Problematyka ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych

Transkrypt

1 Problematyka ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych Ireneusz Pielecha, Jerzy Merkisz, Politechnika Poznańska W artykule przedstawiono problematykę ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych. W tym celu zaprezentowano możliwości gromadzenia paliw ciekłych, gazowych oraz akumulatorów elektrochemicznych. Dokonano charakterystyki akumulatorów litowojonowych wraz z kierunkami ich rozwoju. Omówiono możliwości ich ładowania na podstawie parametrów systemów ładowania akumulatorów pojazdów hybrydowych i elektrycznych wraz z gniazdami przyłączeniowymi. Dokonano analizy ładowania akumulatorów na przykładzie pojazdu elektrycznego Nissan Leaf. 1. Wstęp Ilość gromadzonej można charakteryzować dwoma wielkościami: gęstością objętościową i gęstością masową. Pierwsza z nich oznacza wielkość zgromadzonej w jednostce objętości, a druga w jednostce masy. Gęstość energetyczna paliw stosowanych do zasilania środków transportu osiąga największe wartości dla paliw ciekłych o dużych wartościach gęstości własnych (olej napędowy, benzyna). Znacznie mniejsze wartości ma objętościowa paliw gazowych (gaz ziemny, wodór), niezależnie od wielkości ciśnienia, przy którym są te paliwa przechowywane. Jednak najmniejsze wartości zgromadzonej w jednostce objętości uzyskuje się dla akumulatorów elektrochemicznych. Masowa paliw ciekłych jest zbliżona do gęstości paliw gazowych, jednak są to wartości znacznie większe niż dla typowych akumulatorów elektrochemicznych. Akumulacyjne systemy gromadzenia (RESS rechargeable energy storage systems) w pojazdach o zróżnicowanej technologii mają różne gęstości. Uwzględniając podział układów gromadzenia, można wyróżnić układy elektrochemiczne (akumulatory, ultrakondensatory), mechaniczne (koła zamachowe) oraz układy hydropneumatyczne. Wartości gęstości podstawowych paliw i układów przedstawiono na rys. 1. masowa [W h/kg] 1 1 paliwa gazowe H2 (35 MPa) CNG (2 MPa) etanol H2 (wodorki metali) paliwa ciekłe objętościowa [W h/dm 3 ] benzyna bio-paliwa olej napędowy akumulatory 1 y Li-Ion NiMH 1 Pb Rys. 1 Różnorodność gęstości paliw ciekłych, gazowych oraz akumulatorów elektrochemicznych [8] Strona 1

2 Dla pojazdów elektrycznych wymagana pojemność elektryczna akumulatorów jest dwukrotnie większa niż dla pojazdów hybrydowych. Dla autobusów różnica ta jest 6-krotna, a dla pojazdów ciężarowych ponad 1-krotna. Należy zauważyć, że niezależnie od rodzaju środka transportu układ napędu pełnohybrydowego wymaga stałych wartości pojemności elektrycznej (około 12 kw h) i akumulatorów (około 12 kw). 2. Charakterystyka akumulatorów litowo-jonowych Rozwój układów napędu hybrydowego i elektrycznego jest uwarunkowany poziomem technologicznym akumulatorów. Najbardziej pożądane są układy charakteryzujące się długookresowym dostarczaniem elektrycznej. Największe zastosowanie mogą mieć akumulatory litowo-jonowe, których porównanie przedstawiono na rys. 2. Z analizy rysunku wynika, że nie istnieje jedna technologia umożliwiająca uzyskanie maksymalnych korzyści z wykorzystaniem tylko jednego typu akumulatora. litowo-niklowo-kobaltowe (NCA) niklowo-manganowo-kobaltowe (NMC) litowo-magnezowe (LMO) litowo-tytanowe (LTO) litowo-fosforanowe (LFP) litowo-kobaltowe (LCO) Rys. 2 Stopień rozwoju najważniejszych ogniw litowo-jonowych [2] Akumulatory litowo-kobaltowe (LCO lithium cobalt oxide) cechują się dużą wartością gęstości i dlatego są chętnie stosowane w układach telefonów komórkowych. Jednak ich warstwowa struktura nie daje dużych wartości gęstości. Graniczne wartości prądu ładowania i rozładowania są równe jego wartościom nominalnym. Maksymalne wartości prądu rozładowania wynoszą 1 C. Największe temperatury pracy to 15 o C. Akumulatory litowo-niklowo-kobaltowe (NCA lithium nickel cobalt aluminum oxide) nie zyskały dużego zainteresowania, przede wszystkim ze względu na wysoką cenę. Jednak duże wartości gęstości i mogą powodować, że będą one chętnie wykorzystywane w pojazdach elektrycznych. Obecnie cechują się małym stopniem bezpieczeństwa. Strona 2

3 Akumulatory niklowo-manganowo-kobaltowe (NMC lithium nickel manganese cobalt oxide) mogą opanować rynek pojazdów elektrycznych ze względu na dużą wartość gęstości i. Wynika to z unikatowego połączenia niklu i manganu. Nikiel ma dużą energetyczną, ale małą stabilność. Mangan natomiast ma małą energetyczną, lecz tworząc strukturę spinelu (strukturę trójwymiarową), zapewnia bardzo mały opór wewnętrzny (możliwość szybkiego ładowania i rozładowania). Akumulatory litowo-magnezowe (LMO lithium manganese oxide) mają podobne właściwości do akumulatorów NMC, jednak nie zawierają niklu w strukturze katody. Podobnie jak poprzednio, tworzenie trójwymiarowej struktury spinelu zwiększa stabilność termiczną i użytkowania. Jednak i liczba cykli ładowania są ograniczone. Istnieje możliwość obciążania dużymi wartościami prądu i wtedy można je stosować w pojazdach elektrycznych i hybrydowych. W akumulatorach litowo-tytanowych (LTO lithium titanate) grafitową anodę zastąpiono tytanianem litu. Małe napięcie pojedynczej celi umożliwia rozładowanie dużym prądem o wartości 1 C (1-krotna wartość nominalnej pojemności elektrycznej). Akumulatory mają dobre właściwości rozładowania w niskich temperaturach (w temp. 3 o C dostępne jest 8% pojemności elektrycznej). Podejmowane są próby zwiększenia gęstości i zmniejszenia ów produkcji. Akumulatory litowo-fosforanowe (LFP lithium iron phosphate) mają katodę zbudowaną z wykorzystaniem fosforanu. Mają one dużą elektrochemiczną, przy dobrej stabilności termicznej. Praca w niskich temperaturach skraca akumulatorów, a niezbyt duża wartość napięcia celi (3,3 V) ogranicza. 3. Ładowanie akumulatorów pojazdów elektrycznych 3.1. Systemy ładowania Rozwijający się rynek pojazdów elektrycznych i hybrydowych wymusza konieczność ładowania tych pojazdów z zewnętrznych źródeł. Biorąc pod uwagę pojazdy typu plug-in, stworzono kilka systemów ładowania akumulatorów pojazdów o zróżnicowanych mocach. Urządzenia do zasilania pojazdów elektrycznych (EVSE electric vehicle supply equipment) podzielono na kilka grup w zależności od zasięgu pojazdu po jednogodzinnym okresie jego doładowania z urządzeń zewnętrznych (tab. 1). Urządzenia te mogą być zainstalowane w gospodarstwach domowych, miejscach pracy lub na stacjach publicznych. Odmienne rozwiązania na rynki europejskie i amerykańskie powodują, że istnieje znaczna liczba takich