Elektrofahrzeuge - der Bedarf an Batterien
Seit jeher erfindet der Mensch immer wieder neue Maschinen, um seinen Lebenskomfort zu verbessern und die Produktivität in den Fabriken zu steigern. Elektrofahrzeuge entstanden um die Mitte des 19. Jahrhunderts und moderne Elektrofahrzeuge/Hybrid-Elektrofahrzeuge wurden Ende des 20. Jahrhunderts entwickelt. Diese Elektrofahrzeuge wurden im Vergleich zu den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor als komfortabler und einfacher zu bedienen angesehen. Letzteres hat nun aber ein Umweltproblem geschaffen. Im heutigen Bestreben, unsere Umwelt zu schützen und mehr Möglichkeiten zur Nutzung nachhaltiger und erneuerbarer Energiequellen zu haben, kommt der Automobilindustrie die wichtigste Rolle zu.
Dieser Industriezweig ist der umweltschädlichste, was die Auspuffemissionen seiner Produkte angeht. Auch der Batterieindustrie kommt eine wichtige Rolle zu. Immer mehr Batterien werden für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energiequellen (RES) wie Solar- und Windenergie eingesetzt. Der elektrische Antrieb durch Batterien trägt dazu bei, die Luftverschmutzung zu verringern und die Betriebskosten zu senken. Außerdem wird dadurch die Abhängigkeit vom Erdöl verringert. Der elektrische Antrieb von Fahrzeugen ist heute das meistdiskutierte Thema.
Alle Automobilhersteller haben ihr eigenes Design von Elektrofahrzeugen und Batterien für Elektrofahrzeuge (EVB). Obwohl die Blei-Säure-Batterie bis vor kurzem die am weitesten verbreitete EVB war, hat die Li-Ionen-Batterie nun die führende Rolle übernommen. In Anbetracht der anfänglichen Kosten und der Sicherheitsaspekte kann die Bleisäurebatterie jedoch erst dann vollständig verdrängt werden, wenn die Kosten der Li-Ionen-Batterie für Elektrofahrzeuge auf ein erschwingliches Niveau gesunken sind und die Sicherheitsaspekte weiter verbessert wurden.
Alle Automobilhersteller haben ihr eigenes Design von Elektrofahrzeugen und Batterien für Elektrofahrzeuge (EVB). Obwohl die Blei-Säure-Batterie bis vor kurzem die am weitesten verbreitete EVB war, hat die Li-Ionen-Batterie nun die führende Rolle übernommen. In Anbetracht der anfänglichen Kosten und der Sicherheitsaspekte kann die Bleisäurebatterie jedoch erst dann vollständig verdrängt werden, wenn die Kosten der Li-Ionen-Batterie für Elektrofahrzeuge auf ein erschwingliches Niveau gesunken sind und die Sicherheitsaspekte weiter verbessert wurden.
Um das Jahr 2010 herum waren weltweit weit weniger als 20.000 E-Fahrzeuge auf den Straßen unterwegs. Im Jahr 2019 war die Zahl jedoch um mehr als das 400-fache gestiegen und lag bei fast sieben Millionen.
Nahezu 80 % der Luftqualitätsprobleme sind auf Autoabgase zurückzuführen. In den westlichen Industrieländern und Japan wurde festgestellt, dass zwei Drittel des CO, ein Drittel der Stickoxide und fast die Hälfte der Kohlenwasserstoffe auf die oben genannten Emissionen zurückzuführen sind. Während dies in den Industrieländern der Fall war, war es in den Entwicklungsländern, in denen die Umweltkontrollen nicht streng durchgesetzt wurden, nicht besser.
Ineffiziente ICE-Fahrzeuge trugen erheblich zur Luftverschmutzung bei, obwohl die Verkehrsdichte gering war. Abgesehen von den oben genannten Gründen erzeugen die Emissionen von Kraftfahrzeugen große Mengen des Treibhausgases CO2. Im Durchschnitt produziert ein Auto fast das Vierfache seines Gewichts an CO2. Fahrzeugbedingte Emissionen sind für 20, 24 bzw. 26 Prozent aller CO2-Emissionen in Großbritannien, den USA und Australien verantwortlich. All diese Gründe und die Ölkrisen der 1960er und 1970er Jahre sowie 1973 und 1979 waren die wahren Gründe für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen und geeigneten Batterien für Elektrofahrzeuge.
Elektrofahrzeuge - emissionsfrei
Ein Elektrofahrzeug verwendet einen oder mehrere Elektromotoren, die ausschließlich von Batterien angetrieben werden (reine Elektrofahrzeuge) und keinen Verbrennungsmotor (ICE) besitzen. Daher hat es keine Auspuffemissionen und ist als Null-Emissions-Fahrzeug (ZEEV) bekannt. Hybridelektrofahrzeuge (HEV) verfügen über zwei Energiequellen, eine mit hohem Energiegehalt (fossile Brennstoffe) und eine Batterie mit hoher Entladungsrate.
Das Thema Elektrofahrzeuge und ihre Varianten ist sehr umfangreich und soll in einem gesonderten Kapitel ausführlich behandelt werden. Es genügt hier, die kurze Definition von Elektrofahrzeugen und HEV zu kennen.
Komponenten von reinen Elektrofahrzeugen
I. Elektrische Energiespeicherung (Batterie)
II. Elektronisches Steuermodul (ECM)
III. Ein Batteriemanagementsystem (BMS )
IV. Elektrischer Antriebsstrang
Jedes Elektroauto hat eine Reichweitenanzeige, und die Reichweite wird auf dem Armaturenbrett gut sichtbar angezeigt. Bei einigen Elektrofahrzeugen beginnen die Lichter zu blinken, wenn die Reichweite noch etwa 25 km beträgt.
Komponenten eines konventionellen Hybrid-Elektrofahrzeugs
I. Elektrische Energiespeicherung (Batterie)
II. Chemische Energiespeicher (Kraftstofftank)
III. Elektrischer Antriebsstrang
IV. Verbrennung Antriebsstrang
Eine Einführung in Batterien für Elektrofahrzeuge
Erforderliche Eigenschaften einer Batterie für Elektrofahrzeuge
Es gibt mehrere Merkmale, die eine Batterie für Elektrofahrzeuge aufweisen muss, aber die folgenden sind von größter Bedeutung und ermöglichen eine einigermaßen genaue Beurteilung der Machbarkeit einer Batterie.
a. Erstanschaffungskosten des Akkupacks (Kosten pro kWh, einschließlich aller Utensilien)
b. Spezifische Energie, die ein Indikator für die Größe der Batterie ist (Wh/kg)
c. Spezifische Leistung, die ein Indikator für die Beschleunigung und die Steigfähigkeit ist (W/kg)
d. Betriebskosten (Kosten/km/Fahrgast)
e. Lange Lebensdauer mit wartungsfreien Eigenschaften
f. Schnelle Aufladbarkeit (80 % innerhalb von 10 Minuten)
g. Fähigkeit zur Aufnahme hoher Ströme beim regenerativen Bremsen.
h. Sicherheit, Zuverlässigkeit und leichte Recycelbarkeit.
Elektrofahrzeuge & Hybridelektrofahrzeuge
Bei reinen Elektrofahrzeugen wird der Strom von der Batterie im Dauerbetrieb geliefert. Die Energiekapazität der Batterie ist so ausgelegt, dass sie diese Dauerentladungsleistung für die gesamte geplante Reichweite der Elektrofahrzeuge liefern kann. Normalerweise darf die Batterie eines Elektrofahrzeugs nicht über 80 % der Kapazität entladen werden, damit der Ladezustand (SOC) nicht unter 20 bis 25 % fällt.
Reichweite der Batterie von Elektrofahrzeugen
Dies dient dazu, die Batterie vor einer Überentladung zu schützen und Schwierigkeiten zu vermeiden, die auftreten können, wenn die Batterie zu stark entladen wird. Darüber hinaus sollte die Batterie auch in der Lage sein, den Energieeintrag des regenerativen Bremssystems aufzunehmen. Wenn die Batterie voll geladen ist, kann die regenerative Bremsenergie nicht von der Batterie aufgenommen werden.
Der aktuelle Trend bei der oben genannten kontinuierlichen Entladungsrate beträgt das Doppelte der Nennkapazität. Wenn die Kapazität beispielsweise 300 Ah beträgt, ist die Entladungsrate 300 Ampere. Es ist unvermeidlich, dass die Batterie eines Elektrofahrzeugs einmal am Tag vollständig entladen wird. Natürlich erhält er die Energie aus der Rückspeisung der Bremsenergie zurück, wie wenn er gebremst wird.
Der durchschnittliche Anteil an regenerativer Energie liegt bei etwa 15 %. In einigen Fällen kann diese Zahl auf über 40 % ansteigen. Die regenerative Leistung geht nicht über 40 kW hinaus. Der höchste Wert wird bei einer bestimmten Verzögerung erreicht.
Heutzutage geben die Hersteller von Batterien für Elektrofahrzeuge eine Lebensdauer von etwa 1000 bis > 10.000 Zyklen an.
