Image
4.5.2019 0 Comments

ROČENKA ELEKTROMOBILITY 2019: Technológie v elektrických vozidlách - Batérie

Hoci hlavnou prekážkou rýchlejšieho rozšírenia elektromobilov je v prvom rade vysoká cena, množstvo potenciálnych zákazníkov dlho odrádzal aj nedostatočný dojazd, ktorý tak elektromobily odsúval iba do úlohy druhého auta v domácnosti. Dojazd závisí najmä od batérií. Rok 2018 znamenal v tejto oblasti prielom, keď sa na dojazd vyše 400 km, ktorý dovtedy dosahovali iba niektoré najvýkonnejšie verzie vozidiel Tesla, dostal aj Hyundai KONA s menej než polovičnou cenou a firmy ohlásili aj ďalšie modely. Staršie elektromobily, ako BMW i3 či Kia Soul EV, majú dojazd 120 - 180 km a až nová generácia sa dostáva cez 200 či 250 km. Ak to porovnáme s elektromobilom Detroit Electric z roku 1918 s dojazdom 80 km, vidno, že pre prerušený vývoj v tejto oblasti k dramatickým zmenám nedošlo. Druhý podstatný problém je nabíjanie. Vývoj prináša stále lepšie a menšie batérie, no pritom je už teraz jasné, že použitie Li-ion či Li-pol batérií naráža pomaly, ale isto na svoje limity. Jeden z dôvodov je náročný tepelný manažment batérií. Batérie sú citlivé na veľké výkyvy teplôt. Pri nízkych teplotách rýchle strácajú kapacitu, takže ich treba zohrievať, pri vysokých teplotách zase hrozí poškodenie batérie. Preto je nevyhnutné zabezpečiť kvalitné chladenie. Tieto systémy navyše znemožňujú dramaticky zvyšovať energetickú hustotu batérií, pretože tvoria prídavnú hmotnosť a objem batérií. Druhý problém je nedostatok vzácnych kovov, najmä kobaltu a lítia, potrebných na výrobu batérií. Kobalt predstavuje dnes najdrahšiu surovinu v lítiovo-iónových batériách. Aj keď sa výrobcovia roky snažia nájsť spôsob, ako skonštruovať batériu bez tohto kovu, jeho jedinečnosť pri dodávaní výkonu batérie sa zatiaľ nepodarilo nahradiť. Zatiaľ čo batéria v smartfóne obsahuje 5 až 10 gramov kobaltu, jedna autobatéria ho spotrebuje až do 1,5 kg. Za posledných päť rokov sa dopyt výrobcov batérií po ňom strojnásobil a do roku 2020 sa má ďalej minimálne zdvojnásobiť. Hoci v súčasnosti patrí kobalt medzi najžiadanejšie kovy, vývoj technológií to môže zmeniť. Vedecké tímy horúčkovito pracujú na vývoji nových generácií batérií s podstatne vyššou energetickou hustotou a možnosťou veľmi rýchleho nabíjania.


Článok podľa štandardu ICR 18650 na obrázku poskytuje vysoký vybíjací prúd az 10 A

Typy a formáty batérií

V elektromobiloch sa v súčasnosti najčastejšie využívajú lítiové batérie. Tieto články, vynájdené v polovici šesťdesiatych rokov minulého storočia, zaujali vysokou mernou kapacitou a veľmi nízkym samovybíjaním. Na praktické využitie bolo treba ešte prekonať mnoho technologických problémov, predovšetkým koróziu elektród, ktoré vtedy boli na báze sulfidov kovov, a tvorbu takzvaných ihličiek pri nabíjaní nízkym prúdom. Tie perforovali separátor a vytvárali v akumulátore vnútorné skraty. Prelom dosiahli inžinieri spoločnosti Sony v roku 1990. Ako aktívny materiál na zápornú elektródu použili zmes grafitu obohateného lítiom a polyolefínov. Možnosť elektrochemického vloženia kladných iónov lítia do grafitu bola známa už od roku 1975, no musela 15 rokov čakať na realizáciu. Podobne funguje aj lítiovo-polymérový akumulátor, skrátene Li-pol.

