Рубрика «Электромобили»

2 марта

Tesla — первые электрические суперкары

В 2008 году впервые увидел свет серийный электрический суперкар. Выпустила его фирма Tesla Motorsпод маркой Roadster. За основу была взята платформа автомобиля Lotus Elise, а электрической составляющей занималась фирма AC Propulsion. В качестве силового агрегата использован электродвигатель мощностью 248 л.с. и крутящим моментом 370 Нм. Скорость вращения ротора – до 14000 об/мин. Привод осуществляется на задние колеса. Источник питания – управляемая микропроцессором литий-ионная батарея с напряжением 375 В и весом 450 кг.

С таким «вооружением» электромобиль разгоняется до 100 км/ч за 3,7 секунды, а максимальная скорость ограничена электроникой на отметке 200 км/ч. Полностью заряженная батарея обеспечивает запас хода около 400 километров при измерении в американском комбинированном цикле ЕРА (город/трасса). Зарядка батареи занимает не более 3,5 часов. Срок службы аккумулятора – пять лет или 160000 км пробега, после чего она подлежит замене. Цена батареи – 20000 $. Зато, в отличие от одноклассников с ДВС, Roadster требует планового ТО только каждые 45000 км. Автомобиль имеет соответствующий статусу суперкара богато отделанный двухместный салон и базовую комплектацию. Начальная цена – 98000 $.

В 2011 году Tesla Motors заявила о прекращении производства модели Roadster, чтобы полностью сосредоточиться на подготовке к серийному выпуску нового, более массового, электромобиля под маркой Model S. И хотя новая модель представляет собой семейный семиместный седан, по своим техническим характеристикам она превосходит многие автомобили, позиционируемые как «спортивные». До 60 миль (96 км) в час Model S разгоняется за 5,6 секунд, а максимальная скорость 192 км/ч. Тормозной путь со скорости 60 миль составляет 40 м. Коэффициент лобового сопротивления – 0,27 (на модели Roadster – 0,35). Способствуют высоким динамическим качествам облегченный кузов, выполненный из алюминиевых панелей и алюминиевые же детали подвески. При почти пятиметровой длине снаряженный вес составляет 1730 кг. Из них 540 кг весят литий-ионные батареи.

На электромобиль в базовой комплектации устанавливается батарея емкостью 42 кВт*ч, которая обеспечивает запас хода в 250 км. За доплату можно заказать более «продвинутую» батарею емкостью 70 кВт*ч, на которой можно проехать 480 км (больше, чем на модели Roadster). Полный заряд от обычной электросети занимает четыре часа, экспресс-заряд – всего лишь 45 минут. В США планируется открыть сеть сервисных станций, на которых можно будет всего за пять минут заменить батарею.

Все компоненты привода размещены, как водится, в подполье, причем электромотор и одноступенчатая коробка передач для лучшей развесовки разнесены по осям. Подкапотное пространство используется как второй багажник. Привод – на задние колеса. В дальнейшем планируется выпуск и полноприводной версии.

8 февраля

BMW i3 — первый баварский электромобиль

Автомобильный мир с нетерпением ожидал премьеру BMW i3 — первого электромобиля в истории этого бренда, известного своими мощными, динамичными и высокоскоростными автомобилями. Что же предложено в «электрической» версии?

В небольшом электромобиле премиум-класса соединились несколько независимых инновационных разработок BMW Group. Кузов создан на основе структуры LifeDrive. Его пассажирский отсек изготовлен из армированного углеродного волокна (CFRP). Электродвигатель, силовая электроника, высоковольтная литий-ионная батарея разрабатывались в рамках программы eDrive. А специально для BMW i3 создавались системы помощи водителю и мобильных услуг BMW ConnectedDrive и 360° ELECTRIC.

BMW i3 представляет оптимальный баланс веса, производительности и пробега для городских условий, благодаря архитектуре LifeDrive и технологии eDrive. При весе 1195 килограммов, электромобиль легче большинства компактных автомобилей, однако в нем могут свободно разместиться четыре человека.

Использование легкого углепластика для изготовления салона позволяет компенсировать вес тяжелой литий-ионной батареи. Она расположена под полом в центральной части кузова, что позволило достигнуть идеальной развесовки 50:50 и обеспечить отличную маневренность электромобиля.

Гибридный синхронный электродвигатель, разработанный специально для BMW i3, развивает мощность 125 кВт (170 л.с.) при 11400 об/мин и 250 Нм крутящего момента. Усилие передается через одноступенчатую трансмиссию на задние колеса. Разгон до 100 км/ч занимает около 7 секунд, а с 80 до 120 км/ч BMW i3 ускоряется за 4,9 секунды. Максимальная скорость – 150 км/ч.

