_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Литий-ионные аккумуляторы Литий – наилегчайший металл, обладающий выдающимися электрохимическими свойствами. Поэтому аккумуляторы на основе лития обладают высокими показателями удельной энергоёмкости и удельной мощности. При контакте с водными растворами литий разлагает воду с выделением водорода. Поэтому в качестве электролитов используют неводные (апротонные) или расплавленные материалы. Апротонные электролиты представляют собой органические растворы, твёрдые полимерные вещества и сжиженные газообразные органические соединения 1 Литиевый аккумулятор запасает или выдаёт энергию за счёт реакции между ионами лития и активным материалом электродов. Ионы лития проникают внутрь молекулярной структуры (или высвобождаются из неё) в ходе процесса, называемого «интеркаляция» 2 Различают два варианта реализации данной технологии: литий- полимерный (Li-Pol) и литий-ионный (Li-Ion). В Li-Pol-аккумуляторе положительный электрод выполнен из интеркалирующего оксида переходного металла (M y O z ) , отрицательный – из металлического лития (Li). Электроды разделены тонким твёрдым полимерным электролитом (англ. solid polymer electrolyte, SPE). Принцип действия Li-Pol-аккумуляторов основан на обратимом процессе: xLi + M y O z ↔ Li x M y O z При разряде ионы лития, образующиеся на отрицательном электроде, мигрируют сквозь твёрдый электролит и внедряются (интеркалируют) в кристаллическую структуру положительного электрода. При заряде процесс идёт в обратном направлении. 1 Например, флюорометан. 2 Интеркаляция − это обратимое включение молекулы или группы между другими молекулами или группами. 253 Применение твёрдого электролита позволяет формировать ячейки различных форм и размеров, обеспечивает высокую безопасность, однако характеристики ионной проводимости твёрдого электролита обеспечивают лишь умеренные разрядные токи и ухудшаются при низких температурах. В Li-Ion-аккумуляторе положительный электрод выполнен из литированного оксида переходного металла (Li 1-x M y O z ) , отрицательный – из литированного углеродного материала (Li x C ). Электроды разделены жидким органическим раствором (соли лития 1 в органических растворителях) или твёрдым полимерным электролитом. Принцип действия Li-Ion-аккумуляторов основан на обратимом процессе: Li x C + Li 1−x M y O z ↔ C + LiM y O z При разряде ионы лития, образующиеся на отрицательном электроде, мигрируют сквозь электролит и интеркалируют в структуру положительного электрода. При заряде процесс идёт в обратном направлении. Наиболее распространёнными материалами для положительного электрода являются литированные оксиды кобальта (Li 1−x CoO 2 ), никеля (Li 1−x NiO 2 ) и марганца 2 (Li 1−x Mn 2 O 4 ) , а также их комбинации. Перспективным считается фосфат железа 3 (Li 1−x FePO 4 ). От традиционных катодных материалов LiFePO 4 выгодно отличается значительно более низкой стоимостью и нетоксичностью, однако имеет низкие величины электронной и ионной проводимости, поэтому добиться хороших результатов при циклировании можно только при использовании их нанокомпозитов, в основном – с углеродом. Основным материалом для изготовления отрицательного электрода является графит, который обеспечивает как высокую скорость процессов заряда и разряда, так и сравнительно высокую энергоёмкость за счёт обратимой интеркаляции в межслоевые пространства. Попытки заменить 1 Например, гексафлюорофосфат лития (LiPF 6 ), гексафлюороарсенат моногидрат лития (LiAsF 6 ), перхлорат лития (LiClO 4 ), тетрафлюороборат лития (LiBF 4 ), трифлат лития (LiCF 3 SO 3 ). 2 Так называемая «шпинель». 3 Так называемый «оливин». 254 графит теми или иными углеродными наноматериалами пока не дали положительных результатов. Применение более эффективных кремния, олова, сурьмы в кристаллическом состоянии ведёт к неприемлемому изменению объёма электрода при внедрении в них лития. Замена кристаллических анодных материалов наноструктурированными позволяет решить проблемы, связанные с увеличением удельного объёма [134]. Таким образом, развитие литий-ионных аккумуляторов ведётся в направлении поиска более эффективных материалов положительного и отрицательного электродов, как правило, в форме наноструктур, а также в направлении совершенствования электролита. Суперконденсаторы 1 Суперконденсаторами называют