Akumulatory do pojazdów hybrydowych i elektrycznych

W naszym poprzednim artykule omówiliśmy akumulator jako źródło energii elektrycznej, potrzebnej głównie do uruchomienia samochodu, ale także do stosunkowo krótkotrwałej pracy urządzeń elektrycznych. Jednak zupełnie inne wymagania stawiane są właściwościom akumulatorów stosowanych w zakresie napędu dużych urządzeń mobilnych, w naszym przypadku pojazdów hybrydowych i pojazdów elektrycznych. Do zasilania pojazdu potrzebna jest znacznie większa ilość zmagazynowanej energii, którą trzeba gdzieś magazynować. W klasycznym aucie z silnikiem spalinowym przechowywany jest w zbiorniku jako benzyna, olej napędowy lub LPG. W przypadku pojazdu elektrycznego lub pojazdu hybrydowego jest on magazynowany w akumulatorach, co można określić jako główny problem pojazdu elektrycznego.

Obecne baterie mogą przechowywać mało energii, są dość nieporęczne, ciężkie, a jednocześnie ich maksymalne naładowanie zajmuje kilka godzin (zwykle 8 lub więcej). Z kolei konwencjonalne pojazdy z silnikami spalinowymi pozwalają na magazynowanie dużej ilości energii w porównaniu z akumulatorami w małej obudowie, przy założeniu, że ładowanie zajmuje tylko minutę, może dwie. Niestety problem magazynowania energii elektrycznej towarzyszy pojazdom elektrycznym od ich powstania i pomimo niezaprzeczalnego postępu, jednostkowe zużycie energii potrzebnej do zasilania pojazdu jest nadal bardzo małe. W kolejnych wierszach oszczędzanie poczty Omówimy bardziej szczegółowo energię i spróbujemy przybliżyć realia aut z napędem czysto elektrycznym lub hybrydowym. Wokół tych „elektronicznych samochodów” narosło wiele mitów, więc nie zaszkodzi przyjrzeć się bliżej zaletom lub wadom takich napędów.

Niestety liczby podawane przez producentów również są bardzo wątpliwe i raczej teoretyczne. Na przykład Kia Venga zawiera silnik elektryczny o mocy 80 kW i momencie obrotowym 280 Nm. Zasilanie zapewniają akumulatory litowo-jonowe o pojemności 24 kWh, szacowany zasięg Kia Vengy EV według producenta to 180 km. Pojemność akumulatorów mówi nam, że w pełni naładowane mogą zapewnić zużycie silnika 24 kW lub zasilić zużycie 48 kW w pół godziny itp. Prosty przeliczenie i nie będziemy w stanie przejechać 180 km . Gdybyśmy chcieli myśleć o takim zasięgu, to musielibyśmy jechać średnio 60 km/h przez około 3 godziny, a moc silnika byłaby zaledwie jedną dziesiątą wartości nominalnej, czyli 8 kW. Innymi słowy, przy naprawdę ostrożnej (ostrożnej) jeździe, gdzie prawie na pewno użyjesz hamulca w pracy, taka jazda jest teoretycznie możliwa. Oczywiście nie bierzemy pod uwagę włączenia różnych akcesoriów elektrycznych. Każdy może sobie już wyobrazić, co za samozaparcie w porównaniu z klasycznym samochodem. Jednocześnie wlewasz do klasycznej Vengi 40 litrów oleju napędowego i przejeżdżasz setki kilometrów bez ograniczeń. Dlaczego tak jest? Spróbujmy porównać, ile tej energii i wagi może pomieścić w baku samochód klasyczny, a ile samochód elektryczny może pomieścić w akumulatorach – więcej czytaj TUTAJ.

Kilka faktów z chemii i fizyki

• kaloryczność benzyny: 42,7 MJ/kg,
• kaloryczność oleju napędowego: 41,9 MJ/kg,
• gęstość benzyny: 725 kg/m3,
• gęstość oleju: 840 kg/m3,
• Dżul (J) = [kg * m2 / s2],
• wat (W) = [J/s],
• 1 MJ = 0,2778 kWh.

Energia to zdolność do wykonania pracy, mierzona w dżulach (J), kilowatogodzinach (kWh). Praca (mechaniczna) objawia się zmianą energii podczas ruchu ciała, ma takie same jednostki jak energia. Moc wyraża ilość pracy wykonanej w jednostce czasu, podstawową jednostką jest wat (W).

