Тяговые батареи электробусов
Литий-ионные термостатируемые модули тяговых батарей имеют напряжение 153.5 В, что дает возможность их компоновки под любое напряжение привода: 615 В – распространенное в России и странах СНГ и 768 В – используемое в других странах.
Основные преимущества тяговых батарей Лиотех на основе LFP аккумуляторов:
Оснащение системой контроля и управления (СКУ) – возможность удаленно получать данные и управлять работой системы
Собственная автономная система термостатирования – широкий диапазон рабочих температур
Безопасность – батареи взрыво- и пожаробезопасны, входящие в них аккумуляторы герметичны и не содержат токсичных материалов
Использование элементной базы, предназначенной для автомобилестроения – устойчивость батарей к динамическим нагрузкам
Сопровождение продукта на жизненном цикле от инженерного решения до утилизации – собственная служба сервиса и технического обслуживания
Возможность обучения персонала эксплуатирующей организации по заводской программе
Модульная тяговая литий-ионная батарея с воздушным охлаждением (система накопления энергии СНЭ 88ТТИв) конструктивно выполняется в 4-х модульном исполнении. Аналогичная батарея с гибридным охлаждением (система накопления энергии СНЭ 88ТТИг) выполняется в 5-ти модульном исполнении: 4 аккумуляторных модуля и модуль системы охлаждения. Обе модификации предназначены для размещения модулей как внутри салона, так и на крыше электробуса.
В Москве началось строительство завода батарей для электротранспорта
Российские электробусы и электрокары будут ходить с отечественными батареями — завод по их производству начали строить в Новой Москве.
«Без этого невозможно представить создание собственного электромобиля, — заявил мэр Сергей Собянин. — Батарея — важнейший элемент, ее стоимость составляет треть от цены всей машины».
Столица постепенно расширяет парк отечественных электробусов и готовит проект электрокара «Москвич», при этом батареи приходится покупать в Китае. Наши аккумуляторы должны стать дешевле и надежнее, соответственно увеличится автономный ход транспорта и снизится цена электрических велосипедов, машин, общественного транспорта.
Завод решили построить в Новой Москве — недалеко от крупнейшего в Европе электробусного парка в Красной Пахре. Производить батареи будет одна из дочерних компаний «Росатома». Партнер — «КАМАЗ», задействованный в разработке электрического «Москвича» и один из главных поставщиков электробусов. «Наше постоянное взаимодействие с «Росатомом» позволит нам сделать современный продукт по требуемой себестоимости», — заявил гендиректор «КАМАЗа» Сергей Когогин. Власти столицы обязуются построить все производственные здания всего за год, а «Росатом» — в кратчайшие сроки оснастить завод необходимым оборудованием и начать выпуск батарей.
Участок под строительство площадью 160 тысяч квадратных метров уже выделен, на нем уже работает спецтехника. Ожидается, что на заводе будет создано 900 рабочих мест.
В год рассчитывают производить 50 тысяч аккумуляторов для авто, электросудов, трамваев и электробусов. Благодаря новейшим технологиям удастся улучшить характеристики продукции, емкость батарей вырастет, как и автономный ход машин. Например, электробусы смогут проехать без подзарядки 180 км (на 50 больше, чем сейчас), «Москвичи» — 515 км (плюс 105). Хотя емкость аккумуляторов увеличится, их масса останется прежней, а скорость зарядки увеличится на 15 процентов.
«Технологии будут развиваться, масштабироваться, — подчеркнул первый заместитель гендиректора «Росатома» Александр Локшин. — Мы получаем надежных партнеров и, что очень важно при масштабировании, гарантированный рынок сбыта для большей части производимой продукции. Поэтому есть все основания утверждать, что мы выполним взятые на себя обязательства, и Москва получит электротранспорт нового поколения». Завод будет загружен работой на ближайшие годы — это обязательство закреплено в офсетном контракте. За шесть лет будет куплено 155 тысяч аккумуляторов для электросудов, электробусов и другого общественного транспорта на 172 млрд рублей.
По оценкам мэрии, завод будет достроен в 2024 году и тогда же начнет работу.
Это электробус: что мы знаем о транспорте с батарейкой
После появления первого электротранспорта в XIX веке и второго всплеска популярности в 70-х годах XX века электробусы вновь вышли на улицы городов. О том, что повлияло на их развитие и как изменились технологии: от создания ёмких аккумуляторов до развития зарядной инфраструктуры — можно узнать в нашей новой статье.
Первый электротранспорт: привет из XIX века
Электромобили появились задолго до машин с двигателем внутреннего сгорания. Готтлиб Даймлер и Карл Бенц запатентовали первые самодвижущиеся повозки с бензиновым ДВС в 1886 году, тогда как первый электромобиль для перевозки людей был представлен в 1837 году. Из-за высокой стоимости и низкой эффективности первые электромобили не могли тягаться с машинами с паровым двигателем. Стоимость обслуживания авто с цинковым аккумулятором в 40 раз превышала цену обслуживания паровой машины на угле.
