Тема: Современные аккумуляторы, которые используются в электромобилях, и система заряда аккумуляторов.
Исполнитель: Морозова Дарья Алексеевна, студентка группы 941об
Руководитель - Русинов В.Л., руководитель СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация"
1. Типы аккумуляторных батарей для электромобилей
В современном производстве электромобилей, чаще всего используют литий-ионные батареи. Средний период эксплуатации таких аккумуляторов составляет порядка 8 лет, что подтверждают сами производители АКБ.
Определяющей характеристикой для литий-ионных батарей, является возраст и число циклов зарядов батареи, то есть сколько раз данную батарею можно заряжать в период эксплуатации. Среднее число полных «зарядок» современных аккумуляторных батарей для электромобилей составляет несколько тысяч циклов.
Кроме этого, важную роль играет корректная эксплуатация АКБ, которая включает:
• правильную зарядку и разрядку батареи;
• разумную эксплуатацию в зимний период;
• грамотный расчет производительности;
• температурный режим использования;
• использование ПО для определения состояния батарей, к примеру Leaf Spy Pro, которая показывает, какие ячейки аккумуляторов Nissan Leaf битые, а какие живые.
Большинство литий-ионных аккумуляторов работает на графитных электродах кобальтов лития с напряжением в 36В и продуцируемой мощностью 15 кВт. Также существуют литиевые источники питания, которые различаются по внутренним компонентам на такие типы:
1. Никель-кобальт-марганцевые. Использование кобальта, который немного дороже марганца увеличивает термин эксплуатации батареи. Небольшим недостатком батарей, считается их чувствительность к высоким температурам.
2. Никель-кобальт-алюминиевые. По своим параметрам схожи с п.1, но дешевле благодаря замене дорого марганца, алюминием.
3. На основе сплава фосфат железа. Надежные и стабильные в эксплуатации, однако аккумуляторов такого типа требуется больше, поскольку они функционируют на пониженном напряжении.
Предпочтение отдается литий-ионным источникам питания, ввиду их большей емкости и отдачи энергии. Именно они позиционируются, как главный тип аккумуляторных батарей для электромобилей.
Рис.1 - Аккумуляторная батарея Chevrolet Bolt EV
2. Обслуживание и замена аккумуляторных батарей электромобиля
Разумеется, заменить аккумуляторную батарею можно на любом электромобиле. Однако, это далеко не так просто, как сменить батарейки в пульте ДУ. Замена аккумуляторной батареи в электрокаре скорее напоминает установку компьютерного оборудования, когда кроме подключения «девайса» по разъемам и шлейфам, необходимо установить еще и различные драйвера. Тоже происходит и здесь, после установки аккумуляторной батареи она должна пройти согласование и регистрацию с помощью программы бортового компьютера. Поэтому быстро снять аккумулятор с одного авто и установить на другой не выйдет. Процедура требует определенного обслуживания.
Замена аккумулятора электрокара производится в случае падения его емкости, из-за чего существенно сокращается запас хода и как результат эффективность использования электромобиля.
Рис.2 - Аккумуляторная батарея самого популярного электромобиля в Украине Nissan Leaf
Механические повреждения АКБ электромобилей, если не учитывать ДТП, довольно редкое явление, которое требует индивидуального решения от замены аккумулятора до полной реорганизации системы.
Современные АКБ электромобилей можно менять блоками, то есть только «битые» ячейки, которые перестали работать. Это существенно удешевляет эксплуатацию электромобилей и упрощает ремонт системы.
Что касается расчета емкости аккумуляторных батарей, то серьезно задумываться над их заменой нужно только после 8 лет эксплуатации, когда запас хода начинает уменьшаться на 20-30% ежегодно. До этого процесс «старения» и уменьшения емкости батарей меняется в зависимости от индивидуальных особенностей модели, а также придерживания правил корректной эксплуатации. Таким образом, даже с б/у аккумулятором, самый популярный в Украине электрокар Nissan Leaf способен проезжать 100-120 километров от начальных 160.