Die Batterie eines Elektroautos benötigt normalerweise 36 bis 40 kWh (nutzbare Energiekapazität), um eine Reichweite von 300 bis 320 km zu erreichen. Die meisten OEM-Hersteller geben jedoch mehr als diesen Wert an, in der Regel 40 bis 60 % mehr. Dadurch wird die Verringerung der Lebensdauer aufgrund von Zyklen kompensiert, so dass auch nach Ablauf der garantierten Batterielebensdauer eine sichere Kapazitätsreserve für den normalen Betrieb eines Elektrofahrzeugs vorhanden ist. Die 96-kWh-Batterie in einem Elektrofahrzeug hat eine nutzbare Kapazität von 86,5 kWh.
Obwohl die heutigen Li-Ionen-Zellen problemlos 170 Wh/kg spezifische Energie liefern, sinkt die spezifische Energie des Akkus um 35 %. Infolgedessen sinkt die spezifische Gesamtenergie auf 120 Wh/kg. Im Jahr 2019 ist der Anteil der Nicht-Zellen-Komponenten an der Verpackung von etwa 35 % auf etwa 28 % gesunken. Aber technologische Innovationen wie die Cell-to-Pack-Technologie (die das Zwischenglied, das Modul, überflüssig macht) können die spezifische Energie der künftigen EV-Batterien weiter verbessern. Die derzeitigen spezifischen Leistungseigenschaften von EV-Batterien sind sehr zufriedenstellend, weshalb die Ingenieure und Wissenschaftler in Forschung und Entwicklung auf höhere spezifische Energien abzielen.
Elektrischer Antriebsstrang in Elektrofahrzeugen
Traktionsmotoren treiben vollelektrische Fahrzeuge an. Es gibt jedoch Steuergeräte, mit denen die Leistung der Elektromotoren beeinflusst werden kann. Es gibt zwei Arten von Elektromotoren: AC- und DC-Motoren. Letztere sind leichter zu kontrollieren und auch kostengünstiger; die Nachteile sind ihr höheres Gewicht und ihr größeres Volumen. Die rasanten Fortschritte in der Leistungselektronik haben hocheffiziente Wechselstrommotoren mit einem größeren Betriebsbereich hervorgebracht, was jedoch mit höheren Kosten verbunden ist. Beim Elektroauto wird die Energiezufuhr zum Motor durch eine hochkomplizierte elektronische Schaltung, das so genannte elektronische Steuermodul (ECM), gesteuert. Der EV-Fahrer gibt den Antrieb über das Fahrpedal.
Batteriemanagementsystem (BMS) in Elektrofahrzeugen
Ähnlich wie das oben erwähnte elektronische Steuermodul gibt es auch für die Batterie ein Steuersystem, das sogenannte Batteriemanagementsystem (BMS), das die Leistung der EV-Batterie steuert. Das BMS kann auch über eine separate Elektronik verfügen, die auf der Zellen- oder Modulebene installiert ist und die Temperatur und Spannung der Zellen überwacht, was oft als Spannungstemperaturüberwachungsplatine (VTM) bezeichnet wird.
Hinzu kommt ein Wärmemanagementsystem, das von einer passiven Lösung wie der Verwendung des Gehäuses als Wärmesenke bis hin zu einem aktiv gesteuerten flüssigkeits- oder luftgekühlten System reichen kann, das gekühlte (oder erwärmte) Luft oder Flüssigkeit durch den Batteriesatz drückt. Schalter zum Ein- und Ausschalten des Stromflusses und die Verkabelung sind ebenfalls Teil des Systems. All diese verschiedenen Systeme müssen zu einer einzigen Systemlösung zusammengeführt werden, damit die Batterie sicher funktioniert und ihre Lebens- und Leistungserwartungen erfüllt.
Geschichte der Elektrizität, Batterien und Elektrofahrzeuge
Elektrizität und Batterien
Warum sollten wir über die Geschichte von Elektrobatterien und Elektrofahrzeugen diskutieren? Es gibt ein altes Sprichwort: „Wer sich nicht an die Vergangenheit erinnern kann, ist dazu verdammt, sie zu wiederholen“. Daher lohnt es sich, ein grundlegendes Verständnis dafür zu haben, wie sich die Technologie entwickelt hat. Dies wird eine wichtige Rolle spielen, wenn es darum geht, den künftigen Weg des Unternehmens zu verstehen und herauszufinden, welche Akteure maßgeblich zum Erfolg des Unternehmens beigetragen haben. Wie John Warner in seinem Buch über Lithium-Ionen-Batterien feststellt, „bieten die damaligen Weltausstellungen einen guten Überblick über die Geschwindigkeit der technologischen Innovation und des Wandels in der Welt im Allgemeinen“ [1. John Warner, The Handbook of Lithium-Ion Battery Pack Design, Elsevier, 2015, Seite 14].
Man kann verstehen, dass Weltausstellungen damals ein Bild über den Stand der verschiedenen Technologien vermittelten. Die Entwicklung der Batterietechnologie wurde erst durch die Verfügbarkeit, den Ausbau und das Wachstum der Elektrizität und des Elektrizitätsnetzes der damaligen Zeit möglich gemacht. Hier müssen wir verstehen, dass erst durch das Stromangebot“ die Nachfrage“ nach der Batterie (Energiespeicher) entstanden ist. Andernfalls wäre die Energiespeicherung vielleicht gar nicht erst entstanden.
Entwicklung von Batterien für Elektrofahrzeuge
Der Leser denkt im Allgemeinen, dass Batterien erst in jüngerer Zeit erfunden wurden; er kennt vor allem Leclanché-Zellen und Blei-Säure-Zellen; es gibt jedoch Belege dafür, dass Batterien bereits um 250 v. Chr. in Gebrauch waren. In den 1930er Jahren arbeitete ein deutscher Archäologe auf einer Baustelle in Bagdad und fand etwas, das die Geschichte der Batterie buchstäblich neu schrieb. Was er bei der Ausgrabung entdeckte, sah aus wie eine galvanische Zelle, die etwa 1-2 V Strom erzeugen konnte.
Bis Mitte des 17. Jahrhunderts wurden bei der Entwicklung von Batterien kaum Fortschritte erzielt. In den Jahren 1745-1746 entdeckten zwei Erfinder auf parallelen, aber getrennten Wegen die sogenannte „Leydener Flasche“ zur Speicherung von Elektrizität. Dann erschienen Elektrochemiker wie Benjamin Franklin, Galvani, Volta, Ampere, Faraday, Daniel und Gaston Planté, um nur einige Erfinder zu nennen, am Horizont der Elektrizität und Elektrochemie. Die folgende Tabelle zeigt in chronologischer Reihenfolge die Entwicklung der Batterien.
