بطاريات للمركبات الهجينة والكهربائية

في مقالنا السابق ، ناقشنا البطارية كمصدر للكهرباء ، وهي ضرورية في المقام الأول لبدء تشغيل السيارة ، وكذلك للتشغيل قصير المدى نسبيًا للمعدات الكهربائية. ومع ذلك ، يتم فرض متطلبات مختلفة تمامًا على خصائص البطاريات المستخدمة في مجال دفع الأجهزة المحمولة الكبيرة ، في حالتنا ، المركبات الهجينة والمركبات الكهربائية. هناك حاجة إلى كمية أكبر من الطاقة المخزنة لتشغيل السيارة وتحتاج إلى تخزينها في مكان ما. في سيارة كلاسيكية بمحرك احتراق داخلي ، يتم تخزينها في الخزان على شكل بنزين أو ديزل أو غاز البترول المسال. في حالة السيارة الكهربائية أو السيارة الهجينة ، يتم تخزينها في بطاريات ، والتي يمكن وصفها بأنها المشكلة الرئيسية في السيارة الكهربائية.

يمكن للمراكم الحالية تخزين القليل من الطاقة ، في حين أنها ضخمة وثقيلة إلى حد ما ، وفي نفس الوقت ، يستغرق الأمر عدة ساعات لإعادة شحنها إلى أقصى حد لها (عادة 8 أو أكثر). في المقابل ، يمكن للمركبات التقليدية ذات محركات الاحتراق الداخلي أن تخزن كمية كبيرة من الطاقة مقارنة بالبطاريات في علبة صغيرة ، بشرط أن يستغرق إعادة الشحن دقيقة واحدة أو دقيقتين فقط. لسوء الحظ ، عانت السيارات الكهربائية من مشكلة تخزين الكهرباء منذ بدايتها ، وعلى الرغم من التقدم الذي لا يمكن إنكاره ، فإن كثافة الطاقة المطلوبة لتشغيل السيارة لا تزال منخفضة للغاية. في السطور التالية ، حفظ البريد الإلكتروني سنناقش الطاقة بمزيد من التفصيل ونحاول تقريب الواقع الحقيقي للسيارات ذات المحرك الكهربائي أو الهجين النقي. هناك العديد من الخرافات حول هذه "السيارات الإلكترونية" ، لذلك لا يضر إلقاء نظرة فاحصة على مزايا أو عيوب مثل هذه المحركات.

لسوء الحظ ، فإن الأرقام التي قدمها المصنعون مشكوك فيها للغاية وهي نظرية إلى حد ما. على سبيل المثال ، تحتوي سيارة Kia Venga على محرك كهربائي بقوة 80 كيلو واط وعزم دوران يبلغ 280 نيوتن متر. يتم توفير الطاقة من خلال بطاريات الليثيوم أيون بسعة 24 كيلو وات في الساعة ، ويقدر المدى التقديري لسيارات Kia Vengy EV وفقًا للشركة المصنعة بـ 180 كم. تخبرنا سعة البطاريات أنها ، مشحونة بالكامل ، يمكنها توفير استهلاك محرك 24 كيلو وات ، أو توفير استهلاك 48 كيلو واط في نصف ساعة ، وما إلى ذلك. إعادة حساب بسيطة ، ولن نتمكن من القيادة لمسافة 180 كم . إذا أردنا التفكير في مثل هذا النطاق ، فسنضطر إلى القيادة بمعدل 60 كم / ساعة لمدة 3 ساعات تقريبًا ، وستكون قوة المحرك فقط عُشر القيمة الاسمية ، أي 8 كيلو واط. بعبارة أخرى ، من خلال رحلة حذرة (دقيقة) حقًا ، حيث من شبه المؤكد أنك ستستخدم الفرامل في العمل ، فإن هذه الرحلة ممكنة نظريًا. بالطبع ، لا نأخذ في الاعتبار تضمين الملحقات الكهربائية المختلفة. يمكن للجميع أن يتخيل بالفعل ما هو إنكار الذات مقارنة بسيارة كلاسيكية. في الوقت نفسه ، تقوم بصب 40 لترًا من وقود الديزل في Venga الكلاسيكية وتقود مئات ومئات الكيلومترات دون قيود. لماذا هو كذلك؟ دعنا نحاول مقارنة مقدار هذه الطاقة ومقدار الوزن الذي يمكن لسيارة كلاسيكية حمله في الخزان ، ومقدار السيارة الكهربائية التي يمكن أن تحملها في البطاريات - اقرأ المزيد هنا.

بعض الحقائق من الكيمياء والفيزياء

• القيمة الحرارية للبنزين: 42,7 ميجا جول / كجم ،
• القيمة الحرارية لوقود الديزل: 41,9 ميجا جول / كجم ،
• كثافة البنزين: 725 كجم / م 3 ،
• كثافة الزيت: 840 كجم / م 3 ،
• جول (J) = [كجم * م 2 / ثانية 2] ،
• واط (W) = [J / s] ،
• 1 ميجا جول = 0,2778 كيلو واط ساعة.

الطاقة هي القدرة على أداء العمل ، وتُقاس بالجول (J) ، كيلوواط / ساعة (kWh). يتجلى العمل (ميكانيكي) من خلال تغيير في الطاقة أثناء حركة الجسم ، وله نفس وحدات الطاقة. تعبر الطاقة عن مقدار العمل المنجز لكل وحدة زمنية ، الوحدة الأساسية هي الواط (W).

