Akumulátorová baterie

18.1.2016 | autor Adam Podhrázský, Jan Kosina, František Pech

Za zády pilota se nachází na první pohled nenápadná černá krabice, která je palivovou nádrží celého monopostu. Je zde uložena veškerá energie pro jeho provoz. Dynamiku vozu ovlivňuje nejen dodáním dostatečného množství energie do výkonových měničů, odkud je distribuována do motorů, ale svými proporcemi též zásadně ovlivňuje zástavbový prostor a rozložení hmotnosti. Stejně jako většina ostatních komponent monopostu i tato podléhá pravidlům vypsaným pro soutěž Formula Student. Inovace baterie tak pro nás byla velkou výzvou.

Předchozí monoposty měly své akumulátory postaveny z lithium-polymerových (Li-Pol) prizmatických článků. Poslední dva monoposty FSE.02 a FSE.03 využívaly stejný battery pack s celkovou hmotnostní hustotou energie 103 Wh/kg, respektive objemovou hustotou energie 138 Wh/l. To při hmotnosti 85 kg odpovídá 8,8 kWh. Zásadní pro vývoj nové baterie pro FSE.04x bylo zvýšení hustoty energie při snížení celkové hmotnosti. Tato změna si vyžádala zcela nový přístup k návrhu.

V prvé řadě bylo třeba vybrat nové články, které samy o sobě budou v parametrech energetické hustoty lepší oproti předchozím. Po pečlivém průzkumu padla volba na sekundární články technologie NCA topologie Li-on v unifikovaném cylindrickém pouzdře 18650. Vybrané články disponují hustotou energie 211 Wh/Kg a proudovou zatížitelností 11 C. Jedná se o světovou špičku v oblasti hustoty výkonu ku hmotnosti, proto bylo rozhodnuto o jejich použití.

Abychom hustotu energie rapidně nesnižovali, bylo zapotřebí články poskládat co nejkompaktněji. K tomu jsme využili na trhu dostupné plastové držáky, které lze libovolně spojovat a vytvořit tak větší sestavu, do které se články zasadí. Tímto vzniklo šest stejných tzv. stacků, dělících si energii rovnoměrně mezi sebe pro dodržení pravidel. V každém stacku jsou články sérioparalelně propojeny tenkými niklovými plechy, které jsou s póly článků bodově svařeny technologií firmy Omnitron. Konce jsou navařeny na silnější měděné plechy, které představují kladný a záporný pól každého stacku. Vzhledem k pravidlům jsou obaleny kompozitním nehořlavým materiálem (sklolaminát FR4), čímž je dotvořena celistvost stacku. Tyto jsou pak sériově propojeny měděnými spojovacími plechy a zajištěny bezpečnostními maticemi a podložkami vytvořenými za pomoci Ústavu technologie obrábění, projektování a metrologie metodou 3D tisku.

Každý z těchto stacků je osazen jednotkou zvanou BMS (battery management system), která snímá napětí každé paralelní skupiny s přesností na desetinu milivoltu a teploty na stacích. Tato data přeposílá své řídící jednotce - ECU-A. Ta komunikuje s ostatními jednotkami vozu, zajišťuje napájení palubního systému monopostu, napájení ventilace akumulátoru a vyhodnocování bezpečnostních stavů s možností okamžitého odpojení trakčního napájení. Tyto jednotky, stejně jako ostatní, jsou vyvíjeny a vyráběny členy týmu.

Poslední fází bylo vytvoření pevné, tuhé, avšak lehké schránky, do které se jednotlivé stacky a veškerá kontrolní a řídící elektronika akumulátoru uloží. Proto byl pro tuto schránku vybrán uhlíkový kompozit, který se použil na laminaci sendvičových panelů slepených do požadovaných tvarů. Za pomoci pevnostní analýzy byla schránka navržena tak, aby vydržela předepsaná zatížení od stacků 40g v podélném a příčném směru a 20g ve svislém směru. Bez poškození tak vydrží případnou nehodu vozu.

Výsledkem této práce je akumulátorová baterie vážící 45 kg, což je o 48% méně oproti předchozí verzi. Kapacita byla vzhledem k hmotnosti vozu snížena na 7,4 kWh, což ve výsledku dává hmotnostní hustotu energie 164 Wh/kg a objemovou hustotu energie 183 Wh/l. V porovnání těchto parametrů s konkurenčními vozy se dá říci, že se jedná o velký úspěch, který nebude snadné pokořit.