Moc właściwa źródeł energii

Zasób energii	Wartość kaloryczna / kg gęstości	Wartość kaloryczna / l Energia / l	Energia / kg
benzyna	42,7 MJ/kg 725 kg/m3	30,96 MJ/l 8,60 kWh/l	11,86 kWh/kg
Olej	41,9 MJ/kg 840 kg/m3	35,20 MJ/l 9,78 kWh/l	11,64 kWh/kg
Akumulator litowo-jonowy (Audi R8 e-tron)	42 kWh 470 kg		0,0893 kWh/kg

Z powyższego jasno wynika, że ​​na przykład przy wartości opałowej 42,7 MJ/kg i gęstości 725 kg/m3 benzyna oferuje energię 8,60 kWh na litr lub 11,86 kWh na kilogram. Jeśli zbudujemy obecne baterie, które są teraz instalowane w pojazdach elektrycznych, na przykład litowo-jonowe, ich moc jest mniejsza niż 0,1 kWh na kilogram (dla uproszczenia rozważmy 0,1 kWh). Konwencjonalne paliwa zapewniają ponad sto razy większą moc przy tej samej masie. Zrozumiesz, że to ogromna różnica. Jeśli podzielimy to na małe, na przykład Chevrolet Cruze z akumulatorem 31 kWh przenosi energię, która może zmieścić się w mniej niż 2,6 kg benzyny lub, jeśli chcesz, około 3,5 litra benzyny.

Można powiedzieć, jak to możliwe, że samochód elektryczny w ogóle ruszy, a nie, że nadal będzie miał energię na ponad 100 km. Powód jest prosty. Silnik elektryczny jest znacznie wydajniejszy pod względem przetwarzania zmagazynowanej energii na energię mechaniczną. Zwykle powinien mieć sprawność 90%, podczas gdy sprawność silnika spalinowego wynosi około 30% dla silnika benzynowego i 35% dla silnika wysokoprężnego. Dlatego, aby zapewnić taką samą moc silnikowi elektrycznemu, wystarczy znacznie mniejsza ilość energii.

Łatwość obsługi poszczególnych dysków

Po ocenie uproszczonej kalkulacji przyjmuje się, że z litra benzyny możemy uzyskać około 2,58 kWh energii mechanicznej, z litra oleju napędowego 3,42 kWh, a z kilograma akumulatora litowo-jonowego 0,09 kWh. Tak więc różnica nie jest większa niż stukrotna, ale tylko około trzydziestokrotna. To najlepsza liczba, ale wciąż nie jest naprawdę różowa. Weźmy na przykład sportowe Audi R8. Jego w pełni naładowane akumulatory, ważące 470 kg, zapewniają energetyczny ekwiwalent 16,3 litra benzyny lub zaledwie 12,3 litra oleju napędowego. Lub gdybyśmy mieli Audi A4 3,0 TDI ze zbiornikiem oleju napędowego o pojemności 62 litrów i taki sam zasięg na samym akumulatorze, potrzebowalibyśmy około 2350 kg akumulatorów. Jak dotąd fakt ten nie daje samochodowi elektrycznemu bardzo świetlanej przyszłości. Nie ma jednak co rzucać w łeb, bo presję na rozwój takich „e-samochodów” zdejmie bezwzględne zielone lobby, więc czy producentom się to podoba, czy nie, muszą wyprodukować coś „zielonego” . „. Zdecydowanym zamiennikiem napędu czysto elektrycznego są tak zwane hybrydy, które łączą silnik spalinowy z silnikiem elektrycznym. Obecnie najbardziej znane to na przykład Toyota Prius (Auris HSD z tą samą technologią hybrydową) czy Honda Inside. Jednak ich czysto elektryczny zasięg jest nadal śmieszny. W pierwszym przypadku około 2 km (w najnowszej wersji Plug In zwiększa się „do” 20 km), a w drugim Honda nawet nie puka do czysto elektrycznego napędu. Dotychczasowa skuteczność w praktyce nie jest tak cudowna, jak sugeruje masowa reklama. Rzeczywistość pokazała, że ​​mogą je pokolorować dowolnym niebieskim ruchem (ekonomicznym) głównie przy użyciu konwencjonalnej technologii. Zaletą napędu hybrydowego jest przede wszystkim oszczędność paliwa podczas jazdy po mieście. Audi niedawno stwierdziło, że obecnie wystarczy zmniejszyć masę nadwozia, aby uzyskać średnio taką samą oszczędność paliwa, jaką osiągają niektóre marki, instalując system hybrydowy w samochodzie. Nowe modele niektórych aut również udowadniają, że nie jest to krzyk w ciemność. Na przykład wprowadzony niedawno Volkswagen Golf siódmej generacji wykorzystuje do nauki lżejsze komponenty iw praktyce zużywa mniej paliwa niż wcześniej. Podobny kierunek obrała japońska firma Mazda. Pomimo tych twierdzeń, rozwój napędu hybrydowego „dalekiego zasięgu” trwa. Jako przykład wymienię Opla Amperę i paradoksalnie model z Audi A1 e-tron.