Рис.3 - Ячейки аккумуляторных батарей BMW
3. Как падает емкость аккумулятора электромобиля спустя несколько лет?
В большинстве своем в батареях используется литий-марганцевый катод, который, собственно, и обеспечивает весь функционал батареи, однако он является чувствительным к теплу и отличается ускоренным разрушением и потерей мощности при увеличивающейся температуре.
Существует два источника потери емкости аккумулятора: календарная и эксплуатационная.
Календарная потеря емкости -- это потеря с течением времени, а эксплуатационная связана с зарядкой и разрядкой аккумулятора. Эксплуатационные потери зависят от максимального уровня заряда и от глубины разряда, разница между которыми представляет собой процент от общего диапазона мощности, который используется во время цикла.
Технически срок службы батареи состоит их четырех переменных:
• средняя температура;
• стандартное отклонение температуры;
• среднее состояние заряда;
• стандартное отклонение заряда.
Согласно этим критериям кривая потери емкости аккумуляторных батарей с течением времени выглядит следующим образом:
Рис.4 - Кривая потери емкости аккумуляторных батарей с течением времени
Например, наиболее оптимальным режимом зарядки батареи Nissan Leaf, в соответствии указанных переменных будет: первые 150 циклов - 6 кВт (8,2 л.с.), последующие циклы 10-12 кВт(13,6-16,3 л.с.). Это лучший из вариантов, который минимизирует прежде всего эксплуатационные потери мощности.
4. Время и способ зарядки аккумуляторных батарей электромобилей
Рис.5 - Классификация зарядных устройств (стандарты Европы)
На сегодняшний день существует 4 способа зарядки электрокаров:
1) От обычной розетки 220 В
Самый простой и доступный абсолютно для всех способ -- зарядка от бытовой «домашней» розетки с напряжением 220 В. В данном случае нужен лишь соответствующий кабель, который обычно прилагается к любому автомобилю и преобразует переменный ток сети в постоянный, нужный для батареи. На одном его конце -- стандартная вилка, а на другом -- разъем, который подходит для данного электрокара. Помимо этого кабель оборудуется так называемым защитным блоком, который отслеживает температуру проводов и напряжение, что защищает электромобиль и дом от таких неприятностей, как перегрев (и возможное возгорание) или короткое замыкание.
Рис.6 - Зарядка электромобиля от розетки 220 В
Обратная сторона этого простейшего способа -- низкая скорость зарядки и, соответственно, большие затраты времени. Российские электросети обычно не балуют конечных потребителей высокой силой тока, поэтому для того, чтобы зарядить до конца, например, аккумулятор на 60 кВт⋅ч (а такая емкость нынче доступна почти для всех электромобилей), скорее всего, потребуются целые сутки. В то же время столь медленный способ является самым щадящим для батареи и повышающим срок ее службы.
Чем больше сила тока и скорость зарядки, тем за меньшее количество циклов вы «убьете» аккумулятор своего электромобиля.
2) От электросети с напряжением 380 В
Обладателям 380-вольтовой домашней сети повезло больше, потому что они смогут значительно сократить время зарядки аккумулятора. Однако стандартным кабелем, преобразующим переменный ток в постоянный, здесь уже не обойтись. Для пополнения запаса батареи от 380 В необходимо иметь стационарное зарядное устройство, которое подключается к электросети по одному из двух возможных вариантов -- однофазной или трехфазной схеме. К тому же для установки такой станции, как правило, необходимо получать разрешение местных электросетей.
Именно трехфазный вариант является наиболее предпочтительным и быстрым, ведь в данном случае вместо одной «линии» появляются три, что позволяет увеличить мощность зарядки с 7,5 кВт до 43 кВт при максимальной силе тока в 63 А. А это значит, что та же батарея на 60 кВт⋅ч зарядится полностью меньше чем за два часа! Правда, такой силы тока в России днем с огнем не сыскать, поэтому и время зарядки увеличится пропорционально. В любом случае 380-вольтовая сеть позволяет пополнить запасы электричества с гораздо большей скоростью.