После появления доступных свинцово-кислотных аккумуляторов электромобили успели ненадолго войти в моду. В 1890 году американец Уильям Моррисон построил первый электробус — автомобиль вместимостью 6 человек, развивающий скорость до 19 км/ч и проезжающий на одном заряде до 160 км. 24 батареи, весившие в сумме почти 350 кг, выдавали ток 112 А с напряжением 58 В и требовали для полной перезарядки 10 часов.
Электробус Уильяма Моррисона. Источник: american-automobiles.ru
В самом начале XX века в Лондоне на маршрутах городского транспорта успешно работали 20 электробусов, на то время более эффективные и экономичные, чем их бензиновые аналоги. Одного заряда аккумулятора хватало на 60 км пути, поэтому на конечных станциях опустевшие батареи заменяли на новые — процесс занимал всего три минуты.
Лондонский электробус со съемной батареей – прообраз будущей Tesla с быстросъемными аккумуляторами. Источник: Лондонский музей транспорта
К 1900 году 38% автомобилей в США работали на электричестве, но совершенствование двигателей внутреннего сгорания и снижение цен на топливо резко затормозило развитие отрасли автономного электротранспорта — уже к 30-м годам XX века электробусы практически исчезли. В отличие от бензиновых машин, электротранспорт не дешевел, а состояние экологии пока никому не внушало опасений. Крест на инвестициях в автобусы с аккумуляторами поставило появление в 20-х годах дешевых троллейбусов.
Процесс замены аккумулятора в электробусе — полная автоматика, как в XXI веке.
Источник: Британская библиотека
Но из-за низких цен на топливо в середине XX века индустрия ДВС пошла по пути наращивания объема, что напрямую сказывалось на расходе бензина. Даже легковые автомобили снабжались неэкономичными шестилитровыми двигателями, обслуживание которых в 70-х стало буквально «золотым». Сложившаяся ситуация вызвала новый всплеск популярности электромобилей. Так в английском Манчестере в 1974 году на городские маршруты вышли электробусы Seddon Pennine 4-236 на хлоридных аккумуляторах.
Редкий кадр действующего в 1975 году электробуса Seddon Pennine 4-236.
Источник: Alan Snatt
Единственный универсальный коммерческий автомобиль, оставшийся на память о том времени — минивэн Mercedes-Benz LE 306, чей быстросъемный аккумулятор обеспечивал мощность около 76 лошадиных сил, но истощался уже через 50 км пути. Автомобиль прожил до 1983 года, после испытаний почтовой службой немецкого города Бонна он был признан нерентабельным.
Электрический минивэн Mercedes-Benz LE 306 — напоминание об эпохе топливного кризиса. Источник: Mercedes-Benz
Серьезно о массовом производстве и использовании электротранспорта заговорили лишь в XX веке, когда общество стало задумываться об экологических угрозах и осознавать, какой вред окружающей среде наносят выхлопные газы автомобилей. На фоне обсуждения экологических проблем идея перевода дизельных автобусов на электричество стала довольно популярной, и немалую роль в этом сыграло появление литий-ионных батарей, способных накапливать энергию и обеспечивать автономное движение электробусов в течение длительного времени. Изобретение таких батарей решило и экономическую проблему, сделав производство и обслуживание электротранспорта более экономичным и открыв ему дорогу на массовый рынок.
Вопросы питания
В современных электробусах для питания используются аккумуляторы или суперконденсаторы. Последний способ хранения энергии по-своему интересен, хотя и сильно ограничивает возможности электротранспорта.
Суперконденсаторы могут хранить всего 5% энергии в сравнении с литий-ионными батареями схожего объема. Очевидно, что на одном заряде конденсатора автобус проедет всего несколько километров, а значит о какой-либо автономности говорить не приходится. Но позитивное свойство конденсаторов — скорость зарядки. На восстановление заряда уходят секунды.
Китайский суперконденсаторный Ultracap Bus на остановке с зарядной станцией — выглядит, как участок с троллейбусными проводами. Источник: Shanghai Aowei Technology
Так в китайском городе Нинбо действует конденсаторный электробус, которому для подзарядки хватает всего 10 секунд — благодаря развитой инфраструктуре зарядных станций, автобус получает энергию на каждой остановке во время высадки-посадки пассажиров, которая обычно длится немного дольше. Кроме того, до 80% энергии торможения преобразуется в электричество и возвращается обратно в конденсаторы — это дает экономию до 50%.