Łatwość obsługi poszczególnych dysków

Zasób energii	Sprawność silnika	Energia efektywna / l	Efektywna energia / kg
benzyna	0,30	2,58 kWh/l	3,56 kWh/kg
Olej	0,35	3,42 kWh/l	4,07 kWh/kg
Baterie litowo-jonowe	0,90	-	około. 0,1 kWh/kg

Opel Ampera

Choć często przedstawiany jako samochód elektryczny, Opel Ampera jest w rzeczywistości samochodem hybrydowym. Oprócz silnika elektrycznego Ampere wykorzystuje również 1,4-litrowy silnik spalinowy o mocy 63 kW. Jednak ten silnik benzynowy nie napędza bezpośrednio kół, ale działa jako generator na wypadek wyczerpania się akumulatorów. energia. Część elektryczną reprezentuje silnik elektryczny o mocy 111 kW (150 KM) i momencie obrotowym 370 Nm. Zasilacz zasilany jest przez 220 ogniw litowych w kształcie litery T. Mają łączną moc 16 kWh i ważą 180 kg. Ten samochód elektryczny może przejechać 40-80 km na czysto elektrycznym napędzie. Odległość ta często wystarcza na cały dzień jazdy po mieście i znacznie obniża koszty eksploatacji, gdyż jazda po mieście wymaga znacznej ilości paliwa w przypadku silników spalinowych. Akumulatory można również ładować ze standardowego gniazdka, aw połączeniu z silnikiem spalinowym zasięg Ampery zwiększa się do bardzo przyzwoitych pięciuset kilometrów.

Audi e elektron A1

Audi, które preferuje klasyczny napęd z bardziej zaawansowaną technologią niż bardzo wymagający technicznie napęd hybrydowy, ponad dwa lata temu wprowadziło ciekawy samochód hybrydowy A1 e-tron. Akumulatory litowo-jonowe o pojemności 12 kWh i wadze 150 kg są ładowane przez silnik Wankla w ramach generatora wykorzystującego energię w postaci benzyny zmagazynowanej w 254-litrowym zbiorniku. Silnik ma objętość 15 metrów sześciennych. cm i generuje 45 kW / h el. energia. Silnik elektryczny ma moc 75 kW i może w krótkim czasie wytworzyć do 0 kW mocy. Przyspieszenie od 100 do 10 wynosi około 130 sekund, a prędkość maksymalna około 50 km / h. Samochód może przejechać około 12 km po mieście na czysto elektrycznym napędzie. Po wyczerpaniu e. energia jest dyskretnie aktywowana przez obrotowy silnik spalinowy i ładuje energię elektryczną. energię do akumulatorów. Całkowity zasięg przy w pełni naładowanych akumulatorach i 250 litrach benzyny to około 1,9 km przy średnim zużyciu 100 litrów na 1450 km. Masa eksploatacyjna pojazdu wynosi 12 kg. Rzućmy okiem na prostą konwersję, aby zobaczyć w bezpośrednim porównaniu, ile energii kryje się w 30-litrowym zbiorniku. Zakładając sprawność współczesnego silnika Wankla na poziomie 70%, to jego 9 kg wraz z 12 kg (31 l) benzyny odpowiada 79 kWh energii zmagazynowanej w akumulatorach. Czyli 387,5 kg silnika i baku = 1 kg akumulatorów (w przeliczeniu na wagę Audi A9 e-Tron). Gdybyśmy chcieli zwiększyć zbiornik paliwa o 62 litry, już mielibyśmy do dyspozycji XNUMX kWh energii do zasilenia samochodu. Mogliśmy więc kontynuować. Ale musi mieć jeden haczyk. To już nie będzie „zielony” samochód. Więc nawet tutaj widać wyraźnie, że napęd elektryczny jest znacznie ograniczony przez gęstość mocy energii zmagazynowanej w akumulatorach.

W szczególności wyższa cena, a także duża masa spowodowały, że napęd hybrydowy w Audi stopniowo schodził na dalszy plan. Nie oznacza to jednak, że rozwój samochodów hybrydowych i pojazdów elektrycznych w Audi całkowicie stracił na wartości. Niedawno pojawiły się informacje o nowej wersji modelu A1 e-tron. W porównaniu z poprzednim, rotacyjny silnik/generator został zastąpiony trzycylindrowym, turbodoładowanym silnikiem o pojemności 1,5 litra i mocy 94 kW. Zastosowanie klasycznej jednostki spalinowej zostało wymuszone przez Audi głównie ze względu na trudności związane z tą przekładnią, a nowy trzycylindrowy silnik ma nie tylko ładować akumulatory, ale także współpracować bezpośrednio z kołami napędowymi. Akumulatory Sanyo mają identyczną moc 12 kWh, a zasięg jazdy czysto elektrycznej został nieznacznie zwiększony do około 80 km. Audi twierdzi, że zmodernizowane A1 e-tron powinno mieć średnio jeden litr na sto kilometrów. Niestety ten wydatek ma jedną wadę. Do pojazdów hybrydowych o zwiększonym zasięgu w trybie czysto elektrycznym. drive wykorzystuje interesującą technikę obliczania końcowego natężenia przepływu. Tak zwana konsumpcja jest ignorowana. tankowanie od sieć ładowania akumulatorów, a także końcowe zużycie l/100 km uwzględnia tylko zużycie benzyny na ostatnie 20 km jazdy, gdy jest prąd. ładowanie baterii. Za pomocą bardzo prostego obliczenia możemy to obliczyć, jeśli akumulatory były odpowiednio rozładowane. jechaliśmy po wyłączeniu prądu. energii z akumulatorów czysto benzynowych, w rezultacie zużycie wzrośnie pięciokrotnie, czyli 5 litrów benzyny na 100 km.

