Перспективные источники питания для электромобилей

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы состояния источников электрической генерации в частности таких как современные АКБ (аккумуляторные батареи) для электромобилей.

Приведены требования к таким накопителям энергии. Отмечены недостатки и преимущества, существующих АКБ. Предложен способ быстрой подзарядки АКБ электромобиля с помощью суперконденсаторов.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

Опыт развития транспортных средств и альтернативных энергетических систем предполагает наличие в их составе современных источников электрической генерации. Принимая во внимание масштабы и перспективы развития электромобилестроения, важность применения новых инновационных технологий в этой области не может ставиться под сомнение.

В энергетических системах электромобилей получили широкое распространение кислотные тяговые, стартерные и литий-ионные накопители энергии, процесс эксплуатации которых может осуществляться в различных условиях, что требует от них соответствия определенным требованиям:

— стабильности поддержания напряжения при нагрузке;

— незначительных потерь при форсировании потребления;

— стабильная работа при отрицательных температурах;

— малые точки саморазряда, обеспечивающие длительную сохранность энергетической емкости источников энергии;

— длительной работоспособности за счет значительного количества заряд-разрядных циклов;

— приемлемых массогабаритных показателей;

— прочность и простота конструкции.

Для конечного потребителя важнейшим является требование к безотказной работе источника энергии без длительного по времени дополнительного подзаряда. На практике же химические источники энергии могут обеспечить пробег электромобиля на одном заряде лишь на небольшую дистанцию.

Автопроизводители активно разрабатывают новые технологии, которые позволят увеличить дальность поездки без длительной подзарядки. Например: применение быстрой роботизированной замены аккумуляторов электромобилей (очень сложное оборудование пунктов зарядки).

Одной из таких технологий является применение вместо аккумуляторных батарей – сборок суперконденсаторов. Суперконденсаторы имеют высокую емкость по сравнению с обычными конденсаторами, но отстают от современных аккумуляторных батарей по этому параметру. Суперконденсатор более надежен, прост и не подвержен износу, в отличие от аккумуляторной батареи (в основе работы, которой, лежит химическая реакция). Суперконденсатор может выдержать сотни тысяч циклов заряда и разряда, а расчетный срок его службы составляет более 15-20 лет. Такие системы протестированы и нашли свое применение в городском транспорте (китайские компании Sinautec, Shanhai Aowei Nechnology и Beiqi Foton Motors, американские Sinautec Autimobile Technologies и Foton America Bus и многие другие). Разработки этих компаний, например, суперконденсаторный автобус (Ultracap Bus) – подзаряжается на остановках.

Такая технология хорошо подходит для городских электробусов, остановки которых располагаются через несколько километров, однако для электромобилей (применяемых для более длительных поездок) она не подходит. Одним из простейших технических решений для увеличения дальности поездки электромобиля является увеличение емкости аккумулятора, что ведет к значительному увеличению его габаритов и массы, и стоимости. Увеличение количества горючих веществ в аккумуляторе приведет к значительному повышению электро и пожароопасности при аварийных ситуациях. Начавшееся короткое замыкание при большой емкости аккумулятора приведет к высвобождению большого количества энергии (тепла) и значительно повысит пожароопасность электромобиля. Если проблемы с обычными АКБ на электромобилях можно как-то контролировать, то с литий-ионными источниками (больше емкость, ток заряда, большое количество горючего материала) не дают возможности прекратить химическую реакцию и осуществить быстрое и успешное пожаротушение. Кроме того, из-за своей большой массы АКБ должна располагаться снизу, под дном электромобиля, улучшая устойчивость (центр тяжести авто находится ниже), но ухудшая безопасность. Неровности дороги, камни и т.п. могут привести к пробитию корпуса АКБ и возникновению пожара. Кроме того, увеличение количества вещества в АКБ электромобиля ведет к ухудшению экологии при утилизации АКБ. В настоящее время уже скопилось достаточное количество используемых АКБ, что привело к необходимости сооружения новых заводов по их переработке.

Соединив несколько суперконденсаторов, можно «собрать» емкость, равную емкости аккумулятора батареи. Вес такой батареи в 3-4 раза больше веса аккумуляторов электромобиля, что для современного автотранспорта недопустимо.