القوة المحددة لمصادر الطاقة

مصدر طاقة	القيمة الحرارية / كثافة كجم	القيمة الحرارية / لتر الطاقة / لتر	الطاقة / كجم
الغازولين	42,7 ميجا جول / كجم 725 كجم / م 3	30,96 ميجا جول / لتر 8,60 كيلو واط ساعة / لتر	11,86 كيلو واط ساعة / كجم
بترول	41,9 ميجا جول / كجم 840 كجم / م 3	35,20 ميجا جول / لتر 9,78 كيلو واط ساعة / لتر	11,64 كيلو واط ساعة / كجم
بطارية Li-ion (Audi R8 e-tron)	42 كيلوواط ساعة 470 كجم		0,0893 كيلو واط ساعة / كجم

مما سبق يتضح أنه ، على سبيل المثال ، بقيمة حرارية تبلغ 42,7 ميجا جول / كجم وكثافة 725 كجم / م 3 ، يوفر البنزين طاقة تبلغ 8,60 كيلو واط ساعة لكل لتر أو 11,86 كيلو واط ساعة لكل كيلوجرام. إذا قمنا ببناء البطاريات الحالية التي يتم تركيبها الآن في السيارات الكهربائية ، على سبيل المثال ، ليثيوم أيون ، فإن سعتها أقل من 0,1 كيلو واط في الساعة لكل كيلوغرام (للبساطة ، سننظر في 0,1 كيلو واط في الساعة). يوفر الوقود التقليدي طاقة أكثر من مائة مرة لنفس الوزن. ستفهم أن هذا فرق كبير. إذا قمنا بتقسيمها إلى صغيرة ، على سبيل المثال ، تحمل شيفروليه كروز ببطارية تبلغ 31 كيلو وات في الساعة طاقة يمكن أن تتسع لأقل من 2,6 كجم من البنزين أو ، إذا أردت ، حوالي 3,5 لترًا من البنزين.

يمكنك معرفة كيف يمكن أن تبدأ السيارة الكهربائية على الإطلاق ، وليس أنها لا تزال تحتوي على أكثر من 100 كيلومتر من الطاقة. السبب بسيط. المحرك الكهربائي أكثر كفاءة من حيث تحويل الطاقة المخزنة إلى طاقة ميكانيكية. عادة ، يجب أن تكون كفاءة المحرك 90٪ ، بينما كفاءة محرك الاحتراق الداخلي حوالي 30٪ لمحرك البنزين و 35٪ لمحرك الديزل. لذلك ، لتوفير نفس الطاقة للمحرك الكهربائي ، فهذا يكفي مع احتياطي طاقة أقل بكثير.

سهولة استخدام محركات الأقراص الفردية

بعد تقييم الحساب المبسط ، يُفترض أنه يمكننا الحصول على 2,58 كيلووات ساعة تقريبًا من الطاقة الميكانيكية من لتر من البنزين ، و 3,42 كيلو واط ساعة من لتر وقود الديزل ، و 0,09 كيلو واط ساعة من كيلوجرام بطارية ليثيوم أيون. لذا فإن الفارق ليس أكثر من مائة ضعف ، بل حوالي ثلاثين مرة فقط. هذا هو أفضل رقم ، لكنه ليس ورديًا حقًا. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك سيارة Audi R8 الرياضية. يبلغ وزن بطارياتها المشحونة بالكامل 470 كجم ، وتحتوي على طاقة تعادل 16,3 لترًا من البنزين أو 12,3 لترًا فقط من وقود الديزل. أو ، إذا كان لدينا Audi A4 3,0 TDI بسعة خزان تبلغ 62 لترًا من وقود الديزل وأردنا الحصول على نفس النطاق على محرك بطارية خالص ، فسنحتاج إلى ما يقرب من 2350 كجم من البطاريات. حتى الآن ، لا تمنح هذه الحقيقة السيارة الكهربائية مستقبلًا مشرقًا للغاية. ومع ذلك ، ليست هناك حاجة لرمي بندقية على الجاودار ، حيث سيتم التخلص من الضغط لتطوير مثل هذه "السيارات الإلكترونية" من قبل اللوبي الأخضر القاسي ، لذلك سواء أحب صانعو السيارات ذلك أم لا ، يجب عليهم إنتاج شيء "أخضر. " ". بديل واضح لمحرك كهربائي بحت هو ما يسمى بالهجينة ، والتي تجمع بين محرك احتراق داخلي ومحرك كهربائي. أشهرها حاليًا ، على سبيل المثال ، Toyota Prius (Auris HSD بنفس التكنولوجيا الهجينة) أو Honda Inside. ومع ذلك ، فإن مداها الكهربائي البحت لا يزال مثيرًا للضحك. في الحالة الأولى ، حوالي 2 كم (في أحدث إصدار من Plug In ، تمت زيادته "إلى" 20 كم) ، وفي الحالة الثانية ، لا تطرق هوندا حتى على محرك كهربائي بحت. حتى الآن ، فإن الفعالية الناتجة في الممارسة العملية ليست معجزة كما توحي الدعاية الجماهيرية. لقد أظهر الواقع أنه يمكنهم تلوينها بأي حركة زرقاء (اقتصاد) في الغالب باستخدام التكنولوجيا التقليدية. تكمن ميزة محطة توليد الطاقة الهجينة بشكل أساسي في الاقتصاد في استهلاك الوقود عند القيادة في المدينة. قالت أودي مؤخرًا إنه من الضروري حاليًا تقليل وزن الجسم فقط لتحقيق نفس الاقتصاد في استهلاك الوقود الذي تحققه بعض العلامات التجارية من خلال تثبيت نظام هجين في السيارة. الموديلات الجديدة من بعض السيارات تثبت أيضًا أن هذه ليست صرخة في الظلام. على سبيل المثال ، يستخدم الجيل السابع من فولكس فاجن جولف الذي تم طرحه مؤخرًا مكونات أخف للتعلم منها وفي الواقع يستخدم وقودًا أقل من ذي قبل. اتخذت شركة صناعة السيارات اليابانية Mazda اتجاهًا مشابهًا. على الرغم من هذه الادعاءات ، يستمر تطوير محرك هجين "بعيد المدى". على سبيل المثال ، سوف أذكر أوبل أمبيرا ، وللمفارقة ، النموذج من Audi A1 e-tron.

