Аккумуляторные батареи в гибридном транспорте

Правительствами разных стран уже давно проводится политика, направленная на уменьшение расхода топлива и снижение загрязнения окружающей среды. Делается это так, чтобы особо не менять сложившиеся привычки вождения и наиболее отвечающим этому запросу является гибридный транспорт. Лидером в его продвижении на данный момент является Япония, где проблема высокого потребления топлива и экологии весьма актуальна.

Предназначением гибридного силового агрегата является экономия топлива без ущерба производительности. Это достигается путем использования одного или нескольких электродвигателей, которые помогают двигателю внутреннего сгорания (ДВС) при разгоне, и в то же время преобразовывают в электричество возникающую при торможении кинетическую энергию. ДВС в гибридных авто на светофоре отключается и именно электродвигатель отвечает за движение автомобиля на тихом ходу. На максимальной же мощности HEV использует все свои двигатели.

В HEV используется механическая трансмиссия для передачи энергии от ДВС к колесам. В этом отношении HEV напоминает обыкновенный автомобиль с коленчатым валом и сцеплением, такая схема также известна как параллельная конфигурация. Экономия топлива в этом случае достигается за счет использования меньшего ДВС, который оптимизирован под максимальную эффективность использования топлива, а не под высокий крутящий момент. В компании Toyota утверждают, что в их гибридном автомобиле Prius последнего поколения термический КПД находится на уровне 40%. Электродвигатель способен обеспечить более динамичное вождение, так как он предоставляет лучший крутящий момент в сравнении с ДВС аналогичной мощности.


Аккумуляторы EverExceed

 

Standard Range AGM Deep Cycle Range AGM Gellyte Range GEL
свинцово-кислотные аккумуляторы аккумуляторы для газового котла гелевые аккумуляторы 12 вольт 100 ач и 200 ач 
10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 750 циклов
универсальная серия AGM для глубоких разрядов AGM универсальная серия GEL

Большинство аккумуляторных систем, использующихся в HEV, имеют гарантированный срок службы 8 лет. Достигается это путем оптимизации элементов такой системы под долговечность, а не под высокую удельную энергоемкость, как в случае с аккумуляторами потребительских устройств. Производители делают в таких элементах более толстый и прочный сепаратор, что благотворно сказывается на продолжительности их срока службы. Для максимального уменьшения износа, аккумуляторная система HEV должна работать в диапазоне степени заряда 30-80%, что соответствует напряжению Li-ion элемента 3,5-4,0 В, в отличие от стандартных 3,0-4,2 В.

Режим работы аккумуляторной системы гибридного автомобиля больше импульсный, и этим она схожа со стартерным аккумулятором, так как здесь также присутствуют короткие всплески мощности для ускорения, а не длинные непрерывные разряды, как в случае электромобиля. Крайне редко происходит разряд аккумулятора HEV до низкого 20-процентного уровня заряда. При нормальной эксплуатации, HEV параллельной конфигурации потребляет менее 2 процентов от имеющейся емкости аккумулятора на одну милю пробега (1,6 км). Падение емкости остается незамеченным, и HEV аккумуляторы по прежнему хорошо работают даже с менее чем половиной от первоначальной емкости.

На рисунке 1 показано падение емкости аккумуляторов шести гибридных автомобилей после 256 000 км пробега. Испытания проводились в рамках программы Министерства энергетики США FreedomCAR and Vehicle Technologies (FCVT) в 2006 году в соответствии со стандартом SAE J1634 и включали в себя такие гибридные автомобили как Honda Civic, Honda Insight и Toyota Prius.

Аккумуляторные батареи в гибридном транспорте

Рисунок 1: Падение емкости аккумуляторных систем гибридных автомобилей. После пробега в 256 000 км два автомобиля Honda Civic имели 68% емкости, Insight - 85%, а Toyota Prius - лишь 39%. Стоит отметить, что падение емкости не несет существенного влияние на увеличение потребления автомобилем топлива.


Аккумуляторы EverExceed GEL

 

Marin GEL Range Deep Cycle GEL Range Solar GEL Range
аккумулятор для электромотора аккумуляторы глубокого разряда аккумуляторы для солнечных батарей
10 - 12 лет / 800 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для электромоторов лодок и катеров для глубоких циклических разрядов для солнечных электростанций

Аккумуляторная система двух Honda Civic имела остаточную емкость 68%, у Insight она составила 85%, а у Toyota Prius - 39%. Даже если бы падение емкости было бы большим, эффективность использования топлива серьезно бы не пострадала. Insight показал снижение экономии топлива в размере 0,12 л на 100 км, а у Toyota Prius этот показатель составил 0,33 л на 100 км. Кондиционер был выключен в обоих случаях.

