CC BY
35
УДК 629.341
ВИЗНАЧЕННЯ НАЙБШЬШ ЕФЕКТИВНИХ ТЯГОВИХ ДЖЕРЕЛ СТРУМУ ДЛЯ ЕЛЕКТРОМОБ1Л1В
Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Проведено анал1з сучасних накопичувач1в енергп. Визначено, що для м1ського громадського електротранспорту як тягову акумуляторну батарею ефективнше використо-вувати ультраконденсатори, а для малолитражного м1ського електромобтя - лШШ4онт акумулятори.
Ключов1 слова: тягова акумуляторна батарея, джерело струму, електромобть.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЯГОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Проведен анализ современных накопителей энергии. Определено, что для городского общественного электротранспорта в качестве тяговой аккумуляторной батареи эффективнее использовать ультраконденсаторы, а для малолитражного городского электромобиля - литий-ионные аккумуляторы.
Ключевые слова: тяговая аккумуляторная батарея, источник тока, электромобиль.
DETERMINATION OF THE MOST EFFECTIVE TRACTION SOURCES OF CURRENT FOR THE ELECTRIC VEHICLES
Shch. Arhun, PhD., Assoc. Prof., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The analysis of the modern energy storage devices is carried out. It is established that when choosing a traction battery for an electric vehicle, it is necessary to determine the priority of characteristics by which the choice will be made, the operating conditions and what kind of consumer it is intended for. It has been determined that for urban public electric transport, the ultra capacitors should be used as the traction batteries, and for a small city electric vehicle the lithium-ion batteries are preferred.
Key words: traction battery, current source, electric vehicle.
Вступ
Сьогодення вимагае вщ автовиробниюв пе-реходити на виробництво автомобшв на електричнш тяз^ Але важливою умовою цьо-го переходу е збереження ушх техшчних характеристик, що мають автомобш з двигу-нами внутршнього згоряння (ДВЗ).
Одшею з таких характеристик е вщстань, яку може подолати авто без тдзаряджання.
Тобто коли мова йде про електромобш е важливою емнють джерела електрично! енергп - акумуляторно! батаре! (АКБ).
Аналiз публжацш
Питання вибору АКБ для електричних i пб-ридних автомобшв як було актуальним ра-шше, так залишаеться й дос [1-3]. Це пов'язано з поширенням електротранспорту у всьому свт й постшною динамшою у роз-витку накопичувачiв енерги.
У найближчому майбутньому електромобш, включаючи пбридш авто й iншi «чисп» тра-нспортш засоби, домiнуватимуть на свгтово-му авторинку [4-6].
На початку 1990-х роюв Мшютерство енерге-тики США сформувало Розширений Консор-цiум (USABC) для прискорення розробки су-часних батарей для електромобшв. US ABC передбачае галузеве партнерство мiж DOE, трьома автомобiльними виробниками (Daimler-Chrysler, Ford i General Motors) i До-слiдним iнститутом електроенергетики [3].
Метою такого партнерства була розробка i виробництво АКБ, призначених для того, щоб електромобiлi могли конкурувати з авто зi стандартними двигунами в щш й дальносп пробiгу. Слiд зазначити, що розробки USABC були спрямоваш на свинцево-кислотнi (Pb-acid), нiкель-метал-гiдриднi (NiMH), лтй-юнш (Li-ion) i лтево-полiмернi (lithium-polymer) батаре!. Було здiйснено таке розподшення: DaimlerChrysler, Ford i General Motors випускатимуть автомобiлi, в яких мають використовуватися Pb-acid батаре!; Honda i Toyota - NiMH, а Nissan - Li-ion акумулятори [3].
Вже сьогодш можна вiдмiтити, що середньо-строковi цiлi USABC, за винятком конкретно! енергп й вщпускно! цiни, були досягнутi першим поколшням Ovonic Battery Company NiMH, який був встановлений на EV-1 [7].
Мета i постановка завдання
Метою роботи е визначення найбшьш ефек-тивних акумуляторних батарей для викорис-тання в якосп тягових джерел струму для електромобшв.
Для досягнення поставлено! мети необхщно: провести огляд юнуючих акумуляторних батарей; зробити порiвняльний аналiз техшч-них i експлуатацiйних характеристик АКБ.
Вимоги до тяговот акумуляторнот батарет
Як вщомо, вартiсть АКБ становить близько 40 % вщ загально! вартостi електромобшя [8]. Тому правильний вибiр АКБ i визначення оптимальних характеристик експлуатацп дозволить найдовше зберегти джерело енергп, не попршивши техшчних характеристик автомобiля.
При виборi тягово! АКБ для електромобiля е важливими таю характеристики:
- висока щшьнють енерги, яка може бути досягнута за одне заряджання - для забезпе-чення велико! дальносп пробку;
- висока щiльнiсть енергп, що дозволяе до-сягти стабiльно! потужносп з глибокими характеристиками розряду - для прискорення i збшьшення потужностi електромобiля;
- тривалий термш служби без обслугову-вання i складних захисних систем, вбудова-них в акумулятор;
- можливють використання як вторинну батарею (еколопчшсть).
Але, окрiм цього, важливими характеристиками АКБ е масо-габаритш розмiри, робоча температура та щна.
Свинцево-кислотний акумулятор - Pb-acid
Pb-acid винайдений у 1859 р. французьким фiзиком Гастоном Планте. Основними сферами застосування е: акумуляторш батаре! стартерiв у транспортних засобах, аваршш джерела електроенерги, резервш джерела енергп [8].