سهولة استخدام محركات الأقراص الفردية

مصدر طاقة	كفاءة المحرك	الطاقة الفعالة / لتر	الطاقة الفعالة / كجم
الغازولين	0,30	2,58 كيلو واط ساعة / لتر	3,56 كيلو واط ساعة / كجم
بترول	0,35	3,42 كيلو واط ساعة / لتر	4,07 كيلو واط ساعة / كجم
بطاريات أيون الليثيوم	0,90	-	نعم. 0,1 كيلو واط ساعة / كجم

أوبل أمبيرا

على الرغم من أن أوبل أمبيرا تُقدم غالبًا على أنها سيارة كهربائية ، إلا أنها في الواقع سيارة هجينة. بالإضافة إلى المحرك الكهربائي ، يستخدم Ampere أيضًا محرك احتراق داخلي سعة 1,4 لتر 63 كيلو واط. ومع ذلك ، فإن محرك البنزين هذا لا يقود العجلات مباشرة ، ولكنه يعمل كمولد في حالة نفاد الكهرباء من البطاريات. طاقة. يتم تمثيل الجزء الكهربائي بمحرك كهربائي بقوة 111 كيلو واط (150 حصان) وعزم دوران 370 نيوتن متر. يتم تشغيل مصدر الطاقة بواسطة 220 خلية ليثيوم على شكل حرف T. تبلغ طاقتها الإجمالية 16 كيلو وات في الساعة ويزن 180 كجم. يمكن لهذه السيارة الكهربائية أن تقطع مسافة 40-80 كم بمحرك كهربائي بحت. غالبًا ما تكون هذه المسافة كافية للقيادة طوال اليوم في المدينة وتقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل حيث تتطلب حركة المرور في المدينة استهلاكًا كبيرًا للوقود في حالة محركات الاحتراق. يمكن أيضًا إعادة شحن البطاريات من منفذ قياسي ، وعندما يتم دمجها مع محرك الاحتراق الداخلي ، فإن مدى أمبيرا يمتد إلى خمسمائة كيلومتر.

أودي e الكترون A1

قدمت أودي ، التي تفضل محركًا كلاسيكيًا مع تقنية أكثر تقدمًا من محرك الأقراص الهجين الذي يتطلب الكثير من الناحية الفنية ، سيارة A1 e-tron الهجينة المثيرة للاهتمام منذ أكثر من عامين. يتم شحن بطاريات الليثيوم أيون بسعة 12 كيلو وات في الساعة ووزن 150 كجم بواسطة محرك وانكل كجزء من مولد يستخدم الطاقة على شكل بنزين مخزن في خزان سعة 254 لترًا. حجم المحرك 15 متر مكعب. سم ويولد 45 كيلو واط / ساعة el. طاقة. تبلغ قوة المحرك الكهربائي 75 كيلوواط ويمكنه إنتاج ما يصل إلى 0 كيلو واط من الطاقة في وقت قصير. التسارع من 100 إلى 10 حوالي 130 ثانية وتصل سرعته القصوى إلى حوالي 50 كم / ساعة ، ويمكن للسيارة أن تسافر حوالي 12 كم حول المدينة بمحرك كهربائي خالص. بعد نضوب البريد. يتم تنشيط الطاقة بحذر بواسطة محرك الاحتراق الداخلي الدوار وإعادة شحن الكهرباء. الطاقة للبطاريات. يبلغ المدى الإجمالي للبطاريات المشحونة بالكامل و 250 لترًا من البنزين حوالي 1,9 كم بمتوسط ​​استهلاك 100 لتر لكل 1450 كم. وزن التشغيل للمركبة 12 كجم. دعنا نلقي نظرة على تحويل بسيط لنرى في المقارنة المباشرة مقدار الطاقة المخبأة في خزان سعة 30 لترًا. بافتراض كفاءة محرك Wankel الحديث بنسبة 70 ٪ ، فإن 9 كجم منه ، إلى جانب 12 كجم (31 لترًا) من البنزين ، ما يعادل 79 كيلووات ساعة من الطاقة المخزنة في البطاريات. لذا فإن 387,5 كجم من المحرك والخزان = 1 كجم من البطاريات (محسوبة بأوزان Audi A9 e-Tron). إذا أردنا زيادة خزان الوقود بمقدار 62 لترًا ، فسيكون لدينا بالفعل XNUMX كيلو وات في الساعة من الطاقة المتاحة لتشغيل السيارة. حتى نتمكن من الاستمرار. لكن يجب أن يكون لديه صيد واحد. لن تكون سيارة "خضراء" بعد الآن. لذلك حتى هنا ، من الواضح أن المحرك الكهربائي محدود بشكل كبير بكثافة طاقة الطاقة المخزنة في البطاريات.

على وجه الخصوص ، أدى السعر الأعلى والوزن المرتفع إلى حقيقة أن محرك الأقراص الهجين في أودي قد تلاشى تدريجياً في الخلفية. ومع ذلك ، هذا لا يعني أن تطوير السيارات الهجينة والمركبات الكهربائية في أودي قد انخفض تمامًا. ظهرت معلومات حول الإصدار الجديد من طراز A1 e-tron مؤخرًا. مقارنة بالمحرك السابق ، تم استبدال المحرك / المولد الدوار بمحرك توربيني ثلاثي الأسطوانات سعة 1,5 كيلو وات وسعة 94 لتر. تم إجبار Audi على استخدام وحدة الاحتراق الداخلي الكلاسيكية بشكل أساسي بسبب الصعوبات المرتبطة بهذا ناقل الحركة ، وتم تصميم المحرك الجديد ثلاثي الأسطوانات ليس فقط لشحن البطاريات ، ولكن أيضًا للعمل مباشرة مع عجلات القيادة. تتمتع بطاريات سانيو بإنتاج مماثل يبلغ 12 كيلو وات في الساعة ، وقد تم زيادة نطاق المحرك الكهربائي البحت بشكل طفيف إلى حوالي 80 كم. تقول أودي إن معدل A1 e-tron الذي تمت ترقيته يجب أن يكون في المتوسط ​​لتر واحد لكل مائة كيلومتر. لسوء الحظ ، فإن هذه النفقات بها عقبة واحدة. للمركبات الهجينة ذات المدى الكهربائي النقي الممتد. يستخدم محرك الأقراص تقنية مثيرة للاهتمام لحساب معدل التدفق النهائي. يتم تجاهل الاستهلاك المزعوم. للتزود بالوقود من شبكة شحن البطارية ، وكذلك الاستهلاك النهائي لتر / 100 كم ، تأخذ في الاعتبار فقط استهلاك البنزين لآخر 20 كم من القيادة ، عندما يكون هناك كهرباء. شحن البطارية. بحساب بسيط للغاية ، يمكننا حساب هذا إذا تم تفريغ البطاريات بشكل مناسب. سافرنا بعد انقطاع التيار الكهربائي. الطاقة من بطاريات البنزين البحتة ، ونتيجة لذلك ، سيزداد الاستهلاك خمس مرات ، أي 5 لترات من البنزين لكل 100 كيلومتر.

