Электромобили - необходимость в аккумуляторе
С незапамятных времен человек изобретал все новые и новые машины, чтобы улучшить комфорт жизни и повысить производительность на заводах. Электромобили появились примерно в середине 19 века, а современные электромобили/гибридные электромобили были разработаны в конце 20 века. Эти электромобили считались более удобными и простыми в управлении по сравнению с автомобилями с ДВС. Но теперь последнее создало экологическую проблему. В сегодняшнем стремлении сохранить окружающую среду и найти больше способов использования устойчивых и возобновляемых источников энергии, автомобильная промышленность должна сыграть самую важную роль.
Эта отрасль является наиболее загрязняющей с точки зрения выбросов выхлопных газов от их продукции. Важная роль отводится и аккумуляторной промышленности. Все больше и больше батарей используется в таких приложениях, как электромобили (Electric vehicles), возобновляемые источники энергии (ВИЭ), такие как солнечная и ветровая энергия. Электрическая тяга с помощью батарей помогает снизить уровень загрязнения атмосферы, а также уменьшить эксплуатационные расходы. Кроме того, это снижает зависимость от сырой нефти. Электрическая силовая установка автомобилей — самая обсуждаемая тема на сегодняшний день.
Все автопроизводители имеют собственную конструкцию электромобилей и аккумуляторов для электромобилей (EVB). Хотя до недавнего времени свинцово-кислотная батарея была наиболее широко используемой EVB, сейчас литий-ионная батарея заняла лидирующую позицию. Но учитывая первоначальную стоимость и аспекты безопасности, свинцово-кислотная батарея не может быть полностью вытеснена, пока стоимость литий-ионных батарей для электромобилей не снизится до доступного уровня, а аспекты безопасности не будут улучшены.
Все автопроизводители имеют собственную конструкцию электромобилей и аккумуляторов для электромобилей (EVB). Хотя до недавнего времени свинцово-кислотная батарея была наиболее широко используемой EVB, сейчас литий-ионная батарея заняла лидирующую позицию. Но учитывая первоначальную стоимость и аспекты безопасности, свинцово-кислотная батарея не может быть полностью вытеснена до тех пор, пока стоимость литий-ионных батарей для электромобилей не снизится до доступного уровня, а аспекты безопасности не будут улучшены.
Примерно в 2010 году количество электромобилей на дорогах составляло менее 20 000 в мире. Однако в 2019 году это число выросло более чем в 400 раз и приблизилось к семи миллионам.
Почти 80% проблем с качеством воздуха связаны с автомобильными выбросами. В промышленно развитых странах Запада и Японии было установлено, что две трети СО, одна треть оксидов азота и почти половина углеводородов были вызваны вышеупомянутыми выбросами. Если так обстоят дела в промышленно развитых странах, то в развивающихся странах, где экологический контроль не обеспечивается строго, ситуация не лучше.
Неэффективные автомобили с ДВС вносят значительный вклад в загрязнение воздуха, даже несмотря на низкую плотность движения. Помимо вышеперечисленных причин, автомобильные выбросы производят большое количество «парникового газа» (ПГ), т.е. CO2. В среднем, автомобиль производит почти в четыре раза больше CO2, чем его вес. Автомобильные выбросы ответственны за 20, 24 и 26 процентов всех выбросов CO2 в Великобритании, США и Австралии, соответственно. Все эти причины и нефтяные кризисы 1960-х и 1970-х годов, а также 1973 и 1979 годов стали реальными причинами развития электромобилей и соответствующих батарей для электромобилей.
Электромобили - нулевой выброс
Электромобиль использует один или несколько электродвигателей, питающихся только от батарей, для тяговых целей (чисто электрические автомобили) без двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Поэтому у него нет выхлопных газов, и он известен как автомобиль с нулевым уровнем выбросов (ZEEV). Гибридные электромобили (HEV) имеют два источника энергии, один с высоким содержанием энергии (ископаемое топливо), а другой — аккумулятор с высокой скоростью разряда.
Тема электромобилей и их разновидностей обширна и будет подробно рассмотрена отдельно. Здесь достаточно знать краткое определение электромобилей и HEV.
Компоненты чисто электрических транспортных средств
I. Накопитель электрической энергии (аккумулятор)
II. Электронный модуль управления (ECM)
III. Система управления аккумулятором (BMS)
IV. Электрическая трансмиссия
В каждом электромобиле есть индикатор дальности хода, и он отображается на видном месте на приборной панели. В некоторых электромобилях лампочки начинают мигать, когда остается около 25 км запаса хода.
Компоненты обычного гибридного электромобиля
I. Накопитель электрической энергии (аккумулятор)
II. Хранение химической энергии (топливный бак)
III. Электрическая трансмиссия
IV. Сгорание Приводной механизм
Введение в аккумуляторы для электромобилей
Характеристики, необходимые для батареи электромобиля
Существует несколько характеристик, необходимых для батареи электромобиля, но следующие имеют первостепенное значение и обеспечивают достаточно точную оценку возможности использования батареи.
a. Первоначальная стоимость покупки аккумуляторного блока (стоимость за кВт/ч, включая всю атрибутику)
b. Удельная энергия, которая является показателем размера батареи (Втч/кг)
c. Удельная мощность, которая является показателем ускорения и способности преодолевать подъемы (Вт/кг)
d. Эксплуатационные расходы (стоимость/км/пассажир)
e. Длительный срок службы с характеристиками, не требующими технического обслуживания
f. Возможность быстрой перезарядки (80% в течение 10 минут)
g. Способность поглощать большие токи при рекуперативном торможении.
h. Безопасность, надежность и простота утилизации.
Электромобили и гибридные электромобили
В чисто электрических автомобилях питание должно осуществляться от аккумулятора в непрерывном режиме. Энергетическая емкость батареи разработана таким образом, что она может обеспечить этот номинал непрерывного разряда в течение всего расчетного диапазона электромобилей. Обычно батарея электромобиля не допускается к разряду свыше 80% емкости, чтобы состояние заряда (SOC) не опускалось ниже 20-25%.
Дальность действия батареи электромобилей
Это необходимо для защиты батареи от чрезмерного разряда и во избежание трудностей, возникающих в случае чрезмерного разряда батареи. Кроме того, батарея должна быть способна принимать энергию, поступающую от системы рекуперативного торможения. Если аккумулятор полностью заряжен, энергия рекуперативного торможения не может быть принята аккумулятором.
В настоящее время вышеупомянутая скорость непрерывного разряда в один раз превышает номинальную емкость. Например, если номинальная емкость составляет 300 Ач, скорость разряда равна 300 амперам. Батарея электромобиля неизменно испытывает полную разрядку один раз в день. Конечно, он будет получать обратную энергию от рекуперативного торможения, как и при его применении.
Средний процент регенеративной энергии составляет около 15%. В некоторых случаях этот показатель может превышать 40 %. Мощность рекуперации не превышает 40 кВт. Наибольшее значение она имеет при определенном замедлении.
В настоящее время производители батарей для электромобилей заявляют, что срок службы батарей составляет от 1000 до > 10 000 циклов.
Для электромобиля номинально требуется батарея емкостью 36-40 кВт/ч (полезная энергетическая емкость), чтобы дальность поездки в оба конца составляла 300-320 км. Но большинство производителей комплектующих указывают больше этого значения, как правило, на 40-60% больше. Это компенсирует сокращение срока службы из-за цикличности, так что даже после истечения гарантийного срока службы батареи остается безопасный запас емкости для нормальной работы EV. Аккумулятор емкостью 96 кВт/ч в EV имеет полезную емкость 86,5 кВт/ч.