Интересно устроена система рекуперации электромобиля, фактически позволяющая управлять им только одной педалью. Как только водитель отпускает педаль «газа», электродвигатель переключается в режим генератора, подзаряжая батарею и одновременно затормаживая машину. Система рекуперации чувствительна к скорости: развиваемое ею усилие торможения тем выше, чем ниже скорость. Причем при интенсивном рекуперативном торможении даже зажигаются стоп-сигналы. В BMW утверждают, что в городском режиме при торможениях в 75% случаев педаль стандартной тормозной системы не понадобится. Активное применение системы рекуперации позволяет увеличить пробег электромобиля без подзарядки более, чем на 20%.

Позволяет сэкономить энергию батареи (читай — увеличить пробег) еще одна особенность педали акселератора. Если водитель не отпускает педаль, а лишь ослабляет усилие, электродвигатель тут же отсоединяется от трансмиссии, не потребляя при этом энергии, а электромобиль свободно движется, как говорят у нас, едет «накатом».

Заряда литий-ионной батареи хватает на 130-160 километров. Но в режимах ECO PRO и ECO PRO+ пробег увеличивается примерно на 12%. Батарея весом 230 кг состоит из восьми модулей, а каждый модуль, в свою очередь – из 12 отдельных ячеек. При напряжении 360 В она вырабатывает 22 кВт-ч энергии. Рабочая температура автоматически поддерживается на отметке 20 градусов. В зависимости от температуры окружающей среды батарея либо охлаждается, либо подогревается.

«Изюминкой» BMW i3, несомненно, является интеллектуальная система ConnectedDrive. Благодаря встроенной SIM-карте электромобиль подключается к сети услуг, основными из которых являются навигация и энергосбережение. Система способна планировать, прокладывать оптимальный маршрут движения и изменять его в зависимости от степени заряда батареи, наличия зарядных станций и т.п. Водитель легко может «общаться» с электромобилем с помощью смартфона, прокладывая пешеходные маршруты от места стоянки к месту назначения и обратно или управляя функциями зарядки и энергопотребления (например, можно удаленно включать отопление или кондиционер).

22 января

Chevrolet Spark EV — первый серийный американский электромобиль

В октябре 2011 года General Motors объявила о начале работ над электрической версией автомобиля Chevrolet Spark, предназначенном не только для американского, но и для других мировых рынков. Для GM Spark EV стал второй попыткой создания электромобиля после печальной истории с GM EV1 в 1999 году. Уже через год на автосалоне в Лос-Анджелесе была представлена производственная версия и было обещано начать полноценные продажи в июне 2013 года. General Motors обещание сдержала, и Америка получила свой первый отечественный серийный электромобиль.

Четырехдверный хэтчбек (длина 3720 мм, ширина 1600 мм) приводится в движение электродвигателем мощностью 150 кВт (143 л.с.) и крутящим моментом 542 Нм. Такая энерговооруженность позволяет 1356-килограммовой машинке разгоняться до 100 км/ч за 7,6 секунды. Максимальная скорость ограничена 144 км/ч. Благодаря уникальной запатентованной конструкции электродвигателя и системы активного демпфирования Spark EV движется практически бесшумно, повышая комфортность поездки. Однако это обстоятельство вынудило конструкторов устанавливать на Spark EV дополнительный источник звука, который бы предупреждал пешеходов о его приближении. Усилие на передние ведущие колеса передается через планетарный редуктор от стандартной шестиступенчатой АКПП с передаточным отношением 3,17. Индикатор режимов PRNDL расположен на приборной панели. Режим L предназначен для максимальной экономии энергии при движении в городе. При этом водителю практически не приходится пользоваться педалью тормоза – электромобиль замедляется, как только отпущена педаль акселератора.

Питает мотор 21 кВтч литий-железо-фосфатная батарея весом 255 килограммов, емкости которой хватает на 132 километра. Батарея имеет жидкостную систему, которая, в зависимости от рабочих условий, либо охлаждает, либо подогревает ее. Заряд от электросети напряжением 240 В занимает семь часов, для экспресс-зарядки до 80% емкости потребуется 20 минут. Контролировать и управлять процессом зарядки можно удаленно, с помощью смартфона. Батарея имеет квадратную форму и располагается под сиденьями в задней части электромобиля, там, где в бензиновой версии находится бензобак. Корпус батареи изготовлен из современных высокопрочных композитных материалов, что снижает ее вес и повышает надежность.

По оценке американского Управления по охране окружающей среды (ЕРА) расход электроэнергии Spark EV в бензиновом эквиваленте составляет 1,8 л/100 км в городе, и 2,2 л/100 км на шоссе. Это не опечатка – в городе электромобиль экономичнее из-за более частого применения системы рекуперации энергии торможения.