Faszinierende Geschichte der Entwicklung von Batterien
Tabelle 1 –
| Um 250 v. Chr. | Bagdad oder Parthische Batterie (Bagdad) | Die Ägypter benutzten wahrscheinlich Batterien, um Silber auf feinen Schmuck zu galvanisieren |
|---|---|---|
| LANGE LÜCKE | UND WENIG FORTSCHRITT | |
| 1600 | Gilbert (England) | Einrichtung einer elektrochemischen Studie |
| Oktober 1745 | Kliest, deutscher Physiker | Leydener Krug |
| 1745-1746 | Der niederländische Wissenschaftler Pieter van Musschenbroek von der Universität Leyden, | Leydener Krug |
| Mitte des 17. Jahrhunderts | Benjamin Franklin | Der Begriff "Batterie" wurde geprägt |
| 1786 | Luigi Galvani (1737-1798) | Der Grundstein für die Entdeckung einer Primärbatterie wurde gelegt ("Animal Electricity") |
| 1796 | Alessandra Volta (1745-1827) | Er entdeckte, dass verschiedene Metallscheiben ("Volta-Stapel"), wenn sie abwechselnd übereinander gestapelt werden und dazwischen feuchte (mit Salzlake gesättigte) Papptrennwände liegen, kontinuierlich einen erheblichen elektrischen Strom liefern können |
| 1802 | Cruickshank (1792 - 1878) | In einer versiegelten Schachtel werden Cu-Bleche mit gleich großen Zn-Blechen arrangiert. Die Sole war das Elektrolyt. |
| 1820 | A.M. Ampere (1755 - 1836) | Elektromagnetismus |
| 1832 & 1833 | Michael Faraday | Die Faradayschen Gesetze |
| 1836 | J F Daniell | Cu in CuSO4 und Zn in ZnSO4 |
| 1859 | Raymond Gaston Plantae (1834-1889) (Frankreich) | Erfindung der Blei-Blei-Dioxid-Zelle |
| 1860 | Raymond Gaston Plantae (1834-1889) (Frankreich) | Vortrag vor der Französischen Akademie, Paris |
| 1866 [5] | Werner von Siemens, deutscher Elektroingenieur | Entwicklung des elektromechanischen Dynamos |
| 1873 | Zenobe Gramme, ein belgischer Wissenschaftler | Erfindung des magnetoelektrischen Generators und des ersten Gleichstrommotors |
| 1866 Geroge-Lionel Leclanche | Geroge-Lionel Leclanche (Frankreich) (1839 - 1882) | Erfindung der Leclanche-Zelle |
| 1881 | Camille A. Faure (Frankreich) 1840 - 1898) | Einfügen von Leitungsrastern |
| 1881 | Sellon | Sellon Legierung von Blei mit Antimon |
| 1880s- | -- | Kommerzielle Produktionen wurden in mehreren Ländern wie Frankreich, dem Vereinigten Königreich, den USA und der UdSSR aufgenommen. |
| 1881 - 1882 | Gladstone und Tribe | Doppelsulfattheorie für die Reaktion der Bleisäurezelle |
| 1888 | Gassner (USA) | Fertigstellung der Trockenzelle |
| 1890s- | -- | Elektrische Straßenfahrzeuge |
| 1899 | Jungner (Schweden) (1869-1924) | Erfindung der Nickel-Cadmium-Zelle |
| 1900 | In den USA und Frankreich | 1900 Beleuchtung von Häusern, Fabriken & Züge. |
| 1900 | a.Phillipart mit einzelnen Ringen | Röhrenförmige Blei-Säure-Zellenplatten |
| 1900 | b.Woodward | Röhrenförmige Blei-Säure-Zellenplatten mit Schlauchbeuteln |
| 1901 | T A Edison (USA) (1847-1931) | Erfindung der Nickel-Eisen-Kopplung |
| 1902 | Wade, London | Buch "Sekundärbatterien" |
| 1910 | Smith | Geschlitzte Gummischläuche (Exide Ironclad |
| 1912 100 EV | In den USA | Die Hersteller haben 6000 Elektro-Pkw und 4000 Nutzfahrzeuge gebaut. |
| 1919 | G. Shimadzu (Japan) | Kugelmühle zur Herstellung von Bleioxid |
| 1920 | -- | Verwendung von Ligninen in den negativen Platten von Blei-Säure-Zellen. |
| ab 1920 | Überall auf der Welt | Neuere Anwendungen wie Notstromversorgung, Klimatisierung von Eisenbahnwaggons und eine Vielzahl anderer Dienste auf Schiffen, in Flugzeugen, Bussen und Lastwagen |
| 1938 | A.E. Lange | Das Prinzip des Sauerstoffkreislaufs |
| 1943- 1952 | Levin & Thompson; Jeannin, Neumann & Gottesmann; Bureau Technique Gautrat | Konstruktion aus versiegeltem Nickel-Cadmium |
| 1950 | Schlucht Holz Vinal | Buch über Primärbatterien |
| 1955 | Schlucht Holz Vinal | Buch über Speicherbatterien (4. Auflage) |
| 1965 | John Devit von der Gates Corporation | Projektvorschlag zu versiegelter Bleisäure Batterien |
| 1967 | Die Arbeit an Ni-MH-Batterien begann im Forschungszentrum Batelle-Genf nach der Erfindung dieser Technologie im Jahr 1967 | |
| 1969 | Rütschi und Ockermann | Rekombinationsprozess in einer verschlossenen Blei-Säure-Zelle |
| Mitte 1970 | - | Entwicklung von VR LABs |
| 1971 | Gates Energy Produkte | D-Zelle, eingeführt von Gate Energy Products (Denver, CO, USA) |
| 1973 | Adam Heller | Vorschlag für die Lithium-Thionylchlorid-Primärzelle |
| 1975 | Donald H. McClelland und John Devitt | Handelsübliche verschlossene Blei-Säure-Batterien nach dem Sauerstoffzyklusprinzip |
| 1979 - 1980 | J.B. Goodenough und Mitarbeiter | Positive Elektrodenmaterialien, die mit Lithium bei Potentialen über etwa 3 V reagieren, wenn sie bereits Lithium enthalten, und dieses Lithium elektrochemisch extrahiert werden kann. |
| 1980s- | -- | Neue Hydrid-Legierungen in den 1980er Jahren entdeckt |
| 1986 | Stanford Ovshinsky | Der Ni-MH-Akku wurde von Ovonics patentiert. |
| 1989 - 1990 | -- | Kommerzialisierung von Nickelmetall Hydridbatterie |
| 1991 | Yoshio Nishi | Li-Ionen-Zelle |
| 1992 | Yoshio Nishi (Sony Corporation) | Ein Elektrofahrzeug mit Lithium-Ionen-Batterie wurde auf der 30. Tokyo Motor Show 1995 vorgestellt. |
| 1996 | Goodenough, Akshaya Padhi und Mitarbeiter | Vorgeschlagenes Li-Eisenphosphat-Kathodenmaterial |
| 1992 | K.V. Kordesch (Kanada) | Kommerzialisierung wiederaufladbarer Alkali-Mangan-Dioxid-Zellen (RAM) |
| 1993 | -- | OBC führte die weltweit erste Demonstration eines Elektrofahrzeugs mit Nickel-Metall Hydridbatterie im Jahr 1993. |
| 1997 | M. Shiomi und Mitarbeiter, Japan Lagerung Battery Co, Ltd, Japan | Hinzufügung größerer Mengen an Kohlenstoff zu den negativen HEV- oder Photovoltaik-Stromsystemanwendungen. |
| 1999* | -- | Kommerzialisierung von Li-Ion Polymer-Zellen |
| 2002 - 2003 D. Stein, E. | M.J. Kellaway, P. Jennings, Crowe, A. Cooper | Mehrere Registerkarten VRLAB |
| 2002 | Y. Ogata | Neue Bleilegierung mit positivem Gitter und Ba-Zusatz Pb-Ca-Sn mit Ba |
| 2004 -2006 | Lam & Mitarbeiter, CSIRO Energietechnik, Australien | Ultra-Batterie für HEVs |
| 2006 | S.M. Tabaatabaai & Mitarbeiter | Gittermaterial, das aus einer dreidimensionalen, netzartigen Folie aus einer organischen Schaumstoffverbindung besteht. Elektrische Leitfähigkeit des Schaumstoffgitters durch die Kupferbeschichtung |
| 2006 | Changsong Dai & Mitarbeiter | Bleibeschichtete Kupferschaumgitter für Negativplatten |
| 2008 | EALABC, The Furukawa Battery Co., Ltd, Japan, CSIRO Energy Technology, Australien und Provector Ltd, UK | Ultra-Batterie (144V, 6,7Ah) für HEVs, getestet für 100.000 Meilen auf der Straße. Die Leistung übertrifft die eines Ni-MH-Akkus |
| 2011 | Argonne National Lab | Nickel-Mangan-Kobalt-Kathodenmaterial (NMC) |
| 2013 | N. Takami et al. | Lithium-Titanoxid-Anode |
| 2018 | N. Takami et al | TiNb2O7-Anoden |
| 2020 | BloombergNEF | Die Kosten des LIB-Packs belaufen sich auf 176 US$/kWh = 127 Zellkosten + 49 Packkosten) |
Erstaunliche Geschichte der Elektrofahrzeuge!
Die Geschichte der Elektrofahrzeuge erstreckt sich über einen langen Zeitraum, der im 19.
Die folgende Tabelle enthält Einzelheiten zu den Ereignissen, die zu den heutigen EVs geführt haben
Tabelle 2
| Erfinder | Land | Zeitraum | Einzelheiten | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Anyos Istvan Jedlik | Ungarischer Physiker | 1828 | Das erste elektrische Modellauto |
| 2 | Thomas Davenport | Ein amerikanischer Erfinder | 1834 | Der erste kommerziell erfolgreiche Elektromotor |
| 3 | Sibrandus Stratingh und Christopher Becker | niederländischer Professor | 1834-1835 | 1835, Dampfdreiräder 1834 1835 Ein vollelektrisches Dreirad, ausgestattet mit einer der ersten Batterien |
| 4 | Robert Davidson | schottischer Erfinder | 1837-1840 | 1837 konstruierte er seine eigenen Batterien und baute seinen ersten Elektromotor in angemessener Größe. |
| 5 | Gustave Trouvé | 1881 | Verbesserung eines von Siemens entwickelten kleinen Elektromotors mit einem Starley-Akkumulator. Er baute diesen Motor in ein englisches Dreirad ein und hatte soeben das erste Elektrofahrzeug der Geschichte erfunden. | |
| 6 | William Morrison | Die USA | 1892 | Entwickelte seinen Sechs-Personen-Wagen mit vier Pferdestärken, der eine Höchstgeschwindigkeit von etwa 14 Meilen pro Stunde erreichen konnte |
| 7 | Henry Ford | Detroit | 1893 | 1893 testete er erfolgreich einen Benzinmotor [https://www .history.com/topics/inventions/model-t]. |
| 8 | Henry G. Morris und Pedro G. Salom | Philadelphia | 1894 | Im Vergleich zu den pferdegezogenen Droschken bot der Elektrowagen ein lukratives Geschäft, da er weniger Ausfallzeiten und mehr Fahrten hatte. |
| 9 | Bell Laboratories, | Die USA | 1945 | Erfindung der Thyristoren, die schnell die Vakuumröhren ersetzten |
| 10 | William Shockley | Bell Laboratories, | 1950 | Der siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR) oder Thyristor |
| 11 | Moll und andere Energietechniker | General Electric | 1956 | SCR von William Shockley |
| 12 | General Motors (GM) | General Motors (GM) | 1966 | Elektrovan |
Wissenswertes über Elektrofahrzeuge!
