Будущее электрокаров: о перспективных источниках питания

Статья от инициативной группы «Зеленая энергетика»

Данную статью также можно прочитать на английском языке.

Аннотация

   В статье рассмотрены вопросы состояния автономных источников электрической энергии, в частности, таких как современные АКБ (аккумуляторные батареи) для электромобилей. Приведены требования к таким накопителям энергии, а также зарядным устройствам для них.

Проанализированы недостатки и преимущества, существующих АКБ и зарядок ведущих фирм производителей (за основу взяты АКБ и зарядки фирмы Теsla и других ведущих фирм в этой области). Даны рекомендации по привлечению перспективных технологий по этому направлению. Рассмотрены современные технологии, позволяющие увеличить дальность поездки без длительной подзарядки. Предложен способ подзарядки АКБ электромобиля с помощью суперконденсаторов.

Преимущества перспективных источников питания для электромобилей по сравнению с традиционными

   Опыт развития транспортных средств и альтернативных энергетических систем предполагает наличие в их составе современных источников электрической энергии таких как АКБ разных типов.

   В настоящее время выпуском электромобилей занимаются самые популярные и известные мировые бренды автопроизводителей такие как: Mercedes-Benz, BMW, Audi, Porsche, Volvo, Nissan, Hyundai и многие другие. Одной из передовых фирм разработчиков и производителей электромобилей и зарядных станций для них является известная во всем мире Tesla Inc. Наибольшее количество электромобилей одной модели, выпущенных в эксплуатацию это Leaf фирмы Nissan.

   Для конечного потребителя важнейшим являются требования к безотказной работе источника энергии без длительного по времени дополнительного подзаряда. На практике же химические источники энергии могут обеспечить пробег электромобиля на одном заряде лишь на небольшую дистанцию.[1]

   Автопроизводители активно разрабатывают новые технологии, которые позволят увеличить дальность поездки без длительной подзарядки или уменьшить длительность самой зарядки АКБ электромобиля. [1]

  Сейчас зарядить электромобиль можно тремя основными способами:

1. От бытовой сети с напряжением 220 В, как и любой другой электрический прибор (8-12 часов для полной зарядки для Leaf Nissan, для Tesla до 30 часов);
2. От 3-х фазной розетки на 380 В, которыми оборудуются АЗС и паркинги (зарядка длится 4-8 часов);
3. Используя ускоренные зарядки (30-60 минут для зарядки АКБ до 80 % емкости).

 Рассмотрим возможности современных зарядок электромобилей и сравним их скорости на примере одного из самых востребованных электромобилей Tesla Model S.

  При обычной зарядке (Mobile Connector), которая штатно поставляется с электромобилем, полная зарядка занимает около 29 часов. С использованием адаптера, коннектора и усиленной сети переменного тока – 9 часов. С применением устройств высокой мощности и специальных зарядных усилителей около 4-5 часов. Станцией быстрой зарядки Supercharger V1/V2 при ограничении мощности до 120 кВт до полутора часов. Станцией быстрой зарядки Supercharger V3 с удвоенной мощностью (250 кВт) от 50 минут до часа.

Недавно разработана инновационная технология V2G (двунаправленная зарядка V2G), суть которой состоит в том, что автомобиль подключенный к этой зарядке заряжается, например до 100 % в утренние часы, а в дневные или вечерние при пике потребления электроэнергии бытовыми и промышленными потребителями отдает часть накопленной энергии, т.е. он будет не только потреблять энергию заряжаясь, но еще и имеется возможность отдавать часть ее назад в сеть, являясь устройством стабилизации, поддерживающим работу сети. Что касается электромобилей Tesla, то последние модели этой фирмы поддерживают эту технологию. Достаточно выбрать такую функцию в системе управления и Теsla сможет пользоваться такой двунаправленной зарядкой. Наряду с Теsla, Honda не только устанавливает в своих моделях такую зарядку, но и развивает соответствующую инфраструктуру для таких зарядок. В мире уже работают несколько десятков двунаправленных заправок. Разработками заинтересовались в США и в скором будущем такие заправки появятся и в Америке.