Специалисты и автомобильные журналисты, участвовавшие в тест-драйвах, в один голос отмечают бесшумность и плавность хода Spark EV и неплохую динамику. Несмотря на небольшие размеры, это вовсе не спартанский электромобиль, особенно в «верхней» комплектации 2LT. В стандартное оснащение входит фирменная информационно-развлекательная система Chevrolet MyLink с семидюймовым цветным сенсорным экраном и система навигации Bringo. Цена электромобиля в Калифорнии 25000$, а с учетом налоговых льгот составит 17495 $, что делает его самым доступным электромобилем на рынке. Продаваться Spark EV будет также в Южной Корее, Индии, Канаде и в Европе.

8 января

Колесо с мотором

Идея применения электромотора, интегрированного прямо в колесо, давно привлекает разработчиков гибридов и электромобилей. Электрические мотор-колеса наделяют машину невиданными возможностями и преимуществами.

Премущества мотор-колеса

Во-первых, отпадает необходимость в трансмиссии – сцеплении, коробке передач, приводных валах и дифференциалах. Это существенно снижает вес, а снижение веса – это дополнительная экономия топлива и снижение вредных выбросов. Кроме того, уменьшается стоимость автомобиля и снижаются затраты на его обслуживание и ремонт. Конструкция существенно упрощается, а, как известно, чем проще – тем надежнее. Отсутствие узлов трансмиссии освобождает больше полезного объема для размещения пассажиров и груза и позволяет конструкторам и дизайнерам шире проявить фантазию.

Во-вторых, машина получает отличную динамику: компактные и легкие электродвигатели развивают максимальный крутящий момент сразу же, как только на них подается питание. Значения крутящего момента могут достигать 700 Н*м.

В-третьих, управляемое мотор-колесо делает автомобиль чрезвычайно маневренным – ведь все колеса могут вращаться с разной скоростью и даже в разных направлениях. Машина способна разворачиваться на 360 градусов, парковаться в самых сложных условиях и мгновенно адаптироваться к качеству дорожного покрытия.

В-четвертых, значительно упрощается конструкция важнейшей для электромобилей системы регенерации энергии торможения.

В-пятых, ничто не сможет сравниться с мотор-колесом в обеспечении активной безопасности движения – любые алгоритмы систем ABS, ESP, Traction Control, Brake Assist и других легко программируются в блоке управления и могут воздействовать на каждое колесо индивидуально.

Недостатки мотор-колеса

Но на пути массового внедрения мотор-колес стоит и несколько нерешенных пока проблем. Главная из них – масса механизмов, помещаемых внутрь обода. Высокооборотные электродвигатели нуждаются в понижающем редукторе. Он должен быть компактным и герметичным. Редуктор добавляет несколько килограммов к общей массе колеса. Большая неподрессоренная масса, или, говоря проще, тяжелые колеса, резко снижают комфорт и управляемость, повышают износ подвески, передают на кузов больше вибраций. Оптимальный вес колеса для среднеразмерного автомобиля составляет от 10 до 30 кг без учета шины. Вписаться в эти жесткие рамки мотор-колесу очень непросто.

Практические разработки Michelin

Французская компания Michelin, всемирно известная не только своими разработками в области шин, но и исследованиями по созданию экономичного и экологически чистого транспорта, уже пятнадцать лет занимается разработкой инновационных мотор-колес для электромобилей. Мотор-колеса «Michelin active wheel» совмещают в одном узле тяговый электродвигатель, элементы управления и подвески и тормозной системы. Они могут применяться как в переднеприводном, так и в заднеприводном варианте, в зависимости от условий эксплуатации. И все это при общем весе 35 килограмм, что не превышает вес обычного колеса легкового автомобиля! Ключевое место в этой технологии моторизированного колеса занимает миниатюрный электродвигатель. Разработанный Michelin, на сегодняшний день он является самым компактным на рынке. Беспрецедентное соотношение его мощности к массе предоставляет уникальную возможность для уменьшения неподрессоренной массы ходовой части автомобиля. Подобные попытки предпринимались и другими производителями, например Mitsubishi и Siemens, но они так и не дошли до серийного производства.

4 декабря

Вдогонку за солнцем

Идея передвижения на транспортных средствах, использующих солнечную энергию, очень заманчива. Ведь такой электромобиль имеет только солнечные батареи, электромотор и аккумулятор для сохранения выработанной электроэнергии. Ломаться практически нечему! Главное препятствие на пути их широкого распространения – отсутствие эффективных солнечных элементов. И хотя в лабораторных условиях удается достичь КПД в 40%, эффективность лучших коммерчески выпускаемых элементов не превышает 22 %. Кроме того, около 90% всех солнечных модулей изготавливаются из кремния, а его производство экологически небезопасно.

Практические конструкции "солнцемобилей"

Внешне все электромобили, питающиеся от солнечных элементов, похожи. Большинство из них выполнены по одной схеме: напоминающий крыло плоский корпус, практически весь покрытый солнечными панелями, каплевидная обтекаемая кабина, три колеса, закрытые обтекателями. Заднее колесо — ведущее, со встроенным в ступицу электромотором. Такая концепция позволяет улучшить аэродинамику и уменьшить вес.