Хотя современные литий-ионные элементы легко обеспечивают удельную энергию 170 Вт-ч/кг, удельная энергия пакета снижается на 35 %. В результате общая удельная энергия снижается до 120 Вт-ч/кг. В 2019 году процентное содержание неэлементных компонентов в упаковке снизилось примерно до 28% с примерно 35%. Но такие технологические инновации, как технология «ячейка в ячейке» (исключающая промежуточное звено — модуль), могут еще больше повысить удельную энергию будущих батарей для EV. Текущие удельные энергетические характеристики батарей EV весьма удовлетворительны, поэтому инженеры и ученые, занимающиеся исследованиями и разработками, стремятся к более высоким удельным энергиям.
Электрическая трансмиссия в электромобилях
Тяговые электродвигатели приводят в движение полностью электрические автомобили. Но существуют контроллеры для управления работой электродвигателей. Существует два типа электродвигателей — двигатели переменного и постоянного тока. Последними легче управлять, а также они менее дорогостоящие; их недостатками являются более тяжелый вес и большой объем. Быстрый прогресс в силовой электронике позволил создать высокоэффективные двигатели переменного тока с более широким рабочим диапазоном, но с сопутствующей более высокой стоимостью. В EV энергия, поступающая в двигатель, контролируется сложной электронной схемой, называемой электронным модулем управления (ECM). Оператор EV подает сигнал через педаль акселератора.
Система управления аккумуляторами (BMS) в электромобилях
Подобно вышеупомянутому электронному модулю управления, существует также система управления батареей, называемая системой управления батареей (BMS), которая контролирует работу батареи EV. BMS может также иметь отдельную электронику, установленную на уровне ячеек или модулей, которая контролирует температуру и напряжение ячеек, часто называемую платой контроля температуры напряжения (VTM).
Кроме того, имеется система терморегулирования, которая может варьироваться от пассивного решения, например, использования корпуса в качестве теплоотвода, до активно управляемой системы жидкостного или воздушного охлаждения, которая подает охлажденный (или нагретый) воздух или жидкость через аккумуляторный блок. Выключатели для включения и выключения тока и проводка также являются частью системы. Все эти различные системы должны быть объединены в единое системное решение, чтобы аккумулятор функционировал безопасно и отвечал требованиям по сроку службы и производительности.
История электричества, аккумуляторов и электромобилей
Электричество и батарейки
Почему мы должны обсуждать историю электрических батарей и электромобилей? Есть старая поговорка: «Те, кто не помнит прошлого, обречены на его повторение». Поэтому стоит иметь базовое представление о том, как развивалась эта технология. Это сыграет важную роль в понимании его дальнейшего пути и того, какие основные заинтересованные стороны способствовали его настоящему успеху. Как утверждает Джон Уорнер в своей книге о литий-ионных аккумуляторах, «Всемирные выставки того времени дают хорошее представление о скорости технологических инноваций и изменений в мире в целом» [1. John Warner, The Handbook of Lithium-Ion Battery Pack Design, Elsevier, 2015, page 14].
Можно понять, что всемирные выставки давали представление о состоянии различных технологий в те дни. Развитие технологии батарей стало возможным только благодаря доступности, расширению и росту электричества и электрических сетей тех времен. Здесь мы должны понимать, что только благодаря «поставке» электроэнергии возник «спрос» на аккумулятор (накопитель энергии). В противном случае накопители энергии могли бы вообще не появиться.
Разработка батарей для электромобилей
Читатели обычно думают о батареях как о недавнем изобретении; в основном они знают об элементах Лекланше и свинцово-кислотных элементах; однако есть свидетельства того, что батареи использовались примерно в 250 году до нашей эры. В 1930-х годах немецкий археолог работал на строительной площадке в Багдаде и нашел нечто, что буквально переписало историю батарейки То, что он обнаружил во время раскопок, выглядело как гальванический элемент, способный генерировать около 1-2 В электричества.
До середины 1700-х годов прогресс в разработке батарей был незначительным. Именно в 1745-1746 годах два изобретателя, действуя параллельно, но раздельно, открыли то, что стало известно как «лейденская» банка для хранения электричества. Затем такие электрохимики, как Бенджамин Франклин, Гальвани, Вольта, Ампер, Фарадей, Даниэль и Гастон Планте, и это лишь некоторые из изобретателей, появились на горизонте электричества и электрохимии. Следующая таблица иллюстрирует в хронологическом порядке развитие аккумуляторов.
Увлекательная история развития аккумуляторов
Таблица 1 —
| Около 250 г. до н.э. | Багдадская или Парфянская батарея (Багдад) | Египтяне, вероятно, использовали батареи для гальванического нанесения серебра на ювелирные изделия |
|---|---|---|
| ДЛИННЫЙ ПРОМЕЖУТОК | И НЕБОЛЬШОЙ ПРОГРЕСС | |
| 1600 | Гилберт (Англия) | Проведение электрохимического исследования |
| октябрь 1745 года | Клист, немецкий физик | Лейденская банка |
| 1745-1746 | Голландский ученый Питер ван Мушенбрук из Лейденского университета, | Лейденская банка |
| Середина 1700-х годов | Бенджамин Франклин | Термин "батарея" был придуман |
| 1786 | Луиджи Гальвани (1737-1798) | Заложены основы для открытия первичной батареи ("Электричество животных") |
| 1796 | Алессандра Вольта (1745-1827) | Обнаружил, что различные металлические диски ("куча Вольта"), уложенные в чередующемся порядке с вложенными между ними сепараторами из влажного пастообразного картона (насыщенного рассолом), могут непрерывно давать значительный электрический ток. |
| 1802 | Крикшанк (1792 - 1878) | Уложите листы Cu с равными по размеру листами Zn в герметичную коробку. Электролитом служил рассол. |
| 1820 | А.М. Ампер (1755 - 1836) | Электромагнетизм |
| 1832 & 1833 | Майкл Фарадей | Законы Фарадея |
| 1836 | J F Daniell | Cu в CuSO4 и Zn в ZnSO4 |
| 1859 | Раймон Гастон Плантэ (1834-1889) (Франция) | Изобретение свинцово-свинцового диоксидного элемента |
| 1860 | Раймон Гастон Плантэ (1834-1889) (Франция) | Презентация для Французской академии, Париж |
| 1866 [5] | Вернер фон Сименс немецкий инженер-электрик | Разработка электромеханической динамо-машины |
| 1873 | Зеноб Грамм, бельгийский ученый | Изобретение магнитоэлектрического генератора и первого двигателя постоянного тока |
| 1866 Жерож-Лионель Лекланш | Жерож-Лионель Лекланш (Франция) (1839 - 1882) | Изобретение клетки Лекланша |
| 1881 | Камиль А Фор (Франция) 1840 - 1898) | Вставка сеток выводов |
| 1881 | Селлон | Селлон Легирование свинца сурьмой |
| 1880s- | -- | Коммерческое производство было начато в нескольких странах, таких как Франция, Великобритания, США и СССР. |
| 1881 - 1882 | Гладстон и племя | Теория двойного сульфата для реакции свинцово-кислотного элемента |