Pb-acid бувають такими, що обслуговуються i не обслуговуються. Ti, що обслуговуються, вимагають у процесi експлуатацп догляду, тобто необхщно контролювати рiвень i щшьшсть електролггу. Ti Pb-acid, що не обслуго-вуються, е герметичними, працюють у будь-якому положенш й не вимагають догляду [9].
Основш типи Pb-acid:
- стартерш - вимагають обслуговування i вентиляцп. Мають високий саморозряд;
- герметизоваш (AGM) - не обслуговуються, не вимагають вентильованого примь щення для установки (рис. 1). Працюють у буферному режиму тобто в режимi заряджання. У такому режимi служать до 10-15 роюв. Якщо ж !х використати в циклiчному режимi (тобто постiйно заряджати-розряд-жати хоч би на 30 % вщ емносп), то !х термш служби iстотно скорочуеться. AGM батаре! використовуються у безперебшних системах та пристроях;
- гелiевi батаре! (GEL) - краще витримують циклiчнi режими заряджання-розряджання, краще витримують морози. Зниження емнос-т за зниження температури акумуляторiв е меншим, нiж у шших типiв Pb-acid. 1х засто-совують у системах автономного електропо-
стачання, коли батаре! працюють у циктч-них режимах (заряджаються i розряджаються щодня) i немае можливосп пiдтримувати температуру акумуляторiв в оптимальних межах. Гелiевi батаре! е дорожчими за AGM та стартерш [9];
- тяговi - призначеш для циклiчних режимiв. Бшьше пiдходять для автономних систем енергопостачання. Вони е значно дорожчими за стартерш й гелiевi, зазвичай мають рiдкий електролiт, вимагають обслуговування i вен-тильованого примiщення для експлуатаци;
- «сонячш» - спецiально розроблеш для «важких» циклiчних режимiв. Ц Pb-acid спроектованi для використання в системах автономного електропостачання. «Сонячш» батаре! поки не дуже поширеш, коштують вони набагато дорожче. Вони мають знижене газовидiлення. Допускають багато циклiв заряджання-розряджання (до 60 % вщ номь нально! емностi без ушкодження i значного скорочення термiну служби).
Рис. 1. Свинцево-кислотний акумулятор (AGM)
Час заряджання РЬ-а^ становить вiд 1216 год до 36-48 год для великих стащонар-них батарей. За бшьш високих струмiв заряджання i методах багатоступiнчастого заря-джання час заряджання може бути зменше-ний до 8-10 год, але не до повного заряджання. Свинцева кислота е «в'ялою» i аку-
мулятор не може заряджатися так само шви-дко, як iншi акумуляторш системи [10].
Pb-acid слщ заряджати у три етапи [10-12]:
- заряджання постшним струмом - постав-ляе велику частину енерги й займае приблиз-но половину необхщного часу заряджання;
- дозаряджання - тривае при нижчому за-рядi й забезпечуе насичення;
- плаваючий заряд - компенсуе втрати, ви-кликанi саморозряджанням.
Pb-acid застосовуються для запуску автомо-бiлiв, освiтлення i запалювання; у великих резервних джерелах живлення для телефон-них i комп'ютерних центрiв, зберiгання енер-ri! в мережах i позамережевих побутових електричних системах; для аваршного освгг-лення i в силових насосах у разi збою живлення; як тяговi батар! у вiзках для гольфу та iнших електричних автомобшях (фiрми). Ве-ликi Pb-acid використовуються для живлення електродвигунiв на дизель-електричних тд-водних човнах тд час занурення у воду, а також як аварiйна потужнiсть на атомних тдводних човнах. Pb-acid використовуються в резервних джерелах живлення для сигналь заци й невеликих комп'ютерних систем (зок-рема для джерел безперебшного живлення) i електричних скутерiв, електричних швалщ-них вiзкiв, електрифшованих велосипедiв тощо. Тож, огляд основних титв Pb-acid показав, що AGM i GEL акумулятори зда-ються найбiльш прийнятними для використання в електромобш як тяговi джерела енерги.
Порiвняння основних характеристик AGM i GEL Pb-acid подано у табл. 1 [9].
Таблиця 1 Пор1вняння основних характеристик AGM i GEL акумулятор1в
Показник AGM GEL
Ресурс, цикл1в близько 300 600-900
Заряд перевищення напруги тд час заряджання може призвести до китння i здуття батаре! вимоглив1 до точносп заряду - перевищення може призвести до спучення батаре!
Саморозряд штенсившший, шж у GEL невеликий
Перегр1в не такий критичний, як у GEL, але теж небезпечний може викликати вибух батаре!
Глибокий розряд бажана експлуатащя за глибини роз-ряду не бшьше 30 % добре витримують глибокий розряд
Пусковий i мак-симальний струм пусков1 струми бшьш1, нiж у GEL не здатш дати велик! струми, особливо стартов! (е високий внутршнш отр)
Чутлив1сть до короткого замикання менш чутлив1, нiж GEL дуже чутлив1
Експлуатащя у будь-якому положенш, окр1м «догори дном»
Як показав бшьш детальний аналiз, AGM i GEL акумулятори мають загальш недолiки: мала кiлькiсть циктв заряджання-розряд-жання, е чутливими до перевищення напруги i до перегрiву. Це заважае !х поширеному використанню як тягових джерел струму для електромобiлiв.