Суперконденсаторы постоянно совершенствуются, но внедрение электробусов на таких элементах питания требует очень дорогостоящей инфраструктуры в виде зарядных станций высокой мощности на каждой остановке. Кроме того, внештатные ситуации в виде неожиданных пробок могут оставить автобус с разряженными конденсаторами на дороге и создать дополнительные проблемы для дорожного трафика.
Литий-ионный аккумулятор – это не какой-то конкретный вид батарей с единственным утвержденным составом, а целое семейство энергетических элементов. Разработка литий-ионных аккумуляторов представляет собой сложный процесс поиска необходимого баланса между мощностью, ёмкостью, компактностью и ценой. Идеала пока не существует. Каждый тип литий-ионной батареи хорош для конкретной сферы применения. Далеко не все они используются в электротранспорте, многие находят свое место в электронике с небольшим энергопотреблением.
Аккумуляторы на оксиде лития-кобальта (LiCoO2), – самые доступные и популярные на сегодняшний день, — имеют отличную ёмкость на единицу объема, низкую стоимость и напряжение 3,6В на ячейку. Именно такую батарею вы найдете в мобильных устройствах и портативной потребительской электронике. Минусы таких аккумуляторов тоже известны: малый ток разряда, максимум 1000 циклов зарядки/разрядки до начала серьезной деградации ёмкости, долгая зарядка и невозможность работы при отрицательных температурах. Электробус на LiCoO2 обойдется дешевле, чем на других типах аккумуляторов, но сможет работать только в теплых странах на коротких маршрутах с минимальной загрузкой, вроде трансферов внутри кампусов.
Литий-марганцевый аккумулятор (LiMn2O4) благодаря трехмерной структуре смог обеспечить высокий ток разряда — до 30 раз превышающим его ёмкость. Это дало возможность использовать LiMn2O4 в устройствах с краткосрочным высоким энергопотреблением, например, в электромобилях Nissan Leaf и BMW i3. Но у литий-марганцевых аккумуляторов обнаружились свои недостатки: еще меньший, чем у литий-кобальтовых батарей жизненный ресурс и нетерпимость к холоду. Поэтому литий-марганцевые батареи комбинируют с другим типом аккумуляторов — NMC.
NMC-аккумулятор Nissan Leaf стоит вдвое дешевле NCA-батареи Tesla, но и ёмкость теряет примерно вдвое быстрей (70% после 100 тыс. км). Источник: Benjamin Nelson
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные батареи, или просто NMC, получили неплохую удельную энергоёмкость и срок службы (до 2000 циклов разрядки), но ток отдачи у них оказался невелик. Именно поэтому для использования в электромобилях NMC комбинируют с LiMn2O4 — при обычной езде в основном работают NMC-ячейки, а при ускорении высокий ток отдают ячейки LiMn2O4.
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи (LiNiCoAlO2, или NCA) отличаются высокой удельной ёмкостью и приемлемой стоимостью. Скорость зарядки и ток разрядки у NCA-аккумуляторов средние, их нельзя записать в достоинства или недостатки. Именно NCA стали источником энергии для автомобилей Tesla и систем хранения Powerwall.
540-килограммовая NCA-батарея Tesla Model S на 85 кВт при замене из-за износа отправляется в системы хранения энергии Tesla Powerwall. Источник: wk057
Но одна особенность NCA-батарей бросила тень на Tesla еще до того, как владельцы могли столкнуться с потенциальными проблемами – аккумуляторы имеют сравнимые с литий-кобальтными ячейками срок службы в 500 циклов. А дальше замена и утилизация изношенных элементов. Реальный опыт показал, что даже спустя 200 тысяч километров батареи в электромобилях Tesla остаются рабочими, теряя треть ёмкости. Но, несмотря на этот положительный опыт, для городского электротранспорта NCA-аккумуляторы не являются лучшим выбором, ведь пробег автобусов в разы и даже на порядки превышает пробег личных авто.
Литий-титанатный ответ
Литий-титанатные аккумуляторы (Li4Ti5O12, LTO) известны еще с 80-х годов прошлого века. Toshiba активно разрабатывает и производит этот тип батарей под названием SCiB (Super Charge Ion Battery). Для изготовления анода в них используется литий-титанат вместо графита. При этом катод может быть заимствован у NMC-батарей. Замена графита позволила увеличить эффективную площадь анода с 3 м 2 /г до 100 м 2 /г, что в лучшую сторону влияет на скорость зарядки ячейки и ток разряда. Так в 2017 году Toshiba продемонстрировала SCiB-батарею, способную восстановить до 90% своей ёмкости всего за 5 минут.
