Открытая лекция "Источники питания электромобилей"
презентация к уроку

Слайд 1

Источники питания электромобилей Сравнение батарей Audi vs. Hyundai Колледж Института сервиса, туризма и дизайна (филиал) СКФУ в г. Пятигорске Гончаров Олег Юрьевич

Слайд 2

Определение Электромобиль следует отличать от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и электрической передачей , а также от троллейбусов и трамваев . Электромобиль — автомобиль , приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от автономного источника электроэнергии (аккумуляторов, топливных элементов и т . п. ), а не двигателем внутреннего сгорания .

Слайд 3

Редуктор - устройство, передающее вращение двигателя на вал с колесами. Электромотор - устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в механическую. Контроллер - устройство, регулирующее частоту вращение электродвигателя. Аккумулятор - устройство электропитания всего электромобиля. Схема работы

Слайд 4

+Плюсы электромобиля+ Отсутствие вредных выхлопов в месте нахождения автомобиля Более высокая экологичность ввиду отсутствия необходимости применения нефтяного топлива Простота техобслуживания, большой межсервисный пробег Низкая пожаро- и взрывоопасность при аварии Массовое применение электромобилей частично решило бы проблему «энергетического пика» Применение дешевой (по сравнению с нефтяным или водородным топливом) энергии, вырабатываемой АЭС и ГЭС

Слайд 5

-Минусы электромобиля- Для стран с холодным климатом очень остро стоит вопрос отопления салона Большой вес достаточно ёмких свинцовых батарей Длительное время зарядки аккумуляторов по сравнению с заправкой бензиновым топливом Для массового применения электромобилей требуется создание соответствующей инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов Малый пробег большинства электромобилей на одной зарядке Утилизация аккумулиторов, которые часто содержат ядовитые компоненты (например, свинец или литий ) и кислоты

Слайд 6

Нет вредных выхлопов Использование энергии АЭС Выхлопы вызывают парниковый эффект Необходима добыча нефти ~ 600 км без дозаправки ~ 160 км без подзарядки Время подзарядки — 7-8 часов Время на заправку — менее 5 минут 46 коп. за 1 км 2р. 73 коп. за 1 км Электричество против Бензина

Слайд 7

Устройство двигателя электромобиля Двигатели можно условно классифицировать по типу тока: устройства переменного тока; конструкции постоянного тока; решения универсального образца (способны функционировать от постоянного и переменного тока). Электродвигатели переменного тока делятся на группы: асинхронные – скорость вращения магнитного поля статора выше скорости вращения ротора; синхронные – частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадают.

Слайд 8

Устройство двигателя электромобиля Силовая установка Chevrolet Volt Есть еще одна классификация – по конструкции щеточно-коллекторного узла. Такие агрегаты бывают: Бесколлекторными . Представляют собой замкнутую систему, в которую входят: преобразователь координат, инвертор и извещатель положения. Коллекторными . Щеточно-коллекторный узел играет роль в такой конструкции одновременно и извещателя положения ротора, и переключателя тока в обмотках. В основном используется ток постоянной частоты.

Слайд 9

Устройство двигателя электромобиля Ротор электродвигателя

Слайд 10

Устройство двигателя электромобиля Система мотор-колесо. Пример — спорт-кар Volage. В такой конструкции предусмотрена возможность регенерации энергии торможения. Для этого используется тяговый двигатель Active Wheel. Он весит всего 7 кг, что позволяет добиться приемлемой массы колеса – 11 кг.

Слайд 11

Виды аккумуляторов для электромобилей В большинстве современных электрических машинах используются 4 типа аккумуляторных батарей. Самые распространённые – литий-ионные, алюминий-ионные и литий-серные. Иногда применяют ещё и металл-воздушные, где в качестве металла выступают цинк, литий, натрий, магний или алюминий.

Слайд 12

Литий-ионные батареи Литий-ионные АКБ – самый распространённый вариант для установки на электрических автомобилях. Преимуществами таких источников питания считают: высокую плотность накапливаемой энергии; более высокое по сравнению с другими видами АКБ напряжение; небольшой саморазряд – до 6% в месяц, до 20% в год; практически полное отсутствие «эффекта памяти», из-за которого новые батареи требуется «тренировать», используя несколько циклов заряда/разряда; сравнительно большой срок эксплуатации – не меньше 1000 циклов или 10 лет. Высокая стоимость, которая влияет и на цену автомобиля, и плохую устойчивость к избыточному заряду.

