Стоимость тягового источника тока в современных электромобилях составляет около 40% от общей стоимости всего транспортного средства. В связи с этим рациональным способом эффективной эксплуатации будет работа в номинальных режимах. Однако соблюдение номинальной работы аккумуляторной батареи не позволяет реализовывать рабочие режимы транспортного средства. Данное противоречие может быть решено путем определения рациональных эксплуатационных характеристик ТАБ, при которых будет происходить сохранение ресурса.

Существуют различные режимы эксплуатации батарей в зависимости от назначения (см. рис. 1) [19]. Наиболее интенсивный режим (заряд-разряд) характерен для тяговых аккумуляторных батарей. В зависимости от условий движения транспортного средства, заряд ТАБ может быть полностью израсходован, либо использован частично. При этом существуют интенсивные циклы, когда в течение дневной эксплуатации ТАБ подвергается нескольким полным циклам «заряд - разряд».

1 - разряд, 2 - полный заряд, 3 - частичный заряд, 4 - нерабочий режим

Рисунок 1 - Режимы эксплуатации аккумуляторных батарей: а) - стационарные АБ, б) - стартерные АБ, в) - тяговые АБ (нормальный режим), г) - тяговые АБ (интенсивный режим)

Такая эксплуатация сильно влияет на ресурс аккумулятора, например, у первой модели электромобиля Tesla Model S, количество циклов при использовании полного заряда батареи составляет 300-500 полных циклов. Итоговый пробег электромобиля составляет 92 тысячи километров. В случае использования только 50% емкости количество циклов увеличивается до 1200 - 1500, что в итоге дает пробег 585 тыс. км. [20].

Более детально зависимость ресурса батарей электролита от глубины разряда для различных химических составов показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Зависимость ресурса батареи от глубины разряда: Литий

железофосфат; Свинцово-кислотная (стартерная); Свинцово-кислотная

с твердым электролитом (гелевая)

Из графика на рис. 2 видно, что с увеличением глубины разряда - DOD (от англ. «Depth of Discharge») количество циклов значительно уменьшается. При этом если уменьшить DOD до 50% количество циклов увеличивается до 5000. Из этого следует, что тяговая аккумуляторная батарея, имеющая большую емкость и разряжающаяся наполовину, прослужит больше, чем ТАБ с малой емкостью, которая полностью разряжается.

Аккумуляторные батареи можно заряжать с различной скоростью, которая пропорциональна силе тока, протекающего через аккумулятор. При увеличении как зарядного, так и разрядного токов повышается не только интенсивность эксплуатации, но и скорость старения. Наибольшую эффективность как в мощностном, так и в энергетическом плане, обеспечивают электрохимические источники тока. Ниже рассмотрены типы электрохимических аккумуляторов, а также особенности при их заряде.

Свинцово-кислотный аккумулятор

При заряде свинцово-кислотного аккумулятора (СКА) используется алгоритм на основе изменения напряжения. Время заряда герметичной свинцовокислотной батареи от 12-16 часов, до 36-48 часов для крупных стационарных батарей. При более высоких токах заряда и многоступенчатых методах заряда, время заряда может быть сокращено до 10 часов или меньше, однако, при таком способе заряд не может быть полным. СКА не могут быть заряжены настолько быстро, насколько могут другие типы ТИТ. В зарядке СКА должно прослеживаться как минимум три этапа: 1 - ограничение начального тока, 2 - стабилизация напряжения и 3 - подзаряд (стабилизация напряжения). Первый этап заряда занимает примерно половину необходимого времени заряда; далее заряд продолжается при более низком значении тока и обеспечивает достижение заданного напряжения, а подзаряд уже компенсирует потери, вызываемые саморазрядом. Аккумулятор полностью заряжен, когда ток падает до необходимого уровня или по достижению второго этапа. Более высокая температура требует более низкого значения напряжения, а понижение температуры, окружающей среды требует более высокий уровень зарядного тока.

Никель-кадмиевый аккумулятор

Никель-кадмиевый аккумулятор (НКА) достигает оптимальной производительности после несколько циклов заряда/разряда, что является частью нормальной эксплуатации. Наибольшее значение энергоэффективности приходится на диапазон 100...300 циклами, после чего производительность аккумулятора начинает постепенно падать. Большинство перезаряжаемых элементов включают защитный клапан, который выпускает избыточное давление при неправильном заряде. Сброс давления через закрывающийся вентиль не вызывает никаких повреждений, однако, при вентиляции может выделяться некоторая часть электролита.

