- Belső alkatrészekSzerkesztés
- ÚjratöltésSzerkesztés
- Töltési időSzerkesztés
- CsatlakozókSzerkesztés
- TöltőhelyekSzerkesztés
- Utazási hatótávolság a töltés előttSzerkesztés
- PótkocsikSzerkesztés
- Csere és eltávolításSzerkesztés
- ÚjratöltésSzerkesztés
- EV-akkumulátorok életciklusaSzerkesztés
- Az elhasználódott EV-akkumulátorok továbbhasznosításaSzerkesztés
- ÉlettartamSzerkesztés
- ÚjrahasznosításSzerkesztés
- Vehicle-to-gridEdit
- Biztonság
- SzabadalmakSzerkesztés
Belső alkatrészekSzerkesztés
Akkucsomag egy akkumulátoros elektromos busz tetején
Elektromos teherautó e-Force One. Akkumulátorcsomag a tengelyek között.
Az elektromos járművek (EV-k) akkumulátorcsomagjának kialakítása összetett, és gyártónként és konkrét alkalmazásonként nagymértékben eltér. Mindegyik azonban számos egyszerű mechanikus és elektromos alkatrészrendszer kombinációját tartalmazza, amelyek a csomag alapvető szükséges funkcióit látják el.
A tényleges akkumulátorcellák kémiai összetétele, fizikai formája és mérete eltérő lehet a különböző csomaggyártók által preferáltak szerint. Az akkumulátorcsomagok mindig sok különálló cellát tartalmaznak, amelyek sorosan és párhuzamosan vannak összekötve, hogy elérjék a csomag teljes feszültség- és áramigényét. Az elektromos meghajtású EV-k akkumulátorcsomagjai több száz egyedi cellát tartalmazhatnak. Minden egyes cella névleges feszültsége 3-4 volt, a kémiai összetételtől függően.
A gyártás és összeszerelés megkönnyítése érdekében a nagy cellaköteget általában kisebb, moduloknak nevezett kötegekre csoportosítják. Ezekből a modulokból több kerül egyetlen csomagba. Az egyes modulokon belül a cellákat összehegesztik, hogy az áramáramláshoz szükséges elektromos útvonal teljes legyen. A modulok hűtőmechanizmusokat, hőmérséklet-monitorokat és egyéb eszközöket is tartalmazhatnak. A legtöbb esetben a modulok lehetővé teszik a kötegben lévő egyes akkumulátorcellák által termelt feszültség felügyeletét is egy akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) segítségével.
Az akkumulátorcellák kötege rendelkezik egy fő biztosítékkal, amely rövidzárlat esetén korlátozza a csomag áramát. Egy “szervizdugó” vagy “szervizcsatlakozó” eltávolítható, hogy az akkumulátor-köteget két elektromosan elszigetelt félre lehessen osztani. A szervizdugó eltávolításával az akkumulátor szabadon lévő főpólusai nem jelentenek nagy potenciális elektromos veszélyt a szerviztechnikusok számára.
Az akkumulátorcsomag tartalmaz reléket vagy kontaktorokat is, amelyek szabályozzák az akkumulátorcsomag elektromos áramának elosztását a kimeneti pólusokra. A legtöbb esetben legalább két fő relé van, amelyek összekötik az akkumulátorcellák halmazát a csomag fő pozitív és negatív kimeneti csatlakozóival, amelyek aztán nagy áramot szolgáltatnak az elektromos hajtómotornak. Egyes csomagkialakítások alternatív áramutakat tartalmaznak a meghajtórendszer előtöltésére egy előtöltési ellenálláson keresztül, vagy egy segédsín táplálására, amelyek szintén rendelkeznek saját kapcsolódó vezérlő relékkel. Biztonsági okokból ezek a relék mindegyike normál esetben nyitott.
Az akkumulátorcsomag számos hőmérséklet-, feszültség- és áramérzékelőt is tartalmaz. A csomag érzékelőitől származó adatok gyűjtését és a csomag reléinek aktiválását a csomag akkumulátor-felügyeleti egysége (BMU) vagy akkumulátor-kezelő rendszere (BMS) végzi. A BMS felelős a járművel való kommunikációért is az akkumulátorcsomagon kívül.
