Свинцово кислотные аккумуляторы для электромобиля

Основные свойства аккумуляторных электромобилей.

Под термином «электромобиль» имеется в виду автомобиль, у которого вся или часть энергии для работы тягового привода создается химическим источником тока — аккумуляторной батареей. Аккумуляторные электромобили являются давно известными и единственными, находящими практическое применение. Однако использование их до сих пор весьма ограничено. Наиболее польоко электромобили применяются в Англии, где численность их парка составляет 30 тыс. шт.

Столь незначительное использование аккумуляторных электромобилей объясняется наличием у них существенного недостатка — ограниченного запаса хода. Следует иметь в виду, что понятие «ограниченный запас хода» нельзя понимать буквально, как невозможность обеспечить на аккумуляторах с ограниченной энергоемкостью довольно значительных величин пробега автомобиля. Запас хода может быть существенно увеличен за счет применения более энергоемких аккумуляторов или за счет специальной конструкции электромобиля. Конструктивное ограничение запаса хода тем более существенно, что электромобиль не может так же быстро, как автомобиль, заправляться топливом, осуществлять заряд аккумуляторной батареи: чтобы полностью зарядить разряженные аккумуляторы, обычно требуется около 9—10 ч.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

В настоящее время разрабатываются методы ускоренного подзаряда аккумуляторных батарей, которые позволяют за 1 ч увеличить емкость разряженной батареи до 80 %. При этом пока что не установлено влияние ускоренных зарядов на срок службы аккумуляторов. Однако если ускоренный заряд и не будет оказывать вредного влияния на срок службы, все же осуществление в процессе эксплуатации регулярных подзарядов в течение часа и более возможно только на отдельных маршрутах, где по технологии перевозок имеются длительные простои транспортного средства в заранее известных местах, которые могут быть оборудованы подзарядными пунктами.

Очевидно также, что в перспективе по мере увеличения запаса хода электромобилей значение смены аккумуляторов в течение рабочего дня будет уменьшаться. Поэтому замену и подзаряд аккумуляторных батарей электромобилей следует рассматривать как дополнительные мероприятия, обеспечивающие возможность применения электромобилей с ограниченным запасом хода на ряде отдельных видов перевозок и маршрутов, позволяющих осуществлять эти мероприятия без ущерба экономике.

Таким образом, ограничение по технико-экономическим соображениям запаса хода аккумуляторных электромобилей является основным фактором, определяющим возможности их практического применения: в большинстве случаев аккумуляторные электромобили будут использоваться (как и в настоящее время) на тех маршрутах и видах перевозок, где суточный пробег (по технологии перевозок) не превышает запаса хода электромобиля.

Экологическая эффективность электромобилей. В последние 15—20 лет перед человечеством встал ряд серьезных проблем, связанных с загрязнением атмосферного воздуха. В настоящее время совершенно определенно установлено, что проблема уменьшения загрязнения атмосферного воздуха требует принятия действенных мер в отдельных районах и в большинстве крупных городов мира. Это обусловлено тем, что в результате человеческой деятельности в атмосферу выбрасываются вредные для окружающей среды и часто ядовитые для людей вещества. Эти вещества не успевают рассеиваться, и происходит местное устойчивое повышение их содержания в воздухе. По количеству и вредному влиянию намного опережают все другие выбросы следующие: оксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, углеводороды и твердые частицы.

Как видно из таблицы, на автомобильный транспорт приходится значительная часть основных вредных выбросов: оксида углерода — около 75 , углеводородов — около 35 , оксидов азота — около 30%. Приведенные выше цифры по доле автомобильного транспорта в загрязнении атмосферы являются достаточно высокими, хотя относятся они ко всей стране.

