horuseye.sk Veda, technika či nebodaj Sci-Fi horuseye.sk

Svete malých obrnených fúzačov   Šintava - slobodné kráľovské mesto   Kremnické dukáty   Veda, technika či nebodaj Sci-Fi

Začnite klásť jednoduché „naivné“ otázky, ktoré majú vzdelanejší ľudia tendenciu prehliadať. (Michael J. Gelb) 
Ohmov zákon – brzda rýchleho nabíjaniaAktualizacia: 27.01.2019 

Achillovou pätou elektromobilov dneška sú batérie. Majú dva vážne nedostatky. Prvým je ich kapacita a druhým rýchlosť ich nabíjania. Ľudstvo pozerá s nádejou do budúcnosti s tým, že oba tieto problémy budú v krátkom časovom horizonte vyriešené. Na jednej strane sledujeme ako sa v laboratóriách rodia nové typy batérií, schopných absorbovať čoraz viac energie. Na druhej strane sa objavujú vízie ako tieto batérie nabiť v čo najkratšom čase. A práve rýchlosť nabíjania pokladám za problém, ktorého riešenie nás bude ešte dlho prenasledovať.

Asi každý človek vie ako sa zahrievajú batérie mobilu či tabletu keď ich nabíjame. Čím rýchlejšie nabíjanie, tým viac sa nám zahrejú. Podieľajú sa na tom dva absolútne odlišné javy. Jeden z nich je premena časti elektrickej energie na teplo pri chemickej reakcii, ktorá prebieha v každej batérii počas nabíjania. (V podstate ide o vnútorný odpor batérie.) Druhý jav súvisí s elektrickým odporom na spojoch. Každý jeden spoj predstavuje miniatúrny odpor medzi dvomi za sebou radenými článkami. Batérie elektromobilov nie sú totiž ničím iným ako tisíce „tužkových batérií“ zložených do obrovských blokov.

Prečo ich máme pokladať za limitujúce fakotry v prípade rýchleho nabíjania batérií? Odpoveď je jednoduchá. Prechodom elektrického prúdu vodičom, v tomto prípade sériou batérií vzniká teplo. Množstvo vzniknutého tepla závisí od veľkosti odpora a prúdu. Prúd sa mení na energiu, ktorá zahrieva batériu ako aj jednotlivé styčné plochy – kontakty.

Fyzika základnej školy nám hovorí, že množstvo energie ktorá sa premení na teplo je dané vzťahom:

A = U . I . t

kde

A – energia v Watt sekunda (Ws) pričom platí 1 Ws = 1 Joule (J)

U – napätie Volt (V)

I – prúd Ampér (A)

t – čas sekunda (sec)

Na začiatku som sa odvolával na Ohmov zákon. Ten nám umožňuje definovať napätie na odpore v hore uvedenom vzťahu. Toto napätie je definované nasledujúcou rovnicou:

U = R . I

kde

U – napätie Volt (V)

I – prúd Ampér (A)

R – odpor Ohm (O)

Po dosadení do prvej rovnice sa dopracujeme k výrazu:

A = R . I2 . t

Prečo by nás mal však Ohmov zákon obmedzovať v rýchlosti nabíjania batérií? Odpoveď treba hľadať v teple, ktoré vzniká na jednotlivých spojoch.

Fyzikálne nie je možné dosiahnuť nulový prechodový odpor spojov pri využití bežných cenovo dostupných materiálov. Batéria pozostáva z tisícov seriovo-paralélne radených článkov. To predstavuje tisíce sa tisíce kontaktov, na ktorých vzniká teplo.

V jednom článku som sa zamýšľal nad nabitím batérie s kapacitou 200 kWh za 1 minútu. Aby to bolo možné potrebujeme k tomu 12 MWh zdroj energie a to v prípade, že by sme v tomto procese dosiahli 100% účinnosť. Ak by bolo napätie batérií vo vozidle 400V, potom by sme museli takéto vozidlo nabíjať prúdom 30 000 A. Tento prúd sa roztečie do desiatok možno stoviek vetví. Aj tak sa bude hodnota prúdu v jednotlivých vetvách pohybovať rádovo v desiatkach ampérov. Pri celkovom odpore bloku (vetvy) na úrovni miliohmov tak môžu tepelné straty dosiahnuť zaujímavé hodnoty. (Niekde som zachytil informáciu, že limity pri reálnom nabíjaní batérií sa pohybujú na úrovni 400V 1000A. Suma sumárom: 400kW.)

Skúsme si to priblížiť. Ak by mal nabíjací prúd bloku hodnotu 10 ampérov a prechodový odpor by bol 1 mili Ohm tak by sa na kontakte premenilo na teplo 0,1 J každú sekundu. Za minútu by sme na teplo premenili 6 J energie. Nezdá sa to veľa. Na to aby sme zohriali 1 kg medi o jeden stupeň potrebujeme približne 390 J energie. Položme si preto otázku? Koľko váži jeden takýto kontakt? Koľko je to gramov? Odpoveď na našu otázku nám dá aj odpoveď na otázku: O koľko stupňov sa zahreje takýto kontakt? V tejto úvahe som pracoval iba s prúdom 10 A. My však potrebujem rozdistribuovať tisíce ampérov. Z vyššie uvedenej rovnice vyplýva, že ak zvýšime nabíjací prúd na dvojnásobok, energia meniaca sa na teplo vzrastie na štvornásobok.

V prípade odporu materiálu platí pravidlo, že so rastúcou teplotou rastie aj odpor. Rastúci odpor na jednej strane predstavuje vyššie tepelné straty pri zachovaní prúdu, čo by si vyžadovalo zvýšenie vstupného napätia. Na druhej strane ma rastúci odpor za následok pokles prúdu pri zachovaní pôvodnej hodnoty vstupného napätia, čo je pravdepodobnejší scenár. A tak pokles prúdu má v konečnom dôsledku za následok predĺženiu času potrebného k nabitiu batérie.

A čo na záver. Snívať o batériách s nulovým vnútorným odporom ako aj nulovom odpore v mieste ich pripojenia nám nepomôže. V reálnom svete nám nič také nehrozí. Alebo inak povedené: Fyzika nepustí.


© corycats.sk - horuseye.sk 2012 - 2020