Baterie elektromobilu

Vnitřní komponentyEdit

Konstrukce bateriových bloků pro elektromobily (EV) jsou složité a značně se liší podle výrobce a konkrétního použití. Všechny však obsahují kombinaci několika jednoduchých systémů mechanických a elektrických součástí, které plní základní požadované funkce paketu.

Samotné bateriové články mohou mít různé chemické složení, fyzikální tvary a velikosti podle preferencí různých výrobců paketů. Akumulátorové sady vždy obsahují mnoho diskrétních článků zapojených sériově a paralelně, aby bylo dosaženo celkového napětí a proudových požadavků sady. Akumulátorové sady pro všechny elektromobily s elektrickým pohonem mohou obsahovat několik stovek jednotlivých článků. Každý článek má v závislosti na svém chemickém složení jmenovité napětí 3-4 V.

Pro usnadnění výroby a montáže je velký svazek článků obvykle seskupen do menších svazků nazývaných moduly. Několik těchto modulů se umístí do jednoho balení. V rámci každého modulu jsou články svařeny dohromady, aby byla dokončena elektrická cesta pro průtok proudu. Moduly mohou také obsahovat chladicí mechanismy, monitory teploty a další zařízení. Ve většině případů moduly také umožňují sledovat napětí produkované jednotlivými články akumulátoru ve stohu pomocí systému řízení baterií (BMS).

Stoh článků akumulátoru má hlavní pojistku, která omezuje proud paketu při stavu zkratu. Pro rozdělení zásobníku baterií na dvě elektricky izolované poloviny lze vyjmout „servisní zástrčku“ nebo „servisní odpojovač“. Po vyjmutí servisní zástrčky nepředstavují odkryté hlavní svorky akumulátoru pro servisní techniky žádné elektrické nebezpečí s vysokým potenciálem.

Sada akumulátorů obsahuje také relé nebo stykače, které řídí rozvod elektrické energie sady akumulátorů na výstupní svorky. Ve většině případů budou existovat minimálně dvě hlavní relé, která připojují zásobník článků akumulátoru k hlavním kladným a záporným výstupním svorkám paketu, které pak dodávají vysoký proud do elektromotoru pohonu. Některé konstrukce paketů obsahují alternativní proudové cesty pro přednabíjení pohonného systému prostřednictvím předřadného odporu nebo pro napájení pomocné sběrnice, které mají rovněž vlastní přidružená řídicí relé. Z bezpečnostních důvodů jsou všechna tato relé normálně otevřená.

Akumulátorová sada obsahuje také různé snímače teploty, napětí a proudu. Sběr dat ze snímačů akumulátoru a aktivaci relé akumulátoru zajišťuje monitorovací jednotka akumulátoru (BMU) nebo systém řízení akumulátoru (BMS). Systém BMS je také zodpovědný za komunikaci s vozidlem mimo paket baterií.

DobíjeníEdit

Baterie v BEV se musí pravidelně dobíjet. Vozidla BEV se nejčastěji dobíjejí z elektrické sítě (doma nebo pomocí dobíjecího místa na ulici či v obchodě), která je zase vyráběna z různých domácích zdrojů, jako je uhlí, vodní energie, jaderná energie, zemní plyn a další. Lze také využít domácí nebo síťové zdroje energie, jako jsou fotovoltaické panely se solárními články, větrné elektrárny nebo mikrohydroelektrárny, které jsou podporovány z důvodu obav týkajících se globálního oteplování.

Při vhodném napájení se dobré životnosti akumulátorů obvykle dosahuje při rychlosti nabíjení nepřesahující polovinu kapacity akumulátoru za hodinu („0″).5C“), a plné nabití tak trvá dvě a více hodin, ale i pro velkokapacitní baterie je k dispozici rychlejší nabíjení.

Doba nabíjení v domácnosti je omezena kapacitou domácí elektrické zásuvky, pokud nejsou provedeny specializované elektroinstalační práce. V USA, Kanadě, Japonsku a dalších zemích s elektrickým napětím 110 V dodává běžná domácí zásuvka 1,5 kilowattu. V evropských zemích s elektrickým napětím 230 V lze dodat 7 až 14 kilowattů (jednofázové a třífázové napětí 230 V/400 V (400 V mezi fázemi)). V Evropě je připojení k síti 400 V (třífázové 230 V) stále oblíbenější, protože novější domy nemají kvůli bezpečnostním předpisům Evropské unie přípojku na zemní plyn.