أودي A1 e-tron II. توليد

مشاكل تخزين الكهرباء

إن مسألة تخزين الطاقة قديمة قدم الهندسة الكهربائية نفسها. كانت المصادر الأولى للكهرباء هي الخلايا الجلفانية. بعد وقت قصير ، تم اكتشاف إمكانية حدوث عملية عكسية لتراكم الكهرباء في الخلايا الثانوية الجلفانية - البطاريات. كانت البطاريات المستخدمة الأولى هي بطاريات الرصاص ، بعد وقت قصير من النيكل والحديد وبعد ذلك بقليل من النيكل والكادميوم ، واستمر استخدامها العملي لأكثر من مائة عام. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه على الرغم من البحث العالمي المكثف في هذا المجال ، إلا أن تصميمها الأساسي لم يتغير كثيرًا. باستخدام تقنيات التصنيع الجديدة ، وتحسين خصائص المواد الأساسية واستخدام مواد جديدة لفواصل الخلايا والأوعية ، كان من الممكن تقليل الثقل النوعي بشكل طفيف ، وتقليل التفريغ الذاتي للخلايا ، وزيادة راحة وسلامة المشغل ، ولكن ذلك حول هذا الموضوع. العيب الأكثر أهمية ، أي. بقيت نسبة غير مواتية للغاية من كمية الطاقة المخزنة إلى وزن وحجم البطاريات. لذلك ، تم استخدام هذه البطاريات بشكل أساسي في التطبيقات الثابتة (إمدادات الطاقة الاحتياطية في حالة فشل مصدر الطاقة الرئيسي ، وما إلى ذلك). تم استخدام البطاريات كمصدر للطاقة لأنظمة الجر ، خاصة على السكك الحديدية (عربات النقل) ، حيث لا يتداخل الوزن الثقيل والأبعاد الكبيرة أيضًا كثيرًا.

التقدم في تخزين الطاقة

ومع ذلك ، فقد زادت الحاجة إلى تطوير خلايا ذات قدرات وأبعاد صغيرة في ساعات الأمبير. وهكذا ، تم تشكيل خلايا أولية قلوية وإصدارات مختومة من النيكل والكادميوم (NiCd) ثم بطاريات هيدريد النيكل المعدني (NiMH). لتغليف الخلايا ، تم اختيار نفس أشكال وأحجام الغلاف لخلايا كلوريد الزنك الأولية التقليدية حتى الآن. على وجه الخصوص ، فإن المعلمات المحققة لبطاريات هيدريد معدن النيكل تجعل من الممكن استخدامها ، على وجه الخصوص ، في الهواتف المحمولة ، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، ومحركات الأقراص اليدوية للأدوات ، وما إلى ذلك. تختلف تكنولوجيا تصنيع هذه الخلايا عن التقنيات المستخدمة للخلايا ذات سعة كبيرة بالساعة امبير. يتم استبدال الترتيب الرقائقي لنظام القطب الكهربائي ذو الخلية الكبيرة بتقنية تحويل نظام القطب الكهربائي ، بما في ذلك الفواصل ، إلى ملف أسطواني ، يتم إدخاله والتلامس مع الخلايا ذات الشكل العادي بأحجام AAA و AA و C و D ، على التوالي. مضاعفات حجمها. بالنسبة لبعض التطبيقات الخاصة ، يتم إنتاج خلايا مسطحة خاصة.

إن ميزة الخلايا المحكم ذات الأقطاب الكهربائية الحلزونية هي قدرة أكبر عدة مرات على الشحن والتفريغ بتيارات عالية ونسبة كثافة الطاقة النسبية إلى وزن الخلية وحجمها مقارنةً بتصميم الخلية الكبيرة الكلاسيكي. العيب هو المزيد من التفريغ الذاتي ودورات عمل أقل. تبلغ السعة القصوى لخلية NiMH الواحدة حوالي 10 آه. ولكن ، كما هو الحال مع الأسطوانات الأخرى ذات القطر الأكبر ، لا تسمح بشحن التيارات العالية جدًا بسبب مشكلة تبديد الحرارة ، مما يقلل بشكل كبير من الاستخدام في السيارات الكهربائية ، وبالتالي يتم استخدام هذا المصدر فقط كبطارية إضافية في نظام هجين (Toyota Prius 1,3 .XNUMX كيلو واط ساعة).