| Srl Nein | Einzelheiten |
|---|---|
| 1 | In den USA zogen Elektroauto-Rennen ab 1897 viele Enthusiasten an. In diesem Jahr hatte die Pope Manufacturing Company etwa 500 Elektrofahrzeuge hergestellt. |
| 2 | Die ersten drei Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts (1910-1930) waren die beste Zeit für EVs. In dieser Zeit konkurrierten Elektrofahrzeuge mit Benzinfahrzeugen. Auf den unbefestigten Straßen der damaligen US-Städte war ihre geringe Reichweite kein Problem. Aber in Europa wollte die Öffentlichkeit aufgrund der asphaltierten Straßen, die den Langstreckenverkehr verbesserten, Autos mit großer Reichweite, die die ICE-Fahrzeuge zu bieten hatten. |
| 3 | Die großen US-Städte begannen in den 1910er Jahren, die Vorteile der Elektrizität zu nutzen. Geringe Reichweiten waren damals günstig für E-Fahrzeuge. Die E-Fahrzeuge hatten eine einfache Marktakzeptanz bei Flottenbesitzern für Taxis und Lieferwagen. |
| 4 | Drei wichtige Ereignisse in der Geschichte der ICE-Fahrzeuge haben deren rasante Entwicklung vorangetrieben und gleichzeitig den letzten Nagel in den Sarg der Elektrofahrzeuge geschlagen. a. Die Einführung von Henry Fords "kostengünstigem, großvolumigem" Modell T im Jahr 1908. [https://en .wikipedia.org/wiki/Ford_Model_T] b. Charles Kettering erfindet 1912 den elektrischen Automobilanlasser. c. Das US-Highway-System begann, amerikanische Städte zu verbinden |
| 5 | Die Umweltbedenken der 1960er und 1970er Jahre gaben den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu EVBs einen enormen Auftrieb. Die Reichweite und die Leistung waren noch die zu überwindenden Hindernisse |
| 6 | Auch die Ölkrisen von 1973 und 1979 gaben der EVB-Entwicklung noch mehr Auftrieb. |
| 7 | Der riesige Bestand an ICE-Fahrzeugen führte zu Problemen mit der Luftqualität, da die Luftqualitätsnormen verletzt wurden. Dies gilt insbesondere für die fortgeschrittenen Städte der Welt. Dies veranlasste den US-Bundesstaat Kalifornien Anfang 1990, den Clean Air Act zur Förderung von E-Fahrzeugen zu verabschieden. |
| 8 | Das Gesetz zur Luftreinhaltung (Clean Air Act) sah ursprünglich vor, dass bis 1998 2 % aller in den USA verkauften Neufahrzeuge ZEV sein sollten (30.000 EVs), 5 % im Jahr 2001 (75.000) und 10 % im Jahr 2003 (1.50.000). Außerdem müssen die Automobilhersteller in den Bundesstaaten, die dem kalifornischen Programm nicht folgen, die Auspuffemissionen von NOx und Gesamtkohlenwasserstoffen bei leichten Nutzfahrzeugen zwischen 1994 und 1996 um 60 % bzw. 39 % senken. Eine weitere Reduzierung der Emissionen um 50 % wurde von der Umweltschutzbehörde (EPA) im Jahr 2003 gefordert. |
| 9 | Am 29. März 1996 wurde das ZEV-Mandat der kalifornischen Luftreinhaltungsbehörde (CARB) von 1998 aufgrund des starken Drucks von Seiten der betroffenen Autohersteller und Öllieferanten aufgeweicht; ein weiterer Grund war die Einschätzung eines unabhängigen Gremiums, dass fortschrittliche Batterien nicht vor dem Jahr 2001 zur Verfügung stehen könnten. Gemäß der oben genannten Einschätzung des Gremiums waren solche verbesserten Batterien erst vor kurzem im Jahr 2018 zu einigermaßen erschwinglichen Kosten erhältlich (Packkosten 176 US$/kWh = 127 Zellkosten + 49 Packkosten). Batterieexperten sagten voraus, dass die EVB-Kosten bis 2025 auf < 100 USD/kWh und bis 2030 auf 62 USD/kWh sinken würden (durch Extrapolation). |
| 10 | Das United States Advanced Battery Consortium (USABC): Die US-Bundesregierung und die drei großen US-Automobilhersteller (Chrysler, Ford und General Motors) haben beschlossen, ihre Ressourcen (ca. 262 Mio. USD) über einen Zeitraum von drei Jahren in die Batterieforschung zu investieren. Diese Hersteller haben zusammen mit anderen Organisationen wie dem Electric Power Research Institute (EPRI) im Jahr 1991 das United States Advanced Battery Consortium (USABC) gegründet, an dem sich die Regierung der USA zu gleichen Teilen beteiligt. |
| 11 | Die USABC formulierte zwei Zielsetzungen für die Batterien der Elektrofahrzeuge (Tabelle 3), die darauf abzielten, ein Zwischenbatteriepaket für die erste Phase (1994-95) und ein langfristiges Ziel zu entwickeln, damit die Leistung der Elektrofahrzeuge mit den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor konkurrieren kann. |
| 12 | Konsortium für fortschrittliche Blei-Säure-Batterien (ALABC): ALABC [5. R.F. Nelson, The Battery Man, Mai 1993, S. 46-53] wurde im März 1992 gegründet, um einen 4-Jahres-Forschungsplan mit einem Budget von US $ 19,3 Millionen (ca. Rs.48 crores) für die Entwicklung von Hochleistungs-Blei-Säure-Batterien für Elektrofahrzeuge zu verwalten, die kurz- bis mittelfristig einen bedeutenden Anteil des Elektrofahrzeugmarktes bedienen werden. Die ALABC wird von der International Lead Zinc Research Organization (ILZRO) verwaltet und ist eine Partnerschaftsorganisation der vierzehn größten Bleiproduzenten, zwölf Batteriehersteller, Stromversorger, Motorenhersteller, Hersteller von Ladegeräten und Kupplungen, Zulieferer von Antriebssträngen, Hersteller von Steuergeräten/Elektronik und EV-Handelsorganisationen. |
| 13 | Ab 1991 wurden Kooperationsvereinbarungen für Forschung und Entwicklung zwischen dem Vehicle Technologies Office (VTO) des Department of Energy (DOE) und dem United States Advanced Battery Consortium (USABC) geschlossen. |
| 14 | Die jährliche Marktgröße für Lithium-Ionen-Batterien könnte von 25 Mrd. $ (2019) auf 116 Mrd. $ (2030) steigen. |
| 15 | Die Kosten für Batteriepacks sinken von 1100 $/kWh auf 156 im Jahr 2019 und werden voraussichtlich auf 62 $/kWh im Jahr 2030 sinken. (BloombergNEF) |
Nickel-Metallhydrid-Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge
Die Erfindung des Ni-MH-Batteriesystems ist eine Weiterentwicklung der Ni-Cd- und Ni-H2-Batterien. Das Cd im Ni-Cd-System gilt als Gefahrstoff. Die damit verbundenen Vorteile des neuen Systems waren die höhere spezifische Energie, die geringeren erforderlichen Drücke und die Kosten der Ni-MH-Zellen. Die Arbeit wurde über einen Zeitraum von 20 Jahren von zwei deutschen Automobilherstellern unterstützt
Energieerzeugende elektrochemische Reaktionen:
Zwischen Ni-Cd- und Ni-MH-Zellen gibt es viele Ähnlichkeiten, mit Ausnahme der negativen Elektrode. Wie bei Ni-Cd-Zellen wird bei der Entladung das positive aktive Material (PAM), Nickeloxidhydroxid, zu Nickelhydroxid reduziert. (Die positive Elektrode verhält sich also wie eine Kathode):
NiOOH +H2O+e- Entladung↔Ladung Ni(OH)2 + OH- E° = 0,52 Volt
Das negative aktive Material (NAM) reagiert wie unten angegeben: (Die negative Elektrode verhält sich also wie eine Anode):
MH + OH- Entladung↔Ladung M +H2O+ e- E° = -0,83 Volt
Das heißt, die Desorption des Wasserstoffs erfolgt während der Entladung.