3) От быстрых зарядных станций с постоянным током
Рис.7 - Зарядка электромобиля от быстрых зарядных станций с постоянным током
Зарядка постоянным током на специальных станциях является самым мощным и быстрым вариантом. Сила тока в таких установках доходит до 125 А, напряжение -- до 500 В, а мощность -- до 65 кВт. Правда, для подключения к такого рода станциям необходим специальный провод с разъемом типа CHAdeMO. К тому же, частое использование быстрых зарядных станций сильно сокращает срок службы аккумулятора.
4) От беспроводной зарядки
Беспроводные зарядки -- пока еще не очень распространенные устройства, которые к тому же требуют оснащения электромобиля специальным оборудованием и не способны предоставить такую мощность, как, например, Tesla Supercharger. Зато полностью освобождают вас от проблем с проводами и разъемами.
Рис.8 - Зарядка электромобиля от беспроводной зарядки
Как и беспроводные зарядки для смартфонов, эти тоже основаны на принципе магнитной индукции. Базовая станция монтируется на специальной парковке (или в собственном гараже), а приемник устанавливается под днище электрокара. В настоящее время с таким видом зарядных устройств экспериментирует огромное количество компаний, таких как «профильные» Plugless, WiTricity, Evatran, автомобильные BMW, Volvo, а также и другие, имеющие в своей модельной линейке электромобили.
Но самое интересное применение этой технологии -- в возможности заряжать «электрички» на ходу. В ряде стран, в частности в Великобритании, строят экспериментальные трассы со специальными полосами для безостановочной зарядки.
5. Стоимость аккумуляторных батарей для электромобилей, производители и перспективы рынка
На текущий момент, если ориентироваться на электрокар Nissan Leaf и на главный эталон отрасли Tesla Model S, то первый оснащается батареями собственного производства, а основным поставщиком аккумуляторных батарей для Tesla является компания Panasonic, также стоит отметить батареи производства LG, которыми оснащается популярный Chevrolet Bolt.
Работают над улучшением аккумуляторов и другие автопроизводители, к примеру, недавно новую твердотельную батарею с запасом хода 800 км разработала компания Fisker, а корейский концерн Samsung представил на Франкфуртском автосалоне свои многофункциональные аккумуляторные батареи.
В число других востребованных производителей аккумуляторных батарей для электромобилей входят швейцарская компания MES DEA, Beta Research&Development Ltd из Британии, греческая фирма Sunlight, немецкая VARTA. Особого внимания заслуживает анонсированный на 2018 год запуск крупнейшего в мире завода по производству аккумуляторных батарей от компании TESLA.
Также, пока еще на уровне стартапов существует несколько компаний, которые работают над усовершенствованием АКБ для электромобилей. Серьезные успехи в этом направлении демонстрируют:
• британская компания SuperCapacitor Materials -- занятая разработкой конденсаторов способных заменить традиционные аккумуляторы;
• компания Phinergy -- разрабатывающая прототип металло-воздушного аккумулятора;
• стартап из Австрии Kreisel Electric -- занятый оптимизацией и улучшением эргономики АКБ.
Так что в ближайшем будущем мы можем вполне можем рассчитывать на кардинальное изменение аккумуляторных систем электромобилей и их способа подзарядки.
6. Что делать с использованным аккумулятором?
Видятся разные перспективы, одна из которых утилизация АКБ. Но тут возникает вопрос: утилизация -- это фактическое уничтожение дорогостоящего комплектующего, которое уже не годится для электромобиля, но еще вполне подлежит использованию в менее требовательной сфере, как же можно еще использовать оставшийся ресурс батарей?
Ведущие производители электрокаров предлагают первоначальную альтернативу утилизации: использование подержанных АКБ в бытовых системах накопления энергии от альтернативных источников. То есть использовать бывшие батареи электромобилей в качестве аккумуляторов для накопления энергии, вырабатываемой солнечными батареями и ветряными генераторами. К слову, идея не нова, ведь Tesla давно производит комплексы АКБ никак не связанные с электрокарами, а выпускаемые для альтернативной энергии солнечных панелей.