Нiкель-кадмieвий акумулятор - NiCd
NiCd акумулятор, якмй подано на рис. 2, до-сягае оптимально! продуктивност тсля де-кiлькох циклiв заряджання-розряджання, що е частиною нормально! експлуатацп. Пш енерговiддачi припадае на дiапазон мiж 100 i 300 циклами, тсля чого продуктивтсть аку-мулятора починае поступово падати. Бшь-шiсть елеменпв, що перезаряджаються, включають захисний клапан, який випускае надмiрний тиск при неправильному заря-джаннi. Скидання тиску через вентиль, що закриваеться, не викликае шяких ушкоджень, проте тд час вентиляцп може видiлятися деяка частина електролгту [11].
Виявлення повного заряджання герметичних NiCd е складтшим, нiж Pb-acid та Li-ion. Недороп заряднi пристро! часто використо-вують вимiрювання температури, щоб перер-вати процес швидкого заряджання, що е не-точним способом. Виробники зарядних при-стро!в використовують 50 C як температуру такого вимкнення [11]. Будь-яка тривала температура вище 45 °C несприятливо позна-чаеться на термш служби акумулятора.
ji* ' ■
Рис. 2. Нiкель-кадмiевий акумулятор
Метод базуеться на визначенш напруги, за-безпечуе бшьш точне виявлення повного заряду АКБ, шж методи, що грунтуються на температурних показниках. Для отримання необхщно! напруги струм заряду мае бути 0,5C i вище. За швидкостi заряду 1С ефекти-внiсть заряджання звичайного NiCd стано-вить близько 90 %, а час заряджання - близь-ко 1 год.
Ефективтсть на повшьному зарядному пристро! падае до 71 %. За швидкосп заряду 0,1C час заряджання становить близько 14 год. Впродовж перших 70 % заряду ККД NiCd е близькою до 100 % (батарея поглинае майже усю енерпю i залишаеться не нагрь тою). Також можливе ультрашвидке заряджання АКБ до 70 % впродовж декшькох хви-лин, проте повне заряджання в цьому випадку мае здшснюватися пониженим струмом.
Нжель-метал-гщридний акумулятор - NiMH
Пiд час експлуатацп NiMH акумулятора алгоритм заряду схожий з методом заряду NiCd. NiMH подано на рис. 3.
Рис. 3. Ншель-метал-пдридний акумулятор
Деяю сучаснi заряднi системи застосовують первинний заряд при струмi 1С. Досягши певного порогу за напругою, вщбуваеться витримка часу протягом декiлькох хвилин за вщсутносп заряду, що дозволяе батаре! зна-ходитися в оптимальному температурному дiапазонi. Далi заряджання вже тривае за ни-жчого значення струму при перюдичному повторенш цих циклiв до повного заряджання. Цей метод вщомий як «крок диференща-льного заряджання». Вш добре працюе для усiх АКБ на основi нiкелю. Заряднi пристро!, що використовують покроковий диференщал або iншi агресивнi методи заряджання, до-зволяють скоротити загальний час заряджан-ня батаре!, проте надмiрний заряд разом з високими струмами неодмшно мае негатив-ний ефект, що полягае у скороченш термiну служби батаре!. Замють досягнення очшува-них 1000 циктв обслуговування, швидкiснi способи заряджання можуть вичерпати ресурс батаре! вже пiсля 400 циктв [8, 11].
Лiтiй-iоннi акумулятори - Li-ion
Лiтiевi джерела струму подшяються на декь лька типiв вщповщно до використаних мате-
рiалiв у !х виробнищи й технологш, що реалiзовуються [13, 14]. Лтй-юнш акумуля-тори подано на рис. 4.
Рис. 4. Лтй-юнш акумулятори
Технологи Li-ion акумуляторiв, катодне ви-конання яких базуеться на застосуванш кобальту, нiкелю, марганцю або алюмiнiю, як правило, в^^зняе номiнальне значення на-пруги акумулятора 3,7 В. Проте вщносно пи-томих характеристик, термiну служби i ро-бочо! температури рiзнi технологи показують себе по-рiзному.
Розглянемо детальшше найбiльш поширенi типи Li-ion акумуляторiв.
Лiтiй-кобальтовий - LiCoO2
LiCoO2 - традицшш лiтiй-iоннi акумулятори, що широко застосовуються для живлення цифрових фотокамер, вщеокамер, у батареях для ноутбуюв, лiхтарiв та на транспортi [13].
Як катод використовуеться графгг, як анод -оксид лтю з кобальтом. Як i усi види лте-вих акумуляторiв, мають дуже малу вагу. Здатш вiддавати струм до 2С, але рекомен-дований тривалий струм розряду не повинен перевищувати 1С. Зберiгати рекомендуеться за температури близько 5 °С зарядженими до 40 %. Схильш до старшня iз втратою емностi навiть коли не використовуються. Середнiй термiн збертання i використання становить 5 роюв [13].
За низьких негативних температур (нижче -20 °С) незворотно втрачають емнiсть. Стано-влять небезпеку займання або вибуху пiд час перезаряджання або пере^вання, тому зав-жди забезпечуються облаштуванням захисту. Глибокий розряд призводить до повно! не-працездатностi акумулятора.