Die Gesamtreaktion während der Entladung ist
NiOOH +H2O+ e
–
Entladung↔Ladung Ni(OH)2 + OH
MH + OH- Entladung↔Ladung M +H2O+ e
–
NiOOH + MH Entladung↔Ladung Ni(OH)2 + M E° = 1,35 Volt
Bitte denken Sie daran, dass
Zellspannung =VPositiv –VNegativ
Daher 0,52 – (-0,83) = 1,35 V
Dabei ist zu beachten, dass die Wassermoleküle, die in den Halbzellreaktionen gezeigt werden, in der Gesamt- oder Gesamtzellreaktion nicht erscheinen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Elektrolyt (wässrige Kaliumhydroxidlösung) nicht an der energieerzeugenden Reaktion beteiligt ist und nur der Leitfähigkeit dient. Beachten Sie auch, dass die wässrige Schwefelsäurelösung, die als Elektrolyt in den Blei-Säure-Zellen verwendet wird, tatsächlich an der Reaktion beteiligt ist, wie unten dargestellt:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 Entladung↔Ladung 2PbSO4 + 2H2O
Dies ist ein wichtiger Unterschied zwischen Blei-Säure-Zellen und alkalischen Zellen. Der umgekehrte Prozess findet bei der Ladungsreaktion statt.
Die verschlossene Nickel-Metallhydrid-Zelle nutzt eine Sauerstoffrekombination, die derjenigen in ventilgeregelten Bleisäurezellen (VRLA) ähnelt, und verhindert so den unerwünschten Anstieg des Innendrucks, der durch die Bildung von Gasen gegen Ende des Ladevorgangs und insbesondere bei Überladung entsteht.
Während des Ladevorgangs erreicht der PAM seine volle Ladung vor dem NAM, so dass die positive Elektrode beginnt, Sauerstoff zu entwickeln.
4OH- → 2H2O +O2 + 4e-
Das bei der obigen Reaktion entstehende Gas strömt durch die poröse Matrix des Separators zum NAM, was durch die elektrolytarme Konstruktion und den Einsatz eines geeigneten Separators unterstützt wird.
Da sich dasO2 mit der MH-Elektrode verbindet, um an der negativen Elektrode Wasser zu erzeugen, wird der Druckaufbau im Inneren der Batterie verhindert. Dennoch gibt es ein Sicherheitsventil für den Fall einer längeren Überladung oder einer Fehlfunktion des Ladegeräts.
4MH + O2 → 4M + 2H2O
Außerdem ist der NAM so konstruiert, dass er nie voll aufgeladen werden kann, so dass keine Wasserstoffproduktion möglich ist. Darüber hinaus ist es sehr wichtig, einen intelligenten Ladealgorithmus anzuwenden, um die O2-Erzeugung über die Rekombinationsfähigkeit der Zelle hinaus zu begrenzen. Dies wird auch durch eine sorgfältige Kontrolle des Verhältnisses der beiden aktiven Materialien erreicht.
Eine detaillierte Beschreibung der Ni-MH-Batterien finden Sie im Folgenden
a. Kapitel über Ni-MH-Batterien von Michael Fetcenko und John Koch im Handbuch
b. Kaoru Nakajima und Yoshio Nishi Kapitel 5 in: Energiespeichersysteme für die Elektronik.
Blei-Säure-Batterie-Technologie in Elektrofahrzeugen
Das Konsortium für fortschrittliche Blei-Säure-Batterien (ALABC) [7. J.F. Cole, J. Power Sources, 40, (1992) 1-15] wurde im März 1992 gegründet, um einen 4-Jahres-Forschungsplan mit einem Budget von US $ 19,3 Millionen (ca. Rs.48 crores) für die Entwicklung von Hochleistungs-Blei-Säure-Batterien für Elektrofahrzeuge zu verwalten, die kurz- bis mittelfristig einen bedeutenden Anteil des Elektrofahrzeugmarktes bedienen werden.
ILZRO leitete dieses Konsortium und ist eine Partnerschaftsorganisation zwischen den vierzehn größten Bleiproduzenten, zwölf Batterieherstellern, Stromversorgern, Motorenherstellern, Herstellern von Ladegeräten und Kupplungen, Zulieferern von Antriebssträngen, Herstellern von Steuergeräten/Elektronik und EV-Handelsorganisationen. Die Zahl der Mitglieder beträgt derzeit 48 aus 13 Ländern. Die ALABC (jetzt CBI) hat fünf wichtige Forschungs- und Entwicklungsziele, die in Tabelle 3 aufgeführt sind. Hochentwickelte Blei-Säure-Batterien können Elektrofahrzeuge mit einer täglichen Reichweite von 90 Meilen oder mehr, Aufladezeiten von wenigen Minuten und einer Lebensdauer von etwa 3 Jahren versorgen.
Der Stand der Technik von ALABC im Jahr 1998 zeigt, daß mit den derzeit laufenden Projekten ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien mit einer Leistungscharakteristik von 48 Wh/kg, 150 W/kg, einer Schnellladung von 80 % in 10 Minuten und einer Zyklenlebensdauer von 800 noch vor Ende 1998 entwickelt werden sollen. Die Erzielung einer solchen Leistung stellt einen spektakulären Fortschritt der Blei-Säure-Batterie-Gemeinschaft im Laufe der 90er Jahre dar und bietet die Aussicht auf ein Elektroauto mit einer Reichweite pro Ladung von über 100 Meilen, die innerhalb eines Tages mehrmals und während der Lebensdauer eines Batteriesatzes über 500 Mal wiederholt werden kann [https://batteryuniversity .com/learn/article/battery_developments]
Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen
Die Geschichte der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien
Tabelle 3:
| Forschungsarbeit | Erfinder / Autor | Jahr | Zugehörigkeit | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|
| Entdeckung der hohen Ionenleitfähigkeit der festen Phase NaAl11O17, genannt Natrium-β-Aluminiumoxid, die zu einem Na-S-Batteriesystem führt | Kummer und Mitarbeiter | 1967 | Labor der Ford Motor Co. | Die Geschichte der Li-Ionen-Zelle begann |
| Na-S-Batterie-System | N. Weber und J. T. Kummer | 1967 | Labor der Ford Motor Co. | Hochtemperatur-System |
| Untersuchung von FeS oder FeS2 als Kathodenmaterial im Vergleich zu Li-Metall | D.R. Vissers et.al. | 1974 | ANL | Bei der Reaktion mit Li kommt es bei diesen Materialien zu Rekonstitutionsreaktionen, bei denen die ursprünglichen Phasen verschwinden und neue gebildet werden |
| Anode aus Li-Metall und Kathode aus Titansulfid (TiS2) | Prof. Whittingham | 1976 | Binghamton University, Binghamton, New York 13902, Vereinigte Staaten | Li bildete beim Radfahren Dendriten an der Metalloberfläche, was zu Kurzschlüssen führte. |
| Die ersten Materialien, die Lithium enthielten und aus denen Lithium elektrochemisch entfernt werden konnte, waren die Arbeiten über Li1-xCoO2 im Jahr 1980. | Prof. Goodenough und Mitarbeiter | 1980 | Universität Oxford, UK | Li-Interkalationsverbindungen |
| Spezielles Anodenmaterial auf Basis von Koks | Akira Yoshino | 1985 | Neues Anodenmaterial | |
| Das oben genannte Anodenmaterial wurde mit LixCoO2 | Akira Yoshino | 1986 | Asahi Kasei Gesellschaft | Li-Ionen-Zelle |
| Die Sicherheit von Li-Ionen-Batterien ist bewiesen | Akira Yoshino | 1986 | Asahi Kasei Gesellschaft | Sicherheit von Li-Ionen- und Li-Metall-Anoden nachgewiesen |
| Eine kommerzielle Li-Ionen-Batterie im Jahr 1991. | 1991 | Sony Gesellschaft | ||
| Mit der weiteren Entwicklung wurde die Li-Ionen-Batterie kommerzialisiert. | 1992 | Ein Gemeinschaftsunternehmen von Asahi Kasei und Toshiba. | ||
| Neuere Kathodenmaterialien Li-Manganat und Li-Eisenphosphat | Goodenoughs Gruppe | 1997 | Goodenoughs Gruppe | |
| Graphit-Anode | 1990 |
Li-Ion Lithium-Kobaltat (LCO) Zellchemie
Die Gesamtreaktion ist
C6 + LiCoO2 ⇄ LixC6 + Li1-xCoO2
Ecell = 3,8 – (0,1) = 3,7 V.
Li-Ionen-Zelle der LiFePO4-Chemie
Die Gesamtreaktion LiFePO4 + 6C →LiC6 + FePO4
Ecell = 3,3 – (0,1) = 3,2 V
Das Zeitalter der modernen Elektroautos
Erst in den 1990er Jahren begannen die großen Automobilhersteller, an Lösungen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge zu arbeiten und Ergebnisse zu erzielen. Parallel zu diesen Fortschritten wurden 1991 die ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien auf den Markt gebracht, die sich schnell durchsetzten. Mit der raschen Verbreitung von Unterhaltungselektronik wurden diese Batterien mit hoher Energiedichte zur bevorzugten Energiespeicherlösung für viele verschiedene Anwendungen, von tragbarer Elektronik bis zu Hybrid- und Elektrofahrzeugen.
Die moderne Ära der E-Fahrzeuge wurde durch die Ölknappheit in den 1970er Jahren eingeleitet.