Kladné elektródy sa vyrábajú z chemických zlúčenín LiCoO2, LixMn2O4, LiNiO2 a LiV2O5 a ďalších. Každý výrobca si, samozrejme, chemické zloženie materiálov cháni ako oko v hlave. Ako elektrolyt sa najčastejšie používa LiPF6 rozpustený v nepolárnom rozpúšťadle Lion 1. Ak sa pozrieme na princíp fungovania Li-ion akumulátora, kladné ióny lítia putujú pri nabíjaní z kladnej elektródy na zápornú a pri vybíjaní opačne, teda zo zápornej na kladnú. Z konštrukčného hľadiska sa v praxi uplatnili hlavne valcové články rozmerov 4/3A (ICR 17670) a 4/3AF (ICR 18650), pričom rozmer 18650 je jednoznačne najrozšírenejší. Využíva sa nielen samostatne, ale aj ako základný konštrukčný prvok veľkých batérií pre elektromobily či rodinné domy. Články majú bežne kapacitu 3500 mAh a viac.

Označenie 18650 je vlastne kombinácia rozmerov. Valcový článok má 18 mm v priemere a štandardnú dĺžku by mal mať 65 mm.

Hlavná výhoda lítiových batérií je predovšetkým veľmi vysoká hustota energie, až 200 Wh/kg, alebo ak berieme do úvahy objem, tak 530 Wh/l. Je to trikrát vyššia hodnota, než dosahovali staršie niklovo-metalhydridové (Ni-MH) akumulátory. Navyše lítiovo-iónové batérie sa neustále zdokonaľujú, pripravujú sa články s kapacitou 300 Wh na kilogram materiálu s výhľadom na zvýšenie kapacity až na 400 Wh/kg. Akumulátory môžu mať rôzne tvary, napríklad ploché hranolčeky, aké poznáme z mobilných zariadení, fotoaparátov, kamier a ďalších zariadení.

Li-ion batérie majú len nepatrné samovybíjanie - do 5 % pri 20 °C oproti 25 % pri Ni-Cd a Ni-MH akumulátoroch. Batérie nemajú pamäťový efekt, takže ich môžete nabíjať v akomkoľvek štádiu vybitia. Nové batérie netreba formovať. Určite si spomínate na odporúčania pri prístrojoch využívajúcich Ni-MH akumulátory - niekoľkokrát nabíjať a vybíjať, aby dosiahli deklarovanú kapacitu. Pre výrobcov elektroniky je dôležitá výhoda aj vysoké napätie: 3,6 - 3,7 V, takže prístroje sa dajú napájať z jediného článku. Na porovnanie, články akumulátorov NiCd a NiMH majú napätie 1,2 V. Vyrábajú sa však aj Li-ion batérie s napätím 1,5 V,  2 V a 3 V. Životnosť bežných Li-ion akumulátorov používaných v spotrebnej elektronike je 500 - 1200 nabíjacích cyklov. Akumulátory na rozdiel od primárnych lítiových článkov neobsahujú vysoko reaktívny prvok lítium v čistom kovovom stave, takže sú bezpečné pri pozemnej a námornej doprave, letecky sa však nesmie prepravovať veľa akumulátorov zabalených spolu. Lítiovo-iónové akumulátory neobsahujú olovo, ortuť ani kadmium, takže sú šetrnejšie k životnému prostrediu.

Každá technológia má aj svoje nevýhody. Hlavná z nich je vyššia cena, ale tá z roka na rok klesá. Batéria starne, teda stráca maximálnu kapacitu, nehľadiac na to, či sa používa alebo nie. Rýchlosť starnutia sa zvyšuje s vyššou teplotou, vyšším stavom nabitia a vyšším vybíjacím prúdom. Pri skladovaní je nevyhnutné tieto články minimálne raz ročne nabiť, aby sa vlastným samovybíjaním nevybili pod stanovenú hranicu.

Obmedzenie veľkosti nabíjacieho prúdu v praxi znamená dlhšie časy nabíjania na plnú kapacitu. Nabiť akumulátor približne na 80 % kapacity sa dá aj za hodinu, prípadne za ešte kratší čas. Obmedzenie sa týka aj maximálneho vybíjacieho prúdu, keďže články majú pomerne veľký vnútorný odpor. Hodnota maximálneho vybíjacieho prúdu sa pohybuje na  úrovni dvojnásobku trvalého vybíjacieho prúdu. Špeciálne akumulátory umožňujú krátkodobo zvýšiť maximálny prúd na 20-násobok trvale prípustnej hodnoty. Počas vybíjania klesá napätie. To umožňuje konštruovať jednoduché obvody na monitorovanie zostávajúcej kapacity akumulátora. Zariadenia, ktoré však vyžadujú stály príkon, napríklad drony, elektrické bicykle či autá, musia pri nižšom napätí odoberať na rovnaký výkon vyšší prúd. Kapacita akumulátora klesá s teplotou. Pri poklese napätia pri vybíjaní pod povolenú hranicu sa akumulátorové batérie zničia natrvalo, preto majú batérie v elektromobiloch zabudované riadiace elektronické obvody zabraňujúce neprípustnému vybitiu. Lítiové akumulátory sú takisto málo odolné proti prebíjaniu.


