Baterii Hybrid

3

Ce este nou?

Menu

Începutul Vehiculelor Electrice și Evoluția Transportului Verde

Transformarea de la trăsura trasă de cai la transportul fără cai a durat ceva timp atunci când a apărut noua tehnologie. Arhitectura și aranjamentul scaunelor au rămas la fel pentru o perioadă la mașinile timpurii; doar calul a fost înlocuit cu un motor. Figura 1 ilustrează călători mândri pe o trăsură fără cai, feriti de pericolul copitelor calului și de nisipul de pe stradă.

Figura 1: Cărucior fără cai
Proiectarea produsului necesită timp pentru a se adapta la noile tehnologii.

La începutul anilor 1900, vehiculul electric era rezervat unor demnitari precum Thomas Edison, John D. Rockefeller, Jr. și Clara Ford, soția lui Henry Ford. Ei au ales acest transport pentru călătoria sa liniștită peste motorul cu ardere internă vibrant și poluant. Șoferii conștienți de mediul înconjurător redescoperă vehiculul electric cu o gamă de produse atractive.

Cultura EV dezvoltă filozofii distincte, fiecare satisfăcând un grup unic de utilizatori. Acest lucru este vizibil cu dimensiunile vehiculului și bateriile asociate. EV-ul subcompact vine cu o baterie care are 12–18 kWh, sedanul de familie de dimensiuni medii are un pachet de 22–32 kWh, iar modelele de lux de la Tesla sunt de sine stătătoare, cu o baterie supradimensionată cu 60–100 kWh pentru a oferi o autonomie extinsă și a obține o autonomie ridicată.

Se spune că EV înlocuiește mașinile cu motor cu ardere internă (ICE) cu cca. 2040. Vor fi necesare mai multe îmbunătățiri tehnologice pentru ca grupul de propulsie electric să fie practic și economic. Chiar și cu petrolul la 100 de dolari pe baril, prețul bateriilor EV ar trebui să scadă cu un factor de trei și să ofere, de asemenea, încărcare ultra-rapidă. În ceea ce privește amprenta de carbon, electricitatea utilizată pentru a alimenta vehiculele electrice ar trebui să provină din surse regenerabile. Rapoartele publicate spun că emisiile de la vehiculele electrice alimentate de rețelele electrice din America sunt mai mari decât cele de la un ICE eficient. Tabelul 2 ilustrează vehiculele electrice comune.

Table 2: Electric vehicles with battery type, range and charge time

* În 2015/16 Tesla S 85 a crescut bateria de la 85 kWh la 90 kWh; Nissan Leaf de la 25 kWh la 30 kWh.

Producătorii Nissan Leaf, BMW i3 și alte vehicule electrice folosesc acumulatorul dovedit litiu-mangan (LMO) cu un amestec NMC, ambalat într-o celulă prismatică. (NMC înseamnă nichel, mangan, cobalt.) Tesla folosește NCA (nichel, cobalt, aluminiu) în celula 18650, care furnizează o energie specifică impresionantă de 3,4 Ah per celulă sau 248Wh/kg. Pentru a proteja delicatul Li-ion de supraîncărcare la viteza pe autostradă, Tesla supradimensionează pachetul cu o magnitudine de trei până la patru ori în comparație cu alte vehicule electrice.

Bateria mare de 90 kWh a modelului Tesla S (2015) oferă o autonomie de condus de neegalat de 424 km (265 mile), dar bateria cântărește 540 kg (1.200 lb), iar acest lucru crește consumul de energie la 238Wh/km (380Wh/mile). unul dintre cele mai înalte dintre vehiculele electrice (vezi BU-1005: Vehicul cu pile de combustie)

În comparație, BMW i3 este unul dintre cele mai ușoare vehicule electrice și are un consum redus de energie de 160Wh/km (260Wh/mile). Mașina folosește o baterie LMO/NMC care oferă o energie specifică moderată de 120Wh/kg, dar este foarte robustă. Pachetul de dimensiuni medii de 22 kWh oferă o autonomie de rulare de 130–160 km (80–100 mile). Pentru a compensa autonomia mai scurtă, i3 oferă REX, un motor opțional pe benzină care este montat pe spate. Tabelul 3 compară dimensiunea bateriei și consumul de energie al vehiculelor electrice comune. Autonomia este în condiții normale de condus neoptimizate.