كان التقدم الكبير في مجال تخزين الطاقة هو تطوير بطاريات الليثيوم الآمنة. الليثيوم عنصر ذو قيمة كهروكيميائية عالية ، ولكنه أيضًا شديد التفاعل من حيث الأكسدة ، مما يسبب أيضًا مشاكل عند استخدام معدن الليثيوم في الممارسة. عندما يتلامس الليثيوم مع الأكسجين الجوي ، يحدث الاحتراق ، والذي يمكن أن يكون له طابع الانفجار ، اعتمادًا على خصائص البيئة. يمكن القضاء على هذه الخاصية غير السارة إما عن طريق حماية السطح بعناية ، أو باستخدام مركبات الليثيوم الأقل نشاطًا. حاليًا ، أكثر بطاريات الليثيوم أيون وبوليمر الليثيوم شيوعًا بسعة 2 إلى 4 آه في ساعات الأمبير. يشبه استخدامها استخدام NiMh ، وبمتوسط ​​جهد تفريغ يبلغ 3,2 فولت ، يتوفر 6 إلى 13 واط من الطاقة. مقارنة ببطاريات هيدريد النيكل والمعدن ، يمكن لبطاريات الليثيوم تخزين طاقة أكبر بمرتين إلى أربع مرات لنفس الحجم. تحتوي بطاريات ليثيوم أيون (بوليمر) على إلكتروليت في صورة هلامية أو صلبة ويمكن تصنيعها في خلايا مسطحة بسمك يصل إلى بضعة أعشار من المليمتر في أي شكل تقريبًا ليناسب احتياجات التطبيق المعني.

يمكن صنع المحرك الكهربائي في سيارة ركاب ليكون المحرك الرئيسي والوحيدة (السيارة الكهربائية) أو مجتمعة ، حيث يمكن أن يكون المحرك الكهربائي هو المصدر الرئيسي والمساعد للجر (محرك هجين). اعتمادًا على المتغير المستخدم ، تختلف متطلبات الطاقة لتشغيل السيارة وبالتالي سعة البطاريات. في السيارات الكهربائية ، تتراوح سعة البطارية بين 25 و 50 كيلو واط في الساعة ، ومع محرك هجين ، تكون أقل بشكل طبيعي وتتراوح من 1 إلى 10 كيلو واط في الساعة. من القيم المعطاة ، يمكن ملاحظة أنه عند جهد لخلية واحدة (ليثيوم) تبلغ 3,6 فولت ، من الضروري توصيل الخلايا في سلسلة. من أجل تقليل الخسائر في موصلات التوزيع والمحولات ولفات المحرك ، يوصى باختيار جهد أعلى من المعتاد في الشبكة الداخلية (12 فولت) لمحركات الأقراص - تتراوح القيم الشائعة الاستخدام من 250 إلى 500 فولت. اليوم ، من الواضح أن خلايا الليثيوم هي النوع الأنسب. من المسلم به أنها لا تزال باهظة الثمن ، خاصة عند مقارنتها ببطاريات الرصاص الحمضية. ومع ذلك ، فهي أكثر صعوبة.

الجهد الاسمي لخلايا بطارية الليثيوم التقليدية هو 3,6 فولت. تختلف هذه القيمة عن خلايا هيدريد معدن النيكل التقليدية ، على التوالي. NiCd ، التي لها جهد اسمي يبلغ 1,2 فولت (أو رصاص - 2 فولت) ، والتي ، إذا تم استخدامها في الممارسة العملية ، لا تسمح بالتبادل من كلا النوعين. يتميز شحن بطاريات الليثيوم هذه بالحاجة إلى الحفاظ بدقة شديدة على قيمة أقصى جهد شحن ، الأمر الذي يتطلب نوعًا خاصًا من الشاحن ، وعلى وجه الخصوص ، لا يسمح باستخدام أنظمة الشحن المصممة لأنواع أخرى من الخلايا.

الخصائص الرئيسية لبطاريات الليثيوم

يمكن اعتبار الخصائص الرئيسية لبطاريات السيارات الكهربائية والهجينة خصائص الشحن والتفريغ.

خاصية الشحن 

تتطلب عملية الشحن تنظيم تيار الشحن ، ولا يمكن تخطي التحكم في جهد الخلية والتحكم في درجة الحرارة الحالية. بالنسبة لخلايا الليثيوم المستخدمة اليوم والتي تستخدم LiCoO2 كقطب كاثود ، فإن الحد الأقصى لجهد الشحن هو 4,20 إلى 4,22 فولت لكل خلية. يؤدي تجاوز هذه القيمة إلى إتلاف خصائص الخلية ، وعلى العكس من ذلك ، فإن الفشل في الوصول إلى هذه القيمة يعني عدم استخدام سعة الخلية الاسمية. للشحن ، يتم استخدام خاصية IU المعتادة ، أي في المرحلة الأولى يتم شحنها بتيار ثابت حتى يتم الوصول إلى جهد 4,20 فولت / خلية. يقتصر تيار الشحن على الحد الأقصى للقيمة المسموح بها المحددة من قبل الشركة المصنعة للخلية ، على التوالي. خيارات الشاحن. يختلف وقت الشحن في المرحلة الأولى من عدة عشرات من الدقائق إلى عدة ساعات ، اعتمادًا على حجم تيار الشحن. يزداد جهد الخلية تدريجيًا إلى الحد الأقصى. قيم 4,2 فولت كما سبق ذكره ، لا ينبغي تجاوز هذا الجهد بسبب خطر تلف الخلية. في المرحلة الأولى من الشحن ، يتم تخزين 70 إلى 80٪ من الطاقة في الخلايا ، وفي المرحلة الثانية يتم تخزين الباقي. في المرحلة الثانية ، يتم الحفاظ على جهد الشحن عند الحد الأقصى للقيمة المسموح بها ، وينخفض ​​تيار الشحن تدريجيًا. يكتمل الشحن عندما ينخفض ​​التيار إلى حوالي 2-3٪ من تيار التفريغ المقدر للخلية. نظرًا لأن القيمة القصوى لتيارات الشحن في حالة الخلايا الأصغر تكون أيضًا أعلى بعدة مرات من تيار التفريغ ، يمكن توفير جزء كبير من الكهرباء في مرحلة الشحن الأولى. الطاقة في وقت قصير نسبيًا (حوالي وساعة واحدة). وبالتالي ، في حالة الطوارئ ، يمكن شحن بطاريات السيارة الكهربائية بسعة كافية في وقت قصير نسبيًا. حتى في حالة خلايا الليثيوم ، تقل الكهرباء المتراكمة بعد فترة تخزين معينة. ومع ذلك ، لا يحدث هذا إلا بعد حوالي 1 أشهر من التوقف.