Слайд 13

Алюминий-ионные аккумуляторы Алюминий в составе батареи для электромобиля повышает безопасность её использования. Кроме того, такой аккумулятор дешевле обходится при производстве. Использованию таких устройств мешает невысокая производительность катодов и меньшее количество циклов заряда/разряда. В Китае ведутся исследования по поводу улучшения характеристик батарей. Уже разработана новая конструкция катода, увеличившая ёмкость и сроки службы литий-ионной АКБ, а также уменьшившая её цену. Новая версия, ещё не применяемая на серийных авто, выдерживает до 250 тыс. перезарядок

Слайд 14

Литий-серные батареи Аккумуляторы, принцип действия которых основан на реакции между литием и серой, делаются многослойными. Их ёмкость примерно вдвое выше по сравнению с аналогичными по размеру литий-ионными батареями. Стоимость изготовления таких аккумуляторов ниже, а рабочий диапазон температур выше, чем у большинства других источников питания электромобилей. Недостатком литий-сернистых АКБ является небольшое количество перезарядок (до 60). Это делает батареи непригодными для установки в серийных автомобилях. Однако над устранением недостатков уже работают специалисты нескольких компаний, включая OXIS Energy. Предполагается, что к 2020 году стоимость поездки на аккумуляторах Li-S будет ниже, чем у современных литий-ионных версий.

Слайд 15

Металл-воздушные АКБ Преимуществами металло-воздушных аккумуляторов являются: небольшой вес, благодаря которому снижается и масса автомобиля; большой пробег электромобилей, которые комплектуются такой батареей; сравнительно доступная стоимость; более простая утилизация по сравнению с литиевыми АКБ. Минусами устройства является снижение производительности батареи при низкой температуре. Кроме того, такой батарее нужна система фильтрации, потребляющая почти треть общей мощности. Ещё один серьёзный минус – внезапный выход из строя металл-воздушных аккумуляторов из-за образовавшейся на их поверхности плёнки из пероксида лития. И, наконец, последний минус, из-за которого такие батареи не пользуются большим спросом – небольшое число циклов заряда/разряда – до 50-60.

Слайд 16

Сравнение аккумуляторов популярных электромобилей по ёмкости и запасу хода. Модель Ёмкость аккумуляторной батареи, кВт-ч Запас хода, км Audi e-Tron 95 400 BMW i3 33 200 Chevrolet Bolt EV 60 300 Chevrolet Spark EV 19 132 Detroit Electric 37 280 Hyundai Ioniq Electric 28 200 Hyundai Kona 64 480 39 300 JAC iEV7S 39 300 Jaguar I-Pace 90 480 KIA Soul EV 30 178 64 391 Nissan e-NV200 Combi 40 170 Nissan Leaf 40 250 62 385 Renault Kangoo ZE 33 270 Renault Zoe 41 367 Smart ForTwo Electric Drive 17,6 160 Tesla Model 3 75 320 Tesla Model S 60 350 70 500 100 600 Tesla Model X 100 475 Volkswagen e-Golf 24,2 170 Volkswagen e-Up 18,7 160

Слайд 17

Ухудшение параметров в процессе эксплуатации Наблюдения за аккумуляторными батареями популярных моделей Tesla Model S и Nissan Leaf показывают, что максимальное снижение ёмкости происходит в течение первых 5 лет. Причём, за первый и второй год мощность аккумулятора, а, значит, и запас хода уменьшаются в пределах 5-10%, а за три следующих года – ещё на 15-20%. После этого параметры АКБ остаются примерно на одном уровне до конца срока службы – ежегодное снижение ресурса не превышает 1-5%. Такие особенности аккумуляторов электромобилей позволяют выпущенным больше 5 лет назад моделям Nissan Leaf проезжать до 130 км на одном заряде вместо 160 км начального ресурса. Первые Tesla Model S 2013 года до сих пор способны проехать не меньше 200 км – при 335 км в самом начале эксплуатации. Похожие результаты показывают модели других марок.

Слайд 18

Время зарядки Главным недостатком зарядки аккумуляторной батареи от обычной электросети является увеличивающееся время зарядки. Так, электромобили Tesla Model S с ёмкостью АКБ 70 кВт-ч заряжаются на 80-100% в течение 15-18 часов. На зарядку батареи Nissan Leaf уходит до 7-8 часов. При использовании официальных зарядных станций владелец Tesla потратит не больше 5 часов, а, если автомобиль используется не меньше 2-3 лет, достаточно всего 3 часов. Для нового Nissan Leaf среднее время составит около 2,5 часов, для подержанного – до 1,5-2 ч. При использовании режима быстрой зарядки батарея «Ниссан Лиф» заряжается на 80% всего за полчаса, «Теслы» – в течение 40 минут.

Слайд 19

Виды литиевых АКБ Аккумуляторная батарея Chevrolet Bolt EV Большинство литий-ионных аккумуляторов работает на графитных электродах кобальтатов лития с напряжением в 36В и продуцируемой мощностью 15 кВт. Также существуют литиевые источники питания, которые различаются по внутренним компонентам на такие типы: Никель-кобальт-марганцевые. Использование кобальта, который немного дороже марганца увеличивает термин эксплуатации батареи. Небольшим недостатком батарей, считается их чувствительность к высоким температурам. Никель-кобальт-алюминиевые. По своим параметрам схожи с п.1, но дешевле благодаря замене дорого марганца, алюминием. На основе сплава фосфат железа. Надежные и стабильные в эксплуатации, однако аккумуляторов такого типа требуется больше, поскольку они функционируют на пониженном напряжении.