Entwicklungen von modernen HEVs/Elektrofahrzeugen
Tabelle-4
| EV/HEV | Ungefähr. Jahr | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Der EV1 von General Motors (GM). | 1996-1999 | EV 1 |
| Parallel Hybrid Truck" (PHT), | 1999 | |
| 2-Mode-Hybrid-System | 2008 | |
| Mild-Hybrid-System vom Typ "Band-Alternator-Starter" (BAS) | 2011 | 1. Das erste BAS von GM war ein 36-V-System mit einer von Cobasys entwickelten Ni-MH-Batterie. 2. Bei der zweiten Generation (e-Assist) wurde die Spannung des Systems auf 115 V erhöht und auf eine luftgekühlte 0,5-kWh-Li-Ionen-Batterie von Hitachi Vehicle Energy Ltd. umgestellt. |
| Die Voltec-Technologie von GM | 2010 | Der Volt ist ein "serieller Hybrid", der sowohl einen kleinen Verbrennungsmotor mit einer 355-V-Lithium-Ionen-Batterie mit Zellen von LG Chem und einem von GM entwickelten Batteriepack als auch zwei Elektromotoren kombiniert. |
| Toyota Hybrid-System (THS) | 1997 | Luftgekühlte 288-V-Ni-MH-Batterie mit ~1,7 kWh Energie |
| Der vollelektrische RAV4 SUV | 2006 | Die zweite Generation der RAV4 EV-Batterie, die auf dem Tesla Model-S-Batteriepaket basiert, hatte eine 386-V-Li-Ionen-Batterie mit etwa 52 kWh. |
| Honda Einsicht | 1999-2006 | ein "zweisitziges, benzinbetriebenes Hybridfahrzeug mit dem höchsten Kraftstoffverbrauch |
| Mitsubishi | 2009 | i-Miev |
| Mazda | 2000-2011 | Hybridoptionen für den Tribute, Mazda3 und Mazda6 |
| Hyundai | 2012 | ein Hybrid aus Sonata, Tuscon und Elantra |
| Kia | 2000 | Ein Optima-Hybrid |
| Subaru | 2007 | XV Crosstrek und eine Stella Plug-in-Hybrid. |
| Nissan | 2010 | Blatt |
| Ford | 2011 | 1. Der Focus EV verwendet eine 23 kWh Li-Ionen-Batterie (LG Chem); 2. C-Max (2012) |
| BMW | 2013 | e-Tron, i-8 und Aktiv-Hybrid |
| Chinesische BYD, Beijing Automotive Industry Corporation (BAIC), Geely, Shanghai Automotive Industry Corporation (SAIC) Chang'an, Chery, Dongfeng, First Auto Works (FAW), Brilliance Automotive, Foton, Great Wall, Lifan, und viele andere | Ende der 2000er Jahre | . |
Heute sind EVs und HEVs eindeutig auf dem Vormarsch. Anfang der 2030er Jahre, wenn sich die Technologie weiter verbessert und die Kosten für Batterien erschwinglich werden, wird die Option für emissionsfreie Elektrofahrzeuge (ZEVs) alle anderen Optionen für Fahrzeugbesitzer überholen.
Die Preise für EV-Batterien, die 2010 bei über 1.100 USD pro Kilowattstunde lagen, sind um 87 % auf 156 USD/kWh im Jahr 2019 gefallen. Bis 2023 könnten die Durchschnittspreise fast 100 $/kWh erreichen.
Tabelle 5
[2. Global EV Outlook 2020 (IEA) Seite 155, https://webstore.iea.org/download/direct/3007]
Elektrofahrzeugbestand, Verkäufe, Marktanteil, Batteriegröße, Reichweite, usw.
| Jahr | 2010 | 2017 | 2018 | 2019 | 2025 | 2030 | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Umsatz (Mio.) | 0.017 | 0.45 | 2.1 | ||||
| Umsatz (Mio.) | 7.2 | 47 % in China im Jahr 2019 | |||||
| Erweiterung der Bestände | 60% | Ist im Zeitraum 2014-19 um durchschnittlich 60 % pro Jahr angestiegen | |||||
| Chinas Anteil | 47% | ||||||
| Weltweiter Automobilabsatz | 2.6% | ||||||
| Globaler Bestand | 1% | ||||||
| Anstieg in % | 40% | Zwei Gründe für den Anstieg: EV-Modelle mit größeren kWh-Batterien und damit höheren Reichweiten werden derzeit angeboten und erwartet Der Marktanteil von BEVs im Vergleich zu PHEVs nimmt zu. | |||||
| Durchschnittliche Größe der Batteriepacks (kWh) | 37 | 44 | 20-30 Kilowattstunden (kWh) im Jahr 2012 | ||||
| Größe des Akkupakets (kWh) | 50- bis 70 | 48 bis 57 | 70 bis 80 | Für PHEVs ca. 10-13 kWh im Jahr 2018 (50-65 km rein elektrische Reichweite) und 10-20 kWh im Jahr 2030. Jahr 2019 -14 % Anstieg gegenüber dem Jahr 2018 | |||
| Durchschnittliche Reichweite (km) | 350 bis 400 | ||||||
| Globale Vorhersage | Im Jahr 2019, globale Prognose = 3 % Marktanteil |
| Jahr | Zunahme oder Abnahme (%) | |
|---|---|---|
| Prozentsatz des Wachstums | 2016 bis 2019 | 6% Anstieg |
| Prozentsatz des Wachstums | 2016 bis 2019 | 30% Rückgang |
Laut IEA ist das Stated Policies Scenario (SPC ) eine Situation, die die bestehende Regierungspolitik einbezieht, und das Sustainable Development Scenario (SDC ) ist vollständig mit den Zielen des Pariser Klimaabkommens vereinbar. Letzteres beinhaltet die Ziele der EV30@30-Kampagne (30 % Marktanteil für E-Fahrzeuge bei allen Verkehrsträgern, außer Zweirädern, bis 2030).
Im SPC steigt der weltweite Bestand an Elektrofahrzeugen (alle Verkehrsträger, außer Zwei- und Dreiräder) von etwa 8 Millionen (2019) auf 50 Millionen (2025) und sehr nahe an 140 Millionen (2030, etwa 7 %). Dies entspricht einer jährlichen Wachstumsrate von nahezu 30 %.
Der Absatz von Elektrofahrzeugen erreicht fast 14 Millionen (2025, was 10 % aller verkauften Straßenfahrzeuge entspricht) und 25 Millionen (2030, was 16 % aller verkauften Straßenfahrzeuge entspricht).
Der SDC geht davon aus, dass der weltweite Bestand an Elektrofahrzeugen im Jahr 2025 fast 80 Millionen und im Jahr 2030 245 Millionen Fahrzeuge erreichen wird (ohne Zwei- und Dreiradfahrzeuge).
Die EV30@30-Kampagne wurde auf der achten Ministerkonferenz für saubere Energie 2017 ins Leben gerufen. Die teilnehmenden Länder sind Kanada, China, Finnland, Frankreich, Indien, Japan, Mexiko, die Niederlande, Norwegen, Schweden und das Vereinigte Königreich.
| Jahr | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2025 | 2030 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Jährliche Marktgröße für Lithium-Ionen-Batterien (in Mrd. $) | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 25 | 60 | 116 | |
| Kosten des Batteriesatzes ($/kWh) | 1100 | -- | -- | 650 | 577 | 373 | 288 | 214 | 176 | 156 | 100 | 62 |
Abbildung 1.
Jährliche globale Marktgröße für Lithium-Ionen-Batterien
https://www.greencarcongress.com/2019/12/20191204-bnef.html
Die Größe des Absatzmarktes für LIBs für Elektrofahrzeuge könnte im Jahr 2030 etwa 120 Milliarden USD erreichen.
Die Batteriepreise, die 2010 bei über 1.100 USD/kWh und 2016 bei 288 USD/kWh lagen, sind im letzten Jahr (2019) auf 156 USD/kWh gesunken, und in etwa vier Jahren könnten die durchschnittlichen Kosten laut einem Marktforschungsunternehmen bei 100 USD/kWh liegen. Einer der führenden Hersteller von Elektrofahrzeugen verwendete die am leichtesten erhältliche Zelle 18659, um die Kosten auf 250 USD/kWh zu senken.
ANL hat ein Berechnungsmodell (BatPac) zur Bewertung der Leistung und der Produktionskosten von Lithium-Ionen-Zellen für Elektrofahrzeuge entwickelt. Unter Zugrundelegung einer bestimmten Zellchemie für eine 80-kWh-Batterie und einer bestimmten jährlichen Produktionskapazität wurden die durchschnittlichen Batteriepreise auf 105 bis 150 USD/kWh geschätzt.
Beispiele für einige EV-Batteriepacks
Der EV-Kunde erwartet eine 8-Jahres-Garantie oder eine bestimmte Kilometerzahl für die Batterien. Ein führender Hersteller von Elektrofahrzeugen bietet 8 Jahre Garantie und eine unbegrenzte Kilometerzahl.