ÚjratöltésSzerkesztés
A BEV-ek akkumulátorait rendszeresen újra kell tölteni. A BEV-ek leggyakrabban az elektromos hálózatról töltődnek (otthon vagy utcai vagy bolti töltőponton), amelyet viszont különböző hazai erőforrásokból, például szénből, vízenergiából, nukleáris energiából, földgázból és más forrásokból állítanak elő. Az otthoni vagy hálózati energia, például a fotovoltaikus napelempanelek, a szél vagy a mikrovíz szintén használható, és a globális felmelegedéssel kapcsolatos aggodalmak miatt támogatott.
A megfelelő áramforrásokkal az akkumulátorok jó élettartama általában akkor érhető el, ha a töltési sebesség nem haladja meg az akkumulátor kapacitásának felét óránként (“0.5C”), így a teljes töltés két vagy több órát vesz igénybe, de gyorsabb töltés is elérhető még a nagy kapacitású akkumulátorok esetében is.
Az otthoni töltési időt a háztartási konnektor kapacitása korlátozza, hacsak nem végeznek speciális elektromos vezetékezési munkákat. Az Egyesült Államokban, Kanadában, Japánban és más, 110 voltos elektromos árammal rendelkező országokban egy normál háztartási konnektor 1,5 kilowattot szolgáltat. A 230 voltos áramot használó európai országokban 7 és 14 kilowatt közötti teljesítményt lehet leadni (egyfázisú és háromfázisú 230 V/400 V (400 V a fázisok között)). Európában egyre népszerűbb a 400 V-os (háromfázisú 230 V-os) hálózati csatlakozás, mivel az újabb házak az Európai Unió biztonsági előírásai miatt nem rendelkeznek földgázcsatlakozással.
Töltési időSzerkesztés
A villanyautók, mint a Tesla Model S, a Renault Zoe, a BMW i3 stb. a gyorstöltőállomásokon 30 perc alatt 80 százalékra tudják feltölteni akkumulátoraikat. Egy 250 kW-os Tesla Version 3 Supercharger-en töltődő Tesla Model 3 Long Range például 27 perc alatt 2%-os töltöttségi állapotból 6 mérföld (9,7 km) hatótávolsággal 80%-os töltöttségi állapotba került 240 mérföld (390 km) hatótávolsággal, ami óránként 520 mérföldnek (840 km) felel meg.
CsatlakozókSzerkesztés
A töltőáram kétféleképpen csatlakoztatható az autóhoz. Az első egy közvetlen elektromos kapcsolat, az úgynevezett vezetőképes csatolás. Ez lehet olyan egyszerű, mint a hálózati vezeték egy időjárásálló aljzatba vezetése speciális, nagy kapacitású, a felhasználót a nagyfeszültségtől védő csatlakozókkal ellátott kábeleken keresztül. A konnektoros járműtöltés modern szabványa az USA-ban az SAE 1772 vezetőképes csatlakozó (IEC 62196 Type 1). Az ACEA az európai bevezetéshez a VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 Type 2) szabványt választotta, amely retesz nélkül felesleges extra energiaigényt jelent a zárószerkezet számára.
A második megközelítés az úgynevezett induktív töltés. Egy speciális “lapátot” helyeznek be az autó egyik nyílásába. A lapát egy transzformátor egyik tekercselése, míg a másik az autóba van beépítve. Amikor a lapátot behelyezik, az egy mágneses áramkört zár be, amely áramot szolgáltat az akkumulátornak. Az egyik induktív töltőrendszerben az egyik tekercs az autó alján van rögzítve, a másik pedig a garázs padlóján marad. Az induktív megközelítés előnye, hogy nincs áramütésveszély, mivel nincsenek szabadon lévő vezetékek, bár a reteszelések, a speciális csatlakozók és a földzárlat-érzékelők közel ugyanolyan biztonságossá tehetik a vezetékes csatolást. Az induktív töltés a jármű tömegét is csökkentheti, mivel több töltőalkatrész a fedélzeten kívülre kerül. A Toyota egyik induktív töltésért felelős képviselője 1998-ban azt állította, hogy az általános költségkülönbségek minimálisak, míg a Ford egyik vezető töltésért felelős képviselője azt állította, hogy a vezető töltés költséghatékonyabb.