Tabelul 3: Consumul de energie estimat și costul pe km/milă al vehiculelor electrice comune Costul energiei include doar energia electrică consumată la 0,20 USD/kWh; articolele de serviciu sunt excluse.

* Autonomie limitată la 28 kWh; comutarea manuală la 31,5 kWh oferă 16 km (10 mile) de rezervă suplimentară

Clarificare: zonele de conducere din tabelele 2 și 3 diferă. Aceasta este o eroare mai mică decât aplicarea unor condiții diferite de conducere. De asemenea, apar discrepanțe în ceea ce privește încărcarea maximă, adâncimea de descărcare și măsurarea combustibilului.

Notă: Intervalele de rulare se bazează pe durată scurtă și viteză mică. Distanțele declarate per încărcare în condiții reale de conducere sunt tipice la 65%.

Costul bateriilor auto cu litiu-ion a scăzut de la aproximativ 1.000 USD/kWh la ceva mai mult de 100 USD/kWh astăzi. Aceste reduceri de costuri sunt atribuite îmbunătățirilor incrementale ale designului bateriilor și ale eficienței de fabricație, dar puține sunt creditate pentru o mai bună chimie a bateriei. Pentru a reduce și mai mult costurile, sunt necesare chimii mai bune ale bateriei, dar nimic nu este în viitorul previzibil pentru EV la momentul redactării acestui articol.

În cca. În 2016, costul unei baterii EV a fost de aproximativ 350 USD/kWh. Tesla a reușit să scadă prețul la 250 USD/kWh folosind 18650, o celulă populară din care 2,5 miliarde au fost fabricate în 2013. 18650 din modelele actuale Tesla este o alegere puțin probabilă, deoarece celula a fost proiectată pentru dispozitive portabile, cum ar fi laptop-uri. Disponibilă de la începutul anilor 1990, celula 18650 este disponibilă la un cost redus. Designul celulei cilindrice oferă în plus o stabilitate superioară față de celula prismatică și celulă în pungă, dar avantajul poate să nu rămână pentru totdeauna, deoarece celulele prismatice și în pungă se îmbunătățesc. Celulele mari Li-ion sunt relativ noi și au potențialul pentru capacități mai mari și costuri de pachet mai mici, deoarece sunt necesare mai puține celule.

Prețurile sunt în scădere, iar Bloomberg (decembrie 2017) spune că bateria medie a vehiculului electric costă acum 209 USD per kWh. Acestea includ carcase, cablaje, BMS și instalații sanitare, menaj care adaugă 20% până la 40% la costurile celulelor. Experții prevăd că bateria EV va scădea sub 100 USD per kWh până în 2025. Acest lucru va pune EV la egalitate cu un vehicul cu motor convențional cu caracteristici similare. Aceste reduceri de preț nu se aplică sistemelor de baterii staționare care, potrivit Bloomberg, vor impune o majoră de preț de 51% față de vehiculul electric din cauza volumului mai mic.

Toți producătorii de vehicule electrice trebuie să ofere o garanție de 8 ani sau o limită de kilometraj pentru bateriile lor. Tesla crede în bateria lor și oferă 8 ani cu kilometraj nelimitat. Figura 4 ilustrează bateria care formează șasiul modelului Tesla S. Modelul S 85 conține 7.616 celule de tip 18650 în configurație serială și paralelă. S-60 mai mic are 5.376 de celule.

Figura 4: Bateria într-un șasiu Tesla S Model

Bateria de 85 kWh are 7.616 18650 celule în configurație paralelă/serială. La 250 USD per kWh, costul este mai mic decât alte modele Li-ion.

Producătorii de vehicule electrice calculează autonomia de rulare în cele mai bune condiții și, conform rapoartelor, distanțele parcurse în lumea reală pot fi cu 30-37% mai mici decât cele anunțate. Acest lucru se poate datora sarcinilor electrice suplimentare, cum ar fi farurile, ștergătoarele de parbriz, precum și încălzirea și răcirea cabinei. Conducerea agresivă într-o zonă rurală deluroasă reduce și mai mult autonomia.