| 1888 | Гасснер (США) | Завершение строительства сухой камеры |
| 1890s- | -- | Электрические дорожные транспортные средства |
| 1899 | Юнгнер (Швеция) (1869-1924) | Изобретение никель-кадмиевого элемента |
| 1900 | В США и Франции | 1900 Освещение домов, фабрик и поезда. |
| 1900 | a.Филлипат с отдельными кольцами | Трубчатые пластины для свинцово-кислотных элементов |
| 1900 | б.Вудворд | Трубчатые пластины для свинцово-кислотных элементов с трубчатыми пакетами |
| 1901 | Т. А. Эдисон (США) (1847-1931) | Изобретение пары никель-железо |
| 1902 | Уэйд, Лондон | Книга "Вторичные аккумуляторы" |
| 1910 | Смит | Щелевые резиновые трубки (Exide Ironclad |
| 1912 100 EV | В США | Производители построили 6000 электрических пассажирских автомобилей и 4000 коммерческих автомобилей |
| 1919 | Г. Шимадзу (Япония) | Шаровая мельница для производства оксида свинца |
| 1920 | -- | Использование лигнинов в отрицательных пластинах свинцово-кислотных элементов. |
| 1920 и далее | По всему миру | Новые применения, такие как аварийное электроснабжение, кондиционирование вагонов и множество других услуг на кораблях, самолетах, автобусах и грузовиках. |
| 1938 | А.Э. Ланге | Принцип кислородного цикла |
| 1943- 1952 | Levin & Thompson; Jeannin, Neumann & Gottesmann; Bureau Technique Gautrat | Конструкция герметичного никель-кадмиевого |
| 1950 | Gorge Wood Vinal | Книга о первичных аккумуляторах |
| 1955 | Gorge Wood Vinal | Книга по аккумуляторным батареям (4-е издание) |
| 1965 | Джон Девит из корпорации Gates | Проектное предложение по герметичному свинцово-кислотному оборудованию аккумуляторы |
| 1967 | Работа над никель-металлогидридными батареями началась в исследовательском центре Батель-Женева после изобретения этой технологии в 1967 году | |
| 1969 | Руетски и Оккерман | Процесс рекомбинации в герметичных свинцово-кислотных элементах |
| Середина 1970 года | - | Развитие лабораторий виртуальной реальности |
| 1971 | Gates Energy Products | D-элемент, представленный компанией Gate Energy Products (Денвер, штат Колорадо, США). |
| 1973 | Адам Хеллер | Предложена первичная ячейка тионилхлорида лития |
| 1975 | Дональд Х. МакКлелланд и Джон Девитт | Коммерческие герметичные свинцово-кислотные батареи, основанные на принципе кислородного цикла |
| 1979 - 1980 | Дж.Б. Гуденаф и сослуживцы | Положительные электродные материалы, которые реагируют с литием при потенциалах выше примерно 3 В, если они уже содержат литий, и этот литий может быть извлечен электрохимически. |
| 1980s- | -- | Новые гидридные сплавы, открытые в 1980-х годах |
| 1986 | Стэнфорд Овшинский | Никель-металлогидридная батарея была запатентована компанией Ovonics. |
| 1989 - 1990 | -- | Коммерциализация металлического никеля гидридный аккумулятор |
| 1991 | Йошио Ниши | литий-ионный элемент |
| 1992 | Йошио Ниши (Sony Corporation) | Автомобиль EV с литий-ионным аккумулятором был представлен на 30-м Токийском автосалоне в 1995 году. |
| 1996 | Гуденаф, Акшая Падхи и соавторы | Предлагаемый катодный материал из фосфата железа Li |
| 1992 | К.В. Кордеш (Канада) | Коммерциализация перезаряжаемых щелочных марганцево-диоксидных элементов (RAM) |
| 1993 | -- | Компания OBC провела первую в мире демонстрацию электромобиля с никель-металлическим двигателем гидридный аккумулятор в 1993 году. |
| 1997 | M. Shiomi и соавторы, Японское хранилище Battery Co., Ltd., Япония | Добавление повышенного количества углерода на отрицательных HEV или фотоэлектрических энергосистемах. |
| 1999* | -- | Коммерциализация литий-ионных Полимерные ячейки |
| 2002 - 2003 Д. Стоун, Е. | М.Дж. Келлуэй, П. Дженнингс, Кроу, А. Купер | Множественная вкладка VRLAB |
| 2002 | Y. Ogata | Новый положительно-решетчатый сплав свинца с добавлением Ba Pb-Ca-Sn с Ba |
| 2004 -2006 | Лам и сотоварищи, CSIRO Energy Technology, Австралия | Ультрабатарея для автомобилей HEV |
| 2006 | С.М. Табаатабаи и сотоварищи | Сетчатый материал, состоящий из трехмерного сетчатого листа, изготовленного из органического вспененного компаунда. Электропроводность, придаваемая сетке из пенопласта с помощью медного покрытия |
| 2006 | Чангсонг Дай и сослуживцы | Медные пенопластовые решетки с покрытием свинцом для негативные пластины |
| 2008 | EALABC, The Furukawa Battery Co., Ltd., Япония, CSIRO Energy Technology, Австралия и Provector Ltd., Великобритания. | Аккумулятор Ultra (144 В, 6,7 Ач) для автомобилей HEV, прошедший дорожные испытания в течение 100 000 миль. Производительность выше, чем у никель-металлогидридной батареи |
| 2011 | Аргоннская национальная лаборатория | Никель-марганец-кобальтовый катодный материал (NMC) |
| 2013 | N. Takami et al. | Литий-титановый оксидный анод |
| 2018 | N. Takami и др. | Аноды из TiNb2O7 |
| 2020 | BloombergNEF | Стоимость комплекта LIB составляет 176 долларов США/кВтч = 127 стоимость ячейки + 49 стоимость комплекта) |
Удивительная история электромобилей!!!
История электромобилей охватывает длительный период, начиная с 19 века.
В следующей таблице приведены подробности событий, которые привели к появлению современных ЭВМ
Таблица 2
| Изобретатель | Страна | Период | Подробности | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Аньос Иштван Едлик | Венгерский физик | 1828 | Первая электрическая модель автомобиля |
| 2 | Томас Дэвенпорт | Американский изобретатель | 1834 | Первый коммерчески успешный электродвигатель |
| 3 | Сибрандус Стратинг и Кристофер Беккер | голландский профессор | 1834-1835 | 1835 год, паровой трицикл в 1834 году 1835 Полностью электрический трехколесный велосипед, оснащенный одним из первых аккумуляторов |
| 4 | Роберт Дэвидсон | Шотландский изобретатель | 1837-1840 | В 1837 году он сконструировал собственные батареи и сделал первый электрический двигатель достаточного размера. |
| 5 | Гюстав Труве | 1881 | Усовершенствованный небольшой электродвигатель, разработанный компанией Siemens, с аккумулятором Starley. Он установил этот двигатель на английский трехколесный велосипед, таким образом, он только что изобрел первый в истории электромобиль. | |
| 6 | Уильям Моррисон | США | 1892 | Разработал свою повозку на шесть человек с четырьмя лошадиными силами, которая могла развивать максимальную скорость около 14 миль в час |
| 7 | Генри Форд | Детройт | 1893 | В 1893 году успешно испытал бензиновый двигатель [https://www .history.com/topics/inventions/model-t]. |
| 8 | Генри Г Моррис и Педро Г Салом | Филадельфия | 1894 | Электробат предлагал прибыльный бизнес, по сравнению с конными извозчиками, благодаря меньшему времени простоя и большему количеству поездок. |
| 9 | Bell Laboratories, | США | 1945 | Изобрел тиристоры, которые быстро заменили вакуумные лампы |
| 10 | Уильям Шокли | Bell Laboratories, | 1950 | Выпрямитель с кремниевым управлением (SCR) или тиристор |
| 11 | Молл и другие инженеры-энергетики | Дженерал Электрик | 1956 | Автор сценария Уильям Шокли |
| 12 | Дженерал Моторс (GM) | Дженерал Моторс (GM) | 1966 | Electrovan |
Интересные факты об электромобилях!!!
