий-серный аккумулятор использует вместе с литиевым анодом серосодержащий катод , за счёт чего увеличивается его удельная зарядовая ёмкость. Другая особенность Li-S — возможность использовать жидкий катод, увеличивая таким образом плотность тока через него.

Кроме того, Li-S имеют другую разновидность химической реакции, а это даёт то, что способность накапливать энергию у таких аккумуляторов намного больше, чем у Li-ion. В Li-S АКБ энергия сохраняется, когда положительно заряженные ионы лития поглощаются электродом, изготовленным из частиц серы в углеродной матрице, удерживаемой вместе с полимерным связующим. Солидная ёмкость запоминающего устройства означает, что электрод будет распухать до почти двойного своего размера, когда заряжен на сто процентов.

Цикл набухания и уменьшения по мере заряда и разряда аккумуляторной батареи, приводит к прогрессирующей потере сцепления частиц и постоянному искажению углеродной матрицы и полимерного связующего, что является существенным недостатком таких АКБ.

В литий-серных отсутствуют дорогостоящие тяжелые металлы, такие как никель и кобальт, присутствующие в Li-Ion аккумуляторах. Вместо них в аккумуляторах присутствует сера, являющаяся вторичным продуктом переработки нефти и которая в избытке, присутствует в природе, стоит не дорого, а энергии при этом может сохранять гораздо больше.

Современные разработки литий-серные аккумуляторов новой генерации, в частности с участием Tesla, могут выдержать около 1500 процедур перезарядки без значительной утраты ёмкости. Для сравнения большинство же литий-ионных АКБ теряют до 20% ёмкости уже при 600 циклах.

Графеновые аккумуляторы (рис. 3.28). По мнению многих специалистов в области развития электромобилей — это наиболее перспективный вид хранения электроэнергии. Они на 70% дешевле литиевых аналогов, в два раза легче по весу, а благодаря уникальным электропроводным свойствам графена, могут быть полностью заряжены всего за 9 минут, и этого заряда хватит на 1000 километров пробега электромобилю.

В Белоруссии разработан натрий-графеновый аккумулятор. Применение такого аккумулятора обеспечивает мощность, емкость и прочие необходимые параметры в 2,5–3 раза выше по сравнению с литием.

Графен представляет собой искусственно разработанное вещество пленкообразной структуры из атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке (в виде шестиугольников) (рис. 3.29).

По существу, это вещество является плоскостью графита, отделенной от общей структуры материала. Атомы углерода графена «объединяются» и получается шестигранная кристаллическая решетка. Их связь настолько высокоплотная, что вещество имеет высокую степень жесткости и огромный запас теплопроводности. Электроны при этом в графене сохраняют свою подвижность, что необходимо для функционирования АКБ. Особенность графеновых аккумуляторов – они малом весе имеют большую емкость.

Графеновые АКБ (рис. 3.30) работают за счет той же электрохимической реакции, что присуща и другим источникам питания и более всего схоже с литий-ионными источниками питания, в которых задействуется твердый электролит. Единственное, что в случае с графеном катод выполнен из угольного кокса, по причине того, что его химический состав приближен к чистому углероду, а графит заменен на графен.

Для повышения «вместимости» батареи, ученые начали устанавливать между слоями графена кластеры из кремния. Емкость батареи зависит от того, сколько ионов находится в кристаллической решетке анода. Скорость перемещения ионов влияет на то, как быстро заряжается аккумулятор.

Для повышения скорости зарядки в пластинах графена делают небольшие отверстия, 15 – 20 нм (нанометров).

Графеновый аккумулятор такого же веса как литий-ионный (при 200 Вт/ч на 1 кг веса) имеет удельную емкость 1000 Вт/ч. Такая батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке

Преимущества графеновых аккумуляторов:

• исходное сырье доступно и распространенно. Сейчас графен производят в промышленных масштабах, причем довольно простым способом;
• малый вес. Масса 1 м2 графена – менее 1 грамма. Значит, снижается общая масса аккумулятора, что вносит свои коррективы в производство электромобилей;
• экологически чистое вещество, не оказывающее негативного воздействия на окружающую среду;
• высокие показатели прочности и водонепроницаемости;
• поврежденные участки быстро восстанавливаются;

проводимость выше, чем у любого доступного сейчас полупроводника;

• высокая удельная емкость. Если графеновая батарея применяется как источник тока, то электрический автомобиль способен «на ней» проехать 1000 км не подзаряжаясь;
• технически долговечное вещество, мощность которого не снижается из-за частых циклов зарядки/разрядки;
• быстро заряжается.

Недостаток графенового аккумулятора – нет совершенных конструкций.