TöltőhelyekSzerkesztés
2020 áprilisában világszerte 93 439 helyszín és 178 381 EV-töltőállomás található.
Utazási hatótávolság a töltés előttSzerkesztés
A BEV hatótávolsága a használt akkumulátorok számától és típusától függ. A jármű súlya és típusa, valamint a terepviszonyok, az időjárás és a vezető teljesítménye szintén hatással van, csakúgy, mint a hagyományos járművek futásteljesítményére. Az elektromos járművek átalakítási teljesítménye számos tényezőtől függ, többek között az akkumulátorok kémiai összetételétől:
- Az ólom-sav akkumulátorok a leginkább elérhetőek és olcsók. Az ilyen átalakítások hatótávolsága általában 30-80 km (20-50 mi). Az ólom-sav akkumulátorral felszerelt sorozatgyártású EV-k akár 130 km (80 mi) hatótávolságra is képesek töltésenként.
- A NiMH akkumulátorok fajlagos energiája nagyobb, mint az ólom-savé; a prototípus EV-k akár 200 km (120 mi) hatótávolságot is biztosítanak.
- A lítium-ion akkumulátorral felszerelt új EV-k 320-480 km (200-300 mi) hatótávolságot biztosítanak töltésenként. A lítium ráadásul olcsóbb, mint a nikkel.
- A nikkel-cink akkumulátorok olcsóbbak és könnyebbek, mint a nikkel-kadmium akkumulátorok. Olcsóbbak a lítium-ion akkumulátoroknál is (de nem olyan könnyűek, mint a lítium-ion akkumulátorok).
Az egyes akkumulátorok belső ellenállása alacsony hőmérsékleten jelentősen megnövekedhet, ami észrevehetően csökkentheti a jármű hatótávolságát és az akkumulátor élettartamát.
A hatótávolság és a teljesítmény, az akkumulátor kapacitása és a súly, valamint az akkumulátor típusa és a költség közötti gazdasági egyensúly megtalálása minden EV-gyártó számára kihívást jelent.
A váltóáramú rendszerrel vagy fejlett egyenáramú rendszerrel a regeneratív fékezés extrém közlekedési körülmények között akár 50%-kal is növelheti a hatótávolságot teljes leállás nélkül. Egyébként a hatótávolság városi vezetés esetén körülbelül 10-15%-kal nő, országúti vezetés esetén pedig a terepviszonyoktól függően csak elhanyagolható mértékben.
A villanyautók (beleértve a buszokat és teherautókat is) a normál rövid távú használat során a többletsúly nélkül is használhatnak generátoros és tolós pótkocsikat, hogy szükség esetén növeljék a hatótávolságukat. A lemerült kosaras pótkocsikat útközben újratöltöttekre lehet cserélni. Ha béreltek, akkor a karbantartási költségek az ügynökségre háríthatók.
Egyes BEV-ek a pótkocsi és az autó energia- és hajtáslánc típusától függően hibrid járművekké válhatnak.
PótkocsikSzerkesztés
A pótkocsikban szállított kiegészítő akkumulátor-kapacitás növelheti a jármű teljes hatótávolságát, de növeli az aerodinamikai légellenállásból eredő teljesítményveszteséget, növeli a súlyáthelyezési hatásokat és csökkenti a vontatási kapacitást.
Csere és eltávolításSzerkesztés
Az újratöltés alternatívája a lemerült vagy majdnem lemerült akkumulátorok (vagy az akkumulátor hatótávnövelő modulok) cseréje teljesen feltöltött akkumulátorokra. Ezt nevezik akkumulátorcserének, és csereállomásokon végzik.