| Srl Нет | Подробности |
|---|---|
| 1 | В США гонки электромобилей привлекали многих энтузиастов с 1897 года. В том году компания Pope Manufacturing Company произвела около 500 EV. |
| 2 | Первые три десятилетия 20-го века (1910-1930 гг.) были лучшими периодами для электромобилей. В этот период электромобили конкурировали с бензиновыми автомобилями На грунтовых дорогах тогдашних американских городов их малый запас хода не был проблемой. Но в Европе, благодаря асфальтированным дорогам, улучшающим поездки на дальние расстояния, публике нужны были автомобили с большим запасом хода, которые были готовы предложить автомобили с ДВС. |
| 3 | Крупные города США начали пользоваться преимуществами электричества в 1910-х годах. В те времена малая дальность пробега была благоприятной для EV. Электромобили были легко приняты на рынке владельцами автопарков для такси и фургонов доставки. |
| 4 | Три важных события в истории автомобилей с ДВС дали толчок их быстрому развитию и одновременно забили последний гвоздь в гроб EV. a. Выпуск Генри Фордом "недорогой и крупносерийной" модели Т в 1908 году. [https://en .wikipedia.org/wiki/Ford_Model_T] b. Чарльз Кеттеринг изобретает электрический автомобильный стартер в 1912 году. c. Система автомагистралей США начала соединять американские города |
| 5 | Экологические проблемы 1960-х и 1970-х годов дали огромный импульс научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам по ЭВБ. Дальность и производительность все еще оставались препятствиями, которые необходимо было преодолеть |
| 6 | Нефтяные кризисы 1973 и 1979 годов еще больше подтолкнули развитие EVB. |
| 7 | Огромное количество автомобилей с ДВС создавало проблемы с качеством воздуха, нарушая стандарты качества воздуха. Это особенно характерно для развитых городов мира. Это побудило штат Калифорния, США, в начале 1990 года принять Закон о чистом воздухе для продвижения EV. |
| 8 | Закон о чистом воздухе изначально предписывал, что 2% всех новых легковых автомобилей, продаваемых в штате, должны быть ZEV к 1998 году (30 000 EV), 5% в 2001 году (75 000) и 10% в 2003 году (1 50 000). Кроме того, в штатах, которые не следуют программе Калифорнии, автопроизводители должны сократить выбросы NOx и углеводородов на 60% и 39% соответственно в период между 1994 и 1996 годами на малотоннажных автомобилях. В 2003 году Агентство по охране окружающей среды (EPA) потребовало дальнейшего сокращения выбросов на 50%. |
| 9 | 29 марта 1996 года мандат Калифорнийского совета по воздушным ресурсам (CARB) на 1998 год по ZEV был смягчен в результате сильного давления со стороны пострадавших автопроизводителей и поставщиков нефти, кроме того, еще одной причиной стала оценка независимой комиссии о том, что современные батареи не могут быть доступны до 2001 года. В соответствии с оценкой вышеупомянутой группы экспертов, такие улучшенные батареи стали доступны по несколько доступной стоимости лишь недавно, в 2018 году (стоимость пакета US$ 176/кВтч = 127 стоимость элемента + 49 стоимость пакета). Специалисты по аккумуляторам предсказывали, что стоимость EVB снизится до < 100 долларов США /кВтч к 2025 году и до 62 долларов США/кВтч к 2030 году (путем экстраполяции). |
| 10 | Консорциум передовых батарей США (USABC): Федеральное правительство США и три крупнейших американских производителя автомобилей (Chrysler, Ford и General Motors) решили объединить свои ресурсы (около 262 миллионов долларов США) для исследования аккумуляторов в течение 3 лет. Эти производители вместе с другими организациями, такими как Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI), в 1991 году создали Консорциум передовых батарей США (USABC), в котором правительство США участвует на равных условиях. |
| 11 | USABC сформулировал два набора целей для батарей EV (Таблица 3), намереваясь разработать промежуточный блок батарей для первого этапа (1994-95 гг.) и долгосрочную цель, чтобы производительность EV была конкурентоспособной по сравнению с автомобилями с двигателем внутреннего сгорания. |
| 12 | Консорциум передовых свинцово-кислотных батарей (ALABC): ALABC [5. R.F. Nelson, The Battery Man, May 1993, pp. 46-53] был создан в марте 1992 года для управления 4-летним планом исследований с фондом в 19,3 миллиона долларов США (примерно 48 крор рупий) для разработки высокопроизводительной свинцово-кислотной батареи для EV, которая будет обслуживать значительную долю рынка EV в краткосрочной и среднесрочной перспективе. ALABC управляется Международной организацией по исследованию свинцово-цинковых соединений (ILZRO) и является партнерской организацией, объединяющей четырнадцать крупнейших производителей свинца, двенадцать производителей аккумуляторов, электрические компании, производителей двигателей, производителей зарядных устройств и муфт, поставщиков силовых агрегатов, производителей контроллеров/электроники и торговые организации EV. |
| 13 | С 1991 года были заключены соглашения о совместных исследованиях и разработках между Управлением автомобильных технологий (VTO) Министерства энергетики (DOE) и Консорциумом передовых батарей США (USABC). |
| 14 | Ежегодный объем рынка литий-ионных батарей может вырасти с 25 млрд. долларов (2019) до 116 млрд. долларов (2030). |
| 15 | Стоимость батарейного блока снижается с 1100 $/кВтч до 156 в 2019 году и прогнозируется на уровне 62 $/кВтч в 2030 году. (BloombergNEF) |
Технология никель-металл-гидридных аккумуляторов для электромобилей
Изобретение системы Ni-MH аккумуляторов является производным как Ni-Cd, так и Ni-H2 аккумуляторов. Cd в системе Ni-Cd считается опасным материалом. Соответствующими преимуществами новой системы были более высокая удельная энергия, меньшее требуемое давление и стоимость никель-металлогидридных элементов. Работа была поддержана двумя немецкими автопроизводителями в течение 20 лет
Электрохимические реакции, производящие энергию:
Между Ni-Cd и Ni-MH элементами много сходства, за исключением отрицательного электрода. Как и в случае с Ni-Cd элементами, во время разряда положительно активный материал (ПАМ), оксигидроксид никеля, восстанавливается до гидроксида никеля. (Таким образом, положительный электрод ведет себя как катод):
NiOOH + H2O +e- Разряд↔Заряд Ni(OH)2 + OH- E° = 0,52 Вольт
Отрицательно активный материал (NAM) вступает в реакцию, как указано ниже: (Таким образом, отрицательный электрод ведет себя как анод):
MH + OH- Разряд↔ Заряд M + H2O + e- E° = -0,83 Вольт
То есть во время разряда происходит десорбция водорода.
Общая реакция во время разряда составляет
NiOOH + H2O + e
—
Разряд↔ Заряд Ni(OH)2 + OH
MH + OH- Разряд↔ Заряд M + H2O + e
—
NiOOH + MH Разряд↔ Заряд Ni(OH)2 + M E° = 1,35 вольт
Пожалуйста, помните, что
Напряжение ячейки =VP положительное —VN отрицательное
Поэтому 0,52 — (-0,83) = 1,35 В
Здесь следует отметить, что молекулы воды, показанные в реакциях полуклеток, не появляются в общей или суммарной реакции клетки. Это связано с тем, что электролит (водный раствор гидроксида калия) не участвует в реакции выработки энергии и находится там только для обеспечения проводимости. Также обратите внимание, что водный раствор серной кислоты, используемый в качестве электролита в свинцово-кислотных элементах, фактически участвует в реакции, как показано ниже:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 Разряд↔ Заряд 2PbSO4 + 2H2O
Это важное различие между свинцово-кислотными и щелочными элементами. При реакции заряда происходит обратный процесс.