خصائص التفريغ

ينخفض ​​الجهد أولاً بسرعة إلى 3,6-3,0 فولت (اعتمادًا على حجم تيار التفريغ) ويظل ثابتًا تقريبًا طوال التفريغ بأكمله. بعد استنفاد توريد البريد الإلكتروني. تعمل الطاقة أيضًا على خفض جهد الخلية بسرعة كبيرة. لذلك ، يجب إكمال التفريغ في موعد لا يتجاوز جهد التفريغ المحدد من الشركة المصنعة والذي يبلغ 2,7 إلى 3,0 فولت.

خلاف ذلك ، قد يتلف هيكل المنتج. من السهل نسبيًا التحكم في عملية التفريغ. يقتصر فقط على قيمة التيار ويتوقف عند الوصول إلى قيمة جهد التفريغ النهائي. المشكلة الوحيدة هي أن خصائص الخلايا الفردية في الترتيب التسلسلي ليست هي نفسها أبدًا. لذلك ، يجب توخي الحذر للتأكد من أن جهد أي خلية لا ينخفض ​​عن جهد التفريغ النهائي ، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى إتلافها وبالتالي يتسبب في تعطل البطارية بالكامل. يجب مراعاة نفس الشيء عند شحن البطارية.

النوع المذكور من خلايا الليثيوم مع مادة كاثود مختلفة ، حيث يتم استبدال أكسيد الكوبالت أو النيكل أو المنغنيز بالفوسفيد Li3V2 (PO4) 3 ، يزيل المخاطر المذكورة لتلف الخلية بسبب عدم الامتثال. الخلايا ذات قدرة أعلى. تم الإعلان أيضًا عن عمر الخدمة المعلن لحوالي دورتين شحن (عند تفريغ 2 ٪) وخاصة حقيقة أنه عندما يتم تفريغ الخلية بالكامل ، لن تتضرر. الميزة هي أيضًا جهد اسمي أعلى يبلغ حوالي 000 عند الشحن حتى 80 فولت.

من الوصف أعلاه ، يمكن الإشارة بوضوح إلى أن بطاريات الليثيوم هي حاليًا البديل الوحيد مثل تخزين الطاقة لقيادة السيارة مقارنة بالطاقة المخزنة في الوقود الأحفوري في خزان الوقود. ستؤدي أي زيادة في السعة المحددة للبطارية إلى زيادة القدرة التنافسية لمحرك الأقراص هذا الصديق للبيئة. لا يسعنا إلا أن نأمل ألا تتباطأ التنمية ، بل على العكس من ذلك ، تتحرك إلى الأمام عدة أميال.

أمثلة على المركبات التي تستخدم البطاريات الهجينة والكهربائية

تويوتا بريوس هي سيارة هجينة كلاسيكية مع احتياطي طاقة منخفض على الكهرباء النقية. قائد

تستخدم Toyota Prius بطارية NiMH بقوة 1,3 كيلو وات في الساعة ، والتي تُستخدم أساسًا كمصدر طاقة للتسريع وتسمح باستخدام محرك كهربائي منفصل لمسافة تبلغ حوالي 2 كم كحد أقصى. بسرعة 50 كم / ساعة ، يستخدم إصدار Plug-In بالفعل بطاريات ليثيوم أيون بسعة 5,4 كيلو وات في الساعة ، مما يسمح لك بالقيادة حصريًا على محرك كهربائي لمسافة 14-20 كم بأقصى سرعة. السرعة 100 كم / ساعة.

Opel Ampere-hybrid مع زيادة احتياطي الطاقة على البريد الإلكتروني الخالص. قائد

السيارة الكهربائية ذات مدى ممتد (40-80 كم) ، كما تسمي أوبل سيارة Amper ذات الخمسة أبواب ذات الأربعة مقاعد ، تعمل بمحرك كهربائي بقوة 111 كيلو واط (150 حصان) وعزم دوران 370 نيوتن متر. يتم تشغيل مصدر الطاقة بواسطة 220 خلية ليثيوم على شكل حرف T. تبلغ طاقتها الإجمالية 16 كيلو وات في الساعة ويزن 180 كجم. المولد هو محرك بنزين سعة 1,4 لتر بقوة 63 كيلو واط.

Mitsubishi و MiEV و Citroën C-Zero و Peugeot iOn-clean el. سيارات

تسمح بطاريات ليثيوم أيون بسعة 16 كيلو وات في الساعة للسيارة بالسفر لمسافة تصل إلى 150 كم دون إعادة الشحن ، وفقًا للقياس وفقًا لمعيار NEDC (دورة القيادة الأوروبية الجديدة). توجد البطاريات عالية الجهد (330 فولت) داخل الأرضية وهي محمية أيضًا بواسطة إطار المهد من التلف في حالة حدوث تصادم. إنه منتج لشركة Lithium Energy Japan ، وهي مشروع مشترك بين Mitsubishi و GS Yuasa Corporation. هناك 88 مقالة في المجموع. يتم توفير الكهرباء لمحرك الأقراص بواسطة بطارية ليثيوم أيون بقوة 330 فولت ، تتكون من 88 خلية بقدرة 50 أمبير في الساعة بسعة إجمالية تبلغ 16 كيلو واط في الساعة. سيتم شحن البطارية من مأخذ منزلي في غضون ست ساعات ، باستخدام شاحن سريع خارجي (125 أمبير ، 400 فولت) ، وسيتم شحن البطارية إلى 80٪ في نصف ساعة.

