Требования к аккумуляторам электромобилей
Аккумуляторы электромобилей должны соответствовать следующим требованиям: высокие удельные энергия и мощность, высокий КПД, большое число циклов «заряд-разряд», низкая стоимость, безопасность, надежность, незначительные затраты на техническое обслуживание, малое время заряда, восстанавливаемость материалов. Имеющиеся сегодня аккумуляторы не соответствуют большинству из этих требований. Необходима разработка аккумулятора, соответствующего если не всем, то наибольшему числу из перечисленных требований.
Характеристики аккумуляторов
В табл. 10.3 приведены характеристики основных типов аккумуляторов, применяемых на электромобилях.
Таблица 10.3
| Тип аккумулятора | Удельная мощность [Вт/кг] | Плотность энергии [Вт·час/дм³] | Удельная энергия [Вт·час/кг] | Число циклов заряд-разряд | Цена [$/кВт час] |
| Свинцово-кислотные | 35...300 | 50...90 | 15...45 | 300...600 | 70...400 |
| Железо-никелевые | 70...130 | 60...100 | 35...60 | 400... 1200 | 400...500 |
| Никель-кадмиевые | 100...200 | 60...100 | 30...60 | 1000...1500 | 500 |
| Никель-металлгидридные | 140...200 | I 100...210 | 55...80 | 1000 | 150...800 |
| Натриево-серные | 90...120 | 75...110 | 80...120 | 250...500 | 300 |
| Никель-хлоридные | 150 | 160 | 100 | 500 | ＞ 1000 |
| Литий-ионные | 100 | 100 | 150 | 300 | ＞ 1000 |
Удельная мощность. Измеряется в Вт/кг, показывает, какую мощность способен отдавать аккумулятор при заданном весе. Это показатель способности электромобиля ускоряться и преодолевать подъем.
Удельная энергия. Измеряется в Вт·час/кг. Это часто применяемая характеристика аккумуляторов. Определяется как энергозапас, т. е. энергия, выделяющаяся при разряде аккумулятора на внешнюю цепь, приходящаяся на единицу веса аккумулятора. Чем выше удельная энергия, тем больше пробег электромобиля до перезаряда при одинаковом весе аккумуляторов.
Плотность энергии. Измеряется в Вт час/дм³, показывает, сколько энергии запасается в аккумуляторе на единицу объема. Применение батарей с высокой плотностью энергии экономит место в электромобиле и уменьшает его вес.
Число циклов «заряд-разряд» (ресурс). Характеризует долговечность аккумулятора. Цикл определяется как один полный 100-процентный заряд и разряд до 80% емкости.
Стоимость аккумулятора на один кВт час запасаемой энергии.
(Источник находится на сайте LADAMAN.RU)
Типы аккумуляторов для тяговых аккумуляторных батарей
Сегодня на электромобилях чаше всего устанавливаются свинцово-кислотные аккумуляторы. Большие усилия затрачиваются проектировщиками и изготовителями на их усовершенствование. Удельные мощность (35...300 Вт/кг) и энергия (15...45 Вт·час/кг) свинцовых аккумуляторов относительно невелики.
Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) выпускаются широкой номенклатурой, емкостью от 0,08 A-час до 1000 A-час. Их достоинства: длительный срок эксплуатации, хорошие характеристики при низких температурах, высокая энергоемкость, прочная конструкция, высокая надежность. Недостатки: высокая стоимость и токсичность кадмия. При заряде Ni-Cd-аккумулятор выделяет водород и кислород, приходится предусматривать вентиляцию секций.
Железоникелевые аккумуляторы (Ni-Fe). Срок их эксплуатации гораздо больше, чем у свинцовых, они хорошо выдерживают механические нагрузки. Удельная энергия (35...60 Вт·час/кг) и мощность (70...130 Вт/кг) относительно невелики, стоимость высокая. Во время каждого заряда необходимо доливать волу, эти аккумуляторы выпускаются только обслуживаемыми. Выделение водорода при заряде делает проблематичным применение Ni-Fe-аккумуляторов на электромобилях. Конструкция Ni-Fe-аккумуляторов хорошо отработана, они производятся серийно в основном для железнодорожного транспорта.