В герметичном никель-металлгидридном элементе используется реакция рекомбинации кислорода, аналогичная той, которая происходит в свинцово-кислотных элементах с клапанным регулированием (VRLA), что позволяет предотвратить нежелательное повышение внутреннего давления, возникающее в результате образования газов к концу заряда и особенно при перезаряде.
Во время заряда PAM достигает полного заряда раньше, чем NAM, поэтому положительный электрод начинает выделять кислород.
4OH- → 2H2O + O2 + 4e-
Газ, выделяющийся в результате вышеуказанной реакции, проходит через пористую матрицу сепаратора в ЯМ, чему способствует отсутствие электролита в конструкции и использование подходящего сепаратора.
Поскольку O2 соединяется с электродом MH и образует воду на отрицательном электроде, предотвращается повышение давления внутри батареи. Тем не менее, существует предохранительный клапан на случай длительной перезарядки или неисправности зарядного устройства.
4MH + O2 → 4M + 2H2O
Более того, по своей конструкции, ЯМ никогда не допускается до полной зарядки, что исключает возможность производства водорода. Кроме того, очень важно следовать разумному алгоритму заряда, чтобы ограничить генерацию O2 за пределами возможностей эффективности рекомбинации клетки. Это также достигается за счет тщательного контроля пропорции двух активных материалов.
Для получения подробной информации о никель-металлогидридных аккумуляторах читатели могут обратиться к следующим материалам
a. Глава о никель-металлогидридных аккумуляторах Майкла Фетценко и Джона Коха в Справочнике
b. Каору Накаджима и Йошио Ниши Глава 5 в: Системы хранения энергии для электроники.
Технология свинцово-кислотных аккумуляторов в электромобилях
Консорциум по продвинутым свинцово-кислотным батареям (ALABC) [7. J.F. Cole, J. Power Sources, 40, (1992) 1-15] был создан в марте 1992 года для управления 4-летним планом исследований с фондом в 19,3 млн. долларов США (примерно 48 крор рупий) для разработки высокопроизводительной свинцово-кислотной батареи EV, которая будет обслуживать значительную долю рынка EV в краткосрочной и среднесрочной перспективе.
ILZRO руководит этим консорциумом и является партнерской организацией среди четырнадцати крупнейших производителей свинца, двенадцати производителей аккумуляторов, электросетей, производителей двигателей, зарядных устройств и муфт, поставщиков силовых агрегатов, производителей контроллеров/электроники и торговых организаций EV. В настоящее время членами организации являются 48 человек из 13 стран. ALABC (теперь CBI) имеет пять важнейших целей в области исследований и разработок, которые включены в таблицу 3. Усовершенствованные свинцово-кислотные батареи способны обеспечить электромобилям ежедневную дальность поездки 90 миль и более, время подзарядки составляет несколько минут, а срок службы — около 3 лет.
Состояние технологии ALABC в 1998 году показывает, что с учетом проектов, находящихся в настоящее время в стадии подготовки, свинцово-кислотные батареи с клапанным регулированием с характеристиками 48 Вт-ч/кг, 150 Вт-ч/кг, быстрой зарядкой 80% за 10 минут и сроком службы 800 циклов планируется разработать до конца 1998 года. Достижение таких характеристик будет представлять собой впечатляющий прогресс сообщества производителей свинцово-кислотных батарей в течение 1990-х годов и открывает перспективу создания электромобиля с дальностью пробега на одной зарядке более 100 миль, повторяющейся несколько раз в течение дня и более 500 раз в течение срока службы аккумуляторного блока. [https://batteryuniversity .com/learn/article/battery_developments]
Литий-ионные батареи в электромобилях
История развития литий-ионных аккумуляторов
Таблица 3:
| Исследовательская работа | Изобретатель / Автор | Год | Аффилиация | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Открытие высокой ионной проводимости твердой фазы NaAl11O17, называемой натриевым β-глиноземом, ведущее к созданию системы Na-S аккумуляторов | Куммер и соавторы | 1967 | Лаборатория Ford Motor Co. | История литий-ионного элемента началась |
| Система Na-S батарей | N. Weber и J.T. Kummer | 1967 | Лаборатория Ford Motor Co. | Высокотемпературная система |
| FeS или FeS2 в качестве катодных материалов в сравнении с металлическим Li | D.R. Vissers et.al. | 1974 | ANL | При реакции с Li эти материалы претерпевают реакции восстановления с исчезновением исходных фаз и образованием новых. |
| Металлический Li анод и катод из сульфида титана (TiS2) | Профессор Уиттингем | 1976 | Бингемтонский университет, Бингемтон, Нью-Йорк 13902, США | Литий образовывал дендриты на поверхности металла при циклическом движении, что приводило к короткому замыканию. |
| Материалы, изначально содержащие литий, и электрохимическое удаление лития из них - это работа над Li1-xCoO2 в 1980 году. | Профессор Гуденаф и соавторы | 1980 | Оксфордский университет, Великобритания | Интеркаляционные соединения лития |
| Специальный анодный материал на основе кокса | Акира Йошино | 1985 | Новый анодный материал | |
| Вышеуказанный анодный материал был объединен с LixCoO2 | Акира Йошино | 1986 | Корпорация Asahi Kasei | литий-ионный элемент |
| Безопасность литий-ионных батарей доказана | Акира Йошино | 1986 | Корпорация Asahi Kasei | Доказана безопасность литий-ионных и металлических анодов по сравнению с литий-металлическими |
| Коммерческая литий-ионная батарея в 1991 году. | 1991 | Sony Corporation | ||
| После дальнейшего развития литий-ионный аккумулятор был запущен в производство. | 1992 | Совместное предприятие компаний Asahi Kasei и Toshiba. | ||
| Новые катодные материалы манганат лития и фосфат железа лития | Группа Гуденау | 1997 | Группа Гуденау | |
| Графитовый анод | 1990 |
Химия литий-ионных литий-кобальтатных (LCO) элементов
Общая реакция составляет
C6 + LiCoO2 ⇄ LixC6 + Li1-xCoO2
Ecell = 3,8 — (0,1) = 3,7 В.
Литий-ионный элемент химического состава LiFePO4
Общая реакция LiFePO4 + 6C →LiC6 + FePO4
Ecell = 3,3 — (0,1) = 3,2 В
Эра современных электромобилей
Только в 1990-х годах работа крупных автопроизводителей над решениями для гибридных и электрических автомобилей начала приносить результаты. Параллельно с этими достижениями в 1991 году на рынке появились первые коммерческие литий-ионные батареи, которые быстро прижились. С быстрым распространением персональной электроники эти батареи с высокой плотностью энергии стали предпочтительным решением для хранения энергии во многих различных приложениях — от портативной электроники до гибридных и электрических автомобилей.
Современная эра электромобилей была вызвана нехваткой нефти в 1970-х годах.