Audi A1 e-tron II. Pokolenie

Problemy z magazynowaniem energii elektrycznej

Zagadnienie magazynowania energii jest tak stare, jak sama elektrotechnika. Pierwszymi źródłami elektryczności były ogniwa galwaniczne. Po krótkim czasie odkryto możliwość odwracalnego procesu gromadzenia się energii elektrycznej w galwanicznych ogniwach wtórnych - bateriach. Pierwszymi używanymi bateriami były baterie ołowiowe, po krótkim czasie niklowo-żelazowe i nieco później niklowo-kadmowe, a ich praktyczne użytkowanie trwało ponad sto lat. Należy również dodać, że pomimo intensywnych światowych badań w tej dziedzinie, ich podstawowa konstrukcja niewiele się zmieniła. Wykorzystując nowe technologie wytwarzania, poprawiając właściwości materiałów bazowych oraz stosując nowe materiały na separatory ogniw i naczyń, udało się nieznacznie obniżyć ciężar właściwy, zmniejszyć samorozładowanie ogniw oraz zwiększyć komfort i bezpieczeństwo operatora, ale to jest o tym. Najpoważniejsza wada, tj. Utrzymał się bardzo niekorzystny stosunek ilości zmagazynowanej energii do masy i objętości akumulatorów. Dlatego akumulatory te były używane głównie w zastosowaniach statycznych (zasilacze rezerwowe na wypadek awarii głównego zasilania itp.). Baterie były wykorzystywane jako źródło energii dla systemów trakcyjnych, zwłaszcza na kolei (wózki transportowe), gdzie duży ciężar i znaczne gabaryty również nie przeszkadzały zbytnio.

Postęp w magazynowaniu energii

Jednak istnieje zwiększona potrzeba opracowania ogniw o niskiej pojemności i wymiarach amperogodzinnych. W ten sposób powstały alkaliczne ogniwa pierwotne i uszczelnione wersje akumulatorów niklowo-kadmowych (NiCd), a później akumulatorów niklowo-wodorkowych (NiMH). Do enkapsulacji ogniw wybrano takie same kształty i rozmiary tulei, jak w przypadku dotychczas konwencjonalnych pierwotnych ogniw chlorku cynku. W szczególności osiągane parametry akumulatorów niklowo-wodorkowych umożliwiają zastosowanie ich m.in. w telefonach komórkowych, laptopach, napędach narzędzi ręcznych itp. Technologia wytwarzania tych ogniw różni się od stosowanej dla ogniw o dużej pojemności w amperogodzinach. Płytkowy układ układu elektrod dużych ogniw zostaje zastąpiony technologią przekształcania układu elektrod, w tym separatorów, w cewkę cylindryczną, która jest wkładana i styka się z konwencjonalnie ukształtowanymi ogniwami o rozmiarach AAA, AA, C i D, odpowiednio. wielokrotności ich rozmiarów. Do niektórych zastosowań specjalnych produkowane są specjalne ogniwa płaskie.

Zaletą ogniw hermetycznych z elektrodami spiralnymi jest kilkukrotnie większa zdolność ładowania i rozładowywania dużymi prądami oraz stosunek względnej gęstości energii do masy i objętości ogniwa w porównaniu do klasycznej konstrukcji z dużymi ogniwami. Wadą jest większe samorozładowanie i mniej cykli pracy. Maksymalna pojemność pojedynczego ogniwa NiMH to około 10 Ah. Jednak podobnie jak w przypadku innych cylindrów o większej średnicy, nie pozwalają one na ładowanie zbyt wysokimi prądami ze względu na problematyczne odprowadzanie ciepła, co znacznie ogranicza zastosowanie w pojazdach elektrycznych, dlatego źródło to jest wykorzystywane wyłącznie jako akumulator pomocniczy w systemie hybrydowym (Toyota Prius 1,3 kWh).

Znaczącym postępem w dziedzinie magazynowania energii było opracowanie bezpiecznych baterii litowych. Lit jest pierwiastkiem o dużej wartości potencjału elektrochemicznego, ale jest też niezwykle reaktywny w sensie oksydacyjnym, co również stwarza problemy przy stosowaniu litu metalicznego w praktyce. W kontakcie litu z tlenem atmosferycznym następuje spalanie, które w zależności od właściwości środowiska może mieć charakter wybuchu. Tę nieprzyjemną właściwość można wyeliminować albo poprzez staranne zabezpieczenie powierzchni, albo stosując mniej aktywne związki litu. Obecnie najpopularniejsze akumulatory litowo-jonowe i litowo-polimerowe o pojemności od 2 do 4 Ah w amperogodzinach. Ich zastosowanie jest podobne do NiMh, a przy średnim napięciu rozładowania 3,2 V dostępne jest od 6 do 13 Wh energii. W porównaniu z akumulatorami niklowo-wodorkowymi, akumulatory litowe mogą przechowywać od dwóch do czterech razy więcej energii w tej samej objętości. Akumulatory litowo-jonowe (polimerowe) zawierają elektrolit w postaci żelu lub ciała stałego i mogą być wytwarzane w płaskich ogniwach o grubości zaledwie kilku dziesiątych milimetra w praktycznie dowolnym kształcie, dostosowanym do potrzeb danego zastosowania.