Твердотельные АКБ . Это быстро развивающаяся технология нового поколения батарей. Твердотельные батареи, как следует из их названия, представляют собой батареи, которые имеют как твердые электроды, так и твердые электролиты, которая пришла на смену литий-ионным и литий-полимерным лидерам рынка. Основное отличие таких батарей от литий-ионных аккумуляторов состоит в том, что электролит находится в твердой, а не в жидкой форме. Батареи подобного типа в настоящее время широко используются в кардиостимуляторах. В настоящее время началось их использование в японских, китайских некоторых других электромобилях. Общий вид твердотопливной батареи и ее элемента показан на рис. 3.31.

Твердотельный электролит может принимать форму керамики, стекла, сульфитов или твердых полимеров, в отличие от жидкого или полимерного геля, используемого в обычных литий-ионных батареях. Плотность энергии в таких батареях одинакового размера превышают плотность литий-ионных батарей в несколько раз.

Электролит в твердотельном аккумуляторе состоит из ионов фтористых соединений (полимерные и композитные материалы на основе неорганических оксидов и сульфидов) и находится в твердом состоянии. Анод сделан из металлического лития или фтористых соединений меди и кобальта, а катод из лонтана. Анод отделен от катода керамическим электролитом.

Для того чтобы создать твердый электролит, который проводит ионы так же легко, как жидкий, перемешивают мелкие частицы материала катода с твердым электролитом, в который вносят особую добавку, повышающую электропроводность. Эта конфигурация позволяет ионам и электронам более легко двигаться в катоде.

Принцип работы твердотельной батареи аналогичен литий-ионной.

Основным преимуществом твердотельных батарей является их компактность и уменьшение веса. В жидкотельных батареях типа литий-ионная необходим значительный объем гелевой жидкости толщиной около 20…30 мк разделяющий катод и анод для избегания короткого замыкания (рис. 3.32). Сепаратор же твердотельного аккумулятора 3-4 мк что значительно тоньше человеческого волоса и невоспламеняемый. В обычной литий-ионной ячейке сепаратор изготавливается из органических материалов и служит одной из причин пожароопасности элементов. В связи с этим в твердотельную батарею помещается вдвое больше энергии, чем в литий-ионные такие же толщины.

а – жидкотельная батарея; б – твердотельная батарея; 1– электролит; 2 – сепаратор

Одной из разновидностей твердотельных аккумуляторов являются аккумуляторы калифорнийской компании QuantumScape (рис. 3.33). Главной особенностью твердотельных литий-металлических аккумуляторов QuantumScape можно считать то, что аккумуляторы при изготовлении не имеют анода. Он формируется в уже собранной аккумуляторной ячейке путём осаждения металлического лития в процессе заряда ячейки.

1 – анод; 2 – сепаратор; 3 – твердотельный электролит; 4 – катод

Важной особенностью батареи является твердотельный керамический сепаратор. Он препятствует образованию дендритов — игольчатых наростов металла на аноде, даже при высокой плотности тока, которые могут становиться причиной короткого замыкания в батарее и возгорания, и позволяет использовать в батареях QuantumScape металлический литий в качестве анода.

Для зарядки литий-твердотельного аккумулятора QuantumScape с 0 до 80% потребуется 15 минут. Батарея способна сохранять более 80% от первоначальной емкости после 800 циклов перезарядок в стандартных условиях, что соответствует 386 тысячам километров пробега электромобиля.

Преимущества твердотельного аккумулятора:

• переход от графита на аноде (как у Li-ion) к чистому литию увеличивает удельную энергию (меньше размеры и вес, дольше держит заряд);
• трёхмерная структура поверхностей позволяет сделать слои тоньше (увеличивается ёмкость, дольше работает от одной зарядки);
• отказ от жидкого электролита в пользу твёрдого полимера или керамического сепаратора решает проблему дендритов (увеличен срок службы);
• совокупное применение новых материалов позволяет ячейке принимать заряд за короткое время (самая быстрая зарядка из доступных).

Недостатки твердотельного аккумулятора:

• литиевый анод подвержен расширению при заряде и сжатию при разряде (проблема безопасности, для которой фактически найдено решение);
• пока удаётся уменьшить размеры, но не вес ячеек;
• безопасность сильно зависит от конкретных материалов и их сочетания (одни твердотельные аккумуляторы безопаснее других).

Среди других преимуществ батареи QuantumScape можно отметить хорошее сохранение работоспособности при температуре до –30°C. В дополнение элементы питания QuantumScape не нуждаются в системах удержания тепла.

Устройство силовых АКБ электромобилей. Аккумуляторная система питания включает в себя электронную плату системы управления 1; блок 2, модуль 3, ячейку 4 (рис. 3.34).

1 – электронная плата системы управления; 2 – блок; 3 – модуль; 4 – ячейка

Блок батарей (рис. 3.35) представляет собой последовательное и параллельное соединения элементов батарей. Последовательно соединенные секции увеличивают напряжение, параллельно соединенные секции увеличивают емкость.