Авторами статьи в предыдущих публикациях предлагалось использовать беспроводную магнитную зарядку, использующую принцип электромагнитной индукции, как при стоянке, так и при движении электромобиля. К близким решениям пришли и ученые фирмы Toshiba, создавшие систему на базе передачи энергии с помощью магнитного поля, используя метод магнитной беспроводной зарядки, основанной на магнитном резонансе (резонансной связи приемника и передатчика). Создана экспериментальная система с КПД 95 %, которая может передать 10-12 кВт на расстояние около 0.3 метра, что достаточно для зарядки электромобилей. В период до 2020 года метод был опробован в Японии на маршрутах электробусов, обслуживающих Токийский аэропорт. Такое устройство позволяет значительно упростить требования к точности расположения, принимающей и передающей антенн по сравнению с антеннами на электромагнитной индукции.

 Швейцарская компания АВВ приступила к производству самого мощного и быстрого зарядного устройства для электромобилей (Terra High Power DC). Основные параметры: максимальная мощность – 350 – 450 кВт, что в три четыре раза выше мощности зарядных станций Tesla Superchargers V1/V2 и почти в полтора-два раза больше Superchargers V3.

 Недавно представлено сверхмощное зарядное устройство, разработанное дочерней компанией концерна Geely (Viridi E-mobility Technology (VREMT)), которое позволяет пополнить запас хода электромобиля на 300 км всего за пять минут. Зарядка уже испытана и готова к серийному производству. Мощность – 600 кВт, а это на 150 кВт больше, чем у шведско-швейцарского концерна АВВ. Однако перечень электромобилей, которые могут заправляться от таких зарядок очень мал, пока это только Zeekr 001. Этот автомобиль получил новые аккумуляторы компании CATL (серийно будут выпускаться только с этого (2023) года. В Китае зарядные станции XPeng пополняют запас хода на 400-450 км за 15 минут, а автомобили GAC можно заряжать до 80% за 5-10 минут.

Нельзя не упомянуть представленную Илоном Маском несколько лет назад систему быстрой роботизированной замены АКБ (время замены батареи планировалось за 1,5 минуты), однако до воплощения в производство дело не дошло. Однако Tesla Inc. не отказалась от данной идеи. Фирма получила патент на установку по смене АКБ на своих машинах, но тратит на это с помощью техников – 15 минут. Подъемник приподнимает электромобиль, техники получают доступ к днищу, в котором и находятся АКБ [2]. Поменять одну АКБ на другую за 15 минут имея альтернативные быстрые зарядки сейчас уже практически не актуально. Достоинство станций замены аккумулятора в том, что они работают автономно и не требуют больших мощностей от линий электропередач. Возможно они будут даже передвижными, привязанными к количеству электромобилей, требующих смены АКБ.

Исследование, проведенное ведущими специалистами США и Кореи показывает, что старение батарей при высокоскоростной зарядке для определения безопасного уменьшения времени зарядки привело к следующим результатам: возможна сверхбыстрая зарядка без значительных повреждений АКБ. По данным Национальной лаборатории Айдахо заряд АКБ до 80%возможен за 10-20 минут, хотя эта технология будет доступна не ранее чем через 5-7 лет, сообщается в материалах The Washington Post. В настоящее время процесс заряда устройствами первого уровня до 100% емкости длится сутками, а скоростными до уровня 80% — от 30 до 60 минут.

Сейчас электрическая энергия значительно дешевле по стоимости в сравнении с бензином, но она не бесплатна. Во многих странах мира имеются сети бесплатных зарядок, но они не многочисленны. А для полного заряда АКБ требуется довольно большое количество электрической энергии. Отметим следующие недостатки использования АКБ и их зарядных станций на современном этапе:

1. Количество станций для подзарядки мало.
2. Инфраструктура зарядки электромобилей находится в начальной стадии развития.
3. Пробег электромобилей ограничен 200 – 700 км (от более дешевых моделей до очень дорогих). Например, Tesla даже первые модели позволяли перемещаться на одной зарядке до 250 км, а новые модели до – 700 км. В последнее время на рынке появились такие электромобили как BMW до 360 км, Audi до 370 км, Hyundai до 300 км, Jaguar до 470 км и др.
4. Полная зарядка аккумуляторов в среднем около 10 часов (с применением специальных устройств для заряда).
5. Чем тяжелее сама машина и ее нагрузка (груз плюс пассажиры), тем большее количество энергии будет затрачено для ее передвижения.
6. Пока еще нет заметного разнообразия в моделях и брендах электромобилей и соответственно в их источниках питания и зарядки.