Победитель гонок 2011 года World Solar Challenge японский солнцемобиль Tokai Challenger 2 полностью соответствует этой концепции. Он представляет цельную трёхколёсную конструкцию с небольшой кабиной в задней части и плоским кузовом, покрытым фотоэлектрическими панелями. Общая площадь солнечных батарей составляет 6 кв.м. КПД батареи 22%, выходная мощность 1,32 кВт. Излишки энергии запасаются в литий-ионном аккумуляторе мощностью 5 кВт*ч и весом 21 кг. Максимальная скорость солнцемобиля — 160 км/ч, а среднее значение 90 км/ч. При габаритах 4,9*1,59*0,88 масса электромобиля составляет всего 140 кг.

Солнцемобиль Nuna7, созданный голландской командой Nuon Solar Team, также относится к лучшим достижениям в своем классе. Но он, в отличие от предшественника Nuna 6, имеет четыре колеса, а не три (из-за изменений в правилах проведения соревнований). В гонках World Solar Challenge 2013 Nuna7 стал победителем, показав среднюю скорость 90,71 км/ч. Габаритные размеры: длина 4,5 метра, ширина 1,8 метра, высота 1,12 метра при весе 150 кг. Доводка формы кузова производилась в аэродинамической трубе, в ходе которой удалось снизить сопротивление воздушному потоку на 10 %. Общая площадь солнечных элементов составляет 6 кв.метров. Источником питания служит литий-ионная батарея емкостью 5,3 Квт*ч весом 21 кг.

Несколько отличается от общей концепции солнцемобиль SolarTaxi. Он также представляет собой трицикл, собранный на трубчатой раме, обклеенной кузовными панелями. Но, в отличие, от собратьев, он двухместный. Рулевое колесо и педали сделаны передвижными, так что машина может быстро превращаться из лево- в праворульную. А самое главное отличие – в размещении батарей. Так как габариты машинки малы, что не позволяло разместить достаточное количество солнечных элементов, было принято решение разместить солнечную батарею на прицепе. Таким образом, площадь батареи довели до 6 кв. метров, значительно увеличив дальность хода. Вместе с прицепом SolarTaxi весит 750 кг. Солнечные батареи питают 20-сильный электромотор, который способен разогнать машину до 90 км/ч. Полученная энергия запасается в натрий-никель-хлоридных аккумуляторах. Такие батареи могут заряжаться от бытовой электросети за 30 минут до половины емкости, а на полную зарядку необходимо от 6 до 8 часов. Кроме того, они намного дешевле литий-ионных и легко утилизируются. При скорости 50 км/ч энергии солнечных и аккумуляторных батарей хватит на 350 км пробега. Без прицепа и с одной полностью заряженной АКБ солнцемобиль может проехать до 200 км. Минимальный же пробег на солнечных батареях при езде в солнечную погоду составляет 100 км. Швейцарский энтузиаст солнцемобилей Луи Палмер совершил в 2007 году кругосветное путешествие на SolarTaxi протяженностью 57000 км. За все время пути с автомобилем случились только две поломки.

14 ноября

Солнце, вперед!

Использование дармовой солнечной энергии давно привлекает ученых и изобретателей. Поэтому солнечные элементы все шире проникают и в быт, и в промышленность. Ведущие страны мира возлагают на солнечную энергетику большие надежды. И хотя в настоящее время ее доля в общемировом объеме произведенной электроэнергии составляет менее 1%, к 2025 году предполагается поднять ее до 20-25%.

Принцип действия фотоэлементов

Основой солнечных батарей являются фотоэлементы. Когда на него падает солнечный свет, представляющий из себя поток фотонов, материал фотоэлемента поглощает его. Каждый фотон обладает малым количеством энергии. Благодаря свойствам материала, из которых изготовлен фотоэлемент, при поглощении фотонов происходит процесс освобождения электронов в фотоэлементе. Свободные электроны, в свою очередь, создают электрический ток. Таким образом, фотоэлемент генерирует электричество, которое может быть сразу использовано или запасено в аккумуляторной батарее. Пока фотоэлемент освещается, процесс образования свободных электронов и генерирования электрического тока непрерывно продолжается.

Один фотоэлемент выдает напряжение около 0,4-0,5 В при токе 25-30 мА. Поэтому для практического использования их соединяют в модули. Длительность эксплуатации солнечных модулей находится в пределах 20 и более лет. Их износ и старение происходит, главным образом, от воздействия окружающей среды.