Toshiba behauptet, dass seine Batterie auch nach 5000 Zyklen noch 90 % kWh liefert, was 14 Jahren Ladezyklen bei einem Zyklus pro Tag entspricht. Obwohl Toshiba davon spricht, die Batterie im Jahr 2021 zu verkaufen, macht es keine Angaben zu den Kosten.
Der Tesla-Batteriebericht (http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf) (Copyright: 2014 Total Battery Consulting, Inc.)
EV-Batteriepacks (Copyright: 2014 Total Battery Consulting, Inc.) (http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf)
Globale EV-Ladeinfrastruktur
Ein Großteil der leichten EV-Ladegeräte befindet sich im Besitz der Verbraucher. China verfügt über etwa 80 % der öffentlichen Ladestationen gegenüber 47 % des weltweiten Bestands an Elektroautos für leichte Nutzfahrzeuge. Allein im letzten Jahr (2019) betrug der Zuwachs an öffentlichen Ladestationen in China 60 % der weltweiten öffentlichen Ladestationen, und dieses Land verfügte über 80 % der weltweiten öffentlichen Ladestationen und 50 % der öffentlich zugänglichen Langsamladegeräte.
Tabelle 7
Globale EV-Ladeinfrastruktur
[
Global EV Outlook 2020
(IEA) https:// webstore .iea.org/download/direct/3007].
Die überwiegende Mehrheit der Ladegeräte für leichte Elektrofahrzeuge sind private Ladegeräte.
| Verfügbare Ladegeräte (Millionen) | 7.3 | |||
|---|---|---|---|---|
| Privat | Öffentlich | Schnell-Ladegeräte | Langsame Ladegeräte | |
| 6,5 Millionen ~ 80% | 0,876 Millionen 12% (862 000) | 4% 263 000 | 8% 598 000 |
60 % Anstieg im Vergleich zu 2018
Busse 2019
Verfügbare Ladegeräte – 184000 Stück (Anstieg um 17 % im Jahr 2019 im Vergleich zu 2018 (157 000)
Globale Ladeinfrastruktur für Elektro-Lkw.
| Lkw-Typ | Mittlere Lastkraftwagen (3,5 bis 15 Tonnen zulässiges Gesamtgewicht) | Schwere Lastkraftwagen (>15 Tonnen zulässiges Gesamtgewicht) |
| Energiemenge des Akkupacks | 70 - 300k Wh | 200 - 1000k Wh |
Indisches Szenario: EV und EV-Ladeinfrastruktur
Indische EV-Aktien
Der Anteil der E-Fahrzeuge an den Verkäufen aller Verkehrsträger in Indien erreicht im Jahr 2030 im New Policies Scenario fast 30 % und entspricht damit fast dem Ziel (Government of India, 2018). Die Elektrifizierung von Fahrzeugen findet hauptsächlich im Zweiradsegment statt, wobei vier von zehn neuen Fahrzeugen im Jahr 2030 auf BEVs entfallen. E-Fahrzeuge durchdringen auch die Märkte für Lastkraftwagen und Stadtbusse und machen 14 % aller Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeuge und 11 % aller Busse aus.
Die Einführung von Elektroautos in Indien wurde durch das 2017 formulierte Ziel einer vollständigen Umstellung auf Elektrofahrzeuge bis 2030 vorangetrieben. Im Jahr 2018 wurde ein Ziel von 30 % festgelegt, das durch verschiedene politische Maßnahmen wie Normung, öffentliche Flottenbeschaffung und gezielte wirtschaftliche Anreize sowohl für die Einführung von Fahrzeugen als auch für den Aufbau einer Ladeinfrastruktur unterstützt wird.
Im EV30@30-Szenario erreicht Indien als globaler Vorreiter beim Übergang zur Elektromobilität im Jahr 2030 einen Anteil von 29% bei allen Verkehrsträgern (außer Zwei- und Dreirädern) (54% einschließlich Zwei- und Dreirädern). Im Jahr 2030 sind in Indien 72 % der Zweiräder, 31 % der Autos und 24 % der Busse elektrisch. [ 8. Global EV Outlook 2020 (IEA) Seite 139, https://webstore.iea.org/download/direct/3007].
In Indien hat die West Bengal Transport Corporation (WBTC) 80 Elektrobusse und Ladestationen im Rahmen der ersten Phase der Regierungspolitik zur Förderung des Einsatzes von Elektrofahrzeugen mit der Bezeichnung Faster Adoption and Manufacturing of Hybrid & Electric Vehicles (FAME I) eingeführt. Einige der Neun-Meter-Busse sind mit 125-kWh-Batterien ausgestattet, einige der längeren Busse (12 Meter) mit 188-kWh-Batterien.
Abbildung 3.
EV-Verkäufe in Indien im Jahr 2030[Global EV Outlook 2020 (IEA) Seite 159, https: // webstore. iea.org/download/direct/3007]
Im vergangenen Jahr (2019) wurden in Indien 0,750 Millionen E-Fahrzeuge verkauft, und der Gesamtbestand belief sich auf etwa 7,59 Millionen Fahrzeuge. Im vergangenen Jahr verzeichneten die Zweiräder ein Wachstum von 130 % gegenüber 2018.
https://www.autocarindia.com/car-news/ev-sales-in-india-cross-75-lakh-mark-infy2019-412542 Zugriff am 6. August 2020 ).
Unter den gegebenen Umständen haben die 2-W-Hersteller gelernt, sich ohne staatliche Subventionen selbst zu versorgen. Der Rückgang der Verkäufe im April letzten Jahres (2019) war auf die strengen Auflagen der zweiten Phase von FAME II zurückzuführen. Kein EV kann die neuen Kriterien erfüllen. Außerdem verzögerte ein etwa 45 Tage dauerndes Neuzertifizierungsverfahren den Verkauf.
EV-Ladeinfrastruktur in Indien
Eine angemessene Ladeinfrastruktur (EVCI) ist der Schlüssel für die Verbreitung von Elektrofahrzeugen.
Es ist erwiesen, dass die Verfügbarkeit eines dichten Netzes von Stromversorgungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge (EVSE) in einem Land dreimal effektiver ist als die Gewährung von Rabatten und Subventionen für den Kauf eines Elektrofahrzeugs, da sowohl die öffentliche als auch die private Ladeinfrastruktur für die Förderung von Elektrofahrzeugen entscheidend ist. Weltweit ist die öffentliche Ladeinfrastruktur in den letzten zehn Jahren mit einer atemberaubenden CAGR von 84 % gewachsen, mit jährlichen Wachstumsraten von über 100 % zwischen 2009-2012 und 2013-2014 und einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 180 % zwischen 2010-2018.
Wachstumstrends für EV-Ladeinfrastruktur in Indien
Indien ist ein aufstrebender Markt für Elektromobilität, und als viertgrößter Automobilmarkt der Welt werden wir allmählich zur Schwerpunktregion für Elektromobilität.
Die Zukunft des EVCI-Wachstums in Indien ist überwiegend positiv und erreicht die Wachstumsraten der weltweiten EVCI-Verbreitung.
Gensol Mobility, Eigentümer und Betreiber der innerstädtischen Elektro-Taxiflotte BluSmart, hat seine Präsenz in der nationalen Hauptstadtregion ausgebaut.
Abbildung 5
Wachstumstrend der öffentlichen EV-Ladeinfrastruktur in Indien
Indien Öffentliche Elektrofahrzeug-Versorgungseinrichtungen(EVSE) langsam und schnell
Post-Li-Ion oder Beyond-Li-Ion
Um die Reichweite zu verdoppeln, suchen die Hersteller von E-Autos nach neueren Batterietypen. Die folgenden Systeme werden derzeit untersucht:
a. Li-Festkörperbatterien (http://www.usaspeaks.com/news/toyota-unveils-solid-state-battery-design-for-evs/)
b. Lithium-Luft (Sauerstoff)-Batterien [ 11. David L. Chandler | MIT News Office]
c. Na-Ionen-Batterien
d. Zink-Luft-Batterien [12. Jonathan Goldstein, Ian Brown und Binyamin Koretz JPower Sources, 80 (1999) 171-179].
e. Licerion Batterie
EV-Batterie-Pack-Design
Die Anzahl der Zellen in einem Pack hängt von der Chemie der Li-Ionen-Zelle ab, die wiederum vom verwendeten Kathodenmaterial abhängt.
Nehmen wir zum Beispiel eine 85-kWh-Batterie, die aus Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA)-Kathodenzellen mit einer Kapazität von je 3,25 Ah besteht:
Annahmen:
Spannung des Akkupacks = 350 V
Nennspannung der Zelle = 3,6 V
Nennkapazität Energie = 85 kWh
Tatsächliche Energiekapazität = 80 kWh (~ 95 % der Nennkapazität)
Nennkapazität = 3,25 Ah
Tatsächliche Kapazität = 3,1 Ah (~ 95 % der Nennkapazität)
Für einen 350-V-Pack mit den oben genannten Zellen wären 350 V/3,6 V = 97,2 Zellen erforderlich, der Einfachheit halber runden Sie auf 96 oder 98 Zellen auf.