Doba dobíjeníEdit

Elektromobily jako Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3 atd. mohou na rychlonabíjecích stanicích dobít své baterie na 80 % během 30 minut. Například Tesla Model 3 Long Range se při nabíjení na rychlonabíječce Tesla verze 3 s výkonem 250 kW dostal ze stavu nabití 2 % s dojezdem 6 mil (9,7 km) na 80 % s dojezdem 240 mil (390 km) za 27 minut, což odpovídá rychlosti 520 mil (840 km) za hodinu.

KonektoryEdit

Nabíjecí zdroj lze k vozu připojit dvěma způsoby. Prvním je přímé elektrické připojení známé jako vodivá spojka. To může být tak jednoduché jako připojení síťového kabelu do zásuvky odolné proti povětrnostním vlivům prostřednictvím speciálních vysokokapacitních kabelů s konektory chránícími uživatele před vysokým napětím. Moderním standardem pro nabíjení vozidel ze zásuvky je vodivý konektor SAE 1772 (v USA IEC 62196 typ 1). ACEA zvolila pro nasazení v Evropě konektor VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 typ 2), který bez západky znamená zbytečné dodatečné požadavky na napájení blokovacího mechanismu.

Druhý přístup je známý jako indukční nabíjení. Do štěrbiny ve vozidle se vloží speciální „pádlo“. Pádlo je jedním vinutím transformátoru, zatímco druhé je zabudováno do vozu. Po zasunutí pádla se uzavře magnetický obvod, který dodává energii akumulátoru. V jednom systému indukčního nabíjení je jedno vinutí připevněno ke spodní části vozu a druhé zůstává na podlaze garáže. Výhodou indukčního přístupu je, že neexistuje možnost úrazu elektrickým proudem, protože zde nejsou žádné odkryté vodiče, ačkoli blokování, speciální konektory a detektory zemního spojení mohou učinit vodivé spojení téměř stejně bezpečné. Indukční nabíjení může také snížit hmotnost vozidla tím, že se více nabíjecích komponentů přesune mimo palubu. Zastánce indukčního nabíjení ze společnosti Toyota v roce 1998 tvrdil, že celkové rozdíly v nákladech jsou minimální, zatímco zastánce vodivého nabíjení ze společnosti Ford tvrdil, že vodivé nabíjení je nákladově efektivnější.

Místa pro dobíjeníUpravit

K dubnu 2020 je na světě 93 439 míst a 178 381 dobíjecích stanic pro elektromobily.

Dojezd před dobíjenímUpravit

Dojezd vozidla BEV závisí na počtu a typu použitých baterií. Vliv má také hmotnost a typ vozidla, stejně jako terén, počasí a výkonnost řidiče, stejně jako u tradičních vozidel. Výkon při přestavbě elektromobilu závisí na řadě faktorů včetně chemického složení baterií:

• Nejdostupnější a nejlevnější jsou olověné baterie. Takové přestavby mají obvykle dojezd 30 až 80 km. Sériové elektromobily s olověnými bateriemi jsou schopny na jedno nabití ujet až 130 km.
• NiMH baterie mají vyšší měrnou energii než olověné; prototypové elektromobily poskytují dojezd až 200 km.
• Nové elektromobily vybavené lithium-iontovými bateriemi poskytují dojezd 320-480 km na jedno nabití. Lithium je také levnější než nikl.
• Nikl-zinkové baterie jsou levnější a lehčí než nikl-kadmiové baterie. Jsou také levnější než lithium-iontové baterie (ale ne tak lehké jako).

Vnitřní odpor některých baterií se může při nízké teplotě výrazně zvýšit, což může způsobit znatelné snížení dojezdu vozidla a na životnosti baterie.

Nalezení ekonomické rovnováhy mezi dojezdem a výkonem, kapacitou baterie a hmotností a typem baterie a cenou je výzvou pro každého výrobce elektromobilů.

Při použití střídavého systému nebo pokročilého stejnosměrného systému může rekuperační brzdění prodloužit dojezd až o 50 % v extrémních dopravních podmínkách bez úplného zastavení. Jinak se dojezd při jízdě ve městě prodlouží asi o 10 až 15 % a při jízdě po dálnici jen zanedbatelně, v závislosti na terénu.

