2. Зарядные устройства
Городские электрические сети напряжением 220/380 В хорошо развиты, но одновременный заряд большого количества электромобилей может потребовать значительного увеличения сечения кабелей, подводящих электроэнергию к зарядным станциям.
Заряд ТАБ электромобилей производится на специальных зарядных станциях, находящихся в ведении достаточно крупных электромобильных эксплуатационных хозяйств или муниципалитетов крупных городов. Нормальный заряд требует от 5 до 10 ч. Прогнозируют также возможность использования больших коммерческих зарядных установок в центральных районах городов. Здесь может производиться заряд ТАБ несколько повышенными токами по сравнению с нормальным зарядным током. Медленный ночной заряд улучшит использование мощности электростанций и не требует усиления электрических сетей. Заряд большого числа электромобилей в дневное время повышает максимум нагрузки и требует модернизации системы производства и распределения электроэнергии. Потребуется пересмотр тарифов на электроэнергию в дневные и ночные часы, причем ночной тариф должен быть существенно ниже. По специальному сигналу в часы максимума нагрузки заряд должен прерываться. Все это позволит потребителю получать энергию по более низким расценкам.
В будущем владельцам электромобилей будут предложены станции для ускоренного заряда, оборудованные мощными энергетическими установками; последние в настоящее время разрабатываются. При ускоренном заряде токи заряда для одной ТАБ будут достигать нескольких сот ампер. Большие зарядные токи обусловят большие пиковые нагрузки на местные системы энергоснабжения. Чтобы понизить эти нагрузки, предполагается использовать устройства для накопления энергии, например, мощные электрохимические батареи, маховичные установки и сверхпроводящие системы для накопления магнитной энергии. Станции для ускоренного заряда не должны быть рассчитаны на полный заряд разряженной батареи. Они должны обеспечивать электромобилю дополнительный запас хода в 100-150 км при заряде в течение 10-30 мин.
Можно предположить, что станции быстрого заряда в эксплуатационном отношении будут аналогичны современным бензозаправочным станциям. Они будут располагаться вдоль шоссейных дорог, где система энергоснабжения является достаточно слабой. Если системы быстрого заряда будут внедряться, то потребуется развитие экономичной системы энергоснабжения в данном районе.
Зарядные устройства представляют собой электронные установки, которые генерируют гармоники и потребляют реактивную энергию.
ТАБ электромобилей можно заряжать ночью во время провала графика нагрузки электросетей или на зарядных станциях, расположенных вдоль городских магистралей или загородных шоссе. Ночной нормальный (медленный) заряд занимает от 8 до 10 ч. от сетей 220/380 В при допустимом токе до 30 А. Быстрый заряд осуществляется за 15-30 мин, но требует сетей, рассчитанных на ток в несколько сотен ампер.
Возимые зарядные устройства, установленные на электромобилях, включают выпрямитель, который преобразует переменный ток сети 220/380 В в постоянный ток требуемого напряжения для заряда ТАБ. Но зарядное устройство может быть установлено на зарядной станции, где соответствующая компьютерная установка будет определять необходимое напряжение заряда и уровень заряженности ТАБ. Компьютер будет также регулировать напряжение заряда, чтобы гарантировать эффективность и быстрый заряд ТАБ.
Наиболее простое техническое решение заключается в использовании регулируемых по фазе выпрямителей с управлением скорости заряда посредством смещения по фазе момента включения выпрямителя.
В настоящее время разрабатывается способ соединения внешней сети и зарядного устройства с ТАБ электромобиля. Рассматриваются две различные системы. В первой используют принцип трансформатора, когда сеть переменного тока соединяется с зарядным устройством электромобиля через индуктивную муфту, т.е. трансформатор с двумя изолированными катушками. Последние связаны между собой через стальной сердечник. Основное преимущество этой системы заключается в том, что корпус электромобиля не имеет гальванической связи с внешней электрической сетью. Это уменьшает опасность касания находящихся под напряжением частей электромобиля и поражения током в случае короткого замыкания этих частей на землю. Изоляция корпуса электромобиля от напряжения сети позволяет подключать индуктивную катушку к трехфазной сети напряжением 380 В. Это даёт возможность реализовать большие нагрузки и создаёт предпосылки для использования индуктивной катушки для станций быстрого заряда.
