Аккумуляторы в гибридных автомобилях

1. Забудьте об эффекте памяти
2. Все по мере необходимости
3. Магниевые батареи - это будущее

Одним из наиболее важных базовых компонентов большинства современных устройств, в том числе автомобилей, являются аккумуляторы. Значение этого элемента исключительно возросло за последние несколько лет, когда гибридные автомобили вернулись на рынок в полной славе, оснащенные не только двигателями внутреннего сгорания, но и их электрическими аналогами.

В гибридных транспортных средствах в основном используются два типа ячеек. Это литий-ионные (Li-ion) и аккумуляторы никель-металл-гидрид (Ni-MH) , Литий-ионные элементы очень часто используются в различных типах электронных устройств, таких как ноутбуки, смартфоны и планшеты. Проще говоря, они состоят из двух электродов: один сделан из углерода, а другой - из оксидов металлов. Электролит в ячейке представляет собой раствор лития. В свою очередь никель-металлогидридные элементы состоят из анода, изготовленного из металлического сплава, такого как никель, магний, марганец, кобальт и алюминий, и катодов из никелевой пластины.

Литий-ионные аккумуляторы отличаются от никель-металлогидридных в первую очередь более высокой плотностью энергии и получаемой емкостью. Это означает, что никель-металлогидридные батареи больше и тяжелее, чем их литий-ионные аналоги. Вес автомобиля очень важен, потому что он напрямую влияет на его производительность и необходимую мощность. Оба типа элементов могут накапливать одинаковое количество энергии, но эти литий-ионные элементы лучше подходят для быстрой зарядки. Однако они не лучше во всех отношениях, чем никель-металлогидридные клетки. Последние ведут себя лучше при высоких температурах и безопаснее. Их производство также дешевле, что важно как для автопроизводителя, так и для покупателя.

Забудьте об эффекте памяти

Многие люди могут помнить, что все никелевые аккумуляторы имеют эффект памяти, который может привести к быстрой деградации батареи. Это явление известно из никель-кадмиевых аккумуляторов, которые более десяти лет назад использовались, в частности, в мобильных телефонах. Вы помните необходимость их формирования? Этот процесс многие неправильно назвали форматированием батарей. Он состоял в том, чтобы несколько раз разгрузить телефон и полностью зарядить его. Таким образом, было показано, что батарея может использовать свою полную емкость. Если этот процесс не выполняется и батарея постоянно заряжается до аналогичного уровня, допустим, 70%, элементы могут вести себя так, как если бы их общая емкость составляла 70%.

Литий-ионный аккумулятор. Источник: Тойота

На практике, однако, трудно разрушить батарею таким способом. Это было бы возможно после зарядки аккумулятора до одного и того же уровня несколько десятков раз подряд. Тем не менее, стоит упомянуть, что такое явление встречается. Может показаться, что проблема перегруженных ссылок намного проще. Появляется, когда батарея заряжается долго после того, как она была заряжена. В результате происходит быстрое падение напряжения при разрядке элементов, что приводит к сокращению времени работы устройства. С другой стороны, литий-ионные элементы должны заряжаться часто и не подходят как для полной разрядки, так и для зарядки. К счастью, производители используют решения, которые практически предотвращают проблемы, описанные выше. Одной из них является эксплуатационная система, которая заботится о том, чтобы аккумуляторы заряжались до оптимального уровня в пределах 20-80% от емкости. Это означает, что аккумулятор никогда не будет разряжаться и не будет заряжаться до максимального уровня, поэтому он будет работать очень долго.

Также стоит помнить, что эти проблемы могут возникать в электромобилях, которые загружаются обычным способом. Однако самые распространенные гибридные автомобили вообще не грузятся. Их батареи заряжаются автоматически благодаря рекуперации энергии при торможении и оптимальному использованию мощности бензинового двигателя. Это означает, что пользователю не нужно беспокоиться об эффекте памяти, потому что он один не сможет принести его ему. Если этот по-прежнему боится, что аккумулятор сломается быстрее, чем следует, стоит просто выбрать модель с длительной гарантией на этот элемент. Самый длинный из них, до 10 лет, предлагает Toyota. Однако практика показывает, что эти батареи работают еще дольше. В некоторых моделях, таких как Prius, даже после 18 лет эксплуатации они сохраняют до 90% физической подготовки.