Метод, основанный на определении напряжения, обеспечивает более точное обнаружение полного заряда аккумулятора, чем методы, основывающиеся на температурных показателях. Для получения необходимого напряжения, ток заряда должен быть 0.5C от емкости и выше. При скорости заряда номинальным током, эффективность зарядки обычного НКА составляет около 90 процентов, а время заряда составляет около часа (66 минут при предполагаемой эффективности заряда 91 процентов). Эффективность на медленном зарядном устройстве падает до 71 %. При скорости заряда 0.1 емкости аккумулятора, время заряда составляет около 14 часов. В течение первых 70 % заряда КПД НКА близка к 100 процентам (батарея поглощает почти всю энергию и остается не нагретой). Также возможен ультрабыстрый заряд АБ до 70 % в течение нескольких минут, однако полный заряд в этом случае должен осуществляться сниженным током.

Никель-металл-гидридный аккумулятор

При эксплуатации Никель-металл-гидридного аккумулятора (НМГА) алгоритм заряда частично совпадает с методом заряда НКА. Некоторые современные зарядные устройства применяют первоначальный заряд при номинальном токе. При достижении определенного уровня напряжения, происходит выдержка времени в течение нескольких минут при отсутствии заряда, что позволяет батарее находиться в оптимальном температурном диапазоне. Далее заряд уже продолжается при более низком значении тока и при периодическом повторении этих циклов до полного заряда. Этот метод известен как "шаг дифференциального заряда", он хорошо работает для всех аккумуляторных батарей на основе никеля. Зарядные устройства, в которых применяется пошаговый дифференциал или другие агрессивные методы заряда, могут сократить общее время заряда батареи, однако избыточный заряд наряду с высокими токами непременно имеет отрицательный эффект, заключающийся в сокращении срока службы батареи. Вместо достижения ожидаемых 1000 циклов обслуживания скоростные способы заряда могут исчерпать ресурс батареи уже после 400 циклов.

Большая часть цилиндрических аккумуляторов может быть заряжена постоянным током 0,2 емкости аккумулятора за 6-7 ч либо током 0,3 емкости аккумулятора за 3-4 ч (где требуется контролировать лишь время заряда). После остановки заряда увеличение давления в аккумуляторе еще некоторое время продолжается, поскольку на оксидно-никелевом электроде происходит процесс окисления гидроксильных ионов. По мере снижения потенциала оксидноникелевого электрода за счет саморазряда скорость процесса выделения газа уменьшается и оказывается соизмеримой со скоростью абсорбции кислорода на отрицательном электроде. В конечном итоге давление в АБ начинает уменьшаться. При одинаковом состоянии перезаряда, чем больше скорость заряда, тем больше увеличивается давление в АБ после завершения заряда.

Литий-ионный аккумулятор

Литиевые источники тока можно разделить на несколько типов согласно используемым материалам при их производстве и реализуемым технологиям.

Технологии литий-ионных аккумуляторов, катодное исполнение которых базируется на применении кобальта, никеля, марганца или алюминия, как правило, отличает номинальное значение напряжения аккумулятора. Однако в отношении удельных характеристик, срока службы и рабочей температуры, разные технологии показывают себя по-разному.

Важная особенность ЛИА - малое время заряда, которое может достигать в ряде случаев около 2-3 часов. Производители ЛИА рекомендуют заряжать током в 0.8 емкости аккумулятора или менее с целью продления срока службы батареи. В таком случае эффективность заряда составляет около 99 %, а изменение температурных режимов во время заряда находится в допустимом диапазоне. Некоторые ЛИА могут выдерживать повышение температуры на 5°С при достижении полного заряда. Это может быть связано с защитной схемой и/или повышенным внутренним сопротивлением. Полный заряд происходит, когда батарея достигает порогового напряжения и ток снижается до трех процентов от своего номинального значения.

ЛИА не должны быть полностью заряжены, как и в случае со СКА. Рекомендуется не допускать полного заряда АБ потому, что высокое напряжение вызывает разбалансирование батареи. Выбор нижнего порога напряжения или полное устранение заряда насыщения продлевает срок службы батареи, однако снижает время автономной работы.

