Популярность свинцово
-кислотных аккумуляторов: Свинцово-кислотные тяговые батареи пользуются популярностью в легких коммерческих автомобилях, гольф-карах, прогулочных судах, погрузочно-разгрузочной технике, такой как вилочные погрузчики, наземном вспомогательном оборудовании аэропортов, электровелосипедах и транспортных средствах для людей с ограниченными возможностями. Более совершенные альтернативы искали двадцать лет, и теперь, как в ожидании автобуса, появились две: литий-ионные батареи и суперконденсаторы, также известные как ультраконденсаторы.
Разнообразные преимущества.
В действительности, эти транспортные средства не образуют единой группы с точки зрения потребностей в накоплении энергии для обеспечения тяги. Действительно, все они имеют ограниченный запас хода. Люди всё ещё покупают их, даже несмотря на то, что их запас хода составляет всего от 5 до 20 миль. Однако вес свинцово-кислотной батареи в гольф-каре, прогулочном катере, наземном вспомогательном транспортном средстве и других транспортных средствах с высокой проходимостью поддерживает низкий центр тяжести, предотвращая опрокидывание. В случае наземных транспортных средств вес также может улучшить сцепление с дорогой.
Когда вес становится головной болью:
Напротив, для электровелосипедов и небольших транспортных средств для людей с ограниченными возможностями, которые можно хранить в машине или дома, вес в буквальном смысле слова является головной болью. Большинство электровелосипедов покупают люди, живущие в квартирах и желающие хранить велосипед, или, по крайней мере, аккумулятор, в квартире на ночь для подзарядки и предотвращения кражи. В большинстве конструкций электровелосипедов аккумулятор размещается в приподнятом корпусе или посередине рамы, где его вес делает их очень тяжелыми. Один умный человек на недавнем собрании Британской ассоциации электровелосипедов в здании парламента назвал это «кирпичом в бабочке».
Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов:
Среди причин, по которым люди хотят избавиться от свинцово-кислотных тяговых аккумуляторов, можно выделить неудобство использования трех комплектов для погрузчика — один в работе, один на зарядке и один на охлаждении. Кроме того, это сложности в обращении с кислотой, короткий срок службы, загрязняющее окружающую среду свинец (несмотря на масштабный процесс переработки) и низкая удельная мощность, из-за чего они занимают много места и теряют ценное пространство в транспортном средстве. Разные транспортные средства демонстрируют эти проблемы в разной степени. Например, вспомогательное средство передвижения для людей с ограниченными возможностями может стать причиной серьезной проблемы, если оно выйдет из строя из-за отключения электроэнергии или разряда.
Мотоциклам необходимы бортовые зарядные устройства.
Электромотоциклы, включая велосипеды, частично или полностью переоборудованные под электропривод, и электроскутеры, где ноги водителя располагаются на платформе без педалей, также нуждаются в зарядном устройстве. В этих случаях устройство меньшего размера, чем свинцово-кислотный аккумулятор, освобождает место и вес для удобства бортового зарядного устройства, которое уже считается само собой разумеющимся во всех средствах передвижения. Бортовое зарядное устройство снижает опасения по поводу запаса хода, поскольку у нас гораздо больше шансов зарядить аккумулятор в пути и по прибытии в пункт назначения, если все, что требуется, — это бытовая розетка. Кроме того, в наши дни широко используются электромобили, способные преодолевать грунтовые пути (GPE), часто совместно используемые авиакомпаниями, и дополнительная мощность — например, для буксировки более широкого диапазона самолетов — и дополнительный запас хода, выражающийся в более частом времени подзарядки (т.е. меньшем времени простоя), представляют интерес. Надежность также становится все более важной.
Устойчивость к частым остановкам и запускам
: Многие коммерческие автомобили должны выдерживать высокую частоту остановок и запусков. Большинство обычных легковых и коммерческих автомобилей теперь автоматически выключают двигатели при остановке по любой причине. Некоторые так называемые микрогибридные автомобили на самом деле являются электромобилями, где рекуперированная энергия кратковременно приводит в движение колеса, не чаще, чем функция запуска от батареи. В таких автомобилях часто используется свинцово-кислотная батарея, но она плохо переносит низкие температуры и жесткие режимы работы.
Высокая токовая устойчивость:
станции быстрой зарядки должны быть подключены к более устойчивым к разрядам батареям, иначе батареи будут повреждены или уничтожены искрой. Новые амортизаторы с системой сбора энергии, тестируемые на коммерческой и военной технике, также могут внезапно выдавать киловатты, и свинцово-кислотные батареи, как правило, не выдерживают этого. Наблюдается переход к более надежным и экономичным тяговым двигателям переменного тока, а следовательно, и к рекуперативному торможению без необходимости использования дополнительных батарей зажигания. Это открывает путь к простой замене.