Temperatura scăzută reduce și autonomia. Ceea ce utilizatorii de baterie pot trece cu vederea, de asemenea, este dificultatea de a încărca atunci când este rece. Majoritatea Li-ionului nu pot fi încărcate sub punctul de îngheț. Pentru a proteja bateriile EV, unele pachete includ o pătură de încălzire pentru a încălzi bateria în timpul încărcării la temperaturi scăzute. Un BMS poate administra, de asemenea, un curent de încărcare mai mic atunci când bateria este rece. Încărcarea rapidă la rece favorizează creșterea dendritelor în Li-ion care poate compromite siguranța bateriei (vezi BU-410: Încărcare la temperatură ridicată și scăzută)

Proprietarii de vehicule electrice doresc încărcare ultra-rapidă și sunt disponibile tehnologii, dar acestea ar trebui să fie utilizate cu moderație, deoarece încărcarea rapidă stresează bateria. Dacă este posibil, nu depășiți o rată de încărcare de 1C (vezi BU-402: Ce este rata C?) Evitați încărcările complete care durează mai puțin de 90 de minute. Încărcarea ultra-rapidă este ideală pentru șoferii de vehicule electrice aflate pe fugă și este bine pentru utilizare ocazională. Unele vehicule electrice păstrează o evidență a evenimentelor stresante ale bateriei și aceste date ar putea fi utilizate pentru a anula o cerere de garanție (vezi BU-401a: Încărcătoare rapide și ultrarapide)

Estimarea SoC a fost întotdeauna o provocare, iar precizia SoC a unei baterii nu este la același nivel cu distribuirea combustibilului lichid. Inginerii EV la o întâlnire SAE din Detroit au fost surprinși să afle că SoC-ul unor noi BMS a fost oprit cu 15%. Acest lucru este ascuns utilizatorului; capacitatea de rezervă compensează un deficit.

Producătorii de vehicule electrice trebuie să ia în considerare diminuarea capacității într-un mod inteligent și nealarmant pentru șofer. Acest lucru se rezolvă prin supradimensionarea bateriei și afișarea doar a autonomiei. O baterie nouă este de obicei încărcată la 80% și descărcată la 30%. Pe măsură ce bateria se estompează, lățimea de bandă se poate extinde pentru a păstra aceeași autonomie. Odată ce este necesară întreaga capacitate, se aplică întregul ciclu. Acest lucru va cauza stres bateriei învechite și va scurta vizibil intervalele de rulare. Figura 5 ilustrează trei intervale SoH ale unui indicator de combustibil EV.

Figura 5: Autonomie în funcție de performanța bateriei

O baterie nouă EV se încarcă doar la aproximativ 80% și se descarcă până la 30%. Pe măsură ce bateria îmbătrânește, este necesară mai multă lățime de bandă utilizabilă a bateriei, ceea ce va duce la un stres crescut și o îmbătrânire sporită.

Economie


La suprafață, conducerea cu energie electrică este mai ieftină decât arderea combustibililor fosili; cu toate acestea, prețurile scăzute ale combustibilului, incertitudinea cu privire la longevitatea bateriei, nefamiliaritatea cu toleranțele de utilizare abuzivă a bateriei și costurile mari de înlocuire sunt factori care reduc stimulentele cumpărătorilor de a trece de la un sistem de propulsie dovedit la sistemul de propulsie electric. EV va avea întotdeauna o autonomie de rulare mai scurtă decât vehiculele cu ICE, deoarece supradimensionarea bateriei are un randament în scădere. Când dimensiunea crește, bateriile devin pur și simplu prea grele, afectând negativ economia de călătorie și autonomia de rulare (vezi BU-1005: Vehicul cu pile de combustibil)

Foile de parcurs tehnologice, ca parte a Agenției Internaționale pentru Energie (IEA), compară consumul de energie și costul benzinei față de propulsia electrică;

Un EV necesită între 150Wh și 250Wh pe kilometru, în funcție de greutatea vehiculului, viteza și teren. La un consum presupus de 200Wh/km și un preț al energiei electrice de 0,20 USD per kWh, costul energiei pentru a conduce un vehicul electric se traduce la 0,04 USD per km. Aceasta se compară cu 0,06 USD pe km pentru o mașină pe benzină de dimensiuni similare și 0,05 USD pe km pentru motorină. Estimarile de pret exclud costurile cu echipamentele, service-ul si eventuala inlocuire a produsului.