układów (tab. 2). Wielkości dopuszczalnych ładowania zdefiniowano za pomocą trzech poziomów (level) zależnych od rodzaju napięcia (stałe/przemienne): 1 wartości najmniejsze, 2 wartości pośrednie, 3 wartości maksymalne. Tab. 1 Poziomy urządzeń zasilających akumulatory pojazdów hybrydowych i elektrycznych [6] Podział Poziom 1 (level 1) Poziom 2 (level 2) Szybkie ładowanie (poziomy 1 do 3 w zależności od układu ładowania) Charakterystyka zasięg pojazdu od 2 do 5 mil (od 3,2 km do 8 km) podczas jednogodzinnego ładowania zasięg pojazdu od 1 do 2 mil (od 16,1 km do 32,2 km) podczas jednogodzinnego ładowania zasięg pojazdu od 6 do 8 mil (od 96,5 km do 128,7 km) podczas dwudziestominutowego ładowania Strona 3

4 Tab. 2 Parametry systemów ładowania akumulatorów pojazdów hybrydowych i elektrycznych wraz z gniazdami przyłączeniowymi [5, 7] Poziom Typ Napięcie [V] Natężenie prądu [A] Moc [kw] 1 AC , ,92 2 AC <8 3,3 19,2 1 DC 2 45 < 8 < 19,2 2 DC 2 45 <2 < 9 3 DC 2 6 < 4 < 24 Gniazdo (przykład) Czas ładowania akumulatorów zależy od ich rodzaju, pojemności elektrycznej i zastosowanych systemów ładowania. Przyjmując jeden typ akumulatorów i stałą wartość, w tablicy 3 podano czasy ładowania akumulatorów. Z danych tablicy wynika, że stałonapięciowe systemy ładowania są najbardziej wydajnymi układami, pozwalającymi na szybkie naładowanie akumulatorów do maksymalnej wartości SOC poniżej 1 h. Zróżnicowane systemy ładowania napięciem stałym i przemiennym umożliwiły wypracowanie kompromisu w postaci kombinowanego złącza pozwalającego na ładowanie układu dowolnym napięciem przy wykorzystaniu jednego przewodu zasilającego. Tab. 3 Sposoby (czas i moc) ładowania akumulatorów pojazdów hybrydowych i elektrycznych [5] Poziom Typ Ładowarka Czas ładowania 1 AC pokładowa PHEV: 7 h ( 1% SOC) EV: 17 h ( 1% SOC) 2 AC pokładowa 3,3 kw: PHEV: 3 h ( 1% SOC) EV: 7 h (2 1% SOC) 7 kw: PHEV: 1,5 h ( 1% SOC) EV: 3,5 h (2 1% SOC) 2 kw: PHEV: 22 min ( 1% SOC) EV: 1,2 h (2 1% SOC) 1 DC pozapokładowa/ PHEV: 22 min ( 8% SOC) stacje publiczne EV: 1,2 h (2 1% SOC) 2 DC pozapokładowa PHEV: 1 min ( 8% SOC) /stacje publiczne EV: 2 min (2 1% SOC) 3 DC pozapokładowa /stacje publiczne Przy założeniu, że pojazd elektryczny EV wyposażony jest w akumulatory o pojemności 25 kw h. Przy założeniu, że ładowanie pojazdu HEV rozpoczyna się przy SOC = %, gdy dostępny jest tryb hybrydowy. Funkcje ładowania poziomu 1. i 2. (level 1 oraz level 2) są obsługiwane głównie przez pojazdy, co oznacza, że układy ładowania są umieszczone na ich pokładzie. Stacje ładowania pozwalają jedynie na dostarczenie napięcia o odpowiedniej wartości prądu do gniazda pojazdu. Na poziomie trzecim systemów ładowania (level 3) funkcje są podzielone między stacje ładowania a pokładowy system pojazdu. W układzie małej poziomu 1. lub 2. w ładowarce pokładowej znajduje się prostownik AC/DC umożliwiający ładowanie akumulatorów napięciem stałym o różnej wartości. Za monitorowanie napięcia, prądu, temperatury układu oraz szybkości ładowania odpowiada system zarządzania energią akumulatorów (BMS battery management system). System ten Strona 4