BEV (včetně autobusů a nákladních vozidel) mohou také používat přívěsy s elektrocentrálou a tlačné přívěsy, aby se v případě potřeby prodloužil dojezd bez dodatečné hmotnosti při běžném používání na krátkou vzdálenost. Vybité košové přívěsy mohou být během cesty nahrazeny dobíjecími. V případě pronájmu pak mohou být náklady na údržbu odloženy na agenturu.

Některá vozidla BEV se mohou stát hybridními vozidly v závislosti na druhu energie a pohonu přívěsu a vozu.

PřívěsyEdit

Pomocná kapacita baterií přepravovaných v přívěsech může zvýšit celkový dojezd vozidla, ale také zvyšuje ztráty výkonu vznikající v důsledku aerodynamického odporu, zvyšuje účinky přenosu hmotnosti a snižuje trakční kapacitu.

Výměna a vyjmutíEdit

Alternativou k dobíjení je výměna vybitých nebo téměř vybitých baterií (nebo modulů pro prodloužení dojezdu) za plně nabité baterie. Tomuto postupu se říká výměna baterií a provádí se ve výměnných stanicích.

Mezi vlastnosti výměnných stanic patří:

1. Spotřebitel se již nemusí zabývat investičními náklady na baterie, životností, technologií, údržbou nebo záručními otázkami;
2. Výměna je mnohem rychlejší než nabíjení: zařízení na výměnu baterií postavené firmou Better Place prokázalo automatickou výměnu za méně než 60 sekund;
3. Výměnné stanice zvyšují proveditelnost distribuovaného skladování energie prostřednictvím elektrické sítě;

Mezi obavy týkající se výměnných stanic patří:

1. Možnost podvodu (kvalitu baterie lze měřit pouze v průběhu celého vybíjecího cyklu; životnost baterie lze měřit pouze v průběhu opakovaných vybíjecích cyklů; účastníci výměnné transakce nemohou vědět, zda dostávají opotřebovanou baterii nebo baterii se sníženou účinností; kvalita baterií se v průběhu času zhoršuje pomalu, takže opotřebované baterie budou postupně vnucovány do systému)
2. Neochota výrobců standardizovat přístup k bateriím / implementační detaily
3. Obavy ohledně bezpečnosti

DoplňováníEdit

Zinkovo-bromové průtokové baterie lze doplňovat pomocí kapaliny, namísto dobíjení pomocí konektorů, což šetří čas.

Životní cyklus baterií pro elektromobilyEdit

Down-cycling of end-of-life EV batteriesEdit

Baterie pro elektromobily, které jsou na konci své životnosti (mají sníženou kapacitu a již nejsou vhodné pro napájení elektromobilů), lze znovu použít pro druhou životnost, například pro použití v napájecích soupravách e-bus, záložní zdroje pro velké budovy, použití v domácích zásobnících energie, stabilizace napájení solárních a větrných generátorů, záložní napájení telekomunikačních základnových stanic a datových center, napájení vysokozdvižných vozíků, elektrických skútrů a jízdních kol atd. Opětovné použití automobilových baterií v aplikacích druhého života vyžaduje speciální odborné znalosti v oblasti reverzní logistiky. Alexander Kupfer, odpovědný za vývoj udržitelných produktů/cirkulární ekonomiku ve společnosti Audi, uvádí, že by bylo třeba vyvinout „společné propojovací rozhraní, jehož prostřednictvím by bylo možné tyto automobilové baterie ovládat pomocí stacionárního systému řízení skladování“. Tento druh rozhraní by poskytoval mechanismus pro komunikaci se systémem řízení skladování nezávisle na výrobci baterií. Toto rozhraní by bylo třeba vyvinout společně s dodavateli úložišť.

Pacific Gas and Electric Company (PG&E) navrhla, že by energetické společnosti mohly nakupovat použité baterie pro účely zálohování a vyrovnávání zátěže. Uvádějí, že ačkoli tyto použité baterie již nemusí být použitelné ve vozidlech, jejich zbytková kapacita má stále značnou hodnotu.

ŽivotnostEdit

Jednotlivé baterie jsou obvykle uspořádány do velkých bateriových sad různých produktů s různým napětím a ampérhodinovou kapacitou, které poskytují požadovanou energetickou kapacitu. Při výpočtu rozšířených nákladů na vlastnictví je třeba vzít v úvahu životnost baterií, protože všechny baterie se nakonec opotřebují a musí být vyměněny. Rychlost, s jakou vyprší jejich životnost, závisí na řadě faktorů.