Лiтiй-марганцевий - LiMnO2
В анодi LiMnO2 використовуеться марганець, а юни лiтiю розташованi щшьшше один до
одного. За рахунок цих особливостей щ акумулятори безпечшш^ стiйкiшi до швидкого заряду великими струмами i здатнi вщдавати струми до 5С. Використовуються в облад-наннi, що споживае великий струм: потужш лiхтарi, керованi радюмоделг
За рахунок низького внутрiшнього опору ме-нше нагрiваються при використанш, безпеч-нiшi. Зазвичай не оснащуються вбудованою захисною електронiкою. При перезаряджанш елемент LiMnO2 мае здатнiсть протшати або вiн просто псуеться, без додаткових небажа-них (вибух, загорання) ефекпв е обов'язко-вою наявнють захисно! електронiки в зарядному пристро!. Термiн служби та iншi характеристики LiMnO2 АКБ схожi з LiCoO2.
Перевагами такого акумулятора е: здатнють переносити великi струми заряду/розряду, безпека, великий термш служби (бшьше 500 циклiв), е зручними для збирання батарей з декшькох елементiв.
Недолiками е: вiдносно низька емнють, ще бiльша чутливiсть до низьких температур (охолоджувати нижче -10 °С не рекомендуеться). LiMnO2 використовуеться для елект-роiнструментiв, медичних шструмеипв, а також в пбридних i електричних транспортних засобах.
Лiтiй-залiзофосфатний - LiFePO4
LiFePO4 акумулятори почали масово вироб-лятися лише пiсля 2003 р. За сво!ми власти-востями дуже схожi на LiMnO2, мають схожi сфери застосування. Вiдмiнностi полягають у пониженiй емностi, здатностi працювати тд ще бiльшими навантаженнями (струм до 10С), у нижчш вартосп комплектуючих. Так само полiпшено безпеку i збiльшено термiн служби. Ц елементи створенi таким чином, що навпъ за критичних навантажень не вщ-буваеться утворення кисню, отже не зростае тиск усерединi елемента. Термш служби мо-же перевищувати 3000 циктв.
LiFePO4 акумулятори е настшьки безпечни-ми, що можуть переносити навггь потрап-ляння у воду, як це показано на рис. 5. Аку-мулятор живить свгшодюд, будучи повнiстю зануреним у воду [13, 14]. Робоча напруга -вщ 2,0 до 3,3 В. Перезаряджання нижче 2 В е згубним, невелике перезаряджання - допус-тиме. Майже не чутливi до негативних температур.
Рис. 5. Лiтiй-залiзофосфатний акумулятор в емносп з водою
Перевагами таких акумуляторiв е: стшюсть до низьких температур, безпека, довгий тер-мш служби, непримхливють, здатнiсть пере-носити велик струми заряду/розряду.
Недолiками е: мала емнють.
Лiтiй-полiмерний - Li-pol
Li-pol вже майже повнiстю витiснили лтй-iоннi зi стiльникових телефонiв, знайшли широке застосування в радiокерованих моделях i деяких сучасних електромобшях [15]. Як електролiт використовуеться полiмерний матерiал. Зазвичай Li-ion акумулятори мають цилiндричну форму, Li-pol дають шженерам велику свободу вибору (рис. 6). Мшмальна товщина досягае 1 мм. Можна виготовляти мшатюрш моделi рiзно! форми. Зазвичай побутовi акумулятори призначеш для при-стро!в з низьким енергоспоживанням, але iснують промисловi моделi й моделi, здатнi вiддавати струм до 45С. Iншi характеристики схожi з характеристиками звичайних LiCoO2 моделей. Термш служби - 300-500 циктв, е чутливими до низьких температур, стардать, вибухонебезпечнi за перевантажень, часто мають вбудовану електрошку захисту.
Рис. 6. Лiтiй-полiмерний акумулятор
Перевагами лiтiй-полiмерних акумуляторiв е: моделi рiзних форм i розмiрiв, у тому чи^ гнучкi моделi; деякi модифiкацi! здатш вщ-давати дуже великий струм; мала вага, вели-
ка щшьнють запасено1 енерги, в1дсутн1сть «ефекту пам'ятЬ>, низький саморозряд.
Недолшами е: втрата емносп за низьких температур, вибухонебезпека при перезаря-джанш/перевищенш допустимого наванта-ження, схильш до старшня.
Лiтiй-титанатний - LT
LT (рис. 7) використовуе нанокристали лтй-титанату на поверхш свого аноду замють ву-глецю. Це дае аноду площу поверхш близько 100 м2/г, в пор1внянш з 3 м2/г для вуглецю, що забезпечуе швидке перезаряджання { висок! струми - за необхщносп [5]. LT мають щшьнють енерги до 177 Вт/л [16].
Недолгом LT е те, що вони мають нижчу внутршню напругу (2,4 В), що призводить до нижчо1 питомо! енерги (близько 30110 Вт/кг) [16], шж звичайш технологи лтй-юнних батарей (як мають власну напругу 3,7 В) [14].
Рис. 7. Лтй-титанатний акумулятор
Переваги LT е значними, { вони включають ряд економ1чних { еколопчних аспекпв, як е важливими для майбутнього, обумовленого поновлюваними джерелами зелено! енерги. Технолопя лтю титанату !деально тдхо-дить для мобшьного зберпання енерги. LT мае життевий цикл до 20 000 циктв, у пор1в-нянш з 2 000 циктв у стандартних лтевих батарей. Кр1м того, LT мае найвище сшввщ-ношення енерги й ваги, яке е зараз доступ-ним, створюючи можливосп застосування для пристро!в, яким потр1бна батарея з низь-кою вагою, наприклад, легю автомобш, еле-ктромобш й автонавантажувач1.