Материалы и технологии изготовления фотоэлементов

По типу используемых материалов фотоэлементы делятся на неорганические и органические. Подавляющая часть (около 90%) из выпускаемых в настоящее время для практического применения солнечных модулей изготавливается из кремния. Кремниевые фотоэлементы бывают следующих типов: монокристаллические, поликристаллические и аморфные (тонкопленочные). Различие между ними состоит в том, как организованы атомы кремния в кристалле. От этого зависит их КПД: монокристаллические обеспечивают от 15 до 22 %, поликристаллические – от 12 до 17 %, аморфные – от 6 до 10 %. В последние годы идет разработка новых типов не кремниевых неорганических тонкопленочных фотоэлементов. В них чаще всего используются медь-индий-дисиленид и теллурид кадмия. Такие элементы более дешевы, но их КПД ниже – от 8 до 12%. Доля в серийном производстве таких фотоэлементов составляет 7-8 %.

Неорганические фотоэлементы имеют высокую себестоимость, а процесс производства кремния экологически небезопасен. Органические фотоэлементы существенно дешевле, однако их КПД значительно ниже.

Перспективы использования фотоэлементов в электромобилях

Заманчиво иметь автомобиль, который кроме электромотора и солнечных фотоэлементов никаких других агрегатов не имеет. Однако из вышесказанного ясно, что современные солнечные батареи не могут дать столько энергии, сколько требуется машине с нормальными габаритами для езды с полезной нагрузкой в виде пассажиров или грузов.

Чтобы обеспечить электромобиль достаточной мощностью от солнечного света, необходим фотоэлектрический модуль довольно большой площади. Поэтому все существующие конструкции «солнцемобилей», как правило, представляют собой плоские одноместные аппараты на велосипедных колесах с блестящими от солнечных пластин поверхностями и внушительной стоимостью. Такой транспорт вряд ли пригоден для повседневного использования.

Но если ездить на фотоэлементах пока что невыгодно, то почему бы не приспособить их для подзарядки электромобилей? Ведь в этом случае размеры солнечных модулей не имеют большого значения. Уже имеются экспериментальные зарядные станции, которые получают энергию только от солнца, не загрязняя окружающую среду.

2 ноября

Проблемы электроразъемов

Рынок электромобилей довольно динамично развивается. По прогнозам Европейской комиссии к 2020 году количество электрических транспортных средств только в Европе составит несколько миллионов экземпляров. Для их подзарядки нужны крупные сети зарядных станций. Но их созданию препятствует, среди прочих причин, и неопределенность в стандартах. Каждый производитель использует собственные батареи, параметры зарядки и электрические разъемы. Удастся ли договориться?

США: J1772 и Supercharger

 

Общество автомобильных инженеров США (SAE) еще в 2009 году разработало стандарт пятиштырькового разъема J1772, предназначенный для зарядки от сети переменного тока. Это наиболее универсальный разъем, имеющийся практически в любом электромобиле. С целью дальнейшей унификации в конце 2012 года был представлен обновленный разъем стандарта J1772. Его конструкция предусматривает возможность зарядки аккумуляторов электромобиля переменным, постоянными или обоими видами электрического тока одновременно. Новый разъем представляет собой старый, пятиштырьковый, дополненный штепселем для подключения постоянного тока. Таким образом, электромобили прошлых лет выпусков смогут подключаться к новым зарядным терминалам без дополнительного переоборудования. Обновленный стандарт J1772 так же определяет уровни напряжений, подаваемых на разъем, и требует установки дополнительных средств безопасности, которые позволят подключать и отключать разъем, на контактах которого может присутствовать высокое напряжение, при любых погодных условиях.

Американский производитель суперэлектрокаров Tesla Motors развивает собственную сеть зарядных станций, работающих по технологии Supercharger. Суть ее предельно проста: солнечные батареи преобразуют солнечный свет в электроэнергию, которая хранится в сверх емком аккумуляторе (500 кВт/ч). Полная зарядка батареи электромобиля занимает не более получаса. Что примечательно, зарядка производится бесплатно. Накопленные же излишки электроэнергии планируется продавать энергетическим компаниям.

Европа: Mennekes Type 2

 

В январе 2013 года Европейская комиссия обнародовала план развития экологически чистых видов топлива. В нем, в частности, был установлен и общеевропейский тип разъема для зарядных станций и электромобилей. Им стал разработанный немецкой компанией Mennekes разъем Type 2 (согласно международному стандарту IEC 62196-2). Решение комиссии не было волюнтаристским, оно лишь официально утвердило факт: разъем этого типа наиболее широко используется в Европе. Он позволяет коммутировать силовые цепи мощностью до 43,5 кВт и силой тока до 63 А. Используется в однофазных и трехфазных сетях. Некоторые европейские автопроизводители высказывали мнение об утверждении в Европе американского J1772, на что в Еврокомиссии возразили, что разъемы такого типа в Европе не распространены.