энергонакопительные электри- ческие конденсаторы с двойным электрическим слоем (ДЭС). Конструктивно суперконденсатор представляет собой два электрода из углеродного материала, погруженных в электролит и разделенных между собой диэлектрическим сепаратором, который предотвращает короткое замыкание. В суперконденсаторах энергия накапливается в процессе зарядки за счёт поляризации ДЭС на границах раздела «анод- электролит» и «катод-электролит» (Рис. 63). В процессе зарядки суперконденсатора случайно распределённые в электролите ионы под действием электрического поля перемещаются по направлению к электроду противоположной полярности. Важно, что этот процесс представляет собой чисто физическое явление, а не химическую реакцию, то есть не изменяет молекулярную структуру компонентов суперконденсатора и является полностью обратимым. Поэтому суперконденсаторы обладают большим ресурсом (как по количеству циклов заряд-разряд, так и по продолжительности хранения и использования), чем любые существующие аккумуляторные батареи и не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы [135]. 1 Другие названия: гиперконденсаторы, ультраконденсаторы, ионисторы. 255 Рис. 63. Принцип действия суперконденсатора. Источник: LS Mtron Высокая энергоёмкость (в сравнении с обычным электролитическим конденсатором) достигается благодаря двум основным факторам: крайне малой толщине ДЭС (физический эквивалент расстояния между обкладками конденсатора обычной конструкции) и пористой структуре электродов (что позволяет увеличить эффективную площадь поверхности). В качестве материалов для электродов суперконденсаторов в настоящее время наиболее широко примеряются пористые модификации углерода из-за их высокой удельной площади поверхности, достаточно большой электронной проводимости и электрохимической стабильности в растворах водных и неводных электролитов [136]. Энергоёмкость суперконденсаторов непосредственно связана с физико-химическими характеристиками наноструктурных углеродных электродов. Например, активация углерода приводит к увеличению площади его поверхности, что, как правило, увеличивает и ёмкость [137]. Суперконденсатор и аккумуляторная батарея имеют различные зарядно-разрядные характеристики. У аккумуляторной батареи график имеет характерную область (плато), на которой напряжение остаётся практически постоянным в течение определенного времени, тогда как у 256 суперконденсатора зависимость напряжения от времени заряда/разряда линейная (рис. 64). Получить постоянное напряжение можно, добавив к суперконденсатору DC-DC-преобразователь. Линейная зависимость позволяет легко вычислять остаток накопленной в суперконденсаторе энергии, контролируя выходное напряжение. Рис. 64. Зарядно-разрядные характеристики аккумулятора и суперконденсатора. Источник: LS Mtron Количество энергии (Дж 1 ) , накопленное в конденсаторе, может быть вычислено с использованием следующего выражения: 𝐸 𝑐𝑎𝑝 = 1 2 𝐶 ∙ 𝑈 2 , (16) где C – электрическая ёмкость конденсатора, Ф; U – напряжение, используемое в цепи потребителя, В. Производители рекомендуют использовать суперконденсаторы в диапазоне напряжения от ½ до максимального (при этом высвобождается ¾ запасённой энергии). Высокая удельная мощность и большой срок службы суперконденсаторов позволяют использовать их в качестве буфера энергии в составе силовой установки электромобиля, электрогибрида или электромобиля с топливными элементами. В этом случае суперконденсатор подключается параллельно аккумуляторной батарее или топливному элементу. Согласование рабочих напряжений батареи и суперконденсатора обеспечивается при помощи DC-DC-конвертера. Как видно из рис. 65, суперконденсатор принимает на себя большинство пиковых значений разрядно-зарядного тока, позволяя батарее работать в более благоприятном режиме [118]. 