Автопроизводители активно разрабатывают новые технологии, которые позволяют увеличить дальность поездки без длительной подзарядки. Одной из таких технологий является применение вместо аккумуляторных батарей – сборок суперконденсаторов. Суперконденсаторы имеют высокую емкость по сравнению с обычными конеденсаторами, но отстают от современных аккумуляторных батарей по этому параметру. Суперконденсатор более надежен, прост и практически не подвержен износу, в отличие от аккумуляторной батареи (в основе работы которой лежит химическая реакция). Суперконденсатор может выдержать сотни тысяч циклов заряда и разряда, а расчетный срок его службы составляет более 15-20 лет. Ресурс суперконденсаторов в десятки раз превышает ресурс АКБ.

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

Одной из новейших концепций в развитии электромобильного транспорта является совмещение двух разных типов накопителей энергии – графеновых или иных суперконденсаторов и аккумуляторных батарей.[3]

Авторами был изучен современный опыт отечественных и зарубежных компаний-производителей электромобилей и суперконденсаторов. На его основе выполнен комплекс исследований, в результате которого было предложено использовать суперконденсатор для быстрой зарядки, а затем в процессе движения с помощью системы заряд-разряда, которая входит в состав преобразователя, подзаряжать АКБ электромобиля. Данное решение защищено патентом Украины[4]. Электромобиль, содержащий АКБ, систему управления (СУ), бортовой компьютер, тяговые электродвигатели постоянного тока, подключенные через стабилизирующие преобразователи напряжения, управляемые СУ к блоку суперконденсаторов. Техническим результатом применения такой системы является понижение потерь электроэнергии, увеличение длительности пробега, уменьшение времени заряда источников питания. Коллектив авторов продолжает работу в данном направлении. Проведены исследования и подготовлен комплект документов для подачи заявки на патент.

Авторы:
Федорец С.Г. ведущий конструктор УКРНИИТМ, Днепр, Украина
Федоров С.И., ст.преподаватель кафедры Электротехники, Национальный технический универститет «Днепровская политехника», Днепр, Украина.
Божок И.М., главный инженер, Украинский научно-исследовательский институт машиностроительных технологий, Днепр, Украина
Мазан Н.М., инженер, Украинский научно-исследовательский институт машиностроительных технологий, г. Днепр, Украина

Литература:

1. Fedorets S.G., Fedorov S.I., Bozhok I.M., Mazan N.M. The Developments of Electric Power Supply Sources for Electric Cars «Granite of science»/ Scientific and popular journal (published 03.04.2023.)
2. Рогоза М.А., Бородай В.А., Нестерова Е.Ю., Кошеленко Е.В., Федоров С.И. Скоростное обслуживание тяговых аккумуляторов современных транспортных средств. Проблемы использования информационных технологий в образовании, науке и промышленности: XV11 междунар.конф. (24 ноября 2022, г. Днепр): сб. науч. пр/ред.кол.: А.А.Азюковский и др.: М-во образования и науки Украины, Нац. Техн. Ун-т «Днепровская полтехника». Днепр: НТУ «ДП», 2022 № 7.С.57-58.
3. Слипченко М.И., Письменецкий В.А., Гуртовой М.Ю.Исследование режимов работы АКБ и суперконденсатора в системе энергообеспечения электромобиля. Восточно-Европейский журнал передовых технологий.2012, 4/8 (5), с. 31-35.

_____________________________________________________

✒️Подписывайтесь на наш Telegram канал «Гранит науки»
✒️Читайте нас на Яндекс Дзен

📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype
📩Прислать статью [email protected]
📩Написать редактору [email protected]