Napęd elektryczny w samochodzie osobowym może być wykonany jako główny i jedyny (samochód elektryczny) lub kombinowany, gdzie napęd elektryczny może być zarówno dominującym, jak i pomocniczym źródłem trakcji (napęd hybrydowy). W zależności od zastosowanego wariantu zapotrzebowanie na energię do eksploatacji pojazdu, a tym samym pojemność akumulatorów, jest różne. W pojazdach elektrycznych pojemność baterii wynosi od 25 do 50 kWh, a przy napędzie hybrydowym jest naturalnie niższa i wynosi od 1 do 10 kWh. Z podanych wartości widać, że przy napięciu jednego (litowego) ogniwa 3,6 V konieczne jest połączenie ogniw szeregowo. W celu zmniejszenia strat w przewodach rozdzielczych, falownikach i uzwojeniach silnika zaleca się dobieranie do napędów napięcia wyższego niż zwykle w sieci pokładowej (12 V) - powszechnie stosowane wartości to od 250 do 500 V. Od obecnie ogniwa litowe są oczywiście najbardziej odpowiednim typem. Trzeba przyznać, że są one nadal bardzo drogie, zwłaszcza w porównaniu z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi. Są one jednak dużo trudniejsze.

Napięcie znamionowe konwencjonalnych ogniw baterii litowych wynosi 3,6 V. Wartość ta różni się odpowiednio od konwencjonalnych ogniw niklowo-wodorkowych. NiCd, które mają napięcie nominalne 1,2 V (lub ołów - 2 V), co w praktyce nie pozwala na zamienność obu typów. Ładowanie tych akumulatorów litowych charakteryzuje się koniecznością bardzo dokładnego utrzymywania wartości maksymalnego napięcia ładowania, co wymaga specjalnego typu ładowarki, a w szczególności nie pozwala na stosowanie układów ładowania przeznaczonych do innych typów ogniw.

Kluczowe cechy baterii litowych

Za główne cechy akumulatorów do pojazdów elektrycznych i hybrydowych można uznać ich charakterystykę ładowania i rozładowania.

Charakterystyka ładowania 

Proces ładowania wymaga regulacji prądu ładowania, kontroli napięcia ogniw oraz aktualnej temperatury nie można pominąć. W przypadku obecnie używanych ogniw litowych, które wykorzystują tlenek LiCoO2 jako elektrodę katodową, maksymalny limit napięcia ładowania wynosi od 4,20 do 4,22 V na ogniwo. Przekroczenie tej wartości prowadzi do uszkodzenia właściwości ogniwa i odwrotnie, nieosiągnięcie tej wartości oznacza niewykorzystanie nominalnej pojemności ogniwa. Do ładowania używana jest zwykła charakterystyka IU, to znaczy w pierwszej fazie jest ładowany stałym prądem, aż do osiągnięcia napięcia 4,20 V/ogniwo. Wartość prądu ładowania jest ograniczona do maksymalnej dopuszczalnej wartości określonej odpowiednio przez producenta ogniw. opcje ładowarki. Czas ładowania na pierwszym etapie waha się od kilkudziesięciu minut do kilku godzin, w zależności od wielkości prądu ładowania. Napięcie ogniwa stopniowo wzrasta do max. wartość 4,2 V. Jak już wspomniano, napięcia tego nie wolno przekraczać ze względu na ryzyko uszkodzenia elementu. W pierwszej fazie ładowania w ogniwach magazynowane jest od 70 do 80% energii, w drugiej reszta. W drugiej fazie napięcie ładowania jest utrzymywane na maksymalnej dopuszczalnej wartości, a prąd ładowania jest stopniowo zmniejszany. Ładowanie jest zakończone, gdy prąd spadnie do około 2-3% znamionowego prądu rozładowania ogniwa. Ponieważ maksymalna wartość prądów ładowania w przypadku mniejszych ogniw jest również kilkukrotnie większa niż prąd rozładowania, możliwe jest zaoszczędzenie znacznej części energii elektrycznej w pierwszej fazie ładowania. energię w stosunkowo bardzo krótkim czasie (około ½ i 1 godziny). Dzięki temu w sytuacji awaryjnej możliwe jest naładowanie akumulatorów pojazdu elektrycznego do wystarczającej pojemności w stosunkowo krótkim czasie. Nawet w przypadku ogniw litowych zmagazynowana energia elektryczna zmniejsza się po pewnym okresie przechowywania. Dzieje się to jednak dopiero po około 3 miesiącach bezczynności.