Еще одним вариантом, который уже начали воплощать некоторые компании -- это строительство заводов для хранения, переработки и ремонта бывших в употреблении аккумуляторов, пока такой проект реализован концерном BMW, но в скором времени ожидается открытие подобного предприятия компании Renault.
7. Расчет и подбор электродвигателя
Первоначально на электромобилях применялись обычные электродвигатели постоянного или переменного тока. Т.е. электродвигатели общепромышленного применения. В последнее время всё чаще применяются электродвигатели специально разработанные для электротранспорта. К ним предъявляются требования высокой экономичности с сохранением тяговых характеристик в широком диапазоне скоростей, способность выдерживать перегрузки и загрязнения, упрощенный способ обслуживания.
Используются трехфазные электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором, управляемые контроллером путем изменения частоты. Они практически не требуют обслуживания. КПД таких электродвигателей сильно зависит от оборотов и может меняться от 82 до 97%. К преимуществам можно отнести возможность переключения с «звезды» на «треугольник». При включении по схеме «звезда» электродвигатель имеет более высокий крутящий момент на валу и может применяться при трогании или тяжелых условиях эксплуатации. Переключение на схему «треугольник» увеличивает скорость вращения вала электродвигателя, что может быть применено при разгоне или движении на шоссе.
Издавна применяются электродвигатели постоянного тока. Обороты такого двигателя зависят от напряжения питания, что упрощает способ управления им. Электродвигатели с последовательным возбуждением имеют хорошие тягово-скоростные характеристики. Но их КПД несколько ниже чем у электродвигателей переменного тока, конструкция сложней, нуждаются в периодическом обслуживании , более чувствительны к перегрузкам, максимальные обороты несколько ниже. На электромобилях с двигателями постоянного тока (ДПТ) обычно применяют многоскоростные коробки передач (КПП).
У двигателей последовательного возбуждения статорная и роторная обмотки соединены последовательно. При трогании у таких двигателей момент на валу максимальный, но с набором оборотов за счет ЭДС возникающей в обмотке возбуждения момент несколько уменьшается. Поэтому час то используют электродвигатели постоянного тока со смешанным включением обмоток возбуждения. Такие двигатели имеют две обмотки возбуждения -последовательную и параллельную.
Эффективность электродвигателей постоянного тока увеличивается при замене статорной обмотки возбуждения на постоянные магниты. Наибольшее распространение они получили после изобретения неодимовых магнитов.
Применение постоянных магнитов в электродвигателях вызвало появление бесколлекторных электродвигателей. Постоянные магниты располагаются на роторе. Статор снабжается несколькими секциями обмотки. Это обычно три или четыре обмотки.
Электронный коммутатор подключает питание к одной из обмоток, получается бегущее электрическое поле. Ротор снабжается датчиками положения для определения его положения и соответственно своевременного переключения статорных обмоток. Такой электродвигатель проще, но усложнение контроллера делает его в целом дороже обычных коллекторных. Чаще его применяют для размещения в колесе (мотор-колесо). При этом магниты располагаются на ободе, обмотки на неподвижной ступице.
В последнее время за такими двигателями закрепилось название вентильных (ВД). Это в том числе и синхронные электродвигатели переменного тока с электромагнитным возбуждением от вентильного источника тока с контролем положения ротора специальными датчиками. Применяются чаще всего для скоростного транспорта, спортивных электромобилей, вращения тягового винта летательных аппаратов и снегоходов. КПД достигает величины 90% и выше. В то время как коллекторные электродвигатели могут иметь КПД менее 80%, а серийные асинхронные электродвигатели имеют максимум 87.5%. Таким образом вентильные электродвигатели имеют две модификации: питаемые
переменным током и постоянным током.
Исходя из поставленной задачи получить в результате проектирования максимально экономичный проект в плане реализации выбираем для будущего электромобиля коллекторный электродвигатель постоянного тока (ДПТ), не требующий сложной системы управления, доступный для приобретения и применения для движения по городу.