Hloubka vybití (DOD) je doporučený podíl celkové dostupné zásoby energie, při kterém daná baterie dosáhne svých jmenovitých cyklů. Olověné akumulátory s hlubokým cyklem by obecně neměly být vybíjeny pod 20 % celkové kapacity. Modernější formulace vydrží i hlubší cykly.

V reálném provozu některé flotilové elektromobily Toyota RAV4, které používají nikl-metal hydridové baterie, překročily 100 000 mil (160 000 km) s malým zhoršením denního dojezdu. Z hodnocení společnosti Southern California Edison (SCE):

„Test pěti vozidel demonstruje dlouhodobou odolnost nikl-metalhydridových baterií a elektrických pohonů. U čtyř z pěti vozidel bylo dosud pozorováno pouze mírné zhoršení výkonu….. Údaje z testů EVTC poskytují přesvědčivé důkazy, že všech pět vozidel překoná hranici 100 000 mil (160 000 km). Pozitivní zkušenosti společnosti SCE ukazují na velmi vysokou pravděpodobnost dosažení provozní životnosti nikl-metalhydridových baterií a hnacího ústrojí v rozmezí 130 000 až 150 000 mil (240 000 km). Elektromobily se tak mohou vyrovnat nebo překonat kilometrovou životnost srovnatelných vozidel se spalovacími motory. „V červnu 2003 bylo 320 elektromobilů RAV4 z vozového parku společnosti SCE využíváno především odečítači elektroměrů, vedoucími servisních služeb, zástupci v terénu, plánovači služeb a pracovníky poštovních služeb a pro bezpečnostní hlídky a autohlídky. Za pět let provozu ujela flotila elektromobilů RAV4 více než 6,9 milionu kilometrů, čímž eliminovala přibližně 830 tun látek znečišťujících ovzduší a zabránila vzniku více než 3 700 tun emisí oxidu uhličitého ve výfukových plynech. Vzhledem k dosavadnímu úspěšnému provozu svých elektromobilů plánuje společnost SCE pokračovat v jejich používání i poté, co všechny ujedou 100 000 mil.“

Lithium-iontové baterie do jisté míry podléhají zkáze; ročně ztratí část své maximální kapacity, i když nejsou používány. Nikl-metalhydridové baterie ztrácejí kapacitu mnohem méně a jsou levnější vzhledem k úložné kapacitě, kterou poskytují, ale při stejné hmotnosti mají zpočátku nižší celkovou kapacitu.

Baker Electric Baye Lena z roku 1909 stále funguje na původní Edisonovy články. Náklady na výměnu baterií u vozidel BEV mohou být částečně nebo zcela kompenzovány absencí pravidelné údržby, jako je výměna oleje a filtrů vyžadovaná u vozidel se spalovacím motorem, a vyšší spolehlivostí vozidel BEV díky menšímu počtu pohyblivých částí. Odpadá u nich také mnoho dalších dílů, které u běžných automobilů běžně vyžadují servis a údržbu, například u převodovky, chladicího systému a ladění motoru. A v době, kdy je konečně potřeba baterie vyměnit, je možné je nahradit novější generací, která může nabídnout lepší výkonnostní charakteristiky.

Lithium-železo-fosfátové baterie dosahují podle výrobce více než 5000 cyklů při příslušné hloubce vybití 70 %. Společnost BYD, největší světový výrobce lithium-železo-fosfátových baterií, vyvinula širokou škálu článků pro hluboké cykly. Tyto baterie se používají ve stacionárních skladovacích systémech. Po 7500 cyklech při vybití 85 % mají stále rezervní kapacitu nejméně 80 % při rychlosti 1 C; což při plném cyklu za den odpovídá životnosti min. 20,5 roku. Lithium-železo-fosfátová baterie vyvinutá společností Sony Fortelion má po 10 000 cyklech při 100% úrovni vybití zbytkovou kapacitu 71 %. Tato baterie je na trhu od roku 2009.

Při použití ve spojení se solárními panely mají lithium-iontové baterie částečně velmi vysokou cyklickou odolnost více než 10 000 nabíjecích a vybíjecích cyklů a dlouhou životnost až 20 let.

Plug-in America provedl průzkum mezi řidiči vozu Tesla Roadster (2008) ohledně životnosti jejich baterií. Bylo zjištěno, že po ujetí 100 mil (160 km) měla baterie stále zbývající kapacitu 80 až 85 % bez ohledu na to, v jakém klimatickém pásmu vůz jezdil. Společnost Tesla poskytuje na Model S s 85kWh baterií záruku na neomezený počet ujetých kilometrů po dobu 8 let.