أنا شخصياً من أشد المعجبين بالسيارات الكهربائية وأراقب باستمرار ما يحدث في هذا المجال ، لكن الواقع في الوقت الحالي ليس متفائلاً. تم تأكيد ذلك أيضًا من خلال المعلومات الواردة أعلاه ، والتي تظهر أن حياة كل من السيارات الكهربائية والهجينة النقية ليست سهلة ، وغالبًا ما تتظاهر لعبة الأرقام بذلك. لا يزال إنتاجها متطلبًا ومكلفًا للغاية ، وفعاليتها قابلة للنقاش مرارًا وتكرارًا. العيب الرئيسي للمركبات الكهربائية (الهجينة) هو السعة النوعية المنخفضة للغاية للطاقة المخزنة في البطاريات مقارنة بالطاقة المخزنة في الوقود التقليدي (الديزل ، والبنزين ، وغاز البترول المسال ، والغاز الطبيعي المضغوط). لجعل قوة السيارات الكهربائية أقرب إلى السيارات التقليدية ، يجب أن تخفض البطاريات وزنها بما لا يقل عن العُشر. هذا يعني أنه كان على سيارة Audi R8 e-tron المذكورة تخزين 42 كيلو واط في الساعة ليس في 470 كجم ، ولكن في 47 كجم. بالإضافة إلى ذلك ، يجب تقليل وقت الشحن بشكل كبير. حوالي ساعة بسعة 70-80٪ لا تزال كثيرة ، وأنا لا أتحدث عن 6-8 ساعات في المتوسط ​​بشحنة كاملة. ليست هناك حاجة لتصديق الهراء حول إنتاج صفر للسيارات الكهربائية ثاني أكسيد الكربون أيضًا. دعونا نلاحظ على الفور حقيقة ذلك يتم توليد الطاقة في مآخذنا أيضًا عن طريق محطات الطاقة الحرارية ، ولا تنتج فقط ما يكفي من ثاني أكسيد الكربون. ناهيك عن الإنتاج الأكثر تعقيدًا لمثل هذه السيارة ، حيث تكون الحاجة إلى ثاني أكسيد الكربون للإنتاج أكبر بكثير منها في السيارة الكلاسيكية. يجب ألا ننسى عدد المكونات التي تحتوي على مواد ثقيلة وسامة وإشكالية التخلص منها لاحقًا.

مع كل السلبيات المذكورة وغير المذكورة ، تتمتع السيارة الكهربائية (الهجينة) أيضًا بمزايا لا يمكن إنكارها. في حركة المرور في المدن أو على مسافات أقصر ، لا يمكن إنكار تشغيلها الأكثر اقتصادا ، فقط بسبب مبدأ تخزين الطاقة (الاسترداد) أثناء الكبح ، عندما يتم إزالتها في المركبات التقليدية أثناء الكبح في شكل حرارة مهدرة في الهواء ، وليس اذكر إمكانية القيادة على بعد بضعة كيلومترات بالسيارة حول المدينة لإعادة الشحن بتكلفة زهيدة من البريد الإلكتروني العام. شبكة. إذا قارنا سيارة كهربائية نقية وسيارة كلاسيكية ، ففي السيارة التقليدية يوجد محرك احتراق داخلي ، وهو في حد ذاته عنصر ميكانيكي معقد إلى حد ما. يجب نقل قوتها إلى العجلات بطريقة ما ، ويتم ذلك في الغالب من خلال ناقل حركة يدوي أو أوتوماتيكي. لا يزال هناك تفاضل واحد أو أكثر في الطريق ، وأحيانًا يكون هناك أيضًا عمود إدارة وسلسلة من أعمدة المحور. بالطبع ، تحتاج السيارة أيضًا إلى الإبطاء ، ويحتاج المحرك إلى التبريد ، وتضيع هذه الطاقة الحرارية بلا فائدة في البيئة كحرارة متبقية. السيارة الكهربائية أكثر كفاءة وأبسط بكثير - (لا تنطبق على محرك هجين ، وهو معقد للغاية). لا تحتوي السيارة الكهربائية على علب تروس أو علب تروس أو كاردان أو نصف أعمدة ، ننسى المحرك في الأمام أو الخلف أو في المنتصف. لا يحتوي على المبرد ، أي المبرد والبادئ. ميزة السيارة الكهربائية هي أنها تستطيع تركيب المحركات مباشرة في العجلات. وفجأة أصبح لديك ATV المثالي الذي يمكنه التحكم في كل عجلة بشكل مستقل عن الأخرى. لذلك ، مع السيارة الكهربائية ، لن يكون من الصعب التحكم في عجلة واحدة فقط ، ومن الممكن أيضًا تحديد والتحكم في التوزيع الأمثل للطاقة عند المنعطفات. يمكن أن يكون كل محرك أيضًا فرامل ، مرة أخرى مستقلة تمامًا عن العجلات الأخرى ، والتي تحول على الأقل بعض الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية. نتيجة لذلك ، ستتعرض الفرامل التقليدية لضغط أقل بكثير. يمكن للمحركات إنتاج أقصى طاقة متوفرة في أي وقت تقريبًا وبدون تأخير. تبلغ كفاءتها في تحويل الطاقة المخزنة في البطاريات إلى طاقة حركية حوالي 90٪ ، أي حوالي ثلاثة أضعاف كفاءة المحركات التقليدية. وبالتالي ، فإنها لا تولد قدرًا كبيرًا من الحرارة المتبقية ولا تحتاج إلى أن يكون من الصعب تبريدها. كل ما تحتاجه لهذا هو جهاز جيد ووحدة تحكم ومبرمج جيد.

سوما سوماروم. إذا كانت السيارات الكهربائية أو الهجينة أقرب إلى السيارات الكلاسيكية ذات المحركات الموفرة للوقود ، فلا يزال أمامها طريق صعب وصعب للغاية. آمل فقط ألا يتم تأكيد ذلك من خلال عدد من الأرقام المضللة أو. ضغوط مبالغ فيها من المسؤولين. لكن دعونا لا تيأس. إن تطوير تقنية النانو يسير بسرعة فائقة ، وربما تكون المعجزات في انتظارنا في المستقبل القريب.