В крупнейших городах мира загрязнение атмосферного воздуха оксидом углерода практически полностью определяется автомобильным транспортом При движении аккумуляторного электромобиля не происходит загрязнения атмосферы вредными веществами. Однако отметим, что в процессе заряда современных аккумуляторов в воздушный бассейн поступает ряд вредных веществ. Если учесть, что в настоящее время начинают применяться герметичные стартерные и тяговые аккумуляторы, вопрос выброса вредных веществ в результате эксплуатации аккумуляторных батарей является несущественным.

Научное и практическое значение имеет учет загрязнения атмосферы тепловыми электростанциями, которое будет возрастать при увеличении ими выработки электрической энергии для автомобилей. Поэтому оценка экологической эффективности состоит прежде всего в определении и сопоставлении количества вредных веществ, выбрасываемых в процессе эксплуатации автомобилем и электромобилем. При этом на современном этапе развития знаний, вероятно, целесообразно ограничиться рассмотрением только основных видов загрязнений (оксида углерода, углевородоров, оксидов азота и оксидов серы), так как другие выбросы от автомобилей и электромобилей имеют гораздо меньшее значение.

Во всех технически развитых странах, в том числе и в СССР , для оценки количества вредных веществ, выбрасываемых автомобилями, применяется экспериментальное значение пробегового выброса. Учет только про-бегового выброса позволяет определить «условный выброс». Для расчета фактических (реальных) выбросов необходима корректировка значений пробеговых выбросов с учетом выброса вредных веществ с картерными газами и испарениями топлива, с учетом различных климатических условий, условий движения, технического состояния автомобилей.

Средние расчетные данные по загрязнению воздушного бассейна различными типами автомобилей и аккумуляторных электромобилей приведены в табл. 10.3. Аккумуляторные электромобили выбрасывают в атмосферу примерно в 10—12 раз меньше вредных веществ. Однако такое сопоставление является не совсем правильным, поскольку выбрасываемые автомобилем вредные вещества ни по составу, ни по непосредственному воздействию на население города не сопоставимы с выбросами электростанций, на которых будет производиться выработка энергии для электромобилей. Поэтому сопоставимость электромобиля и автомобиля (влияние на окружающую среду) может быть обеспечена только с учетом различия экономических ущербов от вредного воздействия на окружающую среду рассматриваемых вариантов.

В качестве примера укажем на опыт США : стоимость всех расходов на уменьшение загрязнения атмосферы в этой стране составила в 1975—1978 гг. около 42 млрд. долл., в том числе около 30 млрд. долл. на уменьшение загрязнения от автотранспорта. Однако, несмотря на столь большие затраты, удалось только замедлить рост количества выбросов вредных веществ.

Аккумуляторные батареи. Для электромобилей могут использоваться различные типы аккумуляторов (табл. 10.4). Однако практически применяются лишь свинцовые и никель-железные. Наибольшее применение на электромобилях находят свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. По конструкции пластин (главным образом положительных) свинцовые тяговые аккумуляторы делятся на намазные и панцирные. Намазные пластины используются в аккумуляторах для стартерных батарей обычных автомобилей. Поэтому их конструкция достаточно хорошо известна. Основным недостатком аккумуляторных батарей с намазными пластинами является относительно небольшой срок службы (до 500 циклов), обуславливаемый разрушением и выпадением активной массы из положительных электродов.

Гораздо более высоким сроком службы обладают панцирные тяговые свинцово-кислотные аккумуляторы, имеющие панцирный трубчатый положительный электрод и намазной отрицательный электрод. Трубчатый панцирь, изготовленный из синтетических материалов, позволяет значительно уменьшить выпадение активной массы из положительных электродов и тем самым увеличить срок службы до 1600—1800 циклов. Панцирный электрод состоит из ряда пористых или снабженных узкими прорезями трубок, внутри которых заключена активная масса. Токоведущая основа такого электрода имеет ряд вертикальных параллельных стержней из коррозионно-стойкого свинцово-сурьмянистого сплава, отлитых заодно с верхней кромкой токоотвода и припаиваемых к нижней кромке токоотвода после заполнения трубочек активной массой. В современных моделях нижняя свинцовая кромка заменена литой пластмассовой планкой. Нижние концы стержней впрессовываются в эту планку.