Charakterystyka rozładowania

Napięcie najpierw gwałtownie spada do 3,6–3,0 V (w zależności od wielkości prądu wyładowania) i pozostaje prawie stałe przez cały czas wyładowania. Po dostarczeniu e. energia bardzo szybko obniża również napięcie ogniwa. Dlatego rozładowanie musi zostać zakończone nie później niż po osiągnięciu napięcia rozładowania określonego przez producenta, które wynosi od 2,7 do 3,0 V.

W przeciwnym razie struktura produktu może zostać uszkodzona. Zarządzanie procesem rozładunku jest stosunkowo proste. Jest ograniczony tylko wielkością prądu i zatrzymuje się po osiągnięciu wartości końcowego napięcia rozładowania. Jedynym problemem jest to, że właściwości poszczególnych komórek w układzie sekwencyjnym nigdy nie są takie same. Dlatego należy uważać, aby napięcie żadnego ogniwa nie spadło poniżej wartości końcowego napięcia rozładowania, gdyż może to spowodować jego uszkodzenie, a tym samym niesprawność całego akumulatora. To samo należy wziąć pod uwagę podczas ładowania akumulatora.

Wspomniany typ ogniw litowych z innym materiałem katody, w którym tlenek kobaltu, niklu lub manganu zastąpiono fosforkiem Li3V2 (PO4) 3, eliminuje wspomniane ryzyko uszkodzenia ogniw z powodu niesprawności.Ogniwa o większej pojemności. Podana jest również ich deklarowana żywotność około 2 cykli ładowania (przy 000% rozładowaniu), a zwłaszcza fakt, że gdy ogniwo jest całkowicie rozładowane, nie ulegnie uszkodzeniu. Zaletą jest również wyższe napięcie nominalne około 80 V przy ładowaniu do 4,2 V.

Z powyższego opisu można jednoznacznie stwierdzić, że obecnie baterie litowe są jedyną alternatywą magazynowania energii do jazdy samochodem w stosunku do energii zmagazynowanej w paliwach kopalnych w zbiorniku paliwa. Każde zwiększenie pojemności właściwej baterii zwiększy konkurencyjność tego przyjaznego dla środowiska napędu. Możemy mieć tylko nadzieję, że rozwój nie zwolni, a wręcz przeciwnie, posunie się o kilka mil naprzód.

Przykłady pojazdów wykorzystujących akumulatory hybrydowe i elektryczne

Toyota Prius to klasyczna hybryda z krótką rezerwą mocy na czystym mailu. prowadzić

W Toyocie Prius zastosowano akumulatory NiMH o pojemności 1,3 kWh, które służą jako główne źródło energii podczas przyspieszania samochodu i pozwalają na korzystanie z oddzielnego napędu elektrycznego na dystansie około 2 km z prędkością max. prędkość 50 km/h Wersja Plug-In wykorzystuje już akumulatory litowo-jonowe o pojemności 5,4 kWh, które pozwalają na jazdę wyłącznie na napędzie elektrycznym na dystansie 14-20 km z maksymalną prędkością. prędkość 100 km/godz.

Opel Ampera-hybryda ze zwiększoną rezerwą mocy na czystym e-mailu. prowadzić

Samochód elektryczny o zwiększonym zasięgu (40-80 km), jak Opel nazywa czteromiejscowego, pięciodrzwiowego Ampera, napędzany jest silnikiem elektrycznym o mocy 111 kW (150 KM) i momencie obrotowym 370 Nm. Zasilacz zasilany jest przez 220 ogniw litowych w kształcie litery T. Mają łączną moc 16 kWh i ważą 180 kg. Generatorem jest silnik benzynowy o pojemności 1,4 litra i mocy 63 kW.

Mitsubishi i MiEV, Citroen C-Zero, Peugeot iOn-clean el. автомобили

Akumulatory litowo-jonowe o pojemności 16 kWh pozwalają przejechać pojazdem do 150 km bez ładowania, mierzonego według normy NEDC (New European Driving Cycle). Akumulatory wysokonapięciowe (330 V) znajdują się wewnątrz podłogi i są dodatkowo chronione przez ramę kołyski przed uszkodzeniem w przypadku uderzenia. Jest to produkt Lithium Energy Japan, spółki joint venture dwóch oddziałów Mitsubishi i GS Yuasa Corporation. Łącznie 88 artykułów. Zasilanie elektryczne napędu zapewnia akumulator litowo-jonowy 330 V składający się z 88 ogniw o pojemności 50 Ah i łącznej pojemności 16 kWh. Akumulator zostanie naładowany z domowego gniazdka w ciągu sześciu godzin, za pomocą zewnętrznej szybkiej ładowarki (125A, 400V) akumulator zostanie naładowany do 80% w pół godziny.