Varta Storage nabízí záruku 14 000 plných cyklů a životnost 10 let.

K prosinci 2016 je nejprodávanějším elektromobilem na světě Nissan Leaf, kterého se od jeho vzniku v roce 2010 prodalo více než 250 000 kusů. Společnost Nissan v roce 2015 uvedla, že do té doby bylo nutné vyměnit pouze 0,01 % baterií z důvodu poruch nebo problémů, a to pouze z důvodu poškození způsobeného vnějšími vlivy. Existuje několik vozidel, která již najela více než 200 000 km; žádné z nich nemělo s baterií žádné problémy.

Li-Ion baterie obecně ztrácejí 2,3 % kapacity ročně. Kapalinou chlazené lithium-iontové akumulátory ztrácejí za rok méně kapacity než vzduchem chlazené akumulátory.

RecyklaceEdit

Po skončení životnosti lze akumulátory znovu použít nebo recyklovat. Vzhledem k výraznému mezinárodnímu nárůstu prodeje elektromobilů zavedlo americké ministerstvo energetiky výzkumný program, jehož cílem je prozkoumat metodiky recyklace použitých lithium-iontových baterií pro elektromobily. Mezi metody, které se v současné době zkoumají, patří pyrometalurgická (redukce na prvky), hydrometalurgická (redukce na kovy, ze kterých se skládají) a přímá recyklace (obnovení elektrochemických vlastností při zachování struktury původních materiálů).

Bloomberg BNEF předpokládá, že do roku 2050 bude mít průmysl baterií pro elektromobily hodnotu přes 500 miliard dolarů, protože v následujících letech se zrychlí zavádění elektromobilů

Vehicle-to-gridEdit

Chytrá síť umožňuje vozidlům BEV dodávat energii do sítě kdykoli, zejména:

• V době špičkového zatížení (Kdy může být prodejní cena elektřiny velmi vysoká. Vozidla pak mohou být dobíjena v době mimo špičku za levnější ceny, což pomáhá absorbovat přebytečnou noční výrobu. Vozidla slouží jako distribuovaný bateriový systém pro ukládání energie do vyrovnávací paměti.“
• V době výpadků elektrické energie jako záložní zdroje energie.

BezpečnostEdit

Problematikou bezpečnosti bateriových elektrických vozidel se z velké části zabývá mezinárodní norma ISO 6469. Tato norma je rozdělena do tří částí:

• Vnitřní úložiště elektrické energie, tj. baterie
• Funkční bezpečnostní prostředky a ochrana proti poruchám
• Ochrana osob před elektrickým nebezpečím.

Hasiči a záchranáři jsou speciálně vyškoleni pro práci s vyšším napětím a chemickými látkami, které se vyskytují při nehodách elektrických a hybridních elektrických vozidel. Přestože nehody vozidel BEV mohou přinášet neobvyklé problémy, jako jsou požáry a výpary vznikající v důsledku rychlého vybití baterií, mnoho odborníků se shoduje na tom, že baterie BEV jsou v komerčně dostupných vozidlech a při nárazech zezadu bezpečné a jsou bezpečnější než vozidla s benzinovým pohonem a benzinovými nádržemi vzadu.

Obvykle testování výkonnosti baterií zahrnuje stanovení:

• Stavu nabití (SOC)
• Stavu zdraví (SOH)
• Energetické účinnosti

Testování výkonnosti simuluje jízdní cykly pro hnací ústrojí bateriových elektromobilů (BEV), hybridních elektromobilů (HEV) a hybridních elektromobilů (PHEV) podle požadovaných specifikací výrobců automobilů (OEM). Během těchto jízdních cyklů lze provádět řízené chlazení baterie a simulovat tak tepelné podmínky v automobilu.

Klimatické komory navíc kontrolují podmínky prostředí během testování a umožňují simulaci celého teplotního rozsahu a klimatických podmínek v automobilu.

PatentyEdit

Patenty mohou být použity k potlačení vývoje nebo zavedení technologie baterií. Například patenty týkající se používání nikl-metalhydridových článků v automobilech vlastnila odnož ropné společnosti Chevron Corporation, která si udržovala právo veta na jakýkoli prodej nebo licencování technologie NiMH.