Ультраконденсатор (юшстор)
Ультраконденсатор (УК), що також назива-еться суперконденсатором та юшстором, е електричним компонентом, що може утри-
мувати в сотш разiв бшьше електричного заряду, нгж стандартний конденсатор (рис. 8). Ця характеристика робить УК корисними в пристроях, яю вимагають вщносно невеликого струму i низько! напруги. У деяких ситуа-цiях УК може замшити низьковольтну елект-рохiмiчну АКБ.
УК здатш працювати за температур, значно нижчих за нуль.
Звичайний конденсатор мютить двi електро-провiднi поверхш, роздiленi iзолюючим шаром, що називаеться дiелектриком [3, 17]. Його емнють збiльшуеться у мiру збшьшення площi поверхнi провiдникiв. Також емнють зростае за зменшення вiдстанi мiж поверхня-ми i за збшьшення дiелектрично! проникнос-тi промiжного iзолятора. Проте iснуе практична межа вщносно емносп, що наявна у цш конструкцi!. УК принципово в^^зняеться своею внутрiшньою структурою. Замiсть двох електродiв, роздiлених iзолюючим шаром, УК використовуе пористе середовище, яке створюе ефект пари пластин з велетенсь-кою площею поверхнi, роздшених тiльки де-кiлькома нанометрами. У результат ультраконденсатор мае набагато бшьшу емнiсть, нiж будь-який звичайний високоомний компонент (такий як електролгшчний або танта-ловий конденсатор).
Основним недолшом УК, у порiвняннi зi ста-рими конструкцiями конденсаторiв, е те, що УК не витримуе високо! напруги. Тодi як електролiтичний конденсатор може бути розрахований на декшька сотень вольт пос-тiйного струму, УК мають максимальш но-мшальш значення всього близько 5 В пос-тiйного струму. Щоб використати УК за бшьш високо! напруги, декшька компонента мають бути з'еднаш послщовно - !х номiна-ли напруги складаються так само, як напруга батаре! додаеться при послiдовному з'еднан-ш. Проте коли декiлька конденсаторiв будь-якого типу з'еднанi послiдовно, потрiбнi спецiальнi запобiжнi заходи для вирiвнюван-ня напруги по окремих компонентах.
До переваг УК вiдносяться: висока швид-кiсть заряду-розряду, стiйкiсть до сотень ти-сяч циклiв перезаряджання, порiвняно з аку-муляторами, мала вага, порiвняно з електро-
лггичними конденсаторами, низький рiвень токсичностi, допустимють розряду до нуля.
Використання УК: використовуються в умо-вах, що вимагають багато швидких циклiв зарядки/розрядки, а не в довгостроковому компактному збертанш енерги: в автомобi-лях, автобусах, потягах, кранах i лiфтах, для рекуперативного гальмування, короткочас-ного накопичення енерги або подання жив-лення в iмпульсних режимах. Також вони використовуються як резервна котя пам'яп для статично! пам'яп з довшьним доступом (SRAM).
Рис. 8. Ультраконденсатори
Слщ вiдмiтити, що УК роздшяються на [17]:
- двошаровi конденсатори для резервного копiювання пам'яп (ДУК);
- УК для силових застосувань (СУК);
- псевдо- i пбридш конденсатори (лiтiй-iоннi конденсатори) (ГУК).
Порiвняння АКБ рiзних типiв
Перед проведенням порiвняльного аналiзу необхiдно звернути увагу на свггових вироб-ниюв електрокарiв з точки зору використан-ня ними акумуляторних батарей (табл. 1).
З табл. 1 видно, що передовi позици займають Li-ion та NiMH акумулятори [4]. Але чомусь зовшм не використовують ультраконденса-торiв i лiтiй-титанатних акумуляторiв.
Щоб зрозумгги цю тенденцiю, треба подиви-тися на характеристики АКБ, подаш в табл. 2.
Проведений аналiз накопичувачiв енергi!' дозволив звести основш технiчнi характеристики, на яю необхiдно орiентуватися при вибо-рi накопичувача енерги, у табл. 2.
Таблиця 1 БатареУ, що використовуються в електромобiлях обраних автовиробник1в
BnpOÖHHK КраУна Модель авто Тип АКБ
GM США Chevy-Volt; Chevy-Bolt Li-ion
Saturn Vue Hybrid NiMH
Ford США Escape, Fusion, MKZ HEV, Focus Electric NiMH Li-ion
Escape PHEV Li-ion
Honda Япошя Civic, Insight NiMH
Hyundai Швденна Корея Sonata, IONIQ Electric Li-ion (Li-pol)
Chrysler США Chrysler 200C EV Li-ion
BMW Шмеччина X6 NiMH
Mini E (2012) i3; i8 Li-ion
BYD Китай E6 Li-ion
Daimler Benz Шмеччина ML450, S400 NiMH
Smart EV (2010) Mercedes B-Class Electric Drive Li-ion
Mitsubishi Японiя iMiEV (2010) Li-ion
Nissan Японiя Altima NiMH
Leaf EV (2010), e-NV200 Li-ion
Tesla США Roadster (2009), Model S (2012), Model Х (2015) Li-ion
Think Норвегiя Think EV Li-ion, Sodium/Metal Chloride
Toyota Япошя Prius, Lexus NiMH
KIA Швденна Корея Soul EV Li-ion (Li-pol)
Volkswagen Шмеччина e-Golf Li-ion
Renault Францiя Zoe, Kangoo, Fluence ZE, Twizy Li-ion
Citroen Франщя Berlingo Electric (Electrique) Li-ion
Для визначення найбшьш прийнятного типу накопичувача енерги в якостi тягового дже-рела енергi! були обранi таю характеристики:
- компактнють - порiвняльна характеристика, що визначае ваго-габаритш властивостi;
- швидкий процес заряджання - можливють батаре! заряджатися максимальними для не! струмами;
- простота утилiзацi! - складнощi техноло-гiчного процесу, пов'язаш з утилiзацiею або неможливютю вiдновлення корисних хiмiч-них елеменпв;
- ефект пам'ятi - оборотна втрата емносп, що мае мюце в деяких типах електричних акумуляторiв при порушеннi рекомендовано-го режиму заряду, зокрема при заряджанш акумулятора, що не повнютю розрядився;
- допустиме перезаряджання - кшькюне свщчення, що визначае допустиме значення при заряджанш акумулятора понад 100 %;
- глибина розряду (DOD) - реальна кшь-кють (вiд заявлено!) енерги, яку АКБ може вщдати без збшьшення температури.