Sam jestem wielkim fanem pojazdów elektrycznych i na bieżąco śledzę to, co dzieje się w tej dziedzinie, ale rzeczywistość na ten moment nie jest tak optymistyczna. Potwierdzają to również powyższe informacje, z których wynika, że ​​życie zarówno pojazdów czysto elektrycznych, jak i hybrydowych nie jest łatwe, a często tylko gra liczbowa takie udaje. Ich produkcja jest wciąż bardzo wymagająca i kosztowna, a ich skuteczność wielokrotnie dyskusyjna. Główną wadą pojazdów elektrycznych (hybryd) jest bardzo mała pojemność właściwa energii zmagazynowanej w akumulatorach w porównaniu z energią zmagazynowaną w paliwach konwencjonalnych (oleju napędowym, benzynie, gazie płynnym, sprężonym gazie ziemnym). Aby naprawdę zbliżyć moc pojazdów elektrycznych do konwencjonalnych samochodów, akumulatory musiałyby zmniejszyć swoją wagę co najmniej o jedną dziesiątą. Oznacza to, że wspomniane Audi R8 e-tron musiało zmagazynować 42 kWh nie w 470 kg, a w 47 kg. Ponadto czas ładowania musiałby zostać znacznie skrócony. Około godziny przy 70-80% pojemności to wciąż dużo i nie mówię o średnio 6-8 godzinach na pełnym naładowaniu. Nie trzeba też wierzyć w bzdury o zerowej produkcji pojazdów elektrycznych CO2. Od razu zauważmy fakt, że Energia w naszych gniazdkach jest również wytwarzana przez elektrownie cieplne, które nie tylko wytwarzają wystarczającą ilość CO2. Nie wspominając już o bardziej złożonej produkcji takiego auta, gdzie zapotrzebowanie na CO2 do produkcji jest dużo większe niż w klasycznym. Nie wolno nam zapominać o ilości elementów zawierających ciężkie i toksyczne materiały oraz problematycznej ich późniejszej utylizacji.

Przy wszystkich wymienionych i niewymienionych minusach, samochód elektryczny (hybrydowy) ma również niezaprzeczalne zalety. W ruchu miejskim lub na krótszych dystansach ich bardziej ekonomiczna praca jest niezaprzeczalna, tylko ze względu na zasadę magazynowania (odzysku) energii podczas hamowania, gdy w konwencjonalnych pojazdach jest ona usuwana podczas hamowania w postaci ciepła odpadowego do powietrza, a nie do wspomnieć o możliwości kilkukilometrowej jazdy po mieście w celu taniego doładowania z publicznej poczty. internet. Jeśli porównamy samochód czysto elektryczny i samochód klasyczny, to w samochodzie konwencjonalnym występuje silnik spalinowy, który sam w sobie jest dość złożonym elementem mechanicznym. Jego moc musi być w jakiś sposób przenoszona na koła, a odbywa się to najczęściej za pomocą manualnej lub automatycznej skrzyni biegów. Na drodze wciąż stoi jeden lub więcej mechanizmów różnicowych, czasami także wał napędowy i szereg półosi. Oczywiście samochód również musi zwolnić, silnik musi się ochłodzić, a ta energia cieplna jest bezużytecznie tracona do otoczenia w postaci ciepła resztkowego. Samochód elektryczny jest znacznie wydajniejszy i prostszy - (nie dotyczy napędu hybrydowego, który jest bardzo skomplikowany). Samochód elektryczny nie zawiera skrzyń biegów, skrzyń biegów, kardanów i półosi, zapomnij o silniku z przodu, z tyłu lub w środku. Nie zawiera chłodnicy, czyli płynu chłodzącego i rozrusznika. Zaletą samochodu elektrycznego jest to, że może on montować silniki bezpośrednio w kołach. I nagle masz doskonały ATV, który może kontrolować każde koło niezależnie od pozostałych. Dlatego w pojeździe elektrycznym sterowanie tylko jednym kołem nie będzie trudne, a także możliwe jest wybranie i sterowanie optymalnym rozkładem mocy do pokonywania zakrętów. Każdy z silników może być również hamulcem, całkowicie niezależnym od pozostałych kół, który przynajmniej część energii kinetycznej przekształca z powrotem w energię elektryczną. W rezultacie konwencjonalne hamulce będą poddawane znacznie mniejszym obciążeniom. Silniki mogą wytwarzać maksymalną dostępną moc niemal w dowolnym momencie i bez opóźnień. Ich sprawność w przetwarzaniu energii zmagazynowanej w akumulatorach na energię kinetyczną wynosi około 90%, czyli około trzy razy więcej niż w przypadku konwencjonalnych silników. W związku z tym nie wytwarzają tak dużo ciepła resztkowego i nie muszą być trudne do schłodzenia. Wystarczy do tego dobry sprzęt, jednostka sterująca i dobry programator.

Suma sumarum. Jeśli EV czy Hybrydy jeszcze bardziej zbliżają się do klasycznych samochodów z ekonomicznymi silnikami, to wciąż mają przed sobą bardzo trudną i trudną drogę. Mam tylko nadzieję, że nie zostanie to potwierdzone przez liczbę wprowadzających w błąd liczb lub. przesadna presja ze strony urzędników. Ale nie rozpaczajmy. Rozwój nanotechnologii naprawdę posuwa się wielkimi krokami i być może w niedalekiej przyszłości naprawdę czekają nas cuda.

