Predn-12-akum [režim kompatibility]

Hybridní pohony
Akumulátory elektrické energie
Doc.Ing.Pavel Mindl,CSc.
ČVUT FEL Praha
1
Nosiče energie pro klasické a hybridní pohony
motorových vozidel
A) Paliva pro klasické spalovací motory
Benzín
Nafta
LPG (Liquified Petroleum Gas)
CNG (Compressed Natural Gas)
B)
Nové druhy biopaliv pro spalovací motory – ve stadiu zkoušek
Etanol: 3% – 15% příměs do benzínu snižuje úroveň emisí v porovnání
se samotným benzínem
Metanol: Z hlediska výkonu a energetického obsahu blízký benzínu,
korozivní účinky, toxický, nižší emise v porovnání s benzínem
Bionafta: směs klasické nafty a metylesteru řepkového oleje (MERO)
Vodík: plyn buď pro přímé spalování v zážehových motorech
nebo pro přeměnu na elektrickou energii v palivových článcích
2
Hybridní automobily
Paliva, vyrobitelná z biomasy
Biomasa je souhrn látek tvořících těla všech organismů,
jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak i živočichů.
Tímto pojmem často označujeme rostlinnou biomasu
využitelnou pro energetické účely.
Energie biomasy má svůj prapůvod ve slunečním záření
a fotosyntéze, proto se jedná o obnovitelný zdroj
energie.
3
Hybridní automobily
Možnosti zpracování biomasy
Skupina
Technologie
Produkty
Spalování
Zplyňování
Chemické přeměny
Biologické procesy
Teplo, elektřina
Rychlá pyrolýza
Olej, plyn, dehet,
metan, čpavek,
metanol
Zkapalňování
Olej
Chemické přeměny ve
vodním prostředí
Esterifikace
Výstupy
Elektřina, teplo, pohon
vozidel
Metylester řepkového
Pohon vozidel
oleje (MEŘO)-bionafta
Anaerobní digesce
Bioplyn, metan
Elektřina, teplo, pohon
vozidel
Alkoholové kvašení
Etanol
Pohon vozidel
Kompostování
Teplo (z chlazení
kompostu)
4
Energetický obsah vybraných paliv
Palivo
Hmotnostní hustota energie
(MJ/kg)
Hmotnostní hustota energie
(kWh/kg)
Benzín
48,07
13,35
LPG
46,1
12,78
Nafta
42,5
11,8
Propan (kapalný)
50,43
14,0
Butan (kapalný)
51,75
14,37
Vodík (plyn p= 300 barů)
119
33
Vodík (kapal. -253°C)
119
33
20
5,55
Uhlí – ořech hnědý
5
Účinnost přeměny energie paliv od zdroje k nádrži
vozidla a přidružené ztráty
6
Elektrochemické akumulátory elektrické
energie
Základní charakteristiky
Hustota akumulované energie na jednotku hmotnosti či objemu (Wh/kg) či (Wh/litr)
Hustota elektrického výkonu na jednotku hmotnosti či objemu (W/kg) či (W/litr)
Životnost akumulátoru buď v počtu nabíjecích a vybíjecích cyklů nebo let
Cena (typická hodnota EURO/kWh)
Dalšími parametry mohou být: rychlost nabíjení
pracovní teplota
náročnost na údržbu
7
Olověný
akumulátor
Kladná elektroda z kysličníku
olovičitého PbO2, zalisovaného do
olověné nosné mřížky
Záporná elektroda z čistého olova Pb
Jmenovité napětí jednoho článku 2V
Elektrolyt: zředěná kyselina sírová
H2SO4 v podobě roztoku nebo vázaná
v tixotropním gelu Si O2
8
Trakční a staniční akumulátory
Konstrukce trakčních článků
Trakční akumulátorová baterie s centrálním doplňováním
vody a s nucenou cirkulací elektrolytu
1-propojení zátek hadičkami pro přívod vody
2- propojení vzduchovacích trubiček v článcích
hadičkami pro přívod vzduch z kompresoru
9
Nabíjecí a vybíjecí charakteristika
olověného akumulátoru
Nabíjení a vybíjení proudem
odpovídajícímu 10%
ampérhodinové kapacity
10
Alkalické akumulátory NiCd
Základem elektrod jsou poniklované
plastové desky
Do kladné elektrody je pastován
hydroxid nikelný
Do záporné elektrody
hydroxid kademnatý
Elektrolyt: vodní roztok hydroxidu
draselného (KOH)
V tekutém nebo gelovém stavu
Jmenovité napětí jednoho článku 1,2V
Dovolují vysokou proudovou
zatížitelnost, rychlé nabíjení, vysoký
počet N/V cyklů (3000)
Vysoká životnost
11
Alkalické akumulátory NiCd
12
Alkalické akumulátory Ni MH
Akumulátory pro méně náročné aplikace
Jmenovité napětí článku 1,2 V
Již ne pro elektromobily
13
Další typy alkalických akumulátorů
Systém nikl –zinek
Záporná elektroda zinková z pasty ZnO a organického pojiva, zalisovaná
v perforovaných kovových plátech
Kladná elektroda pastová směs hydroxidu niklu, grafitu a aditiv
zalisovaná v niklové síťce
Napětí článku 1,65 V
Použití jako nabíjitelná náhrada za primární články se jmenovitým napětím 1,5 V.