При втором способе соединения кабель зарядной станции подсоединяется к зарядному устройству электромобиля через выключатель, подобный тем, которые устанавливаются на открытом воздухе. Рассматривается использование выключателей различного типа. Основное требование заключается в том, чтобы выключатель был защищен от попадания влаги и случайного касания, а также от умышленного вскрытия. Напряжение на выключатель может быть подано лишь после того, как будет произведено его электрическое подключение к бортовому зарядному устройству. Повреждение выключателя должно сопровождаться срабатыванием защиты, которая обеспечила бы снятие потенциала с выключателя.
Компактное зарядное устройство для подзарядки электромобилей освоено производством фирмой Ensto (Финляндия) с 2009 года и к настоящему времени их продано более 1000 шт. Отличительной особенностью зарядного устройства является, как рекламирует его фирма, «предмет уличного интерьера». Исполнение может быть как напольное, так и настенное.
Зарядные устройства Ensto EVТ подходят для обычной 8-ми часовой зарядки (однофазной, 16 А) и быстрой EVС (трехфазной, 32 А) зарядки в течение 1,5-3 часов. Трехцветный светодиодный индикатор показывает статус зарядки, а также демонстрирует все некорректные срабатывания и ошибки в работе устройства. По окончании процесса зарядки дисплей под защитной крышкой показывает количество потребленной в процессе зарядки электромобиля электроэнергии. Зарядная станция имеет компактный размер и выполнена из долговечных материалов с использованием кислотоустойчивой нержавеющей стали, которую легко мыть и чистить, поэтому она отлично подходит для установки на улице.
Стойки EVС оснащены специальным оборудованием для идентификации пользователя, позволяющим производить оплату за предоставленные услуги по безналичному расчету.
Фирма Nissan совместно с Японской автомобильной федерацией построила специальные автомобили-технички, где бортовой дизель-генератор способен подзаряжать батареи электромобиля Leaf.
Техничка может мобильно осуществлять выезды и, как передвижной терминал, осуществлять подзарядку батареи. В японской префектуре Канагава уже работают технички, которые Nissan построил Совместно с Японской автомобильной Федераций – бортовой дизель-генератор способен подзарядить батареи электромобиля Jeaf
Ford выпустил электромобиль Ford Focus Electric и сотрудничает с фирмой Leviton, которая наладила производство компактных терминалов для частного пользования. Аппарат мощностью 7,7 кВт способен зарядить батарею электро-Фокуса всего за три часа и стоит у фордовских дилеров 1499 долларов, включая стоимость монтажа.
В сотрудничестве фирм Ford и CODA осуществляется выпуск настенных терминалов.
Зарядные вставные системы для электромобилей
Зарядные вставные системы от Phoenix Contact устанавливают новые стандарты в энергообеспечении электрических средств передвижения. Зарядные штекерные системы переменного и постоянного тока от Phoenix Contact отличаются высокой степенью безопасности, надежностью и простотой применения как для зарядки в сети переменного тока, так и для быстрой зарядки с использованием постоянного тока.
Преимущества:
Полный ассортимент штекеров из одних рук − благодаря обширной программе продукции типа 1, типа 2 и GB.
Удобство применения − с ручкой эргономичной формы.
Особая прочность и продолжительность эксплуатации благодаря высококачественным материалам и стабильной конструкции.
Безопасность применения: благодаря многоступенчатой системе блокировки между зарядным штекером и средством передвижения.
Станции быстрой зарядки
Станции быстрой зарядки обеспечивают быструю зарядку аккумуляторных батарей автомобиля. По сравнению со станциями переменного тока такие станции «заправят» машину в значительно короткие сроки - от 15 до 40 минут, в зависимости от емкости аккумулятора.
Станции быстрой зарядки компании
Станции быстрой зарядки DBT (серия NQC006), созданные по стандартам CHAdeMO, являются технически смелыми, элегантыми и оригинальными разработками. На системах установлен дружественный для пользователя интерфейс, их оборудование надежнозащищено от актов вандализма. Время подзарядки в Mode 4 - менее 30 минут, что делает их привлекательными для частных и государственных парков автомобилей, заправочных станций и т.п.