Rezistența și costul bateriei vor guverna succesul EV. O piață de consum se va dezvolta probabil pentru un vehicul electric ușor cu o baterie care oferă o autonomie de rulare de 160 km (100 mile) sau mai puțin. Aceasta va fi o mașină subcompactă pentru navetiști, deținută de un șofer care aderă la o rutină de conducere strâns înregimentată și urmează un regim disciplinat de reîncărcare. Potrivit cercetărilor, 90% din navetă implică mai puțin de 30 km. Piața de vehicule electrice va include, de asemenea, modele de ultimă generație pentru cei bogați care se gândesc la ecologie care doresc să reducă gazele cu efect de seră.

Conducerea unui vehicul electric oferă numai beneficii optime pentru mediu atunci când se încarcă cu resurse regenerabile. Arderea cărbunelui și a combustibililor fosili pentru a genera electricitate, așa cum se face în multe țări, nu reduce gazele cu efect de seră. În SUA, 50 la sută din electricitate este generată prin arderea cărbunelui, 20 la sută din gaze naturale și 20 la sută din energie nucleară. Energia regenerabilă prin hidrocentrală este de 8%, iar energia solară/eoliană este de doar 2%.

Trecerea electrică ridică și întrebarea: „Cine va plăti pentru drumuri în absența taxei pe combustibil?” Guvernele cheltuiesc miliarde pentru întreținerea și extinderea drumurilor; EV, și parțial PHEV, pot folosi infrastructura gratuit. Acest lucru este nedrept pentru cei care folosesc transportul public, deoarece plătesc dublu: mai întâi plătesc impozit pe venit pentru a sprijini infrastructurile rutiere și al doilea pentru achiziționarea biletului de tren.

Costul ridicat al EV împotriva ademenului combustibilului fosili ieftin și ușor disponibil va încetini tranziția către o conducere curată. Poate fi nevoie de subvenții guvernamentale pentru a face mașinile „verzi” accesibile maselor, dar mulți susțin că astfel de ajutoare ar trebui direcționate către un transport public mai bun, sisteme care au fost ignorate în America de Nord încă din anii 1950.

Ghid pentru bateriile EV

  • Durată de viaţă. Majoritatea bateriilor EV sunt garantate timp de 8 ani sau 160.000 km (100.000 mile). Climele calde accelerează pierderea capacității; sunt disponibile informații insuficiente despre modul în care bateriile îmbătrânesc în condiții climatice și modele de utilizare diferite.

 

  • Siguranță. Apar îngrijorări dacă bateria este utilizată greșit și este păstrată peste vârsta desemnată. Temeri similare au apărut acum 150 de ani, când cazanele de abur au explodat și rezervoarele de benzină au explodat. Un BMS atent proiectat asigură că bateria funcționează într-un interval de lucru sigur.

 

  • Cost. Acest lucru prezintă un dezavantaj major, deoarece bateria suportă costul unei mașini mici alimentate de un ICE. BMS, răcirea bateriei, încălzirea și garanția de opt ani se adaugă la cost.

 

  • Performanţă. Spre deosebire de un ICE care funcționează într-o gamă largă de temperaturi, bateriile sunt sensibile la căldură și frig și necesită control climatic. Căldura reduce durata de viață, iar frigul scade temporar performanța. Bateria încălzește și răcește și cabina.

 

  • Energie specifică. În ceea ce privește puterea calorică pe greutate, o baterie generează doar 1 la sută din ceea ce produce combustibilul fosili. Un kilogram (1,4 litri, 0,37 galoane) de benzină produce aproximativ 12 kWh de energie, în timp ce o baterie de 1 kg furnizează aproximativ 150Wh. Cu toate acestea, motorul electric este eficient în proporție de 90 la sută, în timp ce un ICE modern vine la aproximativ 25 la sută.

 

  • Putere specifică. Sistemul de propulsie electrică are un cuplu mai bun cu aceiași cai putere decât ICE. Acest lucru se reflectă într-o accelerație excelentă.

 

Sursa: https://batteryuniversity.com/article/bu-1003-electric-vehicle-ev