5 dodatkowo zarządza profilem ładowania akumulatorów: stałym natężeniem prądu (constant current CC) lub stałą wartością napięcia (constant voltage CV). Ładowarka obejmować może również system sieci pokładowej CAN do integracji z innymi systemami w pojeździe (system CAN nie musi być zintegrowany z układem stacji ładującej). Ze względu na niewielkie wartości napięcia i prądu wymagane są dość proste zewnętrzne środki bezpieczeństwa (pomiar zwarcia, układ przerywający pracę ładowarki). Obwód zabezpieczenia ładowarki pokładowej jest zwykle kompleksowy (zawiera m.in. blokady i inne zabezpieczenia). Poziom drugi (większe moce) wymaga przeważnie uwierzytelnienia odbiorcy i sprawdzenia jego uprawnień do korzystania ze stacji ładowania. Poziom trzeci ma podobną funkcjonalność jak poprzednie poziomy, jednak daje możliwość wykorzystania dużych wartości. Ze względu na chęć wyeliminowania ciężkich układów elektrycznych przekształtnik AC/DC został zainstalowany w stacji ładującej. Wtedy system zarządzania akumulatorami musi mieć komunikację ze stacją ładowania w celu dostosowania napięcia i prądu do układu akumulatorów. Jednak to system BMS kontroluje poziom ładowania akumulatorów. Komunikacja jest zapewniona przez sieć CAN, a działanie obwodu zabezpieczeń przejmuje system BMS. Zróżnicowana liczba rodzajów układów napędu elektrycznego i hybrydowego oraz sposób ładowania akumulatorów nie pozwala na ujednolicenie czasów ich ładowania. Czasy te zależą od ładowarki pokładowej (OBC on board charger), a także od pojemności elektrycznej zastosowanego akumulatora Przykład ładowania akumulatorów pojazdu elektrycznego Sposób ładowania zależy od konfiguracji akumulatorów, z czego wynika ich łączna pojemność elektryczna i dostępna wartość. Przykładową konfiguracja dotyczy pojazdu Nissan Leaf, którego łączna wartość napięcia akumulatorów wynosi 36 V [4]. Są to akumulatory litowo-manganowe (LiMn 2 O 4 ). Układ składa się z 48 modułów po 4 cele, z których każda ma napięcie 3,4 4,2 V (nominalna wartość napięcia to 3,8 V). Ładowanie akumulatorów rozpoczyna się od profilu stałoprądowego. Następnie po określonym czasie ustalanym przez system zarządzania akumulatorami wykorzystuje się profil stałonapięciowy. Czas trwania obu profili zależy od początkowej pojemności elektrycznej akumulatorów (rys. 3). 6 stałoprądowe (CC) stałonapięciowe (CV) stałoprądowe Mitsubishi i-miev stałonapięciowe Nissan Leaf t [min] Pojazd Profile ładowania Łączna stałoprądowe stałonapięciowe energia Nissan Leaf 13,15 kw h 8,14 kw h 21,28 kw h Mitsubishi i-miev 4,16 kw h 6,3 kw h 1,47 kw h Rys. 3 Sposoby ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych [3] Strona 5

6 Analiza ładowania akumulatorów pojazdów Nissan Leaf (energia akumulatorów 24 kw h) oraz Mitsubishi i-miev (energia około 16 kw h) ładowarką poziomu 3. (DC Fast) wskazuje na zróżnicowane profile ładowania. Ładowanie stałoprądowe nie daje jednakowego, lub zbliżonego (procentowego) poziomu naładowania akumulatorów. Dla akumulatorów pojazdu Nissan Leaf uzyskuje się ponad 5% naładowania podczas wykorzystania profilu stałoprądowego. Dla i-miev ta wartość wynosi około 25%. Jednak gdy akumulatory nie są rozładowane całkowicie, profil ładowania ulega gwałtownej zmianie. Faza stałoprądowa ulega znacznemu skróceniu, przy znacznym udziale profilu stałonapięciowego (rys. 4a). Z badań przedstawionych przez