A csereállomások jellemzői a következők:
- A fogyasztót többé nem érintik az akkumulátorok tőkeköltsége, élettartama, technológiája, karbantartása vagy garanciális kérdései;
- A csere sokkal gyorsabb, mint a töltés: a Better Place cég által épített akkumulátorcsere-berendezés kevesebb mint 60 másodperc alatt automatizált cserét mutatott be;
- A csereállomások növelik az elektromos hálózaton keresztül történő elosztott energiatárolás megvalósíthatóságát;
A csereállomásokkal kapcsolatos aggályok a következők:
- A csalás lehetősége (az akkumulátorok minősége csak egy teljes kisütési cikluson keresztül mérhető; az akkumulátor élettartama csak ismételt kisütési ciklusokon keresztül mérhető; a csereügyletben résztvevők nem tudhatják, hogy elhasználódott vagy csökkentett hatékonyságú akkumulátort kapnak; az akkumulátorok minősége az idő múlásával lassan romlik, így az elhasználódott akkumulátorok fokozatosan kényszerülnek a rendszerbe)
- A gyártók nem hajlandóak szabványosítani az akkumulátorokhoz való hozzáférés / végrehajtás részleteit
- Biztonsági aggályok
ÚjratöltésSzerkesztés
A cink-bróm áramlású akkumulátorok folyadékkal tölthetők újra, ahelyett, hogy csatlakozókkal töltenék fel őket, ami időt takarít meg.
EV-akkumulátorok életciklusaSzerkesztés
Az elhasználódott EV-akkumulátorok továbbhasznosításaSzerkesztés
Az elhasználódott állapotú (csökkent teljesítményű és az elektromos járművek meghajtására már nem alkalmas) elektromos járműakkumulátorok újrahasznosíthatók második életciklusú alkalmazásokban, például az e-buszok tápegységében, nagy épületek biztonsági tartalékai, otthoni energiatárolás, nap- és szélerőművek energiaellátásának stabilizálása, távközlési bázisállomások és adatközpontok tartalék energiája, targoncák, elektromos robogók és kerékpárok stb. energiaellátása. Az autóipari akkumulátorok második életciklusban történő újrafelhasználása különleges szakértelmet igényel a fordított logisztika területén. Alexander Kupfer, az Audi fenntartható termékfejlesztésért/körforgásos gazdaságért felelős munkatársa szerint “ki kell dolgozni egy olyan közös csatlakozási interfészt, amelyen keresztül ezeket az autóipari akkumulátorokat egy helyhez kötött tárolásirányítási rendszer vezérelheti”. Egy ilyen interfész az akkumulátor gyártójától független kommunikációs mechanizmust biztosítana a tároló vezérlőrendszerrel való kommunikációhoz. Az interfészt a tárolók beszállítóival közösen kellene kialakítani.
A Pacific Gas and Electric Company (PG&E) javasolta, hogy a közműszolgáltatók tartalék és terheléskiegyenlítési célokra használt akkumulátorokat vásárolhatnának. Állításuk szerint bár ezek a használt akkumulátorok a járművekben már nem használhatók, maradék kapacitásuk még mindig jelentős értéket képvisel.
ÉlettartamSzerkesztés
Az elektromos járművek akkumulátorcsomagjainak elhelyezkedése és relatív mérete
Az egyes akkumulátorokat általában különböző feszültségű és amperórás kapacitású termékekből álló nagy akkumulátorcsomagokba rendezik a szükséges energiakapacitás elérése érdekében. Az akkumulátorok élettartamát figyelembe kell venni a meghosszabbított birtoklási költségek kiszámításakor, mivel minden akkumulátor idővel elhasználódik, és ki kell cserélni. Az, hogy milyen ütemben járnak le, számos tényezőtől függ.
A kisülési mélység (DOD) a teljes rendelkezésre álló energiatárolás ajánlott aránya, amelynél az adott akkumulátor eléri a névleges ciklusait. A mélyciklusú ólom-sav akkumulátorokat általában nem szabad a teljes kapacitás 20%-a alá lemeríteni. A modernebb formulák ennél mélyebb ciklusokat is kibírnak.