Япония: CHAdeMО

 

CHAdeMО — стандарт быстрой зарядки аккумулятора электромобиля постоянным током через специальный разъем. Название происходит от сокращения французских слов «charge de move», что на русский можно перевести как «зарядись для движения». Ассоциация «CHAdeMO» была основана в 2010 году Токийской энергетической компанией («TEPCO»), автоконцернами «Nissan», «Mitsubishi» и «Subaru», позже к ним присоединилась и «Toyota». Мощность зарядки составляет от 50 кВт до 100 кВт, что позволяет заряжать батарею до 80% емкости за полчаса. Зарядные станции CHAdeMO имеются в Японии, Европе и США. Но последние решения американцев и европейцев по утверждению собственных стандартов явно направлены на вытеснение CHAdeMО с рынка.

Автопроизводители: Combined Charging System

 

В мае 2012 года восемь крупнейших европейских и американских производителей (Audi, BMW, Chrysler, Daimler, Ford, General Motors, Porsche, Volkswagen) объявили о том, что для всех производимых ими электромобилей будет использоваться единый стандарт Combined Charging System. Разъем этого типа позволяет осуществлять зарядку в любом из четырех предусмотренных международном стандартом IEC 62196-2 режимах: медленная зарядка от бытовой розетки; медленная зарядка от бытовой розетки через кабель со встроенным устройством защиты; медленная или быстрая зарядка через специальный разъем с функцией контроля заряда и защиты; быстрая зарядка от внешнего зарядного устройства. Таким образом, оборудованный разъемом Combined Charging System электромобиль можно подключать к любым сетям и зарядным станциям. Введение этого стандарта намечено на 2017 год, хотя первые модели должны появится уже в 2013.

Better Place: быстрая замена батареи

Этот проект, широко разрекламированный в свое время, сейчас, похоже, не имеет перспективы. Его поддерживают только в двух странах (Израиле и Дании) и всего лишь один автопроизводитель (Renault). Идея заключалась в создании сети станций, где электромобиль бы не подзаряжался, а просто менял разряженную батарею на свежую. Ни в Евросоюзе, ни в США Better Place не получил развития по экономическим причинам. Автопроизводители же не пожелали в нем участвовать из технических соображений: переход на эту систему требует переделки батарей, в чем изготовитель совершенно не заинтересован, а конструкция для быстрой замены аккумулятора приводит к увеличению веса электромобиля. Кроме того, в Better Place используется собственный разъем и другие величины напряжения.

13 октября

Перспективные типы батарей

Удельная энергоемкость современных литий-ионных батарей достигает 200 Вт*ч/кг. В среднем этого хватает лишь на 150 километров пробега без подзарядки, что не идет ни в какое сравнение с пробегом на одной заправке автомобилей с обычным ДВС. Чтобы электромобили стали массовыми, они должны иметь сопоставимый пробег. Для этого нужно довести удельную энергоемкость батарей хотя бы до 350-400 Вт*ч/кг. Описанные ниже перспективные типы батарей смогут ее обеспечить, хотя в каждом случае есть свои "но".

Литий-серные батареи

 

Литий-серные батареи отличает большая удельная емкость, которая является следствием того, что в процессе химической реакции каждая молекула отдает не один, а два свободных электрона. Их теоретическая удельная энергия составляет 2600 Вт*ч/кг. Кроме того, такие батареи существенно дешевле и безопаснее литий-ионных.

Базовая Li-S батарея состоит из литиевого анода, серно-углеродного катода и электролита, через который проходят ионы лития. При разряде происходит химическая реакция, в ходе которой литий анода превращается в сульфид лития, осаждающийся на катоде. Напряжение батареи составляет от 1,7 до 2,5 В, в зависимости от степени разряда батареи. Полисульфиды лития, образующиеся в ходе реакции, оказывают влияние на вольтаж батареи.

Химическая реакция в батарее сопровождается рядом негативных побочных явлений. Когда сера катода поглощает ионы лития из электролита, образуется сульфид лития Li2S, который осаждается на катоде. При этом его объем увеличивается на 76%. При заряде происходит обратная реакция, приводящая к уменьшению размеров катода. Вследствие этого катод испытывает значительные механические перегрузки, приводящие к его повреждению и потере контакта с токоприемником. Кроме того, Li2S ухудшает электрический контакт в катоде между серой и углеродом (путь, по которому движутся электроны) и препятствует протеканию ионов лития к поверхности серы.

Другая проблема связана с тем, что в процессе реакции между серой и литием Li2S образуется не сразу, а через серию превращений, в ходе которых образуются полисульфиды (Li2S8, Li2S6 и др.). Но если сера и Li2S нерастворимы в электролите, то полисульфиды – наоборот, растворяются. Это приводит к постепенному уменьшению количества серы на катоде. Еще одна неприятность — появление шероховатостей на поверхности литиевого анода при прохождении больших разрядных и зарядных токов. Все это, вместе взятое, приводило к тому, что такая батарея выдерживала не более 50-60 циклов разряда-заряда и делало ее непригодной для практического использования.

