Аккумуляторы: Литий, воздух и вода

ОСОБЕННОСТИ НАЦИОНАЛЬНОГО АВТОМОБИЛЯ

Источники энергии для электромотора разместить в авто непросто, блок аккумуляторных батарей требует изрядного пространства. Лучшее место – под полом салона: обеспечивается хорошая развесовка. Управление – под капотом.

Энергосистема надежно защищена пластиковыми кожухами от внешнего воздействия агрессивной среды. Кроме того, современные аккумуляторы эффективны лишь в узком диапазоне температур, поэтому отсек дополнительно теплоизолируем. Хотя даже для средней части России, не говоря уже о северных уголках нашей страны, этих мер все равно недостаточно – нужен обогрев. Во время движения частично используем систему отопления салона, для режима подзарядки реализуем электрический подогрев. А если нет доступа к розетке? Как опцию предусмотрим печку на жидком топливе – не нулевой выхлоп, но выбросы таких приборов ничтожны по сравнению с ДВС.

Переделывать модель с ДВС в электрическую куда сложнее, чем проектировать электромобиль с нуля. В первую очередь – из-за компоновки элементов питания: в кузове заимствованной конструкции их приходится буквально распихивать по салону и багажнику.

ТАБЛИЦА МЕНДЕЛЕЕВА

Бюджетный вариант – свинцовые батареи. Но нам они не подходят: чтобы накопить достаточный запас энергии на борту, придется возить с собой почти тонну таких аккумуляторов. Вдвое легче никель-металлогидридные источники, но и этот груз чрезмерно тяжел. Поэтому обратим внимание на литий-ионные батареи, которые совсем недавно перекочевали на электромобили из портативной электроники.

Среди основных преимуществ, помимо большой емкости, – отсутствие эффекта памяти и низкий саморазряд. Но существуют и недостатки: глубокий разряд сокращает срок жизни литий-ионных батарей. Кроме того, со временем они теряют емкость независимо от того, эксплуатировали их или нет.

Литий-ионные батареи при интенсивной работе здорово нагреваются. Поэтому обязательно предусмотрим систему охлаждения, отводящую лишнее тепло от источника питания. Оно, кстати, пригодится для обогрева салона.

Любители масштабных радиоуправляемых моделей используют литий-полимерные аккумуляторы. Основное их отличие от литий-ионных: пористый сепаратор, пропитанный электролитом, заменен полимером. Такая конструкция проще в производстве, безопаснее для экологии и позволяет выпускать тонкие элементы питания различной формы.

Кроме того, у них большая плотность энергии на единицу массы, невысокая цена. Еще один важный параметр – эти батареи медленно стареют. За два года «уходит» лишь 20% емкости. Из недостатков – полимерные аккумуляторы плохо переносят низкие температуры и выходят из строя при перегреве, к тому же очень дороги.

Альтернатива зарядке – экспресс-замена разряженных аккумуляторов «полными» на специализированных станциях. Удобно и быстро, но в нашем случае понадобится переделать весь автомобиль – скомпоновать батареи иначе, предусмотреть для них легкосъемный поддон или отсек с удобным доступом. К тому же еще не готова инфраструктура. Поэтому пока будем подзаряжаться, а экспресс-замену прибережем для перспективных моделей.

Поиски совершенного накопителя электроэнергии с каждым годом ведутся все активнее. Например, заманчивой выглядит концепция литий-воздушных аккумуляторов. По принципу действия они схожи с литий-ионными, только для окисления лития используют кислород из внешней среды. В результате емкость такого аккумулятора выше аж на порядок. Правда, вряд ли к началу серийного производства нашего электромобиля эти батареи станут массовыми: пока нет эффективных катализаторов, ускоряющих химическую реакцию.

А может, использовать суперконденсаторы, как предлагают разработчики ё-мобиля. Среди преимуществ такого источника энергии высокая эффективность, сравнительно малый вес и низкая токсичность материалов, но главное – способность к очень быстрой зарядке и сохранение начальной емкости даже после десятков тысяч циклов заряда-разряда. Однако пока суперконденсаторы обеспечивают очень скоромный запас хода – примерно в пять раз меньше, чем с аккумуляторами.

Примерно так в нашем электромобиле будут скомпонованы элементы питания вместе с управляющей электроникой. Расчетная масса – около 200 кг. Запаса энергии батарей 20 кВт•ч должно хватать на 150–200 км.

РЕЗЮМИРУЕМ

Литий-ионные батареи неидеальны, но пока серьезного конкурента, претендующего на место в электромобиле, у них нет. Они лучшие по сочетанию основных характеристик и срока службы. Сегодня батарея аккумуляторов нужной нам емкости вместе с зарядным устройством, системами охлаждения и питания, блоком управления весит около 300 кг. Учитывая темпы прогресса в этой области, рассчитываем, что к началу серийного производства электромобиля она снизится на 30% и мы выйдем на показатели, утвержденные техзаданием. Будем с нетерпением ждать появления более совершенных батарей, например литий-воздушных. С такими источниками питания электромобиль следующего поколения, концепцию которого мы уже продумываем, по запасу хода не будет уступать моделям с двигателями внутреннего сгорания.

ТАК РАБОТАЕТ ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР

Как у всех источников питания, внутри литий-ионного аккумулятора находится пара электродов: отрицательный (катод) из графита, положительный (анод) из литированных оксидов металла – обычно кобальта, реже никеля. Основой для анода служит алюминий, для катода – медь. При разряде ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному, при этом выделяется электрическая энергия. При заряде направление меняется: положительный электрод является источником ионов лития, а отрицательный – их приемником. Любой литий-ионный аккумулятор оснащен контроллером, следящим за напряжением и температурой батареи как при зарядке, так и при отдаче энергии.

Устройство одной из первых автомобильных литий-ионных батарей, появившейся пару лет назад на «Мерседес-Бенце S 400 Гибрид»:

1 – модуль охлаждения;

2 – литий-ионные ячейки;

3 – блок управления батареи;

4 – разъем для охлаждающей жидкости;

5 – высоковольтный разъем;

6 – регулятор напряжения.

НЫНЕ

«Вольво» испытывает батареи, встроенные во внешние кузовные панели(схема открывается в полный размер по клику):