Никель-металлогидридная батарея Источник: Toyota

Все по мере необходимости

Поэтому невозможно четко определить, какой тип батареи лучше. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки и поэтому подходит для использования в различных транспортных средствах. Тойота прекрасно знает об этом. Компания использует два типа батарей: в Prius, Auris Hybrid и Yaris Hybrid она использует никель-металлогидридные батареи, в Priusie и Prius Plug-In литий-ионные. После многих лет исследований и испытаний инженеры компании обнаружили, что высокоэффективные литий-ионные аккумуляторы столь же долговечны, как и никелевые аккумуляторы, используемые десятилетиями. Поэтому выбор той или иной технологии был в значительной степени продиктован практическими соображениями.

Примером является Toyota Prius, которая доступна с батареями обоих типов. Их параметры очень похожи, они обеспечивают схожие характеристики и расход топлива. Литий-ионная батарея содержит 56 элементов, производящих напряжение 207,2 Вольт. 168 никель-гидридных элементов дают аналогичное напряжение в 201,6 вольт. Меньшее количество ссылок означает, что стоимость производства обоих наборов одинакова, хотя литий-ионная технология дороже. Интересно, что даже объем обоих комплектов одинаков - первый аккумулятор занимает 30,5 литра, а остальные 35,4 литра. Так почему же японцы решили представить две версии автомобиля? Это объяснил Кодзи Тойосима, главный модельный инженер:

В более высоких версиях оборудования вес автомобиля выше, что означает более высокий расход топлива. Чтобы сбалансировать увеличение веса, мы используем литий-ионные аккумуляторы, которые на 16 кг легче. Благодаря этому Prius характеризуется одинаковым расходом топлива во всех версиях.

Оба типа ячеек надежны благодаря использованию многоступенчатых систем охлаждения и управления. Отдельные элементы, пакеты и батареи охлаждаются. Избыточное тепло получает охлаждающий воздух и металлические охладители. Система наблюдения может немедленно отключить любое звено, температура которого поднимается выше, чем считается безопасным. По мере повышения температуры во время загрузки инженеры снизили свою зарядную емкость до 80 процентов. пункт Безопасность использованных батарей также была оценена международными сертификационными лабораториями, такими как Underwriters Laboratories. Интересно, что тесты батарей были особенно обострены в них, чтобы быть абсолютно уверенными, что в ячейках не будет коротких замыканий, которые могут вызвать пожар или взрыв. Новейшие гибридные модели Toyota с литий-ионными аккумуляторами сдали экзамен и получили множество не только европейских, но и американских сертификатов.

Магниевые батареи - это будущее

Как я уже упоминал, в настоящее время используются наиболее часто используемые литий-ионные аккумуляторы. К сожалению, основное сырье, необходимое для их производства, литий, является относительно редким элементом, встречающимся повсеместно, но в очень небольших количествах. По этой причине многие люди задаются вопросом, не будет ли в какой-то момент его доступность настолько мала, что это повлияет на цены батарей и, следовательно, электронных устройств.

Эта проблема решается исследователями из исследовательского института Toyota в Северной Америке (TRINA). Недавно они сообщили о значительных успехах в развитии клеток, в которых литий был заменен магнием. Стоит помнить, что это двухвалентный элемент, и, следовательно, создает ионы, несущие двойную нагрузку, чем в случае одновалентного лития. Объемная плотность энергии составляет 3833 мАч / см3 для магния по сравнению с 2036 мАч / см3 для лития. Это, в свою очередь, напрямую повлияет на размер и производительность ссылок.

Пока что работа над ионно-магниевыми батареями продвигается очень медленно. Это было связано с трудностями в поиске подходящего электролита, который не вызвал бы быстрой коррозии электродов. Ученым из TRINA удалось решить эти проблемы благодаря использованию электролита на основе магниевой соли монокарборанов (MMC). Исследуя различные соединения этого типа, они обнаружили, что анионы с формулой CB11H12 обеспечивают высокую долговечность магниевых электродов и позволяют создавать ячейки с очень хорошими параметрами. Нам придется ждать их разработки и реализации, но вполне возможно, что они заменят используемые в настоящее время ссылки через некоторое время.

* Графика: Shutterstock

Похожие

Комментарии