Aber die Energiekapazität von 96 Einzelzellen in Reihe wäre 96* 3,6 V*3,25 Ah = 1123 Wh. Dieses spezielle Moduldesign würde also 1123 Wh betragen.
Daraus ergibt sich die Anzahl der parallel zu schaltenden Zellen = 85000Wh/1123 Wh = 75,7 @ 76.
Wir können 76 Zellen in einem Modul parallel schalten, dessen Kapazität 76*3,25 Ah = 247 Ah beträgt.
Wir können 96 Zellen bequem in 16 Module zu je 6 Zellen (oder 12 Module zu je 8 Zellen) aufteilen, die alle in Reihe geschaltet sind.
Die Gesamtspannung wäre also 16*6 =96 *3,6 V =345,6 V bei 350 V.
OR
Die Gesamtspannung wäre 12*8 =96 *3,6 V =345,6 V @ 350 V
Die Gesamtnennleistung eines Moduls beträgt also 247 Ah*6*3,6 V = 5335 Wh.
Die Gesamtnennleistung des Akkus wäre also 247 Ah*6*3,6 V*16 = 85363 Wh @ 85 kWh
Die tatsächliche Gesamt-Wh des Akkus wäre also 76*3,1 Ah = 236 Ah*350 V = 82600 Wh @ 82 kWh
Die Energiekapazität beträgt jetzt 85 kWh. Die Gesamtzahl der Zellen in einer Packung wäre also
85000 Wh/3,6 V*3,25 Ah= 7265 Zellen (Nennwert)
85000 Wh/3,6 V*3,1 Ah= 7616 Zellen (tatsächlich)
In ähnlicher Weise würden wir für einen 350-V-Pack mit 3,25-V-Lithiumeisenphosphat-Zellen (LFP) (350 V/3,25 V) 107,7 Zellen benötigen. Der Einfachheit halber können wir auch hier entweder 108 oder 110 Zellen verwenden. Hier können wir 11 Module mit je 10 Zellen für 110 Zellen oder 18 Module mit je 6 Zellen für108 Zellen entwerfen.
Bei einer 2,3-V-LTO (Lithium-Titanat)-Zelle benötigen wir (350 V/2,3 V) 152 Zellen oder aufgerundet 160 Zellen, um die gewünschte Spannung zu erreichen.
70 kWh und 90 kWh, 18650 NCA-Zellen mit 3,4 Ah; flüssigkeitsgekühlt.
Das 90-kWh-Paket hat 7.616 Zellen; die Batterie wiegt 540 kg (1.200 lb = 540 kg);
Die Ausfallwahrscheinlichkeit in Parallelkonfigurationen ist gering, so dass der Ausfall einer Zelle nicht die gesamte Batterie betrifft.
Berechnung von Batterieleistung und -kapazität
Nehmen wir das vorangegangene Beispiel eines Akkupakets von 85 kWh mit einer Spannung von 350 V. Normalerweise wird bei Elektrofahrzeugen eine Entladungsrate von 1 C berücksichtigt. Der Strom würde also 85000 Wh / 350 V = 243 Ah betragen. Der Strom wäre also 240 A. Die Leistung = V * A = 350*240 = 84000 W = 84 kW maximal. Das BMS lässt jedoch nur 80 % dieser Leistung als Maximum zu.
Die tatsächlich verbrauchte Leistung beträgt also 84*0,8= 67,2 kW. Wie bereits erwähnt, liegt der durchschnittliche Anteil der regenerativen Energie bei etwa 15 %. In einigen Fällen kann diese Zahl auf über 40 % ansteigen. Die regenerative Leistung geht nicht über 40 kW hinaus.
Spannungen von konkurrierenden Lithium-Batterien
Tabelle 8
| Leistungsparameter | NCA | NMC | LMO | LFP | LTO | LCO |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Nennspannung einer Zelle (V) | 3.6 | 3.6 | 3.8 | 3.2 | 2.2 | 3.6 |
Spezifische Energie und Energieeffizienz
Geht man von einem Wirkungsgrad von 25 % aus, können fossile Brennstoffe 12000*0,25 = 3000 Wh/kg nutzbare Energie liefern. Bei einer Batterie ist der Wirkungsgrad höher, so dass 150*0,9 = 135 Wh/kg nutzbare Energie aus Batterien gewonnen werden kann.
Nutzbares Verhältnis = 3000/135 = 22,22 mal
Direktes Verhältnis = 12000/150 = 80-fach
Recycling von Li-Ionen-Batterien
[ 14. Bin Huang Zhefei Pan Xiangyu Su Liang An, J Power Sources, Band 399, 30. September 2018, Seiten 274-286]
Angesichts des ständig wachsenden Bedarfs an LIBs, insbesondere in den EV-Segmenten, eine große Anzahl von Lithium-Ionen-Batterien wird zum Recycling oder zur Wiederverwendung zurückgegeben. Das Fehlen einer ordnungsgemäßen Entsorgung verbrauchter Lithium-Ionen-Batterien hat wahrscheinlich schwerwiegende Folgen wie Umweltverschmutzung und Verschwendung von Ressourcen. Um dieses Problem zu lösen, sind sowohl technologische Innovationen als auch die Beteiligung der Regierungen erforderlich.
Wer sich für weitere Einzelheiten interessiert, kann sich auf die Veröffentlichungen zu diesem Thema beziehen.
Second-Life-Batterien (Wiederverwendung von EV-Batterien nach dem Ende der Lebensdauer des EV
Im Bereich des Recyclings gibt es Überlegungen, die EV-Batterien entweder wiederzuverwenden, nachdem die EV-Batterie entsorgt wurde, oder die Materialien aus dieser Batterie zu recyceln.
Elektrofahrzeuge kommen 2020 nach Indien
Im Jahr 2020 werden sich die Hersteller nicht nur auf BSVI-konforme Autos und Motorräder konzentrieren, sondern einige werden noch einen Schritt weiter gehen, um die Kohlenstoffemissionen vollständig zu eliminieren, und sich auf die EV-Plattform wagen. Im Folgenden finden Sie einige EVs, die für dieses Jahr bestätigt wurden und einige, die in diesem Jahr erwartet werden. Sie sind:
Tata Nexon EV
G Motor Indien ZS EV
Audi e-Tron
Ford-Mahindra Aspire EV
Volkswagen ID 3
Jaguar I-Pace
Porsche Taycan 4S
Die verfügbaren Angaben sind nachstehend tabellarisch aufgeführt:
Tabelle 9
Elektrofahrzeuge kommen 2020 nach Indien
(http://overdrive.in/news-cars-auto/cars-coming-to-india-in-2020-electric-vehicles/)
| EV (verbrauchte Wh/km) | Preis | Akku-Typ | kWh-Kapazität | Nutzbare Kapazität | Motoren | Drehmoment | Beschleunigung | Höchstgeschwindigkeit | Reichweite km | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tata Nexon EV (100 Wh/km) | Rs. 15 bis 17 L | Li-Ion | 30.2 | Permanentmagnet-AC-Motor | 129PS und 245 Nm an den Vorderrädern | 0 bis 100 km/h in 9,9 s | NA | > 300 km mit einer vollen Ladung | ||
| GM ZS EV (129 Wh/km) | Li-Ion | 44,5 flüssigkeitsgekühltes Akkupaket | 143PS/350Nm Motor für den Antrieb der Vorderräder | 345 | Integriertes Ladegerät. Volle Ladung in 6 bis 8 Stunden; auch 50-kW-Ladegerät aufzustellen | |||||
| Audi e-tron (220 Wh/km) | Li-Ion | 96 | 86.5 | Motoren hinten und vorne | 436 | |||||
| Ford-Mahindra Aspire EV | Rs 6 bis 7 L | Li-Ion | Hinterachse Motor | 300+ | ||||||
| Volkswagen ID 3 (136 Wh/km) (138 Wh/km) (140 Wh/km) | < 30000 Euro | Li-Ion | 45 (Basisversion) | 330 (WLTP) | 290 km in 30 Minuten Ladezeit (100 kW DC) | |||||
| Rs. ~ 23,85 l vor Steuern und Abgaben | Li-Ion | 58 (mittlere Ausstattung) | 205PS und 310Nm | 160 | 420 | |||||
| Li-Ion | 77 (Oberste Spezifikation) | 550 | ||||||||
| Jaguar I-Pace (180 Wh/km) | Li-Ion | 90 | 2 Motoren | 400PS und 696Nm Drehmoment | 0-100 km/h in 4,8 s | 320 | >500 | 80% Ch 90 Minuten | ||
| Porsche Taycan 4S (195 Wh/km) | Li-Ion | 79.4 | Doppelmotor 800 V | 435PS, 530PS mit Overboost und 640 Nm. | Von 0 auf 100 km/h in 4s. | 250 | 407 | |||
| Li-Ion | 93.4 | 463 |