Системы типа DBT (серия NQC006) могут контролироваться в режиме реального времени через проводные и беспроводные коммуникаций, GPRS, 3G и т.д.
Зарядная станция DBT (серия NQC006) предназначена для быстрой зарядки электромобилей.
Основные технические характеристики
Режимы зарядки Mode3 и Mode 4.
LCD монитор.
Уровеньзащиты:IР 55 и антивандальная поверхность.
Физические размеры (ВхШхГ) 1840х380х665.
Масса 200 кг.
Стандартная рабочая температура: от -30 °С до +50 °С.
Стандартная рабочая влажность: от 30% до 90%.
Высота над уровнем моря 1000 м.
Зарядные станции «Revolta»
Специалисты компании «Револьта» разработали принципиально новое в мировой практике решение по зарядной инфраструктуре для электротранспорта. Созданные специально для наших климатических условий зарядные станции позволяют не только заряжать электромобили, но и создавать интерактивную рекламную сеть, разворачивать интеллектуальную парковку, оказывать ряд дополнительных сервисов (WiFi, тревожная связь и пр.).
Зарядные станции «Revolta» предназначены для зарядки электротранспорта в местах, где можно припарковать транспортное средство на продолжительный период, например, на территории офисных и торговых центров, городских общественных парковок.
Интегрированные средства коммуникации станций позволяют осуществлять постоянную связь с сервером удаленного управления, который контролирует данные по зарядке в режиме реального времени и удаленно активизирует станции, что делает использование устройств легким и удобным
Основные технические характеристики:
Корпус из стали и пластика.
Степень защиты: IP55.
Совместимость с режимом зарядки IEC 61851-1.
Станция содержит два зарядных модуля, обеспечивающих возможность автономного подключения двух электромобилей.
Трехцветные световые индикаторы (красный, зеленый, синий), отображающие статус каждого модуля зарядной станции.
Коннекторы Schuko («евророзетка») и Mennekes.
Световая индикация состояния зарядной станции (свободно/занято).
Идентификация пользователя при помощи RFID-карт.
Встроенная система связи 3G.
Возможность удаленного контроля и управления станцией.
Встроенный счетчик электроэнергии.
Два 24’’ жидкокристаллических экрана.
Гибкая система настройки рекламного контента.
Стандартная рабочая температура: от -30°С до +45°С.
Билет 12.
Перспективы развития новых технологий тяговых источников тока для электромобилей и АТС с КЭУ.
Тяговые аккумуляторные батареи – это экологически чистый источник тока, способный накапливать, хранить и отдавать большую электрическую энергию потребителю.
Свинцовые аккумуляторы (Pb).
Реагентами в свинцовых аккумуляторах служат диоксид свинца (PbO2) и свинец (Pb), электролитом - раствор серной кислоты. Они также называются свинцово-кислотными аккумуляторами. Их разделяют на четыре основные группы; стартерные, стационарные, тяговые и портативные (герметизированные). Наиболее распространенные из свинцовых аккумуляторов - стартерные аккумуляторы, предназначены для запуска двигателей внутреннего сгорания и энергообеспечения устройств машин. В последние годы в основном используются аккумуляторы, не требующие ухода. К недостаткам относят невысокие удельную энергию и наработку, плохую сохранность заряда, выделение водорода.
Стационарные аккумуляторы используются в энергетике, на телефонных станциях, в телекоммуникационных системах, в качестве аварийного источника тока и т.д. Обычно они работают в режиме непрерывного подзаряда. Относятся к недорогим аккумуляторам.
Тяговые аккумуляторы предназначены для электроснабжения электрокаров, подъемников, шахтных электровозов, электромобилей и других машин. Действуют в режимах глубокого разряда, имеют большой ресурс и низкую стоимость.