A valós használatban a nikkel-fémhidrid akkumulátorokat használó Toyota RAV4 EV-k némelyike 160 000 km-t (100 000 mérföldet) is meghaladta, és a napi hatótávolságuk alig csökkent. A Southern California Edison (SCE) értékeléséből:
“Az öt járműből álló teszt a nikkel-fémhidrid akkumulátorok és az elektromos hajtásláncok hosszú távú tartósságát bizonyítja. Eddig az öt járműből négynél csak enyhe teljesítményromlást észleltek….. Az EVTC tesztadatai meggyőzően bizonyítják, hogy mind az öt jármű túllépi a 100 000 mérföldes (160 000 km) határt. Az SCE pozitív tapasztalatai arra utalnak, hogy a nikkel-fémhidrid akkumulátorok és a hajtáslánc élettartama nagy valószínűséggel elérheti a 130 000-150 000 mérföldet (240 000 km). Az EV-k tehát elérhetik vagy meghaladhatják a hasonló, belső égésű motorral hajtott járművek élettartam-kilométereit. “2003 júniusában az SCE flottájának 320 RAV4 EV-jét elsősorban a mérőóra-leolvasók, a szolgáltatási vezetők, a helyszíni képviselők, a szolgáltatástervezők és a levélkezelők használták, valamint biztonsági járőrözésre és telekocsiközlekedésre. Öt év alatt a RAV4 EV flotta több mint 6,9 millió mérföldet tett meg, és ezzel mintegy 830 tonna légszennyező anyagot küszöbölt ki, valamint több mint 3700 tonna kipufogócsőből származó szén-dioxid-kibocsátást előzött meg. Tekintettel az EV-járművek eddigi sikeres működésére, az SCE azt tervezi, hogy jóval azután is használni fogja őket, hogy mindannyian 100 000 mérföldet megtettek.”
A lítiumion-akkumulátorok bizonyos mértékig romlandóak; maximális tárolókapacitásuk egy részét évente elveszítik, még akkor is, ha nem használják őket. A nikkel-fémhidrid akkumulátorok sokkal kevesebb kapacitást veszítenek, és olcsóbbak az általuk nyújtott tárolókapacitáshoz képest, de azonos súly mellett kezdetben kisebb a teljes kapacitásuk.”
Jay Leno 1909-es Baker Electricje még mindig az eredeti Edison-cellákkal működik. A BEV-ek akkumulátorcseréjének költségeit részben vagy egészben ellensúlyozhatja a belső égésű motoros járműveknél szükséges rendszeres karbantartás – például az olaj- és szűrőcserék – hiánya, valamint a BEV-ek kevesebb mozgó alkatrészből adódó nagyobb megbízhatósága. Emellett számos más olyan alkatrész, például a sebességváltó, a hűtőrendszer és a motortuning esetében, amely egy hagyományos autóban általában szervizelést és karbantartást igényel, nem szükséges. És mire az akkumulátorokat végre le kell cserélni, már lecserélhetők újabb generációsakra, amelyek jobb teljesítményt nyújtanak.
A lítiumvas-foszfát akkumulátorok a gyártó szerint több mint 5000 ciklust érnek el 70%-os kisülési mélység mellett. A BYD, a világ legnagyobb lítiumvas-foszfát akkumulátor gyártója a cellák széles választékát fejlesztette ki mélyciklusú alkalmazásokhoz. Az ilyen akkumulátorokat helyhez kötött tárolórendszerekben használják. 7500 ciklus után, 85%-os kisütés mellett még mindig legalább 80%-os tartalékkapacitással rendelkeznek 1 C sebességgel; ami napi egy teljes ciklus mellett legalább 20,5 éves élettartamnak felel meg. A Sony Fortelion által kifejlesztett lítiumvas-foszfát akkumulátornak 10 000 ciklus után, 100%-os kisülési szint mellett 71%-os maradványkapacitása van. Ez az akkumulátor 2009 óta van forgalomban.
A napelemekkel együtt használva a lítium-ion akkumulátorok részben nagyon magas, több mint 10 000 töltési és kisütési ciklust bírnak, élettartamuk pedig hosszú, akár 20 év is lehet.
Aplug-in America felmérést végzett a Tesla Roadster (2008) vezetői körében az akkumulátorok élettartamával kapcsolatban. Megállapították, hogy 100 mérföld (160 km) után az akkumulátor kapacitása még mindig 80-85 százalékos volt, függetlenül attól, hogy az autót melyik éghajlati zónában vezették. A Tesla a 85 kWh kapacitású akkumulátorral szerelt Model S-re 8 éven belül korlátlan futásteljesítményre vállal garanciát.
A Varta Storage 14 000 teljes ciklusra és 10 év élettartamra vállal garanciát.
2016 decemberében a világ legkelendőbb elektromos autója a Nissan Leaf volt, amelyből 2010-es indulása óta több mint 250 000 darabot adtak el. A Nissan 2015-ben közölte, hogy addig az akkumulátorok mindössze 0,01 százalékát kellett cserélni meghibásodás vagy probléma miatt, és akkor is csak külsőleg okozott sérülések miatt. Van néhány olyan jármű, amely már több mint 200 000 km-t tett meg; ezek közül egyiknél sem volt probléma az akkumulátorral.”
