Hybridní pohony. Akumulátory elektrické energie. Doc.Ing.Pavel Mindl,CSc. ČVUT FEL Praha

Transkript

1 Hybridní pohony Akumulátory elektrické energie Doc.Ing.Pavel Mindl,CSc. ČVUT FEL Praha 1

2 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

3 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

4 Hybridní automobily Možnosti zpracování biomasy Skupina Technologie Produkty Výstupy Chemické přeměny Spalování Zplyňování Rychlá pyrolýza Olej, plyn, dehet, metan, čpavek, metanol Teplo, elektřina Elektřina, teplo, pohon vozidel Zkapalňování Olej Chemické přeměny ve vodním prostředí Esterifikace Metylesterřepkového oleje (MEŘO)-bionafta Pohon vozidel Anaerobní digesce Bioplyn, metan Elektřina, teplo, pohon vozidel Biologické procesy Alkoholové kvašení Etanol Pohon vozidel Kompostování Teplo (z chlazení kompostu) 4

5 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) Vodík (kapal C) Uhlí ořech hnědý 20 5,55 5

6 Účinnost přeměny energie paliv od zdroje k nádrži vozidla a přidružené ztráty 6

7 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

8 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

9 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

10 Nabíjecí a vybíjecí charakteristika olověného akumulátoru Nabíjení a vybíjení proudem odpovídajícímu 10% ampérhodinové kapacity 10

11 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

12 Alkalické akumulátory NiCd 12

13 Alkalické akumulátory Ni MH Akumulátory pro méně náročné aplikace Jmenovité napětí článku 1,2 V Již ne pro elektromobily 13

14 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

15 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

16 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. 16

17 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 LiFePO 4 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

18 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

19 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

20 Vysokoteplotní akumulátory Soustava síra - sodík 20

21 Vysokoteplotní akumulátory Soustava sodík chlorid nikelnatý 21

22 Hmotnostní a prostorové porovnání nádrží různých druhů energie vztažené k dráze ujeté na 55 l benzínu (ujetá dráha 800 km) 22

23 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 ,3C 80% DDC 23

24 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) 24

25 25

26 26

27 Základní vlastnosti akumulátorů elektrické energie pro hybridní nebo čistě elektrické automobily h Údaje označené * jsou prognózou 27

28 Superkapacitorové akumulátory energie Elektrická energie je akumulována v elektrickém poli superkapacitoru W= ½ C U 2 Elektrochemická dvouvrstva Vysoce porézní uhlíkové elektrody Elektrolyt (tekutý nebo gel) Obr Řez superkondenzátorovým článkem Vysoká kapacita jednoho článku tisíce F Vysoká účinnost nabíjení a vybíjení (95-98 %) Více než nabíjecích cyklů Rozsah pracovních teplot C Napětí článku do 2,7 V 28

29 Porovnání vlastností klasického kondenzátoru superkondenzátoru a Pb akumulátoru běžný kondenzátor superkondenzát or olověná baterie nabíjecí doba s 0,3 30 s 1 5 h vybíjecí doba s 0,3 30 s 0,3 3 h měrná energie(wh/kg) měrný výkon (W/kg) < 0, < < < 1000 životnost (cyklů) > > účinnost nab. a vyb. > 95 % % % 29

30 Maxwell BOOSTCAP 3000 P270: U = 2,7V C = 3000F Em = 5,72Wh/kg ( 2kW po 10s) životnost: cyklů hmotnost: 550 g rozměry: 138 x 58 mm Superkapacitorové články 30

31 Superkondenzátorové baterie pro trakční účely Modul Maxwell BMOD 0063: U = 125V C = 63F životnost: hmotnost: rozměry: cyklů 50 kg 579x425 x257 mm Energetický obsah při plném nabití: 492 kws = 137 Wh Hmotnostní energetická hustota: 137/50 = 3 Wh/kg 31

32 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

33 Hybridní pohon s mechanicky připojeným setrvačníkem 33

34 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 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

35 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

36 Hybridní automobily Děkuji za pozornost 36