Портативные (герметизированные) свинцовые аккумуляторы используются для питания приборов, инструмента, аварийного освещения. К их достоинствам относятся более низкая стоимость по сравнению со стоимостью других портативных аккумулторов, широкий интервал рабочих температур. Недостатками кислотных аккумуляторов являются невозможность хранения в разряженном состоянии, трудность изготовления аккумуляторов малых размеров. Свинцово-Кислотные Аккумуляторы
Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd).
Реагентами в никель-кадмиевых аккумуляторах служат гидроксид никеля и кадмий, электролитом - раствор КОН, поэтому они именуются щелочными аккумуляторами. Существуют три основных вида никель-кадмиевых аккумуляторов: негерметичные с ламельными (ламельные аккумуляторы) и спеченными электродами (безламельные аккумуляторы) и герметичные. Наиболее дешевые ламельные никель-кадмиевые аккумуляторы характеризуются плоской разрядной кривой, высокими ресурсом и прочностью, но не низкой удельной энергией. Удельная энергия, скорость разряда Ni-Cd аккумуляторов со спеченными электродами выше, они работоспособны при низких температурах, но дороже, характеризуются эффектом памяти и способностью к тепловому разгону.
Применяются никель-кадмиевые аккумуляторы для питания шахтных электровозов, подъемников, стационарного оборудования, средств связи и электронных приборов, для запуска дизелей и авиационных двигателей и т.п.
Герметичные Ni-Cd аккумуляторы характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокими скоростями разряда и способностью действовать при низких температурах, но они дороже герметизированных свинцовых аккумуляторов и характеризуются эффектом памяти. Применялись для питания портативной аппаратуры (сотовых телефонов, магнитофонов, компьютеров и т.д.), бытовых приборов, игрушек и т.д. Недостатком никель-кадмиевых аккумуляторов является применение токсичного кадмия. Ni-Cd Аккумуляторы
Никель-железные аккумуляторы.
Вместо кадмия в этих аккумуляторах используется железо. Из-за выделения водорода с самого начала заряда аккумуляторы производят только в негерметичном варианте. Они дешевле никель-кадмиевых аккумуляторов, не содержат токсичный кадмий, имеют длинный срок службы и высокую механическую прочность. Однако они характеризуются высоким саморазрядом, низкой отдачей по энергии, практически неработоспособны при температуре ниже -10 °С. Выпускаются в призматическом виде и используются в основном как тяговые источники тока в шахтных электровозах, электрокарах и промышленных подъемниках.
Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH).
Активным материалом отрицательного электрода является интерметаллид, обратимо сорбирующий водород, т.е. фактически отрицательный электрод является водородным электродом, у которого восстановленная форма водорода находится в абсорбированном состоянии. Разрядная кривая Ni-MH аккумулятора аналогична кривой Ni-Cd аккумулятора. Удельная емкость и энергия никель-металлогидридных аккумуляторов в 1,5-2 раза выше удельной энергии никель-кадмиевых аккумуляторов, кроме того, они не содержат токсичный кадмий. Изготавливаются в герметичном исполнении цилиндрической, призматической и дисковой форм. Применяются для питания портативных приборов и аппаратуры. Ni-MH Аккумуляторы
Никель-цинковые аккумуляторы.
Это щелочные аккумуляторы, у которых отрицательный электрод - цинковый. Удельная энергия никель-цинковых аккумуляторов примерно в 2 раза выше удельной энергии Ni-Cd аккумуляторов. Они характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокой удельной мощностью и относительно невысокой начальной ценой, однако ресурс их мал, поэтому массового применения не имеют. Применяются для питания портативной аппаратуры
Серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы.
Активными материалами служат оксид серебра на положительном и цинк или кадмий - на отрицательном электродах соответственно, электролитом является раствор щелочи. Характеризуются высокими удельными энергиями и мощностью, низким саморазрядом, но весьма дороги. Серебряно-цинковые аккумуляторы имеют незначительный ресурс. Выпускаются в призматической и дисковой формах, применяются для питания портативных приборов и аппаратов, в военной технике.
Никель-водородные аккумуляторы.
Отрицательным электродом служит пористый газодиффузионный электрод с платиновым катализатором, на котором обратимо реагирует газообразный водород. Характеризуются высокой удельной энергией и очень высоким ресурсом, но значительным саморазрядом и очень дороги. Применялись в космической технике.
Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion).
В качестве отрицательного электрода применяется углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активным материалом положительного электрода обычно служит оксид кобальта, в который также обратимо внедряются ионы лития. Электролитом является раствор соли лития в неводном апротонном растворителе. Аккумуляторы имеют высокую удельную энергию, высокий ресурс и способны работать при низких температурах. Благодаря высокой удельной энергии их производство в последние годы резко увеличилось. Выпускаются в цилиндрической и призматической формах. Они применяются в сотовых телефонах, ноутбуках и других портативных устройствах. Li-ion Аккумуляторы
Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol).
Анодом служит углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активными материалами положительных электродов являются оксиды ванадия, кобальта или марганца. Электролитом является или раствор соли лития в неводных апротонных растворителях, заключенный в микропористую полимерную матрицу, или полимер (полиакрилонитрил, полиметилметакрилат, поливинилхлорид либо другие), пластифицированный раствором соли лития в апротонном растворителе (гель-полимерный электролит). По сравнению с литий-ионными аккумуляторами литий-полимерные аккумуляторы имеют более высокие удельную энергию и ресурс и лучшую безопасность. Применяются для питания портативных электронных устройств. Li-pol
Перезаряжаемые марганцево-цинковые источники тока.
Первичные цилиндрические марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом определенного состава, изготовленные по специальной технологии, могут электрически перезаряжаться. Они характеризуются высокой удельной энергией, малым саморазрядом и невысокой стоимостью, выпускаются в герметичном исполнении, однако имеют очень малый ресурс (до 25-50 циклов), небольшую скорость разряда и наклонную разрядную кривую. Возможность перезаряда такого марганцево-цинкового источники тока отдельно оговаривается производителем.
Характеристики аккумуляторов
Среднее разрядное напряжение аккумуляторов находится в широком диапазоне от 1,25В у никель-кадмиевых аккумуляторов до 3,5В у литиевых аккумуляторов. С повышением скорости разряда емкость аккумуляторов уменьшается (см. рисунок), причем в минимальной степени у Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Емкость также снижается при понижении температуры. Наибольшое снижение емкости при низких температурах наблюдается у никель-железных аккумуляторов и минимальное снижение - у никель-кадмиевых со спеченными электродами и у свинцовых аккумуляторов. Высокую удельную мощность можно получить от никель-кадмиевых аккумуляторов, свинцовых (стартерных и герметизированных), никель-цинковых и серебряно-цинковых аккумуляторов. Невысокую удельную мощность имеют никель-железные аккумуляторы. Удельная массовая энергия минимальна у свинцовых аккумуляторов и максимальна у литиевых аккумуляторов. Наибольшую наработку имеют никель-водородные аккумуляторы, низким ресурсом характеризуются серебряно-цинковые и никель-цинковые аккумуляторы. Следует отметить, что по мере циклирования уменьшаются емкость, напряжение и соответственно удельная энергия аккумуляторов, причем скорости понижения удельной энергии у разных аккумуляторов существенно различаются. В наименьшей степени снижаются емкость и энергия при циклировании Ni-Cd аккумуляторов. Наработка зависит от многих причин и прежде всего от глубины разряда. Наиболее высокая скорость саморазряда отмечается у никель-водородных и никель-железных аккумуляторов, наименьшая - у серебряно-кадмиевых и серебряно-цинковых аккумуляторов. К наиболее дешевым принадлежат свинцовые аккумуляторы, к наиболее дорогим - никель-водородные, серебряно-кадмиевые и серебряно-цинковые аккумуляторы.
Влияние тока разряда на емкость отдаваемую аккумулятором:
1-никель-кадмиевые аккумуляторы со спеченным электродом и никель-металлгидридные аккумуляторы, 2-серебрянно-цинковые аккумуляторы, 3- никель-кадмиевые аккумуляторы с ламельным электродом, 4-никель-цинковые аккумуляторы, 5-литий-инные аккумуляторы, 6-свинцовые аккумуляторы, 7-никель-железные аккумуляторы.