10.6. Тяговые аккумуляторные батареи

Имеется большое количество типов аккумуляторов, пригодных для применения в тяговых батареях на электромобилях, хотя ни один из inix полностью не отвечает всем требованиям и нет четкого критерия выбора оптимального аккумулятора. Недостаточная емкость, большое время заряда, .малая удельная энергия аккумуляторов ограничивают уже много лет усилия конструкторов электро.мобилей. Свинцово-кислотные аккумуляторы, наиболее дешевые и часто применяемые, лишь незначительно усовершенствованы с момента появления первого электромобиля. При.мепяются также никель-кадмиевые и иикель-мегаллгидридные аккумуляторы с бо;пдпей плотностью энергии, но они гораздо дороже свинцовых.

10.6.1. Требования к аккумуляторам электромобилей

Аккумуляторы электро.мобилей должны соотвегсгвовать следующим требованиям: высокие удельные энергия и мощность, высокий КПД, бо.чьшое число пикетов заряд-разряд , низкая стоимость, безопасность, надеж1юсть, незначительные затраты на техническое обслуживание, малое время .заряда, восстанавливаемость материалов. Имеющиеся сегодня аккумуляторы не соответствуют большинству из этих требований. Необходи.ма разработка аккумулятора, соответствуютиего если не всем, то наибольпгему числу из перечисленных требований.

10.6.2. Характеристики аккумуляторов

В табл. 10.3 приведены характеристики основных типов аккумуляторов, применяемых на электромобилях.

Таблица 10.3

Тип аккумулятора

Удельная мощность [Вт/кг]

Свинцово-кислотные Железо-никелевые

Никель-кадмиевые

Никель-

металлгидридные

Натриево-серные Никель-хлоридные

Литий-ионные

35...300 70:..130

100...200 140...200

90...120

150 100

Плотность энергии [Втчас/дм]

50...90

60...100

60...100 100...210 75...110

Удельная энергия [Втчас/кг]

15...45 35...60

30...60 55...80 80...120

160 100

100 150

Число циклов Цена заряд-разряд [$/кВт час]

300...600 400... 1200 1000...1500

1000

70...400 400...500 500

250...500 500 300

-f --

I 150...800 i

300 I >1000 >1000 i

Удельная .мощность. Измеряется в Вт/кг, показывает, какую мощность способен отдавать аккумулятор при заданном весе. Это показатель способности электро.мобиля ускоряться и преодолевать подъем.

Удельная энергия. Измеряется в Втчас/кг. Это часто применяемая характеристика аккумуляторов. Определяется как эиергозапас, т. е. энергия, выделяющаяся при разряде аккумулятора на внешнюю цепь, приходящаяся на единицу веса аккумулятора. Чем выше удельная энергия, тем бо.чьше пробег электромобиля до перезаряда при одинаково.м весе аккумуляторов.

Плотность энергии. Измеряется в Втчас/дм\ показывает, сколько энергии запасается в аккумуляторе на единицу объема. Применение батарей с высокой плотностью энергии экономит .место в электро.мобиле и уменьшает его вес.

Чисчо циклов заряд-разряд (ресурс). Характеризует долговечность аккумулятора. Цикл определяется как один полный ЮО-процентный заряд и разряд до 80% емкости.

Стоимость аккумулятора на один кВтчас запасаемой энергии.

10.6.3. Типы аккумуляторов для тяговых аккумуляторных батарей

► Сегодня на электромобилях чаще всего устанавливаются свинцово-кислот-ные аккумуляторы. Большие усилия затрачиваются проектировщиками и изготовителями на их усовершенствование. Удельные мощность (35...300 Вт/кг) и энергия (15...45 Втчас/кг) свинцовых аккумуляторов относительно невелики.

► Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) выпускаются широкой номенклатурой, емкостью от 0,08 А-час до 1000 Ачас. 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-акку.мулятор выделяет водород и кислород, приходится предусматривать вентиляцию секций.

► Железотжелевые аккумуляторы (Ni-Fe). Срок их эксплуатации гораздо больше, чем у свинцовых, они хорошо выдерживают механические нагрузки. Удельная энергия (35...60 Вт час/кг) и мощрюсть (70... 130 Вт/кг) относительно невелики, стоимость высокая. Во время каждого заряда необходимо доливать воду, эти аккумуляторы выпускаются только обслуживаемыми. Выделение водорода при заряде делает проблематичным приме}1ение 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 акку.муляторы (Na-S). В качестве электрода используется расплавленный натрий при температуре 300 °С. Удельные показатели высокие - 80... 120 Втчае/кг и 90... 120 Вт/кг. Достоинством Na-S-технологии является матый 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-гехнологии.

► HMKe;ib-XjiopMAiibie аккумуляторы. Имеют длительный срок эксплуатации, необслуживаемые. Сохраняют работоспособность при в1>1ходс из строя части ячеек, но дороги, требуют потдсржапия температурного режима. Находятся в стадии разработки.

► Акку.муляторы на основе лития (литий-ионные, литий-полимерные и т. д.), перспективны для электро.мобилей, находятся в стадии обсуж;1ения. Основная проблема - отвод тепла при заряде и разряде, а также трудоемкая тех1Юлогия производства.

10.6.4. Перспективные источники энергии для электромобилей

► Литий-ионные сульфидные аккумуляторы работают при температурах 400...500 °С. Обеспечивают высокую плотность тока, срок эксплуатации небольшой.

► Литий-1юли.мерные аккумуляторы имеют высокую удельную .мощность и низкую стоимость. Напряжение на зажимах акку.му.чятора сильно зависит от степени разряда. Находятся в стадии разработки.

► Жидкостные топливные эле.ме)1ты. Их при.менение в.место акку.муляторов 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 энер1ия топлива используется в топливных элементах со значительно больши.м КПД, че.м в ДВС. Побочными продуктами работы топливных элементов являются вода, небольшие количества СОз, СО и окислов азота.

► Есть варианты, когда вместо газа в топливный процессор подается метанол или авто.мобиль в качестве топлива траноюртирует жидкий водород.

Ведущие автомобилестроительные компании затрачивают больише средства па разработку энергетических установок для электромобилей на основе топливных элементов. Время от времени на выставках демонстрируются рабогоспособт1ые концепгуачьпые электро.мобшги: DaimlerChrysler NECAR 5, Jeep Commander 2, GM HydroGen 1, Ford Focus FCV, Wolkswagen Bora HyMotion BA3-2131 ТЭ Яала. - Антэл и т. д.

Сегодтш энергетическая установка )ia основе топливных элементов обходится при.мерпо в $500 за кВт, т. е. двигатель электро.мобиля обойдется при.мерно в $25000, обычный же бензиновый двигатель стоит около S3500.

► Инерционные маховики используются как накопители механической энергии. Характеризуются высокой удельной мощностью и низкой удельной энергией.

► Конденсаторы сверхбольшой емкости воз.можно найдут при.менение на электро.мобилях в качестве вспомогательных источников электроэнергии с возможгю-стью 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.