Слайд 20

Конструкция батарей Аккумуляторная батарея электромобиля Nissan Leaf Современные АКБ электромобилей можно менять блоками, то есть только «битые» ячейки, которые перестали работать. Это существенно удешевляет эксплуатацию электромобилей и упрощает ремонт системы Ячейки аккумуляторных батарей BMW

Слайд 21

Кривая потери емкости аккумуляторных батарей с течением времени

Слайд 22

4 способа зарядки электрокаров Зарядка электромобиля 4 способа зарядки электрокаров: Использование бытовых электросетей в 220 В. Самый популярный способ зарядки, который согласно статистике использует 90% владельцев электромобилей. Зарядка с использованием переменного тока с защитой внутри кабеля для подзарядки, входящего в комплектацию автомобиля. Зарядка от однофазной или трехфазной электросети АЗС с применением специального разъема кабеля. Зарядка электромобиля от специальных электрических заправочных станций быстрым током.

Слайд 23

Утилизация АКБ Хранение бывших в употреблении аккумуляторов BMW i3 Ведущие производители электрокаров предлагают первоначальную альтернативу утилизации: использование подержанных АКБ в бытовых системах накопления энергии от альтернативных источников. То есть использовать бывшие батареи электромобилей в качестве аккумуляторов для накопления энергии , вырабатываемой солнечными батареями и ветряными генераторами

Слайд 24

Устройство электрокара Nissan Leaf Устройство электрокара Nissan Leaf

Слайд 25

Устройство электрокара Nissan Leaf Чтобы снять АКБ, придется болты открутить. Вес модуля авто выпуска 2011 года почти 300 кг и 218 кг у авто, выпускаемых с 2013года

Слайд 26

Устройство АКБ электрокара Nissan Leaf Внутри все просто – нет сложной системы охлаждения – только модули в металлическом корпусе, замыкатель и система контроля.

Слайд 27

Устройство АКБ электрокара Nissan Leaf Общая емкость расположенных боком модулей, 12 кВтч. Еще 48 модулей «лежачих» находится в более мелкой части.

Слайд 28

Устройство АКБ электрокара Nissan Leaf Масса модуля 3,8 кг, а самого корпуса – 600 грамм. Его характеристики такие: 66,2 Ач, 7,6 В.

Слайд 29

Устройство АКБ электрокара Nissan Leaf Состоит модуль из 4 ячеек. Их тип – пакетный, масса 799 г, напряжение – 3,8 В, а емкость каждой – 33,1 Ач . Между собой их последовательно соединяет высоковольтный кабель

Слайд 30

Устройство АКБ электрокара Nissan Leaf Схема соединений аккумуляторной батареи Рабочее напряжение высоковольтной батареи Nissan Leaf лежит в диапазоне 320-410 Вольт, в зависимости от уровня заряда батареи: U=(6,4-8,4V)*48=320-410V

Слайд 31

Устройство АКБ электрокара Nissan Leaf Одним из самых важных элементов батареи является блок управления LBC (Li-ion battery controller), к которому поступают данные от всех датчиков, измерительных элементов и модулей. В блоке управления вся собранная информация обрабатывается/записывается и на ее основе формирует управляющие сигналы. Так же через блок управления ВВБ проходит обмен информацией с основным контроллером электрического автомобиля (блоком VCM — Vehicle control module).

Слайд 32

Устройство АКБ электрокара Nissan Leaf Одним из самых важных элементов батареи является блок управления LBC (Li-ion battery controller), к которому поступают данные от всех датчиков, измерительных элементов и модулей. В блоке управления вся собранная информация обрабатывается/записывается и на ее основе формирует управляющие сигналы. Так же через блок управления ВВБ проходит обмен информацией с основным контроллером электрического автомобиля (блоком VCM — Vehicle control module).

Слайд 33

Устройство АКБ электрокара Audi E-Tron 36 алюминиевых модулей «консервов», содержащих по 12 элементов «пакетов», в общей сложности 432 элемента. Параллельное соединение 4х элементов в группу, что в общей сложности составляет 108 групп ячеек

Слайд 34

Устройство АКБ электрокара Audi E-Tron Эти 108 групп ячеек соединены вместе последовательно, что эффективно складывает их напряжение в полное номинальное напряжение блока около 390 В, так как каждая группа ячеек имеет номинальное напряжение около 3,6 В. Напряжение батареи падает, когда ячейки почти разряжены, и повышается, когда идёт зарядка. Полностью заряженная батарея с 108 группами ячеек, вероятно, будет иметь напряжение около 450 Вольт

Слайд 35

Устройство АКБ электрокара Audi E-Tron Устройство ячейки

Слайд 36

Устройство АКБ электрокара Audi E-Tron Система охлаждения батарей

Слайд 37

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!