14
Další typy alkalických akumulátorů
Soustava Li-ion
+elektroda: Al fólie 25 mikrometrů
potažená aktivní vrstvou
-elektroda Cu fólie 15 mikrometrů
Celková tloušťka elektrod 200
mikrometrů
Separátor porézní polypropylenová
fólie
Elektrolyt: vodivé soli a rozpouštědlo
Jmenovité napětí: 3,6 V
15
Hybridní automobily
Akumulátory LiFePO 4
V současnosti nejperspektivnější zásobník energie pro elektromobily a hybridní automobily
Složení
Kladná elektroda (Anoda + ): LiCoO2 or LiMn2O4
Elektrolyt: Vodivý polymer (polyethyleneoxid)
Záporná elektroda (Katoda -): Lithium nebo sloučenina uhlíku a lithia
Zjednodušená rovnice chemické reakce:
Li1−xCoO2 + xLi+ + xe− → LiCoO2
Parametry
Plně nabitý článek má až 4,23 V a pokud napětí klesne pod 2,7 V může
být akumulátor nenávratně zničen. Článek by měl být vnitřně chráněn
elektronickým obvodem proti přebití, přílišnému vybití a přehřátí.
http://cs.wikipedia.org/wiki/Lithiumpolymerov%C3%BD_akumul%C3%A1tor
16
Hybridní automobily
Historie LiFePO 4
LiFePO 4 objevil John Goodenough z výzkumné skupiny na Texaské univerzitě v roce
1996 jako vhodný katodový materiál pro dobíjecí lithiové baterie. Brzy vzbudil zájem
trhu vzhledem k nízké výrobní ceně, netoxicitě, dostupnosti železa, vynikající tepelné
stabilitě, bezpečnostním vlastnostem, dobrému elektrochemickému výkonu a vysoké
specifické kapacitě (170 mAh / g).[1][2]
Hlavní bariéra pro širší komerční využití bylo nízká vnitřní vodivost. Tento problém byl
vyřešen mimo jiné (by reducing the particle size) potažením LiFePO4 částic vodivými
materiály jako např. uhlíkem a částečně využitím takzvaných dopovaných polovodičů
(extrémně čistých).[1] Konkrétně se používají postupy dopování a nauhličování vyvinuté
panem Yet-Ming Chiang a jeho spolupracovníky na MIT za použití kationtů materiálů
jako hliníku, niobia a zirkonia. Později se ukázalo, že většiny zlepšení vodivosti se
dosáhlo přítomností nanoskopických jader odvozených z organického uhlíku.[3] Uvedené
materiály jsou vyráběny v podniku A123Systems a jsou dále zpracovávány společnostmi
jako Black and Decker, DeWalt, General Motors, Chevrolet Volt, Daimler AG, Cessna a
BAE Systems.
17
Hybridní automobily
Výhody akumulátorů LiFePO 4
Velká kapacita na malém rozměru
Bez paměťového efektu
Minimální samovybíjení (cca 5 % za měsíc)
Jednoduché a bezproblémové zapojení mnoha článků
do série
Vhodné nominální napětí 3,7 V
Dlouhá životnost (až 2000 cyklů, až 3 roky)
Není ho nutné zcela vybíjet před nabitím
Přijatelný teplotní rozsah (-10 až 50 °C)
Rychlonabíjení (1 Ah i za hodinu) –nabíjení proudem,
odpovídajícím jmenovité kapacitě.