 

Однако последние разработки американцев из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли позволили преодолеть эти недостатки. Ими создан уникальный катод из нанокомпозитного материала (оксида графена и серы), целостность которого поддерживается с помощью эластичного полимерного покрытия. Поэтому изменение размеров катода в ходе разряда-заряда не приводит к его разрушению. Для защиты серы от растворения применяется ПАВ (поверхностно активное вещество). Так как ПАВ является катионным (т.е. притягивается к поверхности слоя серы), оно не препятствует литиевым анионам реагировать с серой, но не позволяет образовавшимся при этом полисульфидам растворяться в электролите, удерживая их под своим слоем. Также разработан новый электролит на основе ионной жидкости, в которой не растворяются полисульфиды. Ионная жидкость и намного безопаснее — она не горит и почти не испаряется.

В результате всех описанных нововведений значительно повышается производительность батареи. Ее начальная удельная энергия составляет 500 Вт*ч/кг, что более чем в два раза превышает показатель Li-ion батарей. После 1500 20-часовых циклов разряда-заряда (С=0,05) ее удельная энергия снизилась до уровня свежей Li-ion батареи. После 1500 1-часовых циклов (С=1) снижение составило 40-50%, но батарея по-прежнему сохранила работоспособность. Когда же батарею испытывали при большой мощности, подвергая 10-минутному циклу разряда-заряда (С=6), то даже после 150 таких циклов ее удельная энергия превышала удельную энергию свежей Li-ion батареи.

Предполагаемая цена такой Li-S батареи не превысит 100$ за каждый кВт*ч емкости. Многие инновации, предложенные командой исследователей из Беркли, могут быть использованы и для улучшения существующих Li-ion батарей. Для создания практической конструкции LiS батареи разработчики ищут партнёров, которые профинансируют окончательную ее доводку.

Литий-титанатовые батареи

Самая большая проблема современных литий-ионных батарей – это низкая эффективность, связанная в первую очередь с тем, что материалы, хранящие энергию, занимают только 25% объема аккумулятора. Остальные 75% приходятся на инертные материалы: корпус, проводящие пленки, клей и т.д. Из-за этого современные батареи слишком громоздкие и дорогостоящие. Новая технология предполагает значительное сокращение "бесполезных" материалов в конструкции аккумулятора.

Новейшие литий-титанатовые батареи помогли преодолеть еще один недостаток Li-ion аккумуляторов – их недолговечность и длительность подзарядки. В ходе исследований было обнаружено, что при зарядке большими токами ионы лития вынуждены «продираться» между микропластинками графита, тем самым постепенно разрушая электроды. Поэтому графит в электродах заменили структурами из наночастиц титаната лития. Они не мешают движению ионов, что в итоге привело к фантастическому увеличению срока службы – более 15000 циклов в течение 12 лет! Время зарядки с 6-8 часов сокращается до 10-15 минут. Дополнительные преимущества – термостабильность и меньшая токсичность.

По расчетам экспертов, новые батареи будут иметь плотность энергии, в два раза превышающую самые лучшие показатели современных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, при неизменной дальности хода электромобиля его аккумулятор будет легче, а при той же массе – значительно увеличится запас хода. Если удастся запустить новую батарею в серию, то пробег компактных электромобилей (которые не могут оснащаться большой тяжелой батареей) в среднем возрастет с 150 км до 300 км на одной зарядке. При этом новые батареи будут наполовину дешевле нынешних — всего 250 долл. за кВт/ч.

2 октября

Литий-полимерные аккумуляторы

Работа по замене жидкого органического электролита в литий-ионных аккумуляторах на полимерныйвелась давно. Такая замена исключает утечки электролита и повышает безопасность работы. В основе идеи литий-полимерного аккумулятора (Li-pol) лежит явление перехода некоторых полимеров в полупроводниковое состояние в результате внедрения в них ионов электролита. Проводимость полимеров при этом увеличивается более чем на порядок. К настоящему времени разработаны и серийно изготавливаются литиевые источники тока с электролитами, которые могут быть подразделены на три группы: сухие полимерные электролитыгель-полимерные электролиты, которые образуются при внедрении в полимер пластификатора-растворителя; неводные растворы солей Li, сорбированные в микропористой полимерной матрице.

По сравнению с жидкими электролитами в литий-ионных аккумуляторах, полимерные электролиты имеют меньшую ионную проводимость, которая к тому же понижается при температуре ниже нуля. Поэтому проблема разработок Li-pol аккумуляторов состояла не только в поиске электролита с достаточно высокой проводимостью, совместимого с электродными материалами, но и в расширении температурного диапазона Li-pol аккумуляторов.

С гель-полимерным электролитом разрабатывают аккумуляторы и литий-ионные, и с металлическим анодом. Какая же разница между литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторными батареями с гелиевым электролитом? Хотя их характеристики и близки, в литий-полимерных батареях вместо сепараторов используется твердый электролит. Добавленный в них гелиевый электролит предназначен просто для улучшения ионообменных процессов и, таким образом, для понижения внутреннего сопротивления.