Пористая структура литий-титанатного оксида обеспечивает в 30 раз большую площадь, чем графит, и в разы больший срок службы. Источник: КБ «Энергия»
Литий-титанатные батареи стабильно отдают ток в десять раз превышающий их ёмкость, и в тридцать раз при импульсных нагрузках. Ранние образцы выдерживали до 7000 циклов разрядки, а современные аккумуляторы обеспечивают 15000-20000 циклов — с этими показателями не сравнится ни один другой тип литий-ионных батарей. Кроме того, LTO-батареи пожаробезопасны, при разгерметизации они нагревают до 70 градусов и остывают, перегрев им также не страшен. На холоде элемент почти не теряет эффективность — при температуре –30 градусов ёмкость литий-титанатной ячейки понижается до 80% от номинала.
Литий-титанатная батарея Toshiba, используемая в автобусах Proterra. Источник: Proterra
Невероятная живучесть, мгновенная зарядка, стойкость к холодам. Звучит, как идеальный аккумулятор для телефона. Но есть у LTO-батарей и свои недостатки, которые пока ограничивают круг их применения. В первую очередь, это низкая удельная ёмкость 50-80 Вт/кг, тогда как у традиционных литий-кобальтовых элементов она равна 150-200 Вт/кг — то есть, для получения равной ёмкости литий-титанатная ячейка должна быть вдвое-втрое объемней. Во-вторых, номинальное напряжение ячейки равно всего 2,4 В против 3,6 В у литий-кобальтовых. В-третьих, пока литий-титанатные батареи отличаются высокой ценой, втрое большей, чем у NCA-батарей. Именно поэтому встроить литий-титанатный аккумулятор в смартфон пока невозможно — получится дорогой элемент с низкой ёмкостью и недостаточным для работы устройства напряжением.
Зато в электробусах, где нет дефицита места, а также требуется высокий ресурс батареи, литий-титанатным аккумуляторам самое место.
На графике показан пробег тестовой машины на SCiB и литий-кобальт-оксидных батареях. Преимущество SCiB более чем очевидно. Источник: Toshiba
Вопрос подзарядки
Без развитой инфраструктуры электробус превращается в проблему. Заряжать электробус можно тремя разными способами: долгой ночной зарядкой, быстрой зарядкой на конечных станциях и экспресс-зарядкой на остановках.
Зарядные станции на остановках общественного транспорта требуются, например, электробусам на суперконденсаторах: над павильоном устанавливается контактная площадка или провода, которых автобус касается пантографом. Если суперконденсаторам хватает питания в течение нескольких секунд, то для подзарядки аккумулятора нужны хотя бы минуты. Учитывая, что современные литий-титанатные батареи Toshiba восстанавливают большую часть заряда за пять минут, на маршрутную сеть электробуса достаточно установить всего несколько зарядных станций, которые смогут поддерживать аккумуляторы автобуса заряженными.
Долгая ночная зарядка в общественном транспорте используется только в паре с одним из двух других способов. Заряжать автобус всего раз в сутки и отправлять его на маршрут на весь день невозможно по объективным причинам. Во-первых, для работы в течение хотя бы половины дня нужны очень ёмкие аккумуляторы, которые займут много места в салоне — это обстоятельство резко удорожает стоимость каждого автобуса. Во-вторых, к автобусному парку необходимо подводить очень мощные линии электроснабжения, чтобы одновременно питать десятки и даже сотни автобусов.
Серийный электробус КамАЗ заряжается на конечной остановке московского маршрута №73.
Источник: alisa
А что дальше?
Городской электротранспорт всегда считался сомнительной экзотикой, а сейчас в мире работают сотни тысяч электробусов. Чемпионом по адаптации новых технологий является Китай, где находятся почти 99% существующих в мире электрических автобусов. По оценкам Bloomberg New Energy Finance, к 2025 году 47% автобусов в мире будут электрическими.
Россия тоже не отстает от мировых тенденций. Ежегодно многие российские города закупают электротранспорт и выводят его на постоянные маршруты, создается специальная инфраструктура и предлагаются решения в области энергообеспечения. Не исключено, что переход на электротранспорт затянется на десятилетия и, возможно, мы застанем время, когда личные электромобили перестанут быть предметом роскоши и составят достойную конкуренцию дизельным аналогам.
- Блог компании Toshiba
- Транспорт
- Будущее здесь
- Урбанизм
Москва закупит батарей на 130 млрд рублей. В том числе для «Москвичей»
Мэр Москвы Сергей Собянин распорядился провести конкурс на поставку батарей для электротранспорта, в том числе для электромобилей «Москвич». Будущий поставщик-инвестор будет обязан в течение следующих трех лет локализовать на территории города производство нескольких типов тяговых аккумуляторов – для электробусов, трамвайных вагонов, электрических «Москвичей», речного транспорта, электросамокатов и велосипедов. Власти Москвы планируют в 2024–2030 годах закупить батарей почти на 130 миллиардов рублей.