Priebeh nabíjania metódou CCCV

Nabíjanie batérií

Pri nabíjaní Li-ion akumulátorov sa používa metóda CCCV (Constant Current followed by Constant Voltage). Ako vyplýva z názvu, je to nabíjanie konštantným prúdom, až kým akumulátor nedosiahne vopred stanovené napätie, potom nabíjanie pokračuje konštantným napätím. Prechod na nabíjanie konštantným napätím je na grafe vyznačený zvislou červenou čiarou. Všimnite si, že k tomu dochádza pri dosiahnutí 80 % a je to približne v tretine doby potrebnej na nabitie akumulátora na plnú kapacitu. To je dôvod, prečo výrobcovia elektromobilov uvádzajú pri rýchlonabíjaní dosiahnutie úrovne 80 %.

Nabíjanie sa ukončí, ak nabíjací prúd klesne na vopred stanovenú hodnotu, alebo časovačom. Vtedy sa po dosiahnutí vopred stanoveného napätia nabíja akumulátor ešte definovaný čas, napríklad dve hodiny, konštantným napätím. Ak je pri nabíjaní lítiovo-iónových článkov správne nastavené konštantné nabíjacie napätie v druhej fáze, akumulátory sa nemôžu prebíjať tak, ako sa to stáva pri Ni-Cd a Ni-MH akumulátoroch nabíjaných konštantným prúdom. Lítiovo-iónové akumulátory nemajú pamäťový efekt, a preto ich netreba pred nabitím vybiť. Presne naopak, hlboké vybíjanie im veľmi škodí. V elektromobile, samozrejme, elektronika stráži, aby k tomu nedochádzalo. Aj keď vám vozidlo ukazuje nulový dojazd, batérie si udržujú požadovanú úroveň nabitia. Napriek tomu je lepšie radšej nabíjať skôr, pokiaľ má batéria ešte zásobu energie.  

Skúsme si však porovnať hustotu energie uloženej v batérii. Dobrý lítiovo-iónový akumulátor má kapacitu 300 Wh/kg. Porovnajme to s množstvom energie uskladnenej v uhľovodíkovom palive, napríklad benzíne. Výhrevnosť benzínu je 43 545 kJ/kg, čo je v prepočte 12 100 Wh, teda 40× viac. Takže keby batéria automobilu mala dodať rovnakú energiu ako 50 l nádrž benzínu (čo je 36 kg, keďže benzín má mernú hmotnosť 0,72 kg/l), musela by mať hmotnosť 1440 kg. Do hry však vstupuje účinnosť. Benzínové a dieselové motory dosahujú účinnosť okolo 25 %, preplňované motory okolo 35 %. Naproti tomu účinnosť elektromotora je    90 % a viac, takže ekvivalentná hmotnosť akumulátorov by bola asi 500 kg.

Zobrazit Galériu
Autor: Redakcia

Nechajte si posielať prehľad najdôležitejších správ emailom

Mohlo by Vás zaujímať

Ročenka

ROČENKA ELEKTROMOBILITY 2019: Technológie v elektrických vozidlách - Rekuperácia energie

17.05.2019 00:00

Jeden z kľúčových zdrojov úspory elektromobilov a hybridných áut je rekuperácia čiže dobíjanie energie do batérií pri brzdení elektromotorom. Súčasťou výbavy týchto vozidiel je aj systém premieňajúci ...

Ročenka

ROČENKA ELEKTROMOBILITY 2019: Audi e-tron

14.05.2019 00:00

Audi e-tron poháňajú dva silné elektromotory. Optimálnu trakciu a dynamiku zabezpečuje nová generácia pohonu quattro: elektrický pohon všetkých kolies. Systém batérií je optimálne prispôsobený rozmero ...

Ročenka 3

ROČENKA ELEKTROMOBILITY 2019: BMW i3 (120 Ah)

11.05.2019 00:00

BMW i3 je plné inovatívnych technológií. Karbónová konštrukcia priestoru pre posádku je podstatne ľahšia, zároveň však pevnejšia a odolnejšia než oceľ. Nízka hmotnosť a nízke ťažisko spolu prispievajú ...

q

Žiadne komentáre

Vyhľadávanie

ITAPA 2019

Najnovšie videá

Cyber Central Malware Analysis Training


PC forum button