A Li-ion akkumulátorok általában évente 2,3 százalékos kapacitásveszteséget mutatnak. A folyadékhűtéses Li-ion akkumulátorok évente kevesebb kapacitást veszítenek, mint a léghűtésesek.
ÚjrahasznosításSzerkesztés
Az akkumulátorok hasznos élettartamuk végén újrafelhasználhatók vagy újrahasznosíthatók. Az EV-értékesítések jelentős nemzetközi növekedése miatt az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma kutatási programot hozott létre a használt EV lítiumion-akkumulátorok újrahasznosítási módszereinek vizsgálatára. A jelenleg vizsgált módszerek között szerepel a pirometallurgiai (elemekké való redukció), a hidrometallurgiai (fémekké való redukció) és a közvetlen újrahasznosítás (az elektrokémiai tulajdonságok helyreállítása az eredeti anyagok szerkezetének megőrzése mellett).
A BNEF Bloomberg előrejelzése szerint az elektromos autók akkumulátorai 2050-re több mint 500 milliárd dollárt fognak érni, mivel az elektromos járművek elterjedése felgyorsul az elkövetkező években
Vehicle-to-gridEdit
Az intelligens hálózat lehetővé teszi, hogy a BEV-k bármikor energiát szolgáltassanak a hálózatnak, különösen:
- A csúcsterhelési időszakokban (Amikor a villamos energia eladási ára nagyon magas lehet. A járműveket ekkor a csúcsidőn kívüli órákban olcsóbban lehet feltölteni, ami segít elnyelni a felesleges éjszakai áramtermelést. A járművek elosztott akkumulátortároló rendszerként szolgálnak az energia pufferelésére.)
- Áramszünetek idején, tartalék áramforrásként.
Biztonság
Az akkumulátoros elektromos járművek biztonsági kérdéseivel nagyrészt az ISO 6469 nemzetközi szabvány foglalkozik. Ez a szabvány három részre oszlik:
- A fedélzeti elektromos energiatároló, azaz az akkumulátor
- A funkcionális biztonsági eszközök és a meghibásodások elleni védelem
- A személyek védelme az elektromos veszélyekkel szemben.
A tűzoltók és a mentőszemélyzet speciális képzést kap az elektromos és hibrid elektromos járművek baleseteiben előforduló magasabb feszültségek és vegyi anyagok kezelésére. Bár a BEV-balesetek szokatlan problémákat vethetnek fel, mint például az akkumulátorok gyors lemerüléséből eredő tüzek és füstök, sok szakértő egyetért abban, hogy a BEV-akkumulátorok biztonságosak a kereskedelmi forgalomban kapható járművekben és a hátulról történő ütközésekben, és biztonságosabbak, mint a benzinmotoros, hátsó benzintartályos autók.
Az akkumulátorok teljesítményvizsgálata általában a következők meghatározását foglalja magában:
- Töltöttségi állapot (SOC)
- Üzemállapot (SOH)
- Energiahatékonyság
A teljesítményvizsgálat az akkumulátoros elektromos járművek (BEV), hibrid elektromos járművek (HEV) és plug-in hibrid elektromos járművek (PHEV) hajtásláncainak menetciklusait szimulálja az autógyártók (OEM-ek) által előírt előírásoknak megfelelően. E meghajtási ciklusok során az akkumulátor ellenőrzött hűtése végezhető el, szimulálva az autóban uralkodó hőmérsékleti körülményeket.
Az éghajlati kamrák emellett szabályozzák a környezeti feltételeket a tesztelés során, és lehetővé teszik a teljes autóipari hőmérsékleti tartomány és éghajlati viszonyok szimulálását.
SzabadalmakSzerkesztés
A szabadalmakkal el lehet nyomni az akkumulátor-technológia fejlesztését vagy elterjedését. Például a nikkel-fém-hidrid cellák autókban való felhasználása szempontjából fontos szabadalmakkal a Chevron Corporation, egy kőolajipari vállalat egyik ága rendelkezett, amely vétójogot tartott fenn a NiMH technológia bármilyen eladása vagy engedélyezése felett.