18
Hybridní automobily
Nevýhody LiFePO 4
Možnost vznícení nebo výbuchu (zejména při
zkratování – nutná interní ochrana)
avšak menší riziko než u původních Li-Pol
Kapacita klesá i při nepoužívání akumulátoru
Při poklesu napětí pod 2,7 V může být akumulátor
nenávratně zničen
Vyšší pořizovací cena
19
Vysokoteplotní akumulátory
Soustava síra - sodík
20
Vysokoteplotní akumulátory
Soustava sodík – chlorid nikelnatý
21
Hmotnostní a prostorové porovnání nádrží různých
druhů energie vztažené k dráze ujeté na 55 l benzínu
(ujetá dráha 800 km)
22
Hybridní automobily
Parmemetry současného (2013) Li-Fe-Pol4 článku
Model name SE60AHA
Alternative product marking CSE60AH
Nominal voltage 3,2 V Operating voltage under load is 3,0 V
Capacity 60 AH +/- 5%
Internal impenetrableness <1 mOhm 1kHz AC
Operating voltage min 2.6V - max 3,6 V At 80% DOD
Discharging cut-off voltage 2.5 V The cells is damaged if voltage drops
below this level
Charging cut-off voltage 3,65 V
The cells is damaged if voltage exceeds this level
Recommended charging - discharging Current 18 A 0,3C
Maximum short-time discharging current 600 A 10C period = 10s
Life cycles 2000 0,3C 80% DDC
23
Hybridní automobily
Článek Li-Fe-Po4 firmy GWL
Dimensions
142 x 50 x 217 mm
Volume 1,54 l
Weight
2,5 kg
Kapacita 192 Wh,
Hmotnostní energetická hustota 192/2,5 = 77 Wh/kg
Objemová energetická hustota 125 Wh/l
Na 800 km cestu by bylo potřeba těchto akumulátorů 1558 kg,
při objemu 960 litrů (bez balančních obvodů)
http://www.i4wifi.cz/img.asp?attid=255163
24
25
26
Základní vlastnosti akumulátorů elektrické energie pro
hybridní nebo čistě elektrické automobily
h
Údaje označené * jsou prognózou
27
Superkapacitorové akumulátory energie
Elektrická energie je akumulována v
elektrickém poli superkapacitoru
W= ½ C U2
Elektrochemická dvouvrstva
Vysoce porézní uhlíkové elektrody
Elektrolyt (tekutý nebo gel)
Obr.3.1-1 Řez superkondenzátorovým článkem
Vysoká kapacita jednoho článku – tisíce F
Vysoká účinnost nabíjení a vybíjení (95-98 %)
Více než 500 000 nabíjecích cyklů
Rozsah pracovních teplot -40 – 70°C
Napětí článku do 2,7 V
28
Porovnání vlastností klasického kondenzátoru
superkondenzátoru a Pb akumulátoru
běžný
kondenzátor
superkondenzát
or
olověná
baterie
nabíjecí doba
10-3 – 10-6 s
0,3 – 30 s
1–5h
vybíjecí doba
10-3 – 10-6 s
0,3 – 30 s
0,3 – 3 h
měrná
energie(Wh/kg)
< 0,1
1 - 10
10 – 100
měrný výkon
(W/kg)
< 100 000
< 10 000
< 1000
životnost (cyklů)
> 500 000
> 500 000
1000
účinnost nab. a
vyb.
> 95 %
85 – 98 %
70 – 85 %
29
Superkapacitorové články
Maxwell BOOSTCAP – 3000 – P270:
U = 2,7V
C = 3000F
Em = 5,72Wh/kg (≈ 2kW po 10s)
životnost: 1000 000 cyklů
hmotnost: 550 g
rozměry: 138 x 58 mm
30
Superkondenzátorové baterie
pro trakční účely
Modul Maxwell BMOD 0063:
U = 125V
C = 63F
životnost:
hmotnost:
rozměry:
1 000 000 cyklů
50 kg
579x425 x257 mm
Energetický obsah při plném nabití: 492 kWs = 137 Wh
Hmotnostní energetická hustota: 137/50 = 3 Wh/kg
31
Elektromechanické akumulátory elektrické energie
Setrvačníkové generátory
Akumulace v podobě kinetické energie rotujícího setrvačníku.
Setrvačník je spojen s poháněcí soustavou buď mechanicky přes převodové ústrojí,
nebo elektricky, kdy těleso setrvačníku tvoří rotor elektrického stroje který je
zapojen buď jako elektrický motor (pro „nabíjení“) nebo generátor (pro „vybíjení“).
32
Hybridní pohon s mechanicky připojeným setrvačníkem
33
Současný stav v koncepci a akumulaci energie v
hybridních pohonech
Komerční oblast: Obchodní úspěch hybridních vozidel s dělením výkonu
planetovou převodovkou a generátorem (koncepce Toyota Prius)
Dosaženo cca 20% úspor paliva, komfort vozidla srovnatelný s klasickým
automobilem, snížení objemu zavazadlového prostoru vlivem uložení
Ni MH akumulátoru 220V/ 7 Ah. Vozidlo nepotřebuje žádné dobíjení,
veškerá elektrická energie pro elektrický pohon je získávána ze spalovacího
motoru
Plu-in hybrid – zvýšená kapacita akumulátorů – dojezd cca 20-50 km
na baterie. Řízené dobíjení ze spalovacího motoru. Menší spotřeba a emise
nižší než u autarkického hybridu vlivem využití energie z akumulátoru.
Výhledové koncepce: Orientace na hybridní pohony s palivovými články
na vodík a vzduch (nízkoteplotní PEMFC)
a vysokoteplotní palivové články (HTFC) s palubní reformací
uhlovodíkových paliv (přímá konverze kapalných paliv – např.
metyl alkoholu na vodík.
34
Hybridní automobily
Použitá literatura
/1/ Cenek,M a kol.: Akumulátory – od principu k praxi
FCC Public, 2003
/2/ Kameš, J: Alternativní pohony automobilů
BEN-Technická literatura, Praha 2004
/3/ Vlk,F.: Alternativní pohony motorových vozidel
Nakladatelství a vydavatelství F.Vlk, Brno 2004
/4/ Scientist American – speciální číslo leden-únor 2007
Energie budoucnosti
/5/ Olah,J.: Aplikační možnosti superkondenzátorové baterie
na trakčním vozidle
Semestrální práce ČVUT FEL 2006
http://www.pingbattery.com/servlet/StoreFront
35
Hybridní automobily
Děkuji za pozornost
36