Другой важной отличительной чертой ЛИА является работа в безопасном режиме в пределах ограниченного диапазона рабочих напряжений. Длительный заряд свыше нормированного образует покрытие из металлического лития на аноде, в то время как материал катода становится окисляющим элементом и теряет стабильность, способствуя образованию углекислого газа (CO2). Давление в аккумуляторе в этом случае возрастает, и, если заряд продолжается при текущих условиях, срабатывает защитное устройство, ответственное за безопасность эксплуатации батареи. Если давление продолжает нарастать, то мембрана разрывается и, в конечном итоге, может произойти возгорание аккумулятора. Критические температуры ЛИА для полностью заряженных аккумуляторов составляют в зависимости от используемой технологии: для кобальта 130 - 150oC, никель-марганец-кобальта 170 - 180 °С, и марганца 250oC. ЛИА является не единственным аккумулятором, который требует соответствующего обращения и организации допустимых условий эксплуатации, с целью повышения взрыво- и пожаробезопасности. СКА, НМГА и НКА, также могут являться объектом опасности при неправильном обращении. Правильно спроектированное оборудование для заряда имеет первостепенное значение для всех аккумуляторных систем.

Характеристики АБ зависят от химического состава компонентов, но, несмотря на это, необходим эквивалентный выбор основных характеристик для тяговой аккумуляторной батареи, так как именно они влияют на качество и срок службы тягового источника тока в целом. В таблице 1 показаны основные характеристики, на которые необходимо ориентироваться при выборе наиболее предпочтительного типа аккумуляторных батарей.

Таблица 1 - Количественное сравнение типов аккумуляторных батарей

Параметр\тип АКБ

Свинцово- кислотные

Никель

кадмиевые

Никель-металл-

гидридные

Литий-ионные

Номинальное напряжение АБ, В

2

1,2

1,2

3,7

Удельная

энергоемкость,

Вт-ч/кг

30-40

40-60

30-80

90-140

Удельная мощность, Вт/кг

180

150

250-1000

1800

Среднее время заряда, час

более 10

8

6

2

Кол-во циклов разряда/заряда (срок службы)

500-800

2000

800

2000

Средний саморазряд за месяц, %

4

20

30

7

Средняя стоимость за кВт-ч, долл.

150

400-800

250

450

При выборе типа аккумуляторов для ЭМ необходимо полагаться на отдельные факторы, которые в совокупности с зарядными характеристиками, сроком службы и тяговым показателям должны ставить параметры ТИТ определенного типа выше остальных.

Для определения наиболее предпочтительного типа ТИТ были выбраны следующие характеристики:

- Компактность - сравнительная характеристика, определяющая массогабаритные свойства для предоставления заданных параметров;

быстрый процесс заряда - возможность батареи заряжаться максимальными для нее токами менее чем за 2,5 часа;

простота утилизации - сложности технологического процесса, связанные с утилизацией или невозможностью восстановления полезных химических элементов;

эффект памяти - обратимая потеря ёмкости, имеющая место в некоторых типах электрических аккумуляторов при нарушении рекомендованного режима заряда, в частности, при подзарядке не полностью разрядившегося аккумулятора;

допустимый перезаряд - количественное показание, определяющее допустимое значение при заряде аккумулятора свыше 100%;

глубина разряда (DOD) - реальное количество (от заявленной) энергии, которое аккумуляторная батарея может отдать без увеличения температуры.

Распределение качественных показателей показано в таблице 2.

Таблица 2 - Качественное сравнение аккумуляторных батарей

Свинцово

кислотные

Никель

кадмиевые

Никель-

металл-

гидридные

Литий-ионные

Компактность

-

+

+

+

Быстрый процесс заряда

-

+

+

+

Простота

утилизации

-

-

+

+

Срок хранения более 3 лет

+

+

-

+

Эффект памяти

-

+

+

-

Допустимый

перезаряд

Высокий

Средний

Низкий

Очень низкий

Г лубина разряда (DOD)

50%

50-80%

50-85%

80%

Периодичность

обслуживания

3-6 месяца

30-60 дней

60-90 дней

Не

регламентируется

На основании проведенного анализа по зарядным характеристикам, количественному и качественному сравнению показателей аккумуляторов

четырех различных видов, выбор ЛИА в качестве тяговых обусловлен следующими свойствами и показателями:

высокие показатели удельных характеристик;

высокие значения допустимых зарядных и разрядных токов;

возможность быстрого заряда;

отсутствие необходимости обслуживания;

максимальный срок службы;

низкие показания саморазряда;

отсутствие «эффекта памяти».

Единственным же негативным качеством ЛИА на сегодняшний день является их высокая стоимость, хотя, в направлении снижения стоимости ЛИА за последние годы есть определенные успехи.