Разработки современных HEVs/электромобилей
Таблица-4
| EV/HEV | Приблизительно. Год | Примечания |
|---|---|---|
| EV1 компании General Motors (GM). | 1996-1999 | EV 1 |
| Параллельный гибридный грузовик" (PHT), | 1999 | |
| 2-режимная гибридная система | 2008 | |
| Гибридная система легкого типа "ремень-альтернатор-стартер" (BAS) | 2011 | 1. Первой BAS компании GM была система на 36 В с никель-металлогидридной батареей, разработанная компанией Cobasys. 2. Второе поколение (e-Assist) увеличило напряжение системы до 115 В и перешло на литий-ионную батарею воздушного охлаждения емкостью 0,5 кВтч, разработанную Hitachi Vehicle Energy Ltd. |
| Технология Voltec от GM | 2010 | Volt - это "серийный гибрид", который сочетает в себе небольшой ДВС с 355-вольтовой литий-ионной батареей с элементами от LG Chem и пакетом, разработанным GM, и двумя электромоторами. |
| Гибридная система Toyota (THS) | 1997 | Никель-металлогидридная батарея 288 В с воздушным охлаждением с ~1,7 кВт-ч энергии |
| Полностью электрический внедорожник RAV4 | 2006 | Батарея второго поколения RAV4 EV, основанная на аккумуляторном блоке Tesla Model-S, имела литий-ионную батарею 386 В емкостью около 52 кВт-ч. |
| Honda Insight | 1999-2006 | двухместный гибридный автомобиль с самой высокой топливной экономичностью на бензиновом топливе |
| Mitsubishi | 2009 | i-Miev |
| Mazda | 2000-2011 | гибридные опции для своих Tribute, Mazda3 и Mazda6 |
| Hyundai | 2012 | гибридные Sonata, Tuscon и Elantra |
| Kia | 2000 | Гибридная Optima |
| Subaru | 2007 | XV Crosstrek и стелла Подключаемый гибрид. |
| Nissan | 2010 | Лист |
| Ford | 2011 | 1. В Focus EV используется литий-ионная батарея емкостью 23 кВт-ч (LG Chem); 2. C-Max (2012) |
| BMW | 2013 | e-Tron, i-8 и Active Hybrid |
| Китайские 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 и многие другие. | Поздний период 2000-х годов | . |
Сегодня электромобили и HEV явно не за горами. К началу 2030-х годов, когда технологии продолжат совершенствоваться, а стоимость батарей станет легкодоступной, возможность использования EV с нулевым уровнем выбросов (ZEV) обойдет все другие варианты для владельцев транспортных средств.
Цены на батареи EV, которые в 2010 году превышали 1100 долларов за киловатт-час, снизились на 87% до 156 долларов за киловатт-час в 2019 году. К 2023 году средние цены могут приблизиться к $100/кВтч.
Таблица 5
[2. Global EV Outlook 2020 (IEA) page 155, https://webstore.iea.org/download/direct/3007].
Запасы электромобилей, продажи, доля рынка, размер батареи, дальность хода и т.д.
| Год | 2010 | 2017 | 2018 | 2019 | 2025 | 2030 | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Продажи (млн.) | 0.017 | 0.45 | 2.1 | ||||
| Продажи (млн.) | 7.2 | 47 % в Китае в 2019 году | |||||
| Расширение запасов | 60% | В период с 2014 по 19 гг. он вырос в среднем на 60% в год | |||||
| Доля Китая | 47% | ||||||
| Мировые продажи автомобилей | 2.6% | ||||||
| Глобальный запас | 1% | ||||||
| Увеличение в % | 40% | Две причины роста: модели EV с батареями емкостью более кВтч и, следовательно, с большей дальностью действия, предлагаемые в настоящее время и ожидаемые в будущем Доля рынка BEV по сравнению с PHEV растет. | |||||
| Средний размер аккумуляторного блока (кВтч) | 37 | 44 | 20-30 киловатт-часов (кВтч) в 2012 году | ||||
| Размер аккумуляторного блока (кВтч) | 50-70 | 48 - 57 | 70-80 | Для автомобилей PHEV приблизительно. 10-13 кВтч в 2018 году (50-65 км дальности хода на электротяге) и 10-20 кВтч в 2030 году. Год 2019 -14 % увеличение по сравнению с годом 2018 | |||
| Средняя дальность (км) | 350 - 400 | ||||||
| Глобальный прогноз | В 2019 году глобальный прогноз = 3 % доли рынка |
| Год | Увеличение или уменьшение (%) | |
|---|---|---|
| Процент роста | 2016 - 2019 гг. | Увеличение на 6% |
| Процент роста | 2016 - 2019 гг. | 30% Снижение |
По данным МЭА, сценарий заявленной политики (SPC ) — это ситуация, которая включает в себя существующую политику правительства; а сценарий устойчивого развития (SDC ) полностью совместим с целями Парижского соглашения по климату. Последняя включает в себя цели кампании EV30@30 (30 % доли рынка для электромобилей всех видов транспорта, кроме двухколесного, к 2030 году).
В SPC мировой парк электромобилей (все виды, кроме двух- и трехколесных) увеличивается с примерно 8 миллионов (2019 год) до 50 миллионов (2025 год) и почти до 140 миллионов (2030 год, около 7%). Что соответствует годовому темпу роста меанжа, очень близкому к 30%
Продажи электромобилей достигнут почти 14 миллионов (2025 год, что соответствует 10 % продаж всех дорожных автомобилей) и 25 миллионов (2030 год, что соответствует 16 % продаж всех дорожных автомобилей).
В SDC мировой парк электромобилей достигнет почти 80 миллионов единиц в 2025 году и 245 миллионов единиц в 2030 году (без учета двух/трехколесных транспортных средств.
Кампания EV30@30 была запущена на Восьмой министерской конференции по чистой энергии в 2017 году. В число стран-участниц входят Канада, Китай, Финляндия, Франция, Индия, Япония, Мексика, Нидерланды, Норвегия, Швеция и Великобритания.
| Год | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2025 | 2030 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Годовой объем рынка литий-ионных аккумуляторов (млрд. $) | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 25 | 60 | 116 | |
| Стоимость аккумуляторного блока ($/кВтч) | 1100 | -- | -- | 650 | 577 | 373 | 288 | 214 | 176 | 156 | 100 | 62 |
Рисунок 1.
Глобальный годовой объем рынка литий-ионных аккумуляторов
https://www.greencarcongress.com/2019/12/20191204-bnef.html
Объем рынка продаж LIBs для электромобилей может достичь около 120 миллиардов долларов США в 2030 году.
Цены на аккумуляторы, которые превышали 1100 долларов США / кВтч в 2010 году и 288 долларов США / кВтч в 2016 году, снизились до 156 долларов США / кВтч в прошлом году (2019), и примерно через четыре года средняя стоимость может быть очень близка к 100 долларам США / кВтч, как сообщает компания по исследованию рынка. Один из ведущих производителей EV использовал наиболее доступный элемент 18659, чтобы снизить стоимость до 250 долларов США за кВт/ч.
ANL сформулировал расчетную модель (BatPac) для оценки производительности и стоимости производства литий-ионных элементов для EV. При использовании конкретного типа химического состава батареи емкостью 80 кВт/ч и определенной годовой производственной мощности, средние цены на батареи оценивались в диапазоне от 105 до 150 долларов США/кВт/ч.
Примеры некоторых аккумуляторных батарей для электромобилей
Потребитель EV ожидает 8-летней гарантии или определенного лимита пробега на батареях. Ведущий производитель EV предлагает 8 лет гарантии в дополнение к неограниченному пробегу.
Toshiba утверждает, что ее батарея сохраняет 90% кВт/ч даже после 5000 циклов, что эквивалентно 14 годам циклов перезарядки при одном цикле в день. Хотя Toshiba говорит о продаже батареи в 2021 году, она не заявляет о стоимости.
Отчет о батареях Tesla (http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf) (Copyright: 2014 Total Battery Consulting, Inc.)
Батарейные блоки EV (Copyright: 2014 Total Battery Consulting, Inc.) (http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf)
Глобальная инфраструктура зарядки электромобилей
Большая часть легких зарядных устройств EV принадлежит потребителям. Китаю принадлежит около 80 % общественных зарядных устройств по сравнению с 47 % мирового парка малотоннажных электромобилей. Только в прошлом году (2019) рост числа общественных зарядных устройств в Китае составил 60 % от общемирового, и на эту страну пришлось 80 % мировых общественных зарядных устройств и 50 % общедоступных медленных зарядных устройств.