Каждый стержень представляет собой как бы сердечник карандаша, состоящего из активной массы, заключенной в панцирь. Благодаря пористости или прорезям в панцире обеспечивается свободный доступ электролита к активной массе. Одновременно панцирь предохраняет активную массу от вымывания. В крайних трубках токоотводов наружные стороны панциря в целях усиления делаются сплошными.

Сама конструкция панциря и материалы, из которых он изготовляется, весьма разнообразны. Сепараторы современных свинцовых аккумуляторов изготовляются преимущественно на основе поливинилхлорида или стекловолокна. Применяются также сепараторы на основе полиэтилена и различных сополимеров. Моноблоки и крышки современных свинцовых аккумуляторов изготовляются в основном из полипропилена, хотя отдельные разработчики признают преимущества сополимера пропилена с этиленом, обладающего очень хорошей механической прочностью.

Раньше для тяги выпускали отдельные аккумуляторы, которые затем собирали в батарею. В последние годы большое количество работ направлено на усовершенствование моноблочной конструкции свинцовых батарей, позволяющих повысить удельные массовые параметры.

Наряду со свинцово-кислотными аккумуляторами некоторое применение на электромобилях находят также щелочные никель-железные аккумуляторы. Кроме свинцовых и никель-железных аккумуляторов, в последнее время на опытных электромобилях применялись и другие типы. Однако из них промышленное производство имеют только никель-кадмиевые и серебряно-цинковые аккумуляторы, которые ввиду высокой стоимости и дефицитности применяемых материалов оказались для электромобилей неперспективны.

Анализ себестоимости производства аккумуляторов показывает, что в себестоимости современных свинцовых батарей удельный вес стоимости свинца составляет 49— 55%, а в себестоимости никель-железных аккумуляторов стоимость никеля составляет 33—37% плюс 12—16%; приходящихся на стоимость углеродистой стали. Таким образом, стоимость активных материалов электродов составляет примерно 50% полной стоимости аккумулятора. Поскольку стоимость активных материалов электродов до некоторой степени позволяет судить о возможной стоимости аккумуляторов различных систем, то представляет интерес, исходя из возможных параметров различных элементов, сравнить удельную стоимость (на 1 кВт-ч энергоемкости) различных активных материалов электродов.

Серийно выпускаемые отечественной промышленностью аккумуляторы имеют следующую удельную стоимость (руб/кВт-ч): свинцово-кислотные стартерные батареи 22—32, щелочные тяговые никель-железные аккумуляторы 30—45. Удельная стоимость зависит от емкости аккумуляторов; с увеличением емкости удельная стоимость уменьшается.

Большое количество опытных разработок электромобилей при практическом отсутствии серийного их производства привело к тому, что до сих пор важнейшие параметры, в первую очередь напряжение, и конструктивные схемы построения аккумуляторных батарей электромобилей не стандартизованы.

Дальнейшее развитие электромобилей требует прежде всего стандартизации ряда напряжений аккумуляторных батарей, без чего невозможно создание разветвленной сети станций по заряду и подзаряду аккумуляторных батарей электромобилей. Международной электротехнической комиссией ( МЭК ) создан технический комитет «Электромобили», который рекомендует следующий ряд напряжений аккумуляторных батарей для электромобилей: 48, 60, 120, 240 и 360 В.