Na koniec dodam jeszcze jedną ciekawostkę. Jest już słoneczne „tankowanie”.

Toyota Industries Corp (TIC) opracowała słoneczną stację ładowania dla pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Stacja jest również podłączona do sieci energetycznej, więc panele fotowoltaiczne o mocy 1,9 kW są raczej dodatkowym źródłem energii. Wykorzystując niezależne (słoneczne) źródło energii, stacja ładująca może zapewnić maksymalną moc 110 VAC / 1,5 kW, po podłączeniu do sieci oferuje maksymalnie 220 VAC / 3,2 kW.

Niewykorzystana energia elektryczna z paneli słonecznych jest przechowywana w bateriach, które mogą przechowywać 8,4 kWh do późniejszego wykorzystania. Możliwe jest również dostarczanie energii elektrycznej do sieci dystrybucyjnej lub osprzętu stacji zasilającej. Stanowiska ładowania wykorzystywane na stacji mają wbudowaną technologię komunikacyjną zdolną odpowiednio do identyfikacji pojazdów. ich właściciele za pomocą kart inteligentnych.

Ważne warunki dotyczące baterii

• moc - wskazuje ilość ładunku elektrycznego (ilość energii) zgromadzoną w akumulatorze. Podawana jest w amperogodzinach (Ah) lub w przypadku małych urządzeń w miliamperogodzinach (mAh). Akumulator 1 Ah (= 1000 mAh) teoretycznie jest w stanie dostarczyć 1 amper przez godzinę.
• Opór wewnętrzny - wskazuje zdolność akumulatora do dostarczania mniejszego lub większego prądu rozładowania. Dla ilustracji można zastosować dwa kanistry, jeden z mniejszym wylotem (wysoka rezystancja wewnętrzna), a drugi z większym (niska rezystancja wewnętrzna). Jeśli zdecydujemy się je opróżniać, kanister z mniejszym otworem odpływowym będzie opróżniał się wolniej.
• Znamionowe napięcie akumulatora - dla akumulatorów niklowo-kadmowych i niklowo-wodorkowych wynosi 1,2 V, ołowiowych 2 V, a litowych od 3,6 do 4,2 V. Podczas pracy napięcie to waha się w granicach 0,8 - 1,5 V dla akumulatorów niklowo-kadmowych i niklowo-wodorkowych, 1,7 - 2,3 V dla ołowiu i 3-4,2 i 3,5-4,9 dla litu.
• Prąd ładowania, prąd rozładowania – wyrażona w amperach (A) lub miliamperach (mA). Jest to ważna informacja dla praktycznego wykorzystania omawianej baterii do konkretnego urządzenia. Określa również warunki prawidłowego ładowania i rozładowywania akumulatora, tak aby jego pojemność była maksymalnie wykorzystana i jednocześnie nie zniszczona.
• Ładowanie wzgl. krzywa rozładowania - graficznie przedstawia zmianę napięcia w zależności od czasu ładowania lub rozładowywania akumulatora. Gdy bateria jest rozładowywana, zwykle przez około 90% czasu rozładowania następuje niewielka zmiana napięcia. Dlatego bardzo trudno jest określić aktualny stan akumulatora na podstawie zmierzonego napięcia.
• Samorozładowanie, samorozładowanie – Akumulator nie może przez cały czas utrzymywać prądu. energię, ponieważ reakcja na elektrodach jest procesem odwracalnym. Naładowany akumulator stopniowo sam się rozładowuje. Ten proces może trwać od kilku tygodni do miesięcy. W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest to 5-20% miesięcznie, dla akumulatorów niklowo-kadmowych - około 1% ładunku elektrycznego na dobę, w przypadku akumulatorów niklowo-wodorkowych - około 15-20% na miesiąca, a lit traci około 60%. pojemność na trzy miesiące. Samorozładowanie zależy od temperatury otoczenia i rezystancji wewnętrznej (akumulatory o wyższej rezystancji wewnętrznej rozładowują się mniej) i oczywiście ważna jest również konstrukcja, użyte materiały i wykonanie.
•  Bateria (zestawy) – Tylko w wyjątkowych przypadkach baterie są używane pojedynczo. Zwykle są one połączone w zestaw, prawie zawsze połączone szeregowo. Maksymalny prąd takiego zestawu jest równy maksymalnemu prądowi pojedynczego ogniwa, napięcie znamionowe jest sumą napięć znamionowych poszczególnych ogniw.
•  Akumulacja baterii.  Nowy lub nieużywany akumulator należy poddać jednemu, ale najlepiej kilku (3-5) powolnym cyklom pełnego naładowania i powolnego rozładowania. Ten powolny proces ustawia parametry baterii na pożądanym poziomie.
•  Efekt pamięci – Dzieje się tak, gdy akumulator jest ładowany i rozładowywany do tego samego poziomu przy mniej więcej stałym, niezbyt dużym prądzie i nie powinno dojść do pełnego naładowania lub głębokiego rozładowania ogniwa. Ten efekt uboczny dotyczył NiCd (minimalnie także NiMH).