Таблица 7
Глобальная инфраструктура зарядки электромобилей
[
Глобальный прогноз по электромобилям на 2020 год
(МЭА) https:// webstore .iea.org/download/direct/3007].
Подавляющее большинство зарядных станций для малотоннажных электромобилей — это частные зарядные станции.
| Доступные зарядные устройства (млн.) | 7.3 | |||
|---|---|---|---|---|
| Частный | Общественность | Быстрые зарядные устройства | Медленные зарядные устройства | |
| 6,5 млн ~ 80% | 0,876 млн. 12% (862 000) | 4% 263 000 | 8% 598 000 |
Увеличение на 60 % По сравнению с 2018 годом
Автобусы 2019
Наличие зарядных устройств — 184000 единиц (увеличивается на 17% в 2019 году по сравнению с 2018 годом (157 000)
Глобальная инфраструктура зарядки электромобилей.
| Тип грузовика | Средние грузовые автомобили (полной массой от 3,5 до 15 тонн) | Тяжелые грузовые автомобили (полной массой >15 тонн) |
| Размер энергии аккумуляторного блока | 70 - 300 тыс. Вт | 200 - 1000k Wh |
Индийский сценарий: Инфраструктура для электромобилей и зарядки электромобилей
Индийский запас электромобилей
Доля продаж электромобилей на всех видах транспорта в Индии достигает почти 30% в 2030 году в сценарии новой политики, что почти соответствует целевому показателю (Правительство Индии, 2018). Электрификация транспортных средств происходит в основном в сегменте двухколесных транспортных средств, причем на долю BEV приходится четыре из десяти новых единиц в 2030 году. Электромобили также проникают на рынки LDV и городских автобусов, достигая 14% от всех легковых автомобилей и LCV, и 11% от всех продаж автобусов.
Развертывание электромобилей в Индии было подстегнуто поставленной в 2017 году целью полного перехода на электромобили к 2030 году. В 2018 году был установлен целевой показатель в 30%, который поддерживается рядом политических мер, таких как стандартизация, закупки для государственного автопарка и целевые экономические стимулы, как для внедрения транспортных средств, так и для развертывания зарядной инфраструктуры.
В сценарии EV30@30 Индия, являющаяся мировым лидером в переходе на электромобили, в 2030 году достигнет доли продаж электромобилей на всех видах транспорта (кроме двух/трехколесного) 29% (54%, включая двух/трехколесный транспорт). В 2030 году в Индии 72% двухколесного транспорта, 31% автомобилей и 24% автобусов будут электрическими. [ 8. Global EV Outlook 2020 (IEA) page 139, https://webstore.iea.org/download/direct/3007].
В Индии транспортная корпорация Западной Бенгалии (WBTC) добавила 80 электробусов и зарядных устройств в рамках первого этапа государственной политики поощрения использования электромобилей под названием Faster Adoption and Manufacturing of Hybrid & Electric Vehicles (FAME I). Некоторые девятиметровые автобусы оснащены аккумуляторными батареями емкостью 125 кВт/ч, а некоторые более длинные (12 метров) -188 кВт/ч.
Рисунок 3.
Продажи электромобилей в Индии в 2030 году[Global EV Outlook 2020 (IEA) page 159, https: // webstore. iea.org/download/direct/3007]
В прошлом году (2019) продажи индийских EV составили 0,750 млн единиц, а общий запас достиг около 7,59 млн единиц. В прошлом году рост двухколесных транспортных средств составил 130 % по сравнению с 2018 годом.
https://www.autocarindia.com/car-news/ev-sales-in-india-cross-75-lakh-mark-infy2019-412542 accessed on 6th Aug 2020 ).
В сложившихся обстоятельствах производители 2-W научились поддерживать себя без правительственных субсидий. Падение продаж в апреле прошлого года (2019) было вызвано жесткими условиями второго этапа (FAME II). Ни один электромобиль не может соответствовать новым критериям. Кроме того, процесс повторной сертификации, занимающий около 45 дней, задержал продажи.
Инфраструктура зарядки электромобилей в Индии
Адекватная инфраструктура зарядки электромобилей (EVCI) является ключевым фактором для распространения электромобилей.
Доказано, что наличие в стране мощной сети оборудования для подзарядки электромобилей (EVSE) в три раза эффективнее, чем предоставление скидок и субсидий на покупку электромобиля С точки зрения спроса, как общественная, так и домашняя зарядная инфраструктура имеет решающее значение для продвижения электромобилей. В мире за последнее десятилетие темпы роста инфраструктуры общественных зарядных устройств достигли умопомрачительных 84%, причем в 2009-2012 и 2013-2014 годах рост составил более 100% в год, а в период 2010-2018 годов — в среднем около 180% в год.
Тенденции роста инфраструктуры для зарядки электромобилей в Индии
Индия является развивающимся рынком электромобилей, и, будучи четвертым по величине автомобильным рынком в мире, мы постепенно становимся центральным регионом в области электромобилей.
Будущее роста EVCI в Индии является преимущественно положительным и достигает глобальных темпов роста проникновения EVCI.
Компания Gensol Mobility, владеющая и управляющая внутригородским парком электрических такси BluSmart, увеличила свое присутствие в столичном регионе.
Рисунок 5
Тенденция роста общественной инфраструктуры для зарядки электромобилей в Индии
Индия Общественное оборудование для электромобилей(EVSE) медленно и быстро
Post-Li-ion или Beyond-Li-ion
Чтобы удвоить дальность пробега, производители электронных автомобилей ищут аккумуляторы нового типа. В настоящее время исследуются следующие системы:
a. Литиевые твердотельные батареи (http://www.usaspeaks.com/news/toyota-unveils-solid-state-battery-design-for-evs/)
b. Литий-воздушные (кислородные) батареи [ 11. Дэвид Л. Чандлер | MIT News Office].
c. Na-ионные батареи
d. Цинково-воздушные батареи [12. Jonathan Goldstein, Ian Brown and Binyamin Koretz JPower Sources, 80 (1999) 171-179].
e. Аккумулятор Licerion
Проектирование аккумуляторных батарей для электромобилей
Количество элементов в упаковке зависит от химического состава литий-ионного элемента, который, в свою очередь, зависит от используемого материала катода.
Возьмем, к примеру, батарею емкостью 85 кВт/ч, изготовленную из никель-кобальт-алюминиевых (NCA) элементов катодного типа емкостью 3,25 Ач каждый:
Допущения:
Напряжение аккумуляторной батареи = 350 В
Номинальное напряжение ячейки = 3,6 В
Номинальная энергоемкость = 85 кВтч
Фактическая энергоемкость = 80 кВтч (~ 95 % от номинальной мощности)
Номинальная емкость = 3,25 Ач
Фактическая емкость = 3,1 Ач (~ 95 % от номинальной емкости)
Для блока на 350 В при использовании указанных выше элементов потребуется 350 В/3,6 В = 97,2 элемента, для простоты округлим до 96 или 98 элементов.
Но энергоемкость 96 одиночных элементов, соединенных последовательно, составит 96* 3,6 В*3,25 Ач = 1123 Втч. Таким образом, эта конкретная конструкция модуля будет иметь мощность 1123 Вт-ч.
Следовательно, количество параллельно подключаемых элементов = 85000 Втч/1123 Втч = 75,7 @ 76.
Мы можем соединить 76 ячеек параллельно в один модуль, емкость которого составит 76*3,25 Ач = 247 Ач.