Проведений анатз зарядних характеристик з кiлькiсним i якiсним порiвнянням показникiв накопичувачiв енерги рiзних видiв показав, що в якосп тягових джерел енергi! бшьше усього пiдходять: Li-pol акумулятори, ЦГ акумулятори i УК.
Усi вони мають:
- висок показники питомих характеристик;
- висок значення допустимих зарядних i розрядних струмiв;
- можливють швидкого заряджання;
- вщсутшсть необхщносп обслуговування; максимальний термiн служби; низью показ-ники саморозряджання;
- вiдсутнiсть «ефекту пам'ятЬ>.
Таблиця 2 Порiвняння характеристик АКБ та УК рiзних тишв
Параметр/тип АБ РЬ-а^ NiCd №МН Лтй-юнт акумулятори УК
LiCoO2 LiMnO2 LiFePO4 Li-pol LT ДУК СУК ГУК
Номшальна напруга, В 2 1,2 1,2 3,6 3,8 3,3 3,6 2,4 1,23,3 2,23,3 2,23,8
Питома енергоемшсть, Вттод/кг 20-40 40-60 30-80 150190 100135 90-120 30110 1,5-3,9 4-9 10-15
Питома потужшсть, Вт/кг 100300 150 2501000 800-3000 800900 30007000 2-10310103 310310103 3-10314103
Середнш час заря-джання, годин бшьше 10 8 6 2-4 <1 2 0,10,17 секунди-хвилини
Кшьюстъ циктв розря-ду/заряду (термш служби) 500800 2000 800 5001000 5001000 10003000 300500 20000 105106 105106 2404105
Середнш саморозряд за м1сяць, % 4 10 30 менше шж 10 5 %
Середня вартасть за кВттод, $ 50-120 400800 250 400-670 10002000 100
Компактшсть - + + + + + + + + + +
Швидкий процес за-ряджання - + + + + + + + + + +
Простота утктзацп - - + + + + + + + + +
Термш збершання бшьше 3 роюв + + - + + + + + + + +
Ефект пам'ят - + + - - - - - - - -
Допустимий перезаряд висо-кий серед-нш низький низький
Глибина розряду (DOD) 50 % 5080 % 5085 % 80 % 85 % 100 %
Обслуговування передбачене не передбачене
Отже, кожен ¿з трьох вище зазначених титв накопичувач!в енергп мае сво! особлив! недолги { переваги, а тому виб1р конкретного типу в подальшому буде залежати вщ умов експлуатацп та шших фактор1в.
Тож перед вибором накопичувача енергп в якост тягового джерела струму необхщно вщповюти на таю питання:
- для якого споживача, з фшансово! точки зору, розробляеться електромобшь, бо у вар-тост! зазначених АКБ е велим розб1жносп, а вартють джерела струму становить майже половину вартост всього авто;
- для яких цшей буде використовуватися електрокар - по!здки на невелик! вщсташ у м!ському режим! експлуатацп чи м!жм!ськ!;
- для особистих потреб чи для загального використання;
- для роботи в яких кшматичних умовах (максимальш й мшмальш температури);
- використання для особистих потреб чи для комерц!йних перевезень (окупн!сть) тощо.
Тшьки п!сля отримання в!дпов!дей на щ питання можна буде чггко визначити, який тип накопичувача енергп необхщно використо-вувати.
Наприклад для мюького громадського транспорту (електробушв, тролейбушв з автоном-ним ходом) як тяговий накопичувач енергп краще всього використовувати УК, бо вони здатш без особливо! шкоди для себе миттево сприймати дуже велик! струми, що робить !х незам!нними, наприклад, при р!зкому уповь льненн! транспортного засобу. До того ж УК можуть дуже швидко заряджатися (напри-клад, пщ час посадки/висадки пасажир!в) ! мають найб!льший терм!н служби (кшьюсть заряд!в/розряд!в при правильн!й експлуатацп може досягати мшьйона). Але треба вщмгги-
ти i те, що для безперебшно! й надшно! ро-боти такого виду транспорту необхщно на-лаштувати iнфраструктуру - встановити на зупинках зарядш станцп, що потребуе додат-кових матерiальних вкладень.