Одной из новейших концепций в развитии электромобильного транспорта является совмещение двух разных типов накопителей энергии – графеновых или иных суперконденсаторов и аккумуляторных батарей. Первые имея удельную емкость до 1/4 – 1/5 от запаса установленных на электромобиле литиево-ионных аккумуляторов, заряжаются до 3 -7 киловатт-час за 30 секунд. Вторые же вмещают до 70-100 кВт-ч, но их зарядка даже ускоренная требует уже более 5-6 часов. При этом зарядка суперконденсаторов может происходить при движении по дороге, оснащенной беспроводными зарядными станциями в дорожном полотне на участке длинной не более 100 метров или при кратковременной остановке с быстрой зарядкой большими токами. [1 – 3]

Авторами был изучен современный опыт отечественных и зарубежных компаний – производителей электромобилей и суперконденсаторов. На его основе выполнен комплекс исследований в лабораторных условиях НТУ «ДП». Было выявлено, что основным недостатком АКБ для эксплуатации на электромобилях является скорость их зарядки.

Для быстрого аккумулирования энергии нужны другие подходы и устройства, например, такие как суперконденсаторы. [4 – 5]

В результате было предложено использовать суперконденсатор для быстрой зарядки, а затем в процессе движения с помощью системы заряд-разряда, которая входит в состав преобразователя, подзаряжать АКБ электромобиля. Подзарядка в данном случае проходит в комфортных для АКБ условиях: при номинальных токах зарядки с малыми потерями на нагрев проводов и оборудования от больших токов, возможности снижения сечения и массы проводов (от разъемов на корпусе до АКБ, находящихся над днищем электромобиля).

При необходимости накопленная в суперконденсаторе энергия может помогать батарее преодолевать повышенную нагрузку и пики потребления (уменьшая токи разряда). После разряда суперконденсатор снова готов получить новую порцию энергии. В процессе исследования использования суперконденсаторов вместе с АКБ проводилась проверка работоспособности системы заряд-разряда суперконденсаторов и АКБ. В составе системы: суперконденсатор, преобразователь с блоком управления и АКБ. Система управления преобразователем предназначена для равномерного, быстрого процесса заряда суперконденсатора (большими токами) и медленного его разряда на АКБ (токами, которые ей не вредят) с возможностью регулирования скорости протекания этих процессов.

Проверка работоспособности проводилась на различных режимах и в разных условиях эксплуатации. Предложенная система находится на стадии патентования.

Приведем некоторые преимущества применения суперконденсаторов:

— быстрая зарядка (в тысячу раз быстрее АКБ);

— относительно низкая стоимость (в 2-4 раза ниже за 1 КВт-ч аккумулированной энергии);

— плотность электроэнергии (особенно у графеновых суперконденсаторов);

— экологичность (разложение под действием солнечных лучей);

— пожаробезопасность (по отношению к АКБ).

Выводы:

Предложенные системы снабженные суперконденсаторами дают возможность быстро от 0,5 до 4 минут зарядить суперконденсатор (значительным количеством энергии вплоть до уровня установленной АКБ) на кратковременных остановках, а затем передавать накопленную энергию уже при движении электромобиля (малыми токами в течение десятков минут) АКБ.

УДК 621.355

Федорец С.Г. ведущий конструктор УКРНИИТМ, Днепр, Украина

Федоров С.И. ст. преподаватель кафедры Электротехники, Национальный технический университет «Днепровская политехника», Днепр, Украина.

Мазан Н.Н. ведущий инженер УКРНИИТМ, Днепр, Украина

Божок И.Н. ведущий инженер УКРНИИТМ, Днепр, Украина

Литература

1. Obvier Garcia DC/DC-Wandler für Leistungsverteilung in einem Elektrofahrzeug mit Brennstoffzellen und Superkondensatoren. – Zürich: Verlag; 2002. – 219.
2. Venturi M., Brauss F. &Daub, HP. Superkondensatoren – Automotive Lösungen für Komfort, Sicherheit und CO2-Reduzierung. ATZ Elektron 15, 16-21 (2020).
3. Dietrich Ph. Automobile with fuel cell and supercapacitor drive; Personenwagen mit Brennstoffzellen und Supercap-Antrieb- Schlußbericht. Switzerland: N.p.,2002.-55
4. Rudolf Holze und W.Yuping. „Batterie oder Superkondensator oder Beides? Die Verschmelzung zweier elektrochemischer Speicheroptionen.“ Bunsen-Magazin. 100-102 (2002).
5. Патент Украины № 146811, МПК В60L50/00, 2021 г.