Периодическая замена свинцово-кислотных батарей
: Физически замена литий-ионных батарей в средствах передвижения будет возможна простым перемещением, но в большинстве случаев они будут нестабильны и могут потребовать увеличения колесной базы или других мер стабилизации. Исключением станут электрические инвалидные коляски и очень легкие, складные или разборные 3- и 4-колесные скутеры, которые помещаются даже в небольшие транспортные средства. Другие транспортные средства потребуют перепроектирования, например, с увеличением колесной базы, использованием стальных компонентов или, как ни парадоксально, с добавлением свинцово-кислотных элементов для утяжеления.
Быстрое распространение электровелосипедов с литий-ионными батареями за пределами Китая:
на встрече BEBA был очевиден контраст в мотоциклах, где было представлено около двадцати электромотоциклов, все из которых были оснащены литий-ионными батареями. Это демонстрирует, как за пределами основного рынка Китая, где цена и надежность являются доминирующими критериями, литий-ионные батареи быстро захватывают 100% рынка.
Стандартизированная замена:
Замена свинцово-кислотным батареям действительно появилась. Компания K2 Energy Solutions (K2), технологическая компания из Невады, которая производит и продает перезаряжаемые батареи, аккумуляторные блоки и системы, представила новую батарею, которая еще больше укрепляет ее лидерство на рынке литий-ионных и литий-железо-фосфатных (LFP) батарей.
Новейшая перезаряжаемая литий-железо-фосфатная батарея K2, известная как K2B24V10EB, имеет напряжение 24 В и емкость 9,6 Ач. Она станет подходящей заменой свинцово-кислотным батареям для покупателей, ищущих более легкое, мощное и надежное решение с увеличенным временем работы. Батарея разработана для электрических инвалидных колясок, средств передвижения и других применений, в которых в настоящее время используются свинцово-кислотные батареи, например, в стандартных мотоциклах, некоторых автомобилях или гольф-карах. Вес батареи составляет 2,5 кг (5,5 фунтов), и, как утверждается, она не содержит тяжелых, дорогостоящих и опасных металлов или химических веществ, характерных для других продуктов, что делает ее более экологичной. Тесты показывают, что при правильном использовании батареи заряжаются быстрее и служат в три-пять раз дольше, чем обычные батареи, сохраняя заряд даже после длительного хранения.
Суперконденсаторы:
Если бурный рост рынка литий-ионных аккумуляторов недостаточно беспокоит энтузиастов свинцово-кислотных батарей, им следует обратить внимание на суперконденсаторы, известные как ультраконденсаторы среди тех, кто использует их в батареях электробусов. Суперконденсаторы помогают в быстрой зарядке и разрядке литий-ионных батарей, но они пока не накапливают достаточно энергии на единицу объема или веса, и даже не хранят ее достаточно долго, чтобы самостоятельно повлиять на работу тяговых батарей. Единственным исключением являются такие компании, как Sinautec, которые интегрируют зарядные катушки каждые несколько километров вдоль автобусного маршрута, чтобы автобус мог работать автономно, используя более надежные и долговечные суперконденсаторы. Это никогда не получило широкого распространения, по крайней мере, из-за высокой стоимости дорожных работ.
Однако суперконденсаторы быстро совершенствуются. В них, как правило, отсутствуют токсичные материалы или материалы, цены на которые постоянно растут, например, кобальт, используемый в большинстве современных литий-ионных тяговых батарей, и они вдвое увеличивают срок службы литий-ионных батарей и втрое — свинцово-кислотных. Улучшились их ранее быстрое саморазрядное состояние и низкая плотность энергии. На каждом этапе появляются новые области применения, например, камеры мобильных телефонов с дальнобойной вспышкой.
В центре внимания сейчас свинцово-кислотные тяговые батареи.
Исследователи из Инженерной школы Кокрелла Техасского университета в Остине синтезировали новый углеродный суперконденсатор с непрерывной трехмерной сетчатой структурой, имеющей сильно изогнутые, атомарно толстые стенки, которые в основном образуют поры шириной 0,6–5 нм. Суперконденсаторные ячейки, созданные с использованием этого материала, достигают высоких значений гравиметрической емкости и плотности энергии при использовании органических и ионно-жидкостных электролитов.
Эта плотность энергии приближается к плотности энергии свинцово-кислотных батарей, сохраняя при этом высокую плотность передачи энергии, характерную для суперконденсаторов. По словам профессора Родни С. Руоффа, эти процессы легко масштабируются до промышленного уровня в материаловедении и машиностроении.
Комплексное обновление
На предстоящей выставке Electric Vehicles Land Sea Air в Штутгарте, Германия, 28 и 29 июня, будут подробно рассмотрены последние разработки в области суперконденсаторов, литий-ионных и свинцово-кислотных батарей, используемых во всех типах электромобилей.
С докладами выступят ведущие разработчики суперконденсаторов, также известных как асимметричные двухслойные электрохимические конденсаторы, сочетающие в себе характеристики литий-ионных и суперконденсаторов, а также многочисленные производители водных, наземных и воздушных транспортных средств, использующих свинцово-кислотные и литий-ионные батареи, а также различные виды топливных элементов для обеспечения тягового питания. Основное внимание будет уделено перспективам развития, и мероприятие имеет глобальный охват.
Автор: д-р Питер Харроп, президент IDTechEx
