29. Виды накопителей энергии для автомобилей с гибридным приводом, их сравнительная характеристика и области применения

Батареи накопителей электрической энергии (НЭЭ) являются неотъемлемой частью всех электро­энергетических установок и электрогенерирующих систем, а также самостоятельным источником элек­трической энергии, используемым в автономных, распределенных и централизованных электросетях, а также на транспорте.

НЭЭ широко используются:

• при запуске и останове генерирующих электро­энергию систем: электрохимических генераторов (ЭХГ), дизель-генераторов и др.;

• в качестве буферного источника энергии для обеспечения пикового потребления в энергосисте­мах;

• для накопления электроэнергии при ее пере­производстве (например, в энергоустановках с сол­нечными батареями и ветрогенераторами) с после­дующим ее использованием при недостатке генери­руемой мощности;

• в качестве резервных источников энергии в системах бесперебойного электропитания;

• в качестве сглаживающего фильтра в сетях пе­ременного тока для повышения качества энергии (cos ф);

• в качестве бортового или тягового источника электрической энергии различных мобильных и транспортных средств;

• для рекуперации энергии на электроприводных транспортных средствах.

Применение накопителей энергии на электро­транспорте позволяет более чем двукратно снизить пиковую мощность по­требления электроэнергии, экономить до 40% элек­троэнергии за счет накопления энергии торможения, стабилизировать напряжения контактной сети. При использовании НЭЭ в комбинированных энергоус­тановках на транспорте с электрическим приводом (городских автомобилях и автобусах, маневровых тепловозах и дизель-поездах) достигается 20-30% экономии топлива и многократное снижение вред­ных выбросов. Стартерные конденсаторы и аккумуляторы обес­печивают надежный запуск ДВС любой мощности при температурах -50/+70° С, что позволяет сокра­тить до минимума работу двигателей различной техники на «холостом ходу» и за счет этого эконо­мить до 20% топлива, особенно в зимний период.

Виды:

Электрические (электрохимические)

Электрохимические аккумуляторы наиболее распространенный вид накопителей, их энергоёмкость на единицу массы близка к теоретическому пределу и составляет 0.1-0.2 кВт ч/кг. В то же время крупными недостатками электрохимического аккумулятора является малый ток заряда-разряда и ограниченное число циклов заряда-разряда, их эксплуатация и утилизация далеко небезупречна с точки зрения экологии.

Химические

Нанопористые вещества (металлоорганики, гибриды металлов) для хранения водорода, нанокатализаторы для улучшения производства топлива, газостойкие топливохранилища из нанокомпозитных материалов

Термальные

Материалы с фазовым переходом. Инкапсулирование материалов Адсорбционные хранилища - нанопористые материалы (напр., цеолиты) для удержания тепла.

Инерционные

Одним из важных элементов технологии энергосбережения являются инерционные накопители энергии с графитовым маховиком, имеющие рекордные удельные характеристики по сравнению с электрохимическими, сверхпроводящими, емкостными и другими накопителями. Инерционный накопитель с маховиком на основе углеродного волокна по удельной энергоёмкости не уступает электрохимическому аккумулятору, но он дешевле, а главное, выдерживает неограниченное число циклов зарядки-разрядки и безопасен для экологии.

Индукционные

Удельная энергоёмкость индуктивного и емкостного накопителя энергии составляет 3·10-4 кВт ч/кг. Достоинство этих накопителей в том, что они безинерционны, т.е. способны высвобождать запасённую энергию практически мгновенно, парируя резкие перегрузки в сети.

Емкостные (конденсаторы)

Емкостные накопители комбинируют, как правило, с электрохимическими аккумуляторами для увеличения их разрядного тока.

СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ .

Технологии накопления энергии	Основные преимущества	Недостатки
Батареи с циркуляцией	Большая емкость, независимая мощность	Низкая плотность энергии
Серно-натриевые элементы	Большая мощность, высокая плотность, высокая эффективность	Высокая себестоимость, вопросы безопасности
Ионно-литиевые элементы	Большая мощность, высокая плотность, высокая эффективность	Высокая себестоимость, требует специального цикла зарядки
Никеле-кадмиевые элементы	Большая мощность, высокая плотность, высокая эффективность
Другие батареи	Большая мощность, высокая плотность, высокая эффективность	Высокая себестоимость
Свинцовые батареи	Низкие капитальные затраты	Ограниченный цикл жизни, когда полность разряжен
Супермаховики	Высокая мощность	Низкая плотность энергии

30. Электрохимические накопители энергии

Также необходимо учитывать и удобство владения, определяемое техническими характеристиками нако­пителей, наиболее важными из которых являются:

• удельные (объемные и массовые) энергия и мощность;

• срок службы (в циклах и годах);

• надежность и безотказность работы;

• удобство эксплуатации и ремонта, в том числе трудоемкость обслуживания.

Наиболее широкое практическое применение в качестве накопителей электрической энергии нашли вторичные химические источники тока: электрохи­мические конденсаторы (суперконденсаторы) и хи­мические аккумуляторы. Принципиально они отли­чаются тем, что для накопления энергии в электро­химическом конденсаторе используются физические явления (заряд емкости двойного слоя на границе электрод-электролит), а в основе действия аккумуля­торов лежит преобразование энергии обратимой хи­мической реакции в электрическую энергию. В от­личие от электрохимических конденсаторов, работа аккумуляторов обязательно сопровождается измене­нием химического состава и перестройкой структуры его электродов. Протекание на электродах таких фи­зико-химических процессов приводит к их относи­тельно быстрой деградации. Кроме того, различие в принципе действия этих источников тока определяет и их возможности в накоплении энергии.