В настоящее время аккумуляторная батарея электромобиля часто представляет собой сложный энергетический комплекс, обеспечивающий целый ряд эксплуатационных преимуществ: простоту обслуживания (вплоть до полного исключения операции доливки электролита), увеличение срока службы путем применения приборов контроля степени разряда, обеспечения оптимального температурного режима работы батареи и т. д. Широкое применение на электромобильных батареях нашла централизованная (часто автоматическая) доливка электролита. Примером современного решения является батарея фирмы «Варта» ( ФРГ ), созданная для электробуса. Батарея имеет комплексную систему, улавливающую пары и газы. Пары воды конденсируются и возвращаются в аккумуляторы. Газы с помощью катализатора также превращаются в воду и возвращаются в аккумуляторы. Поэтому аккумуляторы совершенно герметичны, и благодаря этому появилась возможность использовать медь для межаккумуляторных соединений, что уменьшает внутренее сопротивление батарей и соответственно увеличивает их полезную энергоемкость. Аккумуляторы батареи охлаждаются водой.

Вопросу поддержания температурного режима тяговой батареи уделяется все большее внимание. Помимо водяного охлаждения, применяется воздушное принудительное охлаждение.

Источник

Какие аккумуляторы используются в современных электромобилях

Электромобиль является наиболее современным транспортным средством, и автолюбители все больше пересаживаются на них во многих странах мира. Уже около миллиона человек по всему миру активно пользуются электрокарами, ведь в отличие от традиционных автомобилей, работающих на сжигаемом топливе, электрокар более экономичен в эксплуатации и в целом более практичен.

Тем не менее, при смене транспортного средства на электрическое, у водителя неизбежно возникают вопросы касательно обслуживания, ремонта, стоимости аккумуляторов и т. д. Несмотря на все эти вопросы, оказывается, что электромобили в конечном счете все равно обладают рядом преимуществ перед обычными автомобилями. И в данной статье мы поговорим конкретно об аккумуляторах для электрокаров.

Итак, электрокары — это автомобили, которые для своей езды используют электрическую энергию, запасаемую в аккумуляторе. Данная технология позволяет сделать электромобиль вдвое дешевле в эксплуатации, по сравнению с автомобилем на бензине, а также более маневренным на дороге. Уже сегодня существует несколько типов аккумуляторов для электрокаров: литий-ионные, литий-серные, алюминий-ионные и металл-воздушные.

В случае необходимости любой аккумулятор может быть заменен, для этого достаточно загнать электрокар в специализированный автосервис. Мастер правильно подключит все разъемы, наладит соединение батареи с бортовым компьютером, сделает соответствующие программные настройки, которые позволят электрической машине работать как прежде. Что касается «заправки» электричеством, то сегодня в мире уже функционируют зарядные станции для электрокаров мощностью 350 кВт.

Литиевые аккумуляторы

На сегодняшний день наиболее востребованы аккумуляторы для электрокаров двух типов: литий-ионные и металл-воздушные. Они не требуют обслуживания в течение года, и зачастую эксплуатация электрокара оказывается с ними бесперебойной и продолжительной.

Безусловно, литий-ионные батареи — самый часто устанавливаемый вариант аккумуляторов, просто в силу ряда явных достоинств: достаточно высокая плотность энергии, высокое напряжение, низкий саморазряд (максимум 20% в год и 6% в месяц), отсутствие эффекта памяти, срок эксплуатации — до 10 лет.

Стоят такие аккумуляторы недешево, и позволить их себе может отнюдь не каждый автолюбитель (зависит, кроме прочего от марки авто). Есть конечно и другие недостатки: диапазон рабочих температур от -20 до +50 °С обуславливает опасность перегрева батареи, плюс незащищенность от избыточного заряда.

Металл-воздушные аккумуляторы

Металл-воздушные аккумуляторы появились на рынке не так давно, но уже пользуются неплохим спросом у любителей электрокаров. На данный момент можно утверждать, что такие батареи достаточно износостойки и качественны. Кроме того они компактны, мало весят, недороги, легко утилизируются, при этом обеспечивают транспортному средству оптимальный пробег. К недостаткам можно отнести: внезапную остановку, необходимость качественного фильтра, чувствительность к низким температурам.