أخيرًا ، سأضيف شيئًا آخر مثيرًا للاهتمام. توجد بالفعل محطة للتزود بالوقود بالطاقة الشمسية.

طورت شركة Toyota Industries Corp (TIC) محطة شحن بالطاقة الشمسية للسيارات الكهربائية والهجينة. ترتبط المحطة أيضًا بشبكة الطاقة ، لذا فإن الألواح الشمسية التي تبلغ 1,9 كيلو وات هي مصدر إضافي للطاقة على الأرجح. باستخدام مصدر طاقة (شمسي) قائم بذاته ، يمكن لمحطة الشحن توفير طاقة قصوى تبلغ 110 فولت تيار متردد / 1,5 كيلو واط ، عند توصيلها بالتيار الكهربائي ، فإنها توفر بحد أقصى 220 فولت تيار متردد / 3,2 كيلو واط.

يتم تخزين الكهرباء غير المستخدمة من الألواح الشمسية في بطاريات يمكن أن تخزن 8,4 كيلو واط في الساعة لاستخدامها لاحقًا. من الممكن أيضًا توفير الكهرباء لشبكة التوزيع أو ملحقات محطة الإمداد. تحتوي منصات الشحن المستخدمة في المحطة على تقنية اتصالات مدمجة قادرة على تحديد المركبات وفقًا لذلك. أصحابها يستخدمون البطاقات الذكية.

شروط مهمة للبطاريات

• قوة - يشير إلى كمية الشحنة الكهربائية (كمية الطاقة) المخزنة في البطارية. يتم تحديده بساعات الأمبير (آه) أو ، في حالة الأجهزة الصغيرة ، بالمللي أمبير في الساعة (مللي أمبير). بطارية 1 Ah (= 1000 مللي أمبير) قادرة نظريًا على توصيل 1 أمبير لمدة ساعة واحدة.
• المقاومة الداخلية - يشير إلى قدرة البطارية على توفير تيار تفريغ أكثر أو أقل. للتوضيح ، يمكن استخدام عبوتين ، إحداهما بمخرج أصغر (مقاومة داخلية عالية) والأخرى بمخرج أكبر (مقاومة داخلية منخفضة). إذا قررنا تفريغها ، فإن العلبة ذات فتحة التصريف الأصغر ستفرغ ببطء أكبر.
• الجهد الكهربائي للبطارية - بالنسبة لبطاريات النيكل والكادميوم وهيدريد معدن النيكل ، يكون 1,2 فولت ، والرصاص 2 فولت ، والليثيوم من 3,6 إلى 4,2 فولت. أثناء التشغيل ، يختلف هذا الجهد في نطاق 0,8 - 1,5 فولت بالنسبة لبطاريات النيكل والكادميوم وهيدريد معدن النيكل ، 1,7 - 2,3 فولت للرصاص و3-4,2 و 3,5-4,9 للليثيوم.
• تيار الشحن ، تيار التفريغ - معبراً عنها بالأمبير (A) أو المللي أمبير (mA). هذه معلومات مهمة للاستخدام العملي للبطارية المعنية لجهاز معين. كما تحدد شروط الشحن والتفريغ الصحيحين للبطارية بحيث يتم استخدام سعتها إلى أقصى حد وفي نفس الوقت لا يتم إتلافها.
• حساب الشحن. منحنى التفريغ - يعرض بيانياً التغير في الجهد حسب الوقت عند شحن البطارية أو تفريغها. عندما يتم تفريغ البطارية ، عادة ما يكون هناك تغيير طفيف في الجهد لحوالي 90٪ من وقت التفريغ. لذلك ، من الصعب للغاية تحديد الحالة الحالية للبطارية من الجهد المقاس.
• التفريغ الذاتي ، التفريغ الذاتي - لا تستطيع البطارية الحفاظ على الكهرباء طوال الوقت. الطاقة ، لأن التفاعل عند الأقطاب الكهربائية هو عملية قابلة للعكس. يتم تفريغ البطارية المشحونة تدريجيًا من تلقاء نفسها. يمكن أن تستغرق هذه العملية من عدة أسابيع إلى شهور. في حالة بطاريات الرصاص الحمضية ، يكون هذا 5-20٪ شهريًا ، لبطاريات النيكل والكادميوم - حوالي 1٪ من الشحن الكهربائي يوميًا ، في حالة بطاريات هيدريد معدن النيكل - حوالي 15-20٪ لكل الشهر ، ويفقد الليثيوم حوالي 60٪. القدرة لمدة ثلاثة أشهر. يعتمد التفريغ الذاتي على درجة الحرارة المحيطة بالإضافة إلى المقاومة الداخلية (البطاريات ذات المقاومة الداخلية الأعلى تفريغ أقل) وبالطبع فإن التصميم والمواد المستخدمة والصنعة مهمة أيضًا.
•  البطارية (مجموعات) - في حالات استثنائية فقط ، يتم استخدام البطاريات بشكل فردي. عادة ما يتم توصيلهم في مجموعة ، دائمًا ما يكونون متصلين في سلسلة. الحد الأقصى الحالي لهذه المجموعة يساوي الحد الأقصى الحالي لخلية فردية ، والجهد المقدر هو مجموع الفولتية المقدرة للخلايا الفردية.
•  تراكم البطاريات.  يجب أن تخضع البطارية الجديدة أو غير المستخدمة لواحد ولكن يفضل عدة (3-5) دورات شحن كاملة بطيئة وبطء التفريغ. تحدد هذه العملية البطيئة معلمات البطارية إلى المستوى المطلوب.
•  تأثير الذاكرة - يحدث هذا عندما يتم شحن البطارية وتفريغها إلى نفس المستوى مع تيار ثابت تقريبًا ، وليس الكثير من التيار ، ويجب ألا يكون هناك شحن كامل أو تفريغ عميق للخلية. أثر هذا التأثير الجانبي على NiCd (الحد الأدنى أيضًا من NiMH).