Значение удельной энергии для аккумуляторов различных типов находится в диапазоне 20-160 Вт-ч/кг, для электрохимических конденсаторов - 5-8 Вт-ч/кг. Величина удельной мощности для ак­кумуляторов обычно не превышает 10²-10³ Вт/кг, а у электрохимических конденсаторов может достигать 10⁴ Вт/кг.

В энергосистемах, где требуется формировать высокие мощности в течение коротких промежутков времени, применяются электрохимические конден­саторы. К их основным преимуществам относится большой ресурс при циклической работе, высокие мощности заряда/разряда. Они хорошо работают в условиях как пониженных, так и повышенных тем­ператур. Основным их недостатком является высокая стоимость при более низкой плотности энергии по сравнению с аккумуляторами. Поэтому они исполь­зуются там, где требуется многократное циклирование или когда им нет альтернативы из-за экстре­мальных рабочих температур. Основной областью применения электрохимических конденсаторов является импульсная техника и техни­ка синусоидальных токов.

Для применений, в которых процессы накопле­ния, хранения и передачи энергии протекают во вре­менном диапазоне от нескольких месяцев до десят­ков минут, используются исключи­тельно аккумуляторы.

Сегодня, благодаря низкой стоимости, наиболь­шее применение нашли свинцово-кислотные акку­муляторы. Объем их производства в стоимостном выражении составляет более 50% рынка химических источников тока. Однако они имеют относительно низкие удельные энергии и мощности, надежность (характерное свойство - «внезапный отказ») и ограниченный диапазон рабо­чих температур.

Наивысшими удельными энергетическими и мощностными показателями в комплексе обладают ЛИА (литиево-ионные аккумуляторы), и возможности их совершенствования далеко не исчерпаны. В последние годы благодаря непрерывному со­вершенствованию технических характеристик, рез­кому повышению безопасности эксплуатации резко возросла электрическая емкость разрабатываемых и выпускаемых ЛИА и батарей (до 1000 и более А-ч), что позволило существенно расширить области их применения. Сегодня существует устойчивая тен­денция к вытеснению ими из традиционных областей применения никель-кадмиевых, никель-металлгидридных и свинцово-кислотных аккумуляторов. Наи­более активно ЛИА внедряются в объекты специаль­ной и военной техники: космические аппараты, ра­кетные комплексы, пилотируемую и беспилотную авиацию, необитаемые и обитаемые подводные ап­параты и др.

В большинстве мобильных (транспортных, бор­товых, носимых) применений ЛИА по техническим и ценовым показателям успешно конкурируют со щелочными аккумуляторами всех типов. Основным их недостатком до недавнего времени являлась плохая работа при низких температурах (до минус 20° C). Однако уже появились серийные ЛИА, удовлетворительно работающие до минус 40 и даже до минус 50° C. ЛИА целенаправленно создавались и сегодня рассматриваются как основной тип нако­пителей для использования в городском электро- приводном транспорте и ставятся практически на все новые гибридные и аккумуляторные автомоби­ли, а также малые транспортные средства - элек­тровелосипеды, скутеры и др.

Единственная область, где сегодня используются преимущественно свинцово-кислотные аккумулято­ры, - напольный транспорт. Однако ЛИА сложно конкурировать в этой зоне только при использовании на погрузчиках, так как этому виду техники конст­руктивно необходим противовес, которым обычно и служит аккумуляторная батарея. Во всех других приложениях целесообразность применения ЛИА обусловлена:

• в 5 раз меньшей массой и в 5-10 раз большей мощностью батареи;

• в 1,5-2 раза большим ресурсом по сравнению с герметизированными и безуходностью по сравнению с открытыми сериями СКА (свинцово-кислотный аккумулятор);

• полной экологической безопасностью, просто­той обслуживания и ремонта;

• более высокими скоростями заряда (20 минут до 90% С_ном) без каких-либо газовыделений;

• отсутствием требования периодического полно­го заряда до Сном при использовании быстрого заряда (у СКА начинается сульфатация электродов).

По мере сближения стоимости герметизированых свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов последние становятся все более перспективными для различных стационарных применений, в том числе в системах бесперебойного электропитания. Это свя­зано с тем, что:

1. Срок службы обычных серий СКА в условиях нерегламентированного графика нагрузки и глубо­ких разрядов недопустимо мал - не более года.

2. Специализированные серии СКА (например, серии Solar) достаточно дороги, но также уступают ЛИА по

• удельным энергетическим и мощностным характеристикам (в 3-5 раз);

• сроку службы (в 1,5-2 раза);

• возможности работы при повышенных тем­пературах (более 35-40° С);

• наличию газовыделения (водород) из элек­тролита при высоких и деградации (сульфатации) электродов при низких потенциалах;

• максимальной величине зарядных токов (в 5-10 раз);

• повышенным требованиям к обеспечению режима заряда и, следовательно, к зарядному уст­ройству, приводящим к его удорожанию (до 1 и бо­лее $/Вт);

• КПД цикла заряд/разряд (на 20-30%).

Высокие технические характеристики ЛИА по­зволяют снизить затраты при эксплуатации относи­тельно батарей на базе СКА.