Литий-серные аккумуляторы

Литий-серные аккумуляторы для электрокаров относятся к малообслуживаемым батареям, однако выдерживают они всего до 60 циклов заряда-разряда. Технология дорабатывается, совершенствуется, чтобы сделать литий-серные аккумуляторы более эффективными, и вообще считается весьма перспективной.

Многие фирмы работают над аккумуляторами данного типа, и обещают уже к 2020 году достичь существенного прогресса. АКБ на данной основе обладают повышенной емкостью и более широким диапазоном рабочих температур, по сравнению с литий-ионными батареями. Главное препятствие, которое необходимо сейчас преодолеть — малое количество циклов заряда-разряда.

Алюминий-ионные аккумуляторы

Менее всего пользователями электрокаров востребованы алюминий-ионные аккумуляторы, поскольку они пока имеют мало циклов заряда-разряда и слабую производительность катодов. Соответственно и спрос на них минимален. Сейчас китайские разработчики пытаются усовершенствовать алюминий-ионные аккумуляторы, и есть основания предполагать, что в будущем они станут использоваться более активно. Алюминий-ионные аккумуляторы считаются более безопасными и обещают быть более дешевыми.

В электрокаре, как правило, для питания бортовой сети используется отдельный аккумулятор. Тяговый аккумулятор служит только для питания электродвигателя, поэтому именно к тяговому аккумулятору предъявляются более жесткие требования касательно мощности и стойкости, ведь именно благодаря ему и питаемому от него электрическому приводу электромобили такие маневренные по сравнению с бензиновыми.

Лучшие технологии аккумуляторов для электрокаров

Питание электрического мотора в электрокаре должно всегда быть обеспечено на самом высоком уровне, поэтому в технологии создания батарей всегда идут усовершенствования. Большие надежды сейчас возложены на графен — особую форму углерода. Он недорог в производстве, и батарея с ним получается в четыре раза дешевле чем литиевая.

Многие страны уже занимаются изготовлением тяговых батарей на основе графена. В теории зарядка на 1000 километров пробега будет занимать всего около 8 минут. В ближайшем будущем графеновые аккумуляторы однозначно заявят о себе на практике, тем более в Германии электрокары на них уже с успехом тестируют.

Аккумуляторы для электрокаров сегодня

Пока большинство аккумуляторов, установленных в электрокарах, — литий-ионные, железо-фосфатные и свинцово-кислотные. Аккумуляторы любого типа набираются в виде ячеек, соединяемых параллельно и последовательно в огромные сборки требуемой емкости.

Поскольку электрокары различаются между собой по мощности, то и батареи у них не одинаковы, то есть состоят из разного количества ячеек. У некоторых моделей напряжение тягового аккумулятора составляет менее 400 вольт, у других — 800.

Новая батарея рассчитана на продолжительный период эксплуатации, и ее полного заряда хватает на максимальный пробег, но со временем аккумулятор изнашивается и нуждается в замене. А в случае повреждения части ячеек, модульная конструкция аккумулятора позволяет его ремонтировать.

И тут важно понимать, что подбор новой батареи, в случае истощения имеющийся, производится индивидуально, соответствующим образом программируется и бортовой компьютер. Причем и ремонтом и заменой батареи занимается мастер, имеющий профильное образование.

Изначально ресурс тяговой батареи электрокара ограничен заявленным производителем сроком ее эксплуатации, это обычно от 5 до 10 лет, в зависимости от модели изделия. Со временем емкость среднестатистической батареи снижается: в первые пару лет она теряет до 10% емкости, далее — до 20% за три года, а потом — по 1% в год. Так или иначе, в определенный момент батарею неизбежно придется менять. Но иметь запасной аккумулятор под рукой много лет не нужно.

Б/У аккумуляторы от электрокаров не выбрасывают. Их часто устраивают в системы автономных домашних систем электроснабжения на солнечных батареях, что весьма практично. Если же батарея больше не нужна, ее следует правильно и безопасно для окружающей среды утилизировать, обычно этим занимаются сами производители аккумуляторов.

Источник