Никель-металлгидридные аккумуляторы (Ni-MH). Перспективны для применения на электромобилях. Имеют хорошие удельные показатели и срок службы, но на сегодня дороги.
Натриево-серные аккумуляторы (Na-S). В качестве электрода используется расплавленный натрий при температуре 300°C. Удельные показатели высокие — 80...120 Вт час/кг и 90...120 Вт/кг. Достоинством Na-S-технологии является малый саморазряд аккумуляторов (несколько лет). Это важный показатель для электромобилей, от которых требуется обеспечение длительного состояния готовности транспортного средства.
Высокая рабочая температура, химически активные материалы вынуждают применять дорогостоящие защищенные конструкции Na-S-аккумуляторов. Необходимость применения нагревателей и возможность затвердевания натрия во. время простоя — важные недостатки Na-S-технологии.
Никель-хлоридные аккумуляторы. Имеют длительный срок эксплуатации, необслуживаемые. Сохраняют работоспособность при выходе из строя части ячеек, но дороги, требуют поддержания температурного режима. Находятся в стадии разработки.
Аккумуляторы на основе лития (литий-ионные, литий-полимерные и т.д.), перспективны для электромобилей, находятся в стадии обсуждения. Основная проблема — отвод тепла при заряде и разряде, а также трудоемкая технология производства.
Перспективные источники энергии для электромобилей
Литий-ионные сульфидные аккумуляторы работают при температурах 400...500°C. Обеспечивают высокую плотность тока, срок эксплуатации небольшой.
Литий-полимерные аккумуляторы имеют высокую удельную мощность и низкую стоимость. Напряжение на зажимах аккумулятора сильно зависит от степени разряда. Находятся в стадии разработки.
Жидкостные топливные элементы. Их применение вместо аккумуляторов считается перспективным. В топливных элементах химическая энергия топлива преобразуется в электрическую с помощью электрохимического процесса. Жидкий природный газ преобразуется в водород в топливном процессоре. Водород подается в топливные элементы, где и вырабатывается электричество. Химическая энергия топлива используется в топливных элементах со значительно большим КПД, чем в ДВС. Побочными продуктами работы топливных элементов являются вода, небольшие количества CO₂, CO и окислов азота.
Есть варианты, когда вместо газа в топливный процессор подается метанол или автомобиль в качестве топлива транспортирует жидкий водород.
Ведущие автомобилестроительные компании затрачивают большие средства на разработку энергетических установок для электромобилей на основе топливных элементов. Время от времени на выставках демонстрируются работоспособные концептуальные электромобили: DaimlerChrysler NECAR 5, Jeep Commander 2, GM HydroGen I, Ford Focus FCV, Wolkswagen Bora HyMotion ВАЗ-2131 ТЭ Лада — Антэл и т.д.
Сегодня энергетическая установка на основе топливных элементов обходится примерно в $500 за кВт, т. е. двигатель электромобиля обойдется примерно в $25000, обычный же бензиновый двигатель стоит около $3500.
Инерционные маховики используются как накопители механической энергии. Характеризуются высокой удельной мощностью и низкой удельной энергией.
Конденсаторы сверхбольшой емкости возможно найдут применение на электромобилях в качестве вспомогательных источников электроэнергии с возможностью быстрого заряда и разряда.
Крупнейшие производители автомобилей во всем мире тратят немало усилий на совершенствование аккумуляторов. В табл. 10.4 показано, какой прогресс в росте характеристик аккумуляторов ожидается в ближайшем и отдаленном будущем.
Таблица 10.4
| Параметр | Значение в ближайшее время | Значение в отдаленном будущем |
| Плотность мощности [Вт/дм³] | 250 | 600 |
| Удельная мощность [Вт/кг] | 150...200 | 400 |
| Плотность энергии [Вт·час/дм³] | 135 | 300 |
| Удельная энергия [Вт·час/кг] | 80...100 | 200 |
| Ресурс [циклы заряд-разряд] | 600 | |
| Стоимость [$/кВт час] | ＜ 150 | ＜ 100 |
| Рабочий диапазон температур [°C] | -30...+65 | -40...+85 |
| Время заряда [час] | ＜ 6 | 3...6 |
| Допустимая степень разряда в % от емкости | 75 | 75 |
| КПД [%] | 75 | 80 |