В то же время довольно строгие требования к аккумуляторной системе присутствуют у гибридных грузовых автомобилей с полной снаряженной массой до 33 тонн. Аккумулятор должен быть способен к непрерывной зарядке или разрядке при температуре 4°С, обеспечивать мощность 10 кВт (200 л. с.) в течение 10 минут, работать при температурах от -20°С до 40°С и иметь срок службы 5 лет. Требуемую долговечность могли бы обеспечить суперконденсаторы, но они имеют решающий недостаток в виде высокой стоимости и низкой плотности энергии. Свинцово-кислотная электрохимическая система имеет хорошие разрядные характеристики, но у нее очень медленный процесс зарядки. Литий-ионные аккумуляторы, особенно LTO технологии, являются хорошим выбором, но при высоких нагрузках им будет необходима отдельная система охлаждения. Перспективным выглядит экспериментальное второе поколение никель-металл-гидридных аккумуляторов, а также не стоит сбрасывать со счетов надежную никель-кадмиевую систему.

 

Парадокс гибридного транспорта

Удивительно, но общего сложившегося мнения о гибридном транспорте не существует, до сих пор время от времени возникают споры по поводу его эффективности и экономичности. На конференциях, посвященных современным автомобильным аккумуляторам, от оппонентов HEV часто можно услышать о лучшей экономичности дизельных автомобилей. Производители же гибридов, бесспорно использующие и маркетинговые инструменты, категорически отрицают подобные претензии. Правда же, наверное, находится где-то посередине. При городском режиме вождения HEV явно демонстрирует лучшую топливную экономичность, но при этом дизель меньше потребляет на шоссе. Сочетание обоих этих технологий наверняка обеспечат наилучший вариант, но высокая стоимость дизель-гибридных решений может не окупитmся при низких ценах на топливо, хотя подобные транспортные средства и доступны в Европе.

Гибридные автомобили представительского класса комплектуются полноценным двигателем внутреннего сгорания мощностью 250 л. с. и электродвигателем мощностью 150-400 л. с. Такие транспортные средства наверняка найдут своих покупателей, особенно при наличии государственного субсидирования. Немного жаль, что те, кто ходит пешком, ездит на велосипеде или пользуется общественным транспортом, таких бонусов не получают. Здравый смысл подсказывает каждому, что для максимального сохранения энергии необходимо минимизировать вождение, а при его необходимости использовать небольшие транспортные средства.


Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Trojan Marine RV AGM Deep Cycle Trojan GEL Deep Cycle
тяговые лодочные аккумуляторы 12 вольт Тяговые аккумуляторы agm Аккумуляторы для поломоечных машин
10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для речного и морского траспорта для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок

Вольфганг Хатц, бывший глава отдела исследований и разработок Volkswagen Group, говорил, что гибридная технология является очень дорогим способом сэкономить небольшое количество топлива, и по его заявлению, Volkswagen делал гибридные автомобили только из-за политического давления. По его мнению, именно дизельные двигатели являются наиболее энергоэффективными, особенно на трассах.

Но, возможно, именно у этого автопроизводителя и было наилучшее решение - Volkswagen 1-Liter Car (рисунок 2). Как можно сделать вывод из названия, этот концепт-кар потребляет всего лишь 1 литр топлива на 100 км. Чтобы подтвердить серьезность разработки, тогдашний глава концерна Volkswagen Фердинанд Пих лично приехал на этом автомобиле из своей штаб-квартиры в Вольфсбурге на встречу аукционеров в Гамбург. Среднее потребление топлива в этом заезде составило всего лишь 0,89 литра на 100 км.

Аккумуляторные батареи в гибридном транспорте

Рисунок 2: Volkswagen 1-Liter Car. Этот автомобиль считался самым экономичным в мире, но его серийное производство так и не было запущено.

Достичь такого низкого потребления топлива удалось благодаря улучшениям аэродинамики и уменьшению веса. В то время как стандартный автомобиль имеет коэффициент лобового сопротивления 0,30, у Volkswagen 1-Liter Car этот показатель составлял всего лишь 0,16. Карбоновые кузовные панели и рама из магния позволили уменьшить вес до 290 кг. Дизельный 1-цилиндровый двигатель развивал мощность 8,5 л. с. (6,3 кВт), а 6,5-литровый бак обеспечивал дальность хода 650 км. Средний расход топлива составлял 0,99 литра на 100 км.