1 1 Дж = 1 Вт·с = 1/3600 Вт·ч. 257 Рис. 65. Изменение тока аккумулятора и суперконденсатора при движении электрогибрида по городскому испытательному ездовому циклу FTP-75 Таким образом, суперконденсаторы чаще используются в качестве буфера энергии, наподобие супермаховика, позволяя оптимизировать характеристики и режим работы (а значит и долговечность) основного источника энергии. Методы зарядки электромобилей и подключаемых электрогибридов Продолжительное время зарядки батарей электромобилей и подключаемых электрогибридов считается одним из основных препятствий широкого распространения технологии электропривода. Существует три проблемы, затрудняющие быструю зарядку батарей. Во-первых, собственно аккумуляторы не способны принять большой заряд в короткое время, что связано с необходимостью протекания в них определённых химических реакций. Во-вторых, обычная локальная распределительная электросеть не способна обеспечивать высокую быстротечную нагрузку, создаваемую 258 при заряде электромобиля. В-третьих, затруднительно обеспечить удобное и эффективное подсоединение электромобиля к распределительной электросети. Li-Ion- батареи имеют величину рекомендуемого зарядного тока «1С», т.е. величина зарядного тока (в А) должна быть равна значению номинальной ёмкости батареи (в А·ч) или ёмкости батареи (в кВ·ч), делённой на номинальное напряжение батареи (в В). Литий-железо- фосфатные (LFP или LiFePO 4 ) и литий-титанатные (LTO или Li 4 Ti 5 O 12 ) аккумуляторы могут заряжаться более высоким током, однако в этом случае лимитирующим фактором становится перегрев ячеек и коммутационных соединений. Действительно, если попытаться зарядить типичную 500- вольтовую батарею ёмкостью 25 кВ·ч за три минуты током «20С», то величина этого тока будет равна (25000/500)·20 = 1000 A. Чтобы выдержать такой высокий ток, даже за короткое время, потребуются массивные электропроводники как внутри ячеек, так и между ячейками. Кроме того, высокие токи внутри ячеек приводят к росту перенапряжения, которое необходимо преодолевать при зарядке, а следовательно, к росту потерь и снижению эффективности работы батареи в разрядно-зарядном цикле. Типичная автозаправочная станция рассчитана на одновременную заправку нескольких автомобилей. Мощность для одновременной сверхбыстрой зарядки нескольких электромобилей за сопоставимое время (несколько минут) составит порядка 5 МВт. Учитывая пиковый характер нагрузки с возможными гармоническими составляющими, потребуется источник высокого напряжения порядка 11 кВ, что сопоставимо с потребностями крупного коммерческого или промышленного предприятия. Третья проблема связана с коммутацией батареи и зарядного оборудования. Зарядное оборудование для сверхбыстрой зарядки с его массивными проводниками и изоляцией располагается не на борту электромобиля, а на стационарной зарядной станции. Это обуславливает необходимость международной стандартизации интерфейсов, не только с позиции силовых разъёмов, но и с позиции контрольных сигналов, использующихся для контроля над процессом заряда батареи, который может представлять опасность. 259 Кондуктивная (проводная) зарядка электромобилей Стандарты зарядки электромобилей и подзаряжаемых гибридов разрабатываются Международной электротехнической комиссией (МЭК) или в английском варианте International Electrotechnical Commission (IEC). Основными для кондуктивной зарядки являются стандарты IEC 61851 [138, 139, 140] и IEC 62196 [141, 142, 143]. Стандарт IEC 61851 определяет режимы зарядки, конфигурации подсоединения электромобиля к зарядному оборудованию и ряд специфических требований к таким подсоединениям, в частности требования безопасности. Стандарт IEC 62196 определяет виды используемых разъёмов (розеток и вилок) и методы их испытаний. Зарядка может осуществляться путём прямого или с использованием промежуточного питающего оборудования (англ. electric vehicle supply equipment, EVSE) подсоединения электромобиля к электрическим сетям переменного тока. В этом случае используется бортовое зарядное устройство электромобиля, которое преобразует переменный ток питающего оборудования в постоянный, которым и заряжается тяговая батарея. В этом случае скорость зарядки электромобиля ограничивается либо мощностью бортового зарядного устройства, либо мощностью промежуточного питающего оборудования (что меньше). Для примерного определения времени, необходимого для зарядки конкретного электромобиля от сети переменного тока, следует разделить полезную ёмкость тяговой батареи (в кВт·ч) на мощность зарядного устройства (в кВт). Согласно IEC 61851, возможны три режима зарядки переменным током: «Mode 1» – режим зарядки переменным током от бытовой сети. Соединение не должно превышать зарядный ток более 16 А для однофазного (250 В, мощность 3,7 кВт) и трехфазного (480 В, мощность 11 кВт) подключения. Режим запрещен в США и некоторых других странах из соображений