Ячейка – это базовое единичное устройство, которое напрямую преобразует химическую энергию в электрическую, состоит из электродов, сепаратора, электролита, корпуса и клемм, является перезаряжаемым.

Модуль (рис. 3.36) – это комбинация, в которой более одной ячейки объединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно, и только пара клемм, положительной и отрицательной, используется в качестве источника питания.

1 – верхнее покрытие; 2 – плата изоляции жгута проводов в сборе; 3 – ячейка батареи; 4 – изоляционная пленка торцевой плиты; 5 – основание выходного каскада; 6 – торцевая плита; 7 – прокладка; 8 – боковая плита

В качестве примеров рассмотрим несколько высоковольтных батарей. Тяговая батарея электромобиля JAGUAR I-PACE (рис. 3.37) состоит из 432 литий-ионных элементов, объединенных в блоки по 12 элементов. Номинальное напряжение такого блока — 10,8 В. В системе установлено 36 модулей, каждый из которых способен выдать до 232 Ач, что в свою очередь обеспечивает емкость высоковольтной аккумуляторной батареи до 8352 Ач. Модули расположены внутри блоков высоковольтной аккумуляторной батареи. Блоки соединены последовательно, образуя высоковольтную аккумуляторную батарею. Номинальное напряжение этой высоковольтной аккумуляторной батареи составляет 388,8 В, при емкости 8352 Ач.

В тяговой батарее Geometry C используется тройной литий-ионный аккумулятор: в качестве положительного электрода используются такие соединения, как кобальтат лития, манганат лития, никелат лития, в качестве отрицательного электрода используются углеродные материалы (графит), способные интеркалировать ионы лития, используется органический электролит. Блок тяговой батареи установлен в нижней части кузова автомобиля, компоненты тяговой батареи включают в себя: каждый модуль в сборе, систему сбора данных CSC, блок управления батареей (BMS), блок распределения высокого напряжения батареи (B-BOX) и другие компоненты.

В тяговой батарее Geometry C используется тройной литий-ионный аккумулятор: в качестве положительного электрода используются такие соединения, как кобальтат лития, манганат лития, никелат лития, в качестве отрицательного электрода используются углеродные материалы (графит), способные интеркалировать ионы лития, используется органический электролит. Блок тяговой батареи установлен в нижней части кузова автомобиля, компоненты тяговой батареи включают в себя: каждый модуль в сборе, систему сбора данных CSC, блок управления батареей (BMS), блок распределения высокого напряжения батареи (B-BOX) и другие компоненты.

Высоковольтная батарея электромобиля e-Crafter (рис. 3.38) состоит из 27 модулей, выдающих номинальное напряжение 323 В при емкости 111 А•ч.

Блок управления системы регулирования АКБ, встроенный в коммутационный блок высоковольтной батареи 3, выполняет следующие функции:

• контроль контрольной цепи;
• проверка сигнала удара;
• функция задающего устройства для блока управления контроля модулей аккумуляторов

Блок управления контроля модулей аккумуляторов выполняет следующие функции:

• управление контакторами;
• регулирование уровня заряда;
• контроль изоляции;
• измерение тока до и после контакторов.

1 – высоковольтный разъём; 2 – разъём подключения к бортовой сети 12 В; 3 – коммутационный блок высоковольтной батареи, включающий в себя: – блок управления системы регулирования и блок управления контроля модулей аккумуляторов; 4 – десять модулей батареи с 6 ячейками как подчинённые модули; 5 – зарядный разъём (DC) для зарядки батареи постоянным током; 6 – нижняя часть батареи; 7 – семнадцать модулей батареи с 12 ячейками, разделённые на 8 задающих модулей и 9 подчинённых модулей

Высоковольтные батареи оборудуются уравнительными взрывобезопасными клапанами (рис. 3.39).

Основной функцией взрывоопасного клапана является уравнивание давления внутри батареи и предотвращение взрыва.

В клапанах установлены мембраны, которые разрываются при возникновении избыточного давления (приблизительно на 0,2 бара выше атмосферного давления) в корпусе высоковольтной аккумуляторной батареи. За счет этого обеспечивается контролируемый сброс избыточного давления. В аккумуляторных батареях устанавливается вентиляционная трубка, которая выравнивает давление. На конце вентиляционной трубки имеется обратный клапан, который препятствует проникновению воды.

Высоковольтная аккумуляторная батарея может иметь различные соединения с системами высокого и низкого напряжения такие как:

• высоковольтное соединение с распределительной коробкой высокого напряжения;
• высоковольтное соединение с инвертором;
• соединение с внешними датчиками температуры охлаждающей жидкости высоковольтной аккумуляторной батареи;
• низковольтный разъем, включая сети передачи данных и контура блокировки высокого напряжения и др.