Хотя 1-Liter Car и не был запущен в массовое производство, Volkswagen удалось продемонстрировать, что сверх бережное использование ископаемого топлива вполне возможно. Такой “из-пункта-в-пункт” персональный транспорт стал возможен благодаря снижению веса до рекордных 290 кг, что меньше даже чем одна 540-килограммовая аккумуляторная батарея в электромобиле Tesla S. Вместо того, чтобы потреблять 150-200 Вт*ч на километр, как это происходит в случае электрического транспортного средства, 1-Liter Car расходовал только 40 Вт*ч. И несмотря на то, что происходило сжигание ископаемого топлива, вреда окружающей среде наносилось меньше, чем при производстве электричества эквивалентного пройденному расстоянию.

Подключаемый гибридный транспорт (англ. Plug-in Hybrid Electric Vehicle - PHEV)

Большинство подключаемых гибридных автомобилей используют полностью электрический силовой агрегат, лишенный механического соединения ДВС с колесами. Для движения такая конфигурация использует исключительно электропривод, и ДВС активируется только тогда, когда заряд аккумуляторной системы недостаточен для питания электродвигателей. Пробег на полностью заряженном аккумуляторе у PHEV составляет примерно 50 км.


Контроль и защита аккумуляторов

 

Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Батарейный балансир
Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Стабилизатор тока заряда аккумулятора
контроль более 25 параметров, история и синхронизация защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения

PHEV идеально подходит для езды на работу или для других коротких поездок. На небольших расстояниях расхода топлива не происходит, и к тому же в некоторых странах проезд по платным дорогам на электротранспорте бесплатен. Но тем не менее, следует быть готовым к увеличению платы за электричество, если зарядка такого авто будет происходить в домашних условиях.

В отличие от HEV параллельной конфигурации, где нагрузка на аккумулятор возникает только в короткие моменты времени, у PHEV аккумуляторная система эксплуатируется в режиме истощения, что приводит к ее большему износу и соответственно снижает долговечность. В то время как падение емкости аккумулятора Toyota Prius HEV до 39 % будет влиять на общую производительность лишь незначительно, то такое же падение у PHEV приведет к уменьшению возможного пробега с 50 до 20 км.

Chevrolet Volt комплектуется 16 кВт*ч литий-ионным аккумулятором, который весит 181 кг и способен питать электродвигатель мощностью 149 л. с. Рабочая температура при вождении и зарядке такого аккумулятора должна составлять 20-25°С. Розетка с напряжением 115 В зарядит этот аккумулятор за 8 часов, а 220-вольтная – за 3 часа. На Chevrolet Volt можно преодолеть 64 км до того, как запустятся 4 цилиндра 1,4-литрового двигателя внутреннего сгорания, который активирует 53 кВт генератор переменного тока для выработки электроэнергии.

Экономическая составляющая

Несмотря на все преимущества PHEV, долгосрочная экономия при его использовании может быть меньше ожидаемой, особенно если при жизни такого автомобиля ему будет необходима замена аккумулятора. Процесс старения аккумулятора является большой проблемой, о которой автопроизводители не особо любят упоминать в рекламных буклетах. Водители, привыкшие к автомобилям с ДВС, всегда ожидают от него достаточной мощности и при жаре, и при холоде, также и возрастная деградация производительности в этом случае минимальна. Аккумулятор же не может полностью соответствовать этим ожиданиям, и водитель должен быть готов к снижению пробега в зимний период, а также к постепенному небольшому снижению емкостных показателей с возрастом.

В современных автомобилях важна уже не только чисто транспортная составляющая, необходим и комфорт, и безопасность, и даже удовольствие от вождения. Отсутствие в автомобиле систем обогрева и кондиционирования уже кажется чем-то из ряда вон выходящим. И если тепло является побочным продуктом работы ДВС, то в PHEV его уже нужно генерировать отдельно, а еще большей проблемой является кондиционер, который потребляет 3-5 кВт мощности. Из этого следует, что моменты комфорта в PHEV должны быть предусмотрены более экономичные, ввиду своей нагрузки на аккумуляторную систему.

Но PHEV имеет и своего потребителя, который ценит экологическую составляющую и удовольствие от бесшумного вождения, приводимого в действие электричеством. Это большая привлекательность для покупателя, ведь электрический силовой агрегат более “природный” в сравнении с ДВС. Водитель такого транспортного средства должен адаптироваться к его эксплуатации, ведь заряжать его лучше ночью, когда электричество дешевле, и держать в уме ограничения пробега. К счастью, уже появляется все больше зарядных станций, которые постепенно снимают эти ограничения.

Последнее обновление 2016-05-30


Зарядные устройства Victron Energy (Голландия)

 

Phoenix Charger Skylla-i Skylla-TG
Зарядное устройство для свинцово-кислотных AGM аккумуляторов Зарядное устройство для яхты, катера и судна Skylla-i Victron Energy Профессиональное зарядное устройство для гелевых аккумуляторов
12/24В, 16-200А 24В, 80-500А 24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

Аккумуляторные батареи в гибридном транспорте


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 2 голосов