Мы можем удобно разделить 96 клеток на 16 модулей по 6 клеток в каждом (или 12 модулей по 8 клеток в каждом), которые расположены последовательно.
Таким образом, общее напряжение составит 16*6 =96 *3,6 В =345,6 В @ 350 В.
ИЛИ
Общее напряжение составит 12*8 =96 *3,6 В =345,6 В @ 350 В
Таким образом, общая номинальная мощность одного модуля составит 247 Ач*6*3,6 В = 5335 Втч.
Таким образом, общая номинальная мощность аккумулятора составит 247 Ач*6*3,6 В*16 = 85363 Втч @ 85 кВтч.
Таким образом, общая фактическая мощность аккумулятора составит 76*3,1 Ач = 236 Ач*350 В = 82600 Втч @ 82 кВтч.
Теперь энергоемкость составляет 85 кВт/ч. Таким образом, общее количество ячеек в пачке составит
85000 Втч/3,6 В*3,25 Ач= 7265 ячеек (номинально)
85000 Втч/3,6 В*3,1 Ач= 7616 ячеек (фактически)
Аналогичным образом, для получения 350-вольтовой батареи с использованием 3,25-вольтовых литий-железо-фосфатных (LFP) элементов нам потребуется (350 В/3,25 В) 107,7 элементов. Опять же, для простоты, мы можем решить использовать либо 108, либо 110 ячеек. Здесь мы можем спроектировать 11 модулей по 10 ячеек на 110 ячеек или 18 модулей по 6 ячеек на 108 ячеек.
Или, используя 2,3-вольтовый LTO (титанат лития) элемент, нам потребуется (350 В/2,3 В) 152 элемента или округленно 160 элементов, чтобы достичь желаемого напряжения.
70 кВтч и 90 кВтч, элементы 18650 NCA емкостью 3,4 Ач; жидкостное охлаждение.
Блок мощностью 90 кВт/ч состоит из 7 616 элементов; вес батареи составляет 540 кг (1 200 фунтов = 540 кг);
Вероятность отказа в параллельных конфигурациях низка, поэтому отказ одного элемента не повлияет на всю батарею.
Расчеты мощности и емкости аккумулятора
Возьмем предыдущий пример аккумуляторной батареи емкостью 85 кВт-ч с напряжением 350 В. Обычно для EV принимается во внимание скорость разряда 1С. Таким образом, ток составит 85000 Втч / 350 В = 243 Ач. Следовательно, ток будет равен 240 А. Мощность = В * А = 350*240 = 84000 Вт = 84 кВт максимум. Но BMS разрешает только 80 % этой мощности в качестве максимальной.
Следовательно, фактически используемая мощность составит 84*0,8= 67,2 кВт. Как упоминалось ранее, средний процент регенеративной энергии составляет около 15%. В некоторых случаях этот показатель может превышать 40 %. Мощность рекуперации не превышает 40 кВт.
Напряжение конкурирующих литиевых батарей
Таблица 8
| Параметр производительности | NCA | NMC | LMO | LFP | LTO | LCO |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Номинальное напряжение ячейки (В) | 3.6 | 3.6 | 3.8 | 3.2 | 2.2 | 3.6 |
Удельная энергия и Энергоэффективность
Предполагая 25% КПД, ископаемое топливо может обеспечить 12000*0,25 = 3000 Вт-ч/кг полезной энергии. В случае с батареей КПД выше, поэтому 150*0,9 = 135 Вт-ч/кг полезной энергии можно получить от батарей.
Полезный коэффициент = 3000/135 = 22,22 раза
Прямой коэффициент = 12000/150 = 80 раз
Переработка литий-ионных аккумуляторов
[ 14. Bin Huang Zhefei Pan Xiangyu Su Liang An, J Power Sources, Volume 399, 30 September 2018, Pages 274-286]
С учетом постоянно растущей потребности в LIB, особенно в сегменте EV, большое количество литий-ионных батарей вернется для переработки или повторного использования. Отсутствие надлежащей утилизации отработанных литий-ионных батарей, вероятно, приводит к серьезным последствиям, таким как загрязнение окружающей среды и нерациональное использование ресурсов. Для решения этой проблемы необходимы как технологические инновации, так и участие правительств.
Читатели, интересующиеся более подробной информацией, могут обратиться к публикациям на эту тему.
Батареи второго срока службы (повторное использование батарей EV после окончания срока службы EV
В области переработки отходов существуют соображения о том, чтобы либо повторно использовать батареи EV после того, как батарея EV будет выброшена, либо перерабатывать материалы из этой батареи.
Электромобили появятся в Индии в 2020 году
В 2020 году производители не только сосредоточатся на автомобилях и мотоциклах, соответствующих стандарту BSVI, но некоторые сделают дополнительный шаг, чтобы полностью свести на нет выбросы углекислого газа, и перейдут на платформу EV. Ниже перечислены несколько EV, которые были подтверждены в этом году, а некоторые ожидаются в ближайшее время. К ним относятся:
Tata Nexon EV
G Motor India ZS EV
Audi e-Tron
Ford-Mahindra Aspire EV
Volkswagen ID 3
Jaguar I-Pace
Porsche Taycan 4S
Ниже приведена подробная информация:
Таблица 9
Электромобили появятся в Индии в 2020 году
(http://overdrive.in/news-cars-auto/cars-coming-to-india-in-2020-electric-vehicles/)
| EV (потребление Вт-ч/км) | Цена | Тип батареи | мощность кВт/ч | Полезная мощность | Двигатели | Крутящий момент | Ускорение | Максимальная скорость | Дальность км | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tata Nexon EV (100 Вт-ч/км) | От 15 до 17 рупий | Li-ion | 30.2 | Двигатель переменного тока с постоянным магнитом | 129 л.с. и 245 Нм на передних колесах | От 0 до 100 км/ч за 9,9 с | NA | > 300 км на полной зарядке | ||
| GM ZS EV (129 Вт-ч/км) | Li-ion | 44,5 аккумуляторный блок с жидкостным охлаждением | Двигатель мощностью 143 л.с./350 Нм, приводящий в движение передние колеса | 345 | Встроенное зарядное устройство. Полная зарядка за 6-8 ч; также необходимо установить зарядное устройство мощностью 50 кВт | |||||
| Audi e-tron (220 Вт-ч/км) | Li-ion | 96 | 86.5 | Задние и передние двигатели | 436 | |||||
| Ford-Mahindra Aspire EV | От 6 до 7 рупий | Li-ion | Двигатель заднего моста | 300+ | ||||||
| Volkswagen ID 3 (136 Вт-ч/км) (138 Вт-ч/км) (140 Вт-ч/км) | < 30000 евро | Li-ion | 45 (базовая версия) | 330 (WLTP) | 290 км за 30 минут зарядки (100 кВт постоянного тока) | |||||
| Rs. ~ 23,85 л до уплаты налогов и пошлин | Li-ion | 58 (Mid-spec) | 205 л.с. и 310 Нм | 160 | 420 | |||||
| Li-ion | 77 (самый высокий показатель) | 550 | ||||||||
| Jaguar I-Pace (180 Вт-ч/км) | Li-ion | 90 | 2 двигателя | 400 л.с. и 696 Нм крутящего момента | 0-100 км/ч за 4,8 с | 320 | >500 | 80% Ч 90 минут | ||
| Porsche Taycan 4S (195 Вт-ч/км) | Li-ion | 79.4 | Двойной двигатель 800 В | 435 л.с., 530 л.с. при наддуве и 640 Нм. | От 0 до 100 км/ч за 4 с. | 250 | 407 | |||
| Li-ion | 93.4 | 463 |