Якщо мова йде про розробку малолитражного електромобiля для городянина, то задля зде-шевлення як АКБ бшьше пiдходять лтй-iоннi акумулятори. Серед них особливо видь ляеться сво!ми перевагами лiтiй-титанатний акумулятор. До цих переваг належать: час заряджання - 10-15 хв; кшькють циктв роз-ряду/заряду досягае 20000, що в 10 разiв бiльше, нiж у звичайних АКБ; вш безпечний в експлуатацп; добре переносить низькi тем-ператури. Але на сьогоднi LT акумулятор мае серйозний «недолш» - це його вартють, що бiльша в 2-2,5 рази за вартють шших Li-ion акумуляторiв.
Слiд вiдмiтити, з кожним роком цша АКБ неупинно зменшуеться. Передбачаеться, що !х майбутне здешевлення може вiдбуватися навiть швидше, нiж це прогнозуеться сьогод-ш [7], а це вiдкривае новi можливостi для розвитку i популяризацп електромобiлiв у свiтi.
Варто вщмгтити, що пiсля вибору типу АКБ необхщно провести аналiз чинникiв, яю впливають на ii ресурс, щоб в подальшому мати змогу обрати оптимальний режим екс-плуатацii джерела струму.
Вщомо, що одним з таких чинниюв е само-розряд, бо ус основнi накопичувачi енергii схильш до саморозряду. Цьому сприяють i витрати енергii на системи захисту АКБ вщ перезаряджання. Окрiм цього, на процеси саморозряджання впливають таю мехашзми: розкладання електролгту на електродц спон-танне потрапляння лiтiю в об'ем позитивного електроду; розчинення матерiалу електроду [13].
Крiм того, на ресурс АКБ впливають:
- процеси деградацп в Li-ion;
- глибина розряду;
- зарядш-розрядш струми;
- температура тощо.
У подальших роботах плануеться проведення детального аналiзу вшх вище зазначених чинникiв, з метою винайдення способiв зме-ншення !х впливу на життевий цикл АКБ.
Висновки
Проведено огляд i аналiз сучасних накопичу-вачiв енергii, який показав, що при виборi тягово! АКБ для електромобiля треба визна-чити прiоритетнiсть характеристик, за якими буде здшснюватися вибiр.
Вибiр АКБ залежить вщ майбутнiх умов експлуатацп електромобшя i його кшцево! вар-тостi.
Для мiського громадського транспорту (еле-ктробусiв, тролейбусiв з автономним ходом) як тяговий накопичувач енерги краще всього використовувати УК.
Для малолитражного мiського електромобiля у якостi тягово! АКБ бшьше пщходять лтй-юнш акумулятори. Серед них особливо видь ляеться сво!ми перевагами лiтiй-титанатний акумулятор.
На ресурс АКБ впливае цший ряд чинниюв: глибина розряду, температура акумулятора, зарядно-розряднi струми.
У подальших дослщженнях необхiдно провести бшьш глибокий аналiз чинникiв, що впливають на зменшення ресурсу АКБ.
Лггература
1. Флоренцев С.Н. Экономичный экологичный городской гибридный автобус / С.Н. Флоренцев // Электронные компоненты. - 2008. - №. 12. - С. 24-39.
2. Dhameja S. Electric vehicle battery systems / Dhameja S. - Newnes, 2001. - 230 с.
3. Khaligh A. Battery, ultracapacitor, fuel cell, and hybrid energy storage systems for electric, hybrid electric, fUel cell, and plugin hybrid electric vehicles: State of the art / A. Khaligh, Z. Li // IEEE transactions on Vehicular Technology. - 2010. - Т. 59. -№. 6. - С. 2806-2814.
4. Young K. Electric vehicle battery technologies / K. Young // Electric Vehicle Integration into Modern Power Networks. -Springer New York, 2013. - С. 15-56.
5. Howell D. Annual progress report for energy storage R&D, Vehicle Technologies Program, Energy Efficiency and Renewable Energy / D. Howell // US Department of Energy, Washington, DC. - 2010.
6. Boulanger A. G. Vehicle electrification: Status and issues / A. G. Boulanger // Pro-
ceedings of the IEEE. - 2011. - Т. 99. -№. 6. - С. 1116-1138.
7. Гнатов А.В. Ретроспектива основних ета-шв розвитку електромобшв. Частина 2 / А.В. Гнатов, Щ.В. Аргун // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2016. - Вып. 78.
- С. 116-124.
8. Оспанбеков Б.К. Оптимизация ресурсо-определяющих эксплуатационных режимов тяговых аккумуляторных батарей электромобилей: дисс. ... канд. техн. наук: 05.09.03 / Оспанбеков Бауржан Кенесович. - М., 2017. - 170 с.
9. Аккумуляторы гелевые, мультигелевые и AGM - в чем разница? / Матерiали сайта. - 2015. - Режим доступу: https: //lantorg. com/ article/akkumulyatory-gelevye-multigelevye-i-agm-v-chem-raznitsa.
10. BU-403: Charging Lead Acid. / Матерiали сайту - 2017. - Режим доступу: http:// batteryuniversity.com/learn/ article/ charg-ing_ the_lead_acid_battery.
11. Дослщження методiв заряду акумулято-рних батарей. / Матерiали сайта. - 2017.
- Режим доступу: http://ukrbukva.net/ page,9,88865-Issledovanie-metodov-zaryada-akkumulyatornyh-batareiy.html.