безопасности; «Mode 2» – режим зарядки переменным током от бытовой сети с использованием системы защиты внутри кабеля. Соединение не должно превышать зарядный ток более 32 А для однофазного (250 В, мощность 7,4 кВт) или трехфазного (480 В, мощность 22 кВт) 260 подключения. Кабель объединяет в себе функции управления и мониторинга. Обеспечивает защитные функции обнаружения присутствия земли и остаточного тока, защиты от перегрузки по току и перегрева; «Mode 3» – режим зарядки переменным током с использованием специального питающего оборудования, в котором реализована система защиты и контроля над процессом зарядки электромобиля. Соединение не должно превышать зарядный ток более 63 А для однофазного (250 В, мощность 14,5 кВт) или трехфазного (480 В, мощность 43,5 кВт) подключения. Быстрые виды зарядки требуют специальных источников питания и зарядного оборудования постоянного тока, включающего цепи управления и коммуникации. При зарядке электромобиля от станции постоянного тока, контролем процедуры занимается сама станция, а не бортовое зарядное устройство заряжаемого электромобиля. Станции постоянного тока называют комплексами экспресс-зарядки или станциями быстрой зарядки. В них реализуется режим зарядки «Mode 4», предусматривающий зарядный ток не более 400 А при постоянном напряжении до 600 В (мощность до 240 кВт). В настоящее время большинство станций быстрой зарядки выпускаются на номинальную мощность 50 кВт, однако по мере развития технологий аккумуляторных батарей планируется переход на более мощные станции: 150 кВт к 2020 году и 240 кВт к 2025 году. Наиболее распространёнными коннекторами для подсоединения электромобиля к электросети или питающему оборудованию переменного тока являются: тип 1 − пятиштырьковый разъём американского стандарта SAE J1772-2009 , предназначенный для зарядки от однофазной сети переменного тока 1 ; тип 2 − семиштырьковый разъём немецкого стандарта VDE-AR-E 2623-2-2 , предназначенный для зарядки от 1 Иногда называемый «Yazaki» по наименованию первой фирмы- изготовителя. 261 однофазной и трёхфазной сети переменного тока 1 ( рис. 66); тип 3 − семиштырьковый разъём, продвигаемый Альянсом подключаемых электромобилей 2 (англ. EV Plug Alliance) французско-итальянского происхождения. Встречается довольно редко и вероятнее всего будет вытеснен с рынка. Рис. 66. Пятиштырьковый разъём Типа 1 SAE J1772 (слева) и семиштырьковый разъём Типа 2 VDE-AR-E 2623-2-2 (справа), предназначенные для зарядки электромобиля от сети переменного тока. PE – защитное заземление, CP – управляющая линия, PP (CS) – датчик приближения (контактный датчик), N – нейтраль, L1, L2, L3 – фазы переменного напряжения Для подключения электромобилей к станциям быстрой зарядки постоянного тока используются как универсальные, так и специализированные разъёмы. К универсальным разъёмам относятся разъёмы типа 1 и типа 2, дополненные двумя дополнительными штырьками увеличенного сечения для силовых линий постоянного напряжения, расположенными снизу от разъёма переменного тока в специальной секции. Они называются 1 Иногда называемый «Mennekes» по наименованию первой фирмы- изготовителя. 2 Иногда называемый «Scame» по наименованию первой фирмы- изготовителя. 262 SAE J1772 (Combo 1) и CCS (Combo 2) (англ. combined charging system – объединённая система зарядки). SAE J1772 (Combo 1) используется в Северной Америке, а CCS (Combo 2) – в Европе. Технология CCS поддерживается такими производителями автомобилей, как Audi, BMW, Daimler, Chrysler, Ford, GM, Porsche и Volkswagen. Кроме того, компания Tesla (США) использует разъём типа 2, переключающийся из режима подачи трёхфазного переменного тока (по четырём штырькам – L1, L2, L3 и N) в режим подачи постоянного тока на станциях «Supercharger» по этим же штырькам, но в спаренном варианте (штырьки L1 и L2 используются для подключения положительного полюса, а штырьки L3 и N – для отрицательного). К специализированным разъёмам относятся: тип 4 − 10-штырьковый разъём стандарта JEVS G105-1993 (англ. Japan electric vehicle standard – Японский стандарт электромобилей), более известный под торговой маркой CHAdeMO 1 ( рис. 67). Основными её сторонниками являются японские автопроизводители, включая Toyota, Nissan, Mitsubishi, и японские промышленные гиганты, такие как Fuji Heavy Industries ltd. и Tokyo Electric Power Co; |