Современные литий-полимерные аккумуляторы обеспечивают удельные характеристики, сравнимые с характеристиками литий-ионных аккумуляторов. Но благодаря отсутствию жидкого электролита они более безопасны в использовании. При всех стандартных тестах на безопасность использования (перезаряд, форсированный разряд, короткое замыкание, вибрация, раздавливание и протыкание гвоздем) Li-pol аккумуляторы имеют существенно более высокие показатели по сравнению с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом. Li-pol аккумуляторы компактны и могут быть выполнены в любой конфигурации. Их контейнер может быть выполнен из металлизированного полимера. К недостаткам можно отнести меньшие рабочие плотности тока и ухудшение электрических характеристик при понижении температуры из-за кристаллизации полимера.

5 сентября

Литий-ионные аккумуляторы

Конструкция и применяемые материалы

Основой для отрицательного электрода в Li-ion аккумуляторах служит углеродная матрица. Она может изготавливаться из природного или синтетического графита, кокса, пиролизного или мезофазного углерода, сажи и др. Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и располагаются между ними. Положительные электроды литий-ионных аккумуляторов изготавливаются из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей.

Конструктивно Li-ion аккумуляторы производятся в цилиндрическом и плоском вариантах. В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора помещен в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку.

Плоские аккумуляторы производятся складыванием прямоугольных пластин друг на друга. Они обеспечивают более плотную упаковку в батарее, но в них труднее, чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды. В некоторых плоских аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, который скручивается в спираль. Это позволяет объединить достоинства двух описанных выше типов конструкций.

Разноименные электроды разделяются сепаратором из пористого полипропилена. Конструкция Li-ion отличается абсолютной герметичностью. Это необходимо для предотвращения вытекания жидкого электролита и попадания в аккумулятор кислорода и паров воды из окружающей среды. Кислород и пары воды реагируют с материалами электродов и электролитом и полностью выводят аккумулятор из строя.

Преимущества и недостатки

Li-ion аккумуляторы обладают рядом неоспоримых достоинств: повышенный срок службы при небольших размерах, малом весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность. Литиевые батареи принимают высокий ток зарядки и разрядки. Поэтому зарядка займет меньше времени, пройдет более эффективно (это полезно при рекуперации энергии во время торможения).

Однако при этом нельзя допускать перегрева: чем выше ток, тем сильнее нагрев. И вопрос не только в сокращении срока службы аккумуляторов, но и в риске возникновения пожара, так как у лития низкая устойчивость к возгоранию. Поэтому еще на стадии производства строго следят за технологией: мельчайшая примесь в сепараторе ячеек может способствовать возникновению внутренних замыканий, которые в состоянии нагреть литий до температуры возгорания. Под крышкой аккумулятора устанавливается устройство, реагирующее на повышение температуры увеличением сопротивления, и другое, которое разрывает электрическую связь между катодом и положительной клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела. В ходе эксплуатации за безопасностью следит специальная электроника, контролирующая температуру в каждой ячейке, температуру модуля, в котором они собраны, и температуру пакета аккумуляторов. Необходима и эффективная охлаждающая система.

Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет всего лишь 4-6 % за первый месяц, затем — еще меньше: за год аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в зависимости от температуры в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. Ресурс-500-1000 циклов.

Применение в гибридах и электромобилях

При создании гибридов и электромобилей разработчики все чаще применяют литий-ионные батареи. Во-первых, это связано с их лучшим весовым качеством (отношением запасенной энергии к массе). Современные батареи, применяемые на автомобилях, способны вмещать 0,8-2,6 кВт*ч на килограмм собственного веса. Во-вторых, они допускают более глубокий заряд и разряд. Если для никель-металлгидридного аккумулятора оптимальный диапазон зарядки составляет от 40% до 60%, то есть всего 20% общей емкости, то для литий-ионного она в 2,5 раза больше: от 25% до 75%. Срок их службы больше. Например, гарантия на литий-ионную батарею французской фирмы SAFT составляет 10 лет, а на никель-металлгидридную производства Panasonic – только 8 лет. Есть у литий-ионных батарей и существенные недостатки. Во-первых, невозможность реанимировать полностью разряженный аккумулятор. Во-вторых, для работы им нужно обеспечить узкий температурный диапазон от 25 до 45 градусов. Если их не согревать зимой, емкость упадет на треть при -10, и наполовину при -20 градусов. Летом еще опаснее: при 55-60 градусах аккумуляторы начинают разрушаться – их приходится охлаждать даже при стоянке на солнцепеке. Высока и себестоимость, которая может достигать до половины цены всего электромобиля. Однако будущее все равно за литий-ионными батареями.