12. Graham-Rowe Duncan Charge a battery in just six minutes. / Матерiали сайта. -2017. - Режим доступу: https: //www. newscientist.com/article/dn7081 -charge-a-battery-in-just-six-minutes/.
13. Каневский Л.С. Деградация литий-ионного аккумулятора и методы борьбы с ней / Л.С. Каневский, В.С. Дубасова // Электрохимия. - 2005. - Т. 41, №1.
- С. 3-19.
14. Toshiba Developing 3.0 Ah High Power SCiB Li-Ion Cell for HEV Applications. / Матерiали сайта. - 2008. - Режим доступу: http://www.greencarcongress.com/ 2008/05/toshiba-develop.html.
15. Типы аккумуляторов мобильных телефонов и их технические характеристики. / Матерiали сайта. - 2017. - Режим доступу: https://www.wescom.kharkov.ua/ articles/6-tipy-akkumulyatorov-mobilnyx-telefonov-i-ix-texnicheskie-xarakteristiki.
16. All About Batteries, Part 12: Lithium Ti-tanate (LTO). / Матерiали сайта. - 2015. -Режим доступу: https: // www. eetimes. com /author. asp?doc_id=1325358.
17. Burke, Andrew. Ultracapacitors: Why, How, and Where is the Technology. Institute of Transportation Studies. UC Davis:
Institute of Transportation Studies (UCD) / MaTepianu caHTa. - 2000. - Pe^HM gocryny: http://escholarship.org/uc/ item/ 9n905017.
References
1. Florentsev C. N. Ekonomichnyi ekologich-nyi gorodskoi gibridnyi avtobus [Economical environmentally friendly urban hybrid bus]. Elektronnye komponenty, 2008, no. 12, pp. 24-39.
2. Dhameja S. Electric vehicle battery systems. Newnes, 2001, 230 c.
3. Khaligh A., Li Z. Battery, ultracapacitor, fuel cell, and hybrid energy storage systems for electric, hybrid electric, fuel cell, and plug-in hybrid electric vehicles: State of the art. IEEE transactions on Vehicular Technology, 2010, vol. 59, no. 6, pp. 28062814.
4. Young K. et al. Electric vehicle battery technologies. Electric Vehicle Integration into Modern Power Networks, Springer New York, 2013, pp. 15-56.
5. Howell D. Annual progress report for energy storage R&D, Vehicle Technologies Program. Energy Efficiency and Renewable Energy. US Department of Energy, Washington, DC. - 2010.
6. Boulanger A.G. Vehicle electrification: Status and issues. Proceedings of the IEEE, 2011, vol. 99, no. 6, pp. 1116-1138.
7. Gnatov A. V., Arhun Shch. V. Retrospek-tyva osnovnyh etapiv rozvytku elektro-mobiliv. Chastyna 2 [Retrospective of the main stages of the development of electric vehicles. Part 2]. Visnyk HNADU, 2016, no 78, pp.116-124.
8. Ospanbekov B.K. Optimizacija resurso-opredeljajushhih jekspluatacionnyh rezhi-mov tjagovyh akkumuljatornyh batarej jel-ektromobilej [Optimization of resource-dependent operational modes of traction batteries of electric vehicles]. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 2017. 170 p.
9. Akkumuliatory gelevye, mul'tigelevye i AGM - v chem raznitsa? [Battery gel, mul-tigel and AGM - what's the difference?] Available at: https://lantorg.com/article/ akkumulyatory-gelevye-multigelevye-i-agm-v-chem-raznitsa (accessed 20 September 2017).
10. BU-403: Charging Lead Acid. Available at: http://batteryuniversity.com /learn/ arti-
de/charging_the_lead_atid_battery (accessed 5 August 2017).
11. Doslidzhennja metodiv zarjadu akumu-Ijatornyh batarej [Investigation of battery charging methods]. Available at: http://ukrbukva.net/page,9,88865-Issledovanie-metodov-zaryada-akkumulyatornyh-batareiy.html (accessed 20 September 2017).
12. Graham-Rowe Duncan Charge a battery in just six minutes. Available at: https://www.newscientist.com/article/dn70 81 -charge-a-battery-in-just-six-minutes/ (accessed 20 September 2017).
13. Doslidzhennja metodiv zarjadu akumuljatornyh batarej [The degradation of a lithium-ion battery and the methods of combating it]. Jelektrohimija, 2005, vol. 41, no. 1, pp. 3-19.
14. Toshiba Developing 3.0 Ah High Power SCiB Li-Ion Cell for HEV Applications. Available at: http://www.greencarcongress. com/2008/05/toshiba-develop.html (accessed 20 September 2017).
15. Tipy akkumuliatorov mobil 'nykh telefonov i ikh tekhnicheskie kharakteristiki [Types of mobile phone batteries and their technical characteristics]. Available at: https: //www. wescom.kharkov.ua/articles/6-tipy-akkumulyatorov-mobilnyx-telefonov-i-ix-texnicheskie-xarakteristiki (accessed 5 August 2017).
16. All About Batteries, Part 12: Lithium Titanate (LTO). Available at: https://www.eetimes.com/author.asp?doc_i d=1325358 (accessed 20 September 2017).
17. Burke, Andrew. Ultracapacitors: Why, How, and Where is the Technology. Institute of Transportation Studies. UC Davis: Institute of Transportation Studies (UCD). Available at: http://escholarship.org/ uc/item/9n905017 (accessed 20 September 2017).
Рецензент: А.В. Гнатов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