Для расчета мощности электродвигателя зададимся исходными данными электромобиля (автомобиль ОКА, ВАЗ-1113) : полная масса - 1000 кг., коэффициент трения качения по асфальту - 0.018, коэффициент обтекаемости кузова - 0.32 , площадь лобового сопротивления - 1.8 кв.м., максимальная скорость движения 60 км/час.
Требуемая мощность электродвигателя автомобиля:
N= g * Fтр * m * V + Сx * S * V² + g * m * sinα , (1)
где g - ускорение свободного падения; Fтр - трение качения по асфальту; m - полная масса транспортного средства; V - скорость движения, максимальная; Cx - коэффициент обтекаемости, мидель; S - лобовая площадь кузова; α - угол наклона дорожного полотна.
Применив указанную формулу для нашего случая, имеем:
N = 9.8 * 0.018 * 1000 * 16.6 + 0.32 * 1.8 * (16.6)² + 9.8 * 1000 * sin15 = 2928.24+158.72+2548 = 5634.96 Вт = 7,6 л.с.
Для движения электромобиля по асфальту со скоростью до 60 км/час и допустимых подъемах 15% дорожного полотна необходима мощность на колесах 5.7 кВт (7,7 л.с).
Необходимо учесть КПД узлов электромобиля. КПД двигателя 0.8, КПД редуктора главной передачи 0.9, КПД контроллера с потерями на проводах и контакторах - 0.9.
Итоговый КПД кинематики электромобиля имеем:
КПД = 0.8 * 0.9 * 0.9 = 0.65
Реальная необходимая мощность электродвигателя
Nп = 3586,96 / 0.65 = 8669.16 Вт = 11,8 л.с.
Выбираем электродвигатель с мощностью не менее 8,6 кВт (11,8 л.с.). Из предлагаемых изготовителями электродвигателей и доступных на российском рынке наиболее лучше подходит электродвигатель компании Балканкар ЕС 10/7.5/28 мощностью 10 кВт (13,6 л.с.), применяемый на электрокарах в качестве привода масляного насоса гидравлики.
Определим место положения электродвигателя в трансмиссии электромобиля.
Может быть несколько вариантов применения электродвигателя:
- двигатель подключается непосредственно к ведущему колесу;
- двигатель подключается к осевому дифференциалу ведущего моста;
- двигатель подключается к первичному валу коробки перемены передач.
Каждый из вариантов имеет свои преимущества и недостатки. Подключение электродвигателя непосредственно к колесу упрощает конструкцию трансмиссии, но требует подбора тихоходного электродвигателя, требует запаса мощности для обеспечения резкого старта. Подключение электродвигателя к осевому дифференциалу не полностью решает проблему запаса мощности для осуществления быстрого старта. Несколько увеличивает массу трансмиссии по сравнению с предыдущим вариантом, но позволяет использовать более распространенные типы двигателей. Третий вариант - использование коробки перемены передач полностью решает задачу трогания электромобиля с места, что позволяет использовать менее мощные электродвигатели, позволяет применять электромобиль для движения по пресеченной местности на низких скоростях. Значительно увеличивается масса трансмиссии за счет применения коробки передач, дифференциала моста и других деталей. Расширяет диапазон выбора электродвигателей.
В связи с тем, что мы остановились на выборе серийного автомобиля для конвертации в электромобиль, последний вариант наиболее предпочтителен. В нем уже существуют все узлы трансмиссии для подключения электродвигателя. Остается только изготовить переходную план-шайбу и подвижную муфту соединения валов двигателя и КПП, а также дополнительный крепежный элемент с опорной подушкой для крепления двигателя к кузову электромобиля. Это наиболее оптимальный вариант для минимизации затрат на изготовление электромобиля.
8. Масштабы распространения.
По статистике, в 2017 году рынок рассматриваемых авто вырос на 60%. На данный момент динамика сохраняется и в перспективе этот процесс станет еще более массовым. По всему миру в 2017 году было продано около 750 000 новых авто, из них на гибриды приходится примерно 290 000. В России также наблюдается повышенный интерес к этой тематике.
Рис.9 - Масштабы распространения