EPRI (Electric Power Research Institute) [3] wynika, że przy dużym stopniu naładowania akumulatorów ich ładowanie za pomocą szybkich układów (DC fast) powoduje, że profilu stałoprądowego nie ma. Oznacza to, że początkowa faza ładowania akumulatorów przebiega łagodnie i o mniejszej intensywności (rys. 4b), kończy się wcześniej, a całkowity stopień naładowania akumulatorów jest największy. Porównanie sposobów ładowania szybkiego i stałonapięciowego 24 V przedstawiono na rys. 5. Z jego analizy wynika, że ładowanie stałonapięciowe jest znacznie dłuższe, jednak daje nieco większe wartości zgromadzonej w akumulatorach. Wraz ze zmniejszeniem początkowego naładowania akumulatorów wartość zgromadzonej nie ulega zmianie (przy znacznie krótszym czasie ładowania). a) b) 6 6 energia początkowa: 4 4 kw h kw h 13,6 13,6 kw h kw h ,4 16,4 kw h kw h 17,2 17,2 kw h kw h czas czas ładowania [min] energia ładowania [kw h] energia ładowania [kw h] ,2 17,2 kw h 16,4 16,4 kw h 13,6 13,6 kw h kw h energia początkowa: czas ładowania [min] Rys. 4 Ładowanie akumulatorów o różnym stopniu początkowej (Nissan Leaf): a) profile ładowania, b) wielkość zgromadzonej [3] początek doładowania przy 16 kw h szybkie ładowanie: 33 min DC E = 5,17 kw h typowe ładowanie: 83 min 24 V E = 5,17 kw h czas ładowania [min] początek doładowania przy 12 kw h szybkie ładowanie: 43 min DC E = 1,2 kw h typowe ładowanie: 165 min 24 V E = 1,2 kw h czas ładowania [min] Rys. 5 Porównanie czasów naładowania akumulatorów przy wykorzystaniu dwóch metod ładowania [3, 4] Strona 6

7 4. Zakończenie Poszukiwanie nowych rozwiązań akumulatorów powoduje, że obecnych konstrukcji jest redukowany. Firma Roland Berger [1] szacuje, że w ciągu kilku kolejnych lat y technologii będą zmniejszone o około 5% w odniesieniu do nowoczesnych rozwiązań. Dotyczy to głównie technologii akumulatorów litowo-jonowych. Dla pozostałych akumulatorów redukcja ów nie jest już tak duża. Wynika to z małej dostępności technologii i częściowego braku rozwoju akumulatorów kwasowych, niklowo-kadmowych oraz niklowo-wodorkowych jako znaczących w układach napędu elektrycznego i hybrydowego. Dla tych akumulatorów zmniejszenie ów technologii nie jest duże i wynosi 1 2%. Powoduje to ciekawą relację między ami akumulatorów kwasowoołowiowych i litowo-jonowych. W ciągu najbliższych kilku lat szacuje się, że tych ostatnich może osiągnąć tylko nieznacznie większy poziom niż obecny akumulatorów kwasowych. Koszt akumulatorów kwasowych w 211 roku był od 1 do 3 razy mniejszy niż akumulatorów LI-Ion, a obecnie wynosi już tylko od 1 do 2. W roku 22 ma wynieść 1 do 1,5. Oznacza to, że y kilowatogodziny z akumulatorów kwasowych będą zmniejszone o około 4% w ciągu 9 lat, natomiast dla akumulatorów litowo-jonowych wskaźnik ten wyniesie ponad 6%. Literatura [1] Bradley M.J. i in: Future wheels; interviews with 44 global experts on the future of fuel cells for transportation and fuel cell infrastructure and a fuel cell primer. Northeast Advanced Vehicle Consortium, [2] Dinger A. (ed.): Batteries for electric cars. Challenges, opportunities and the outlook to [3] Maitra A.: Characterization of DC fast charger systems. EV 212 VÉ Conference, Montréal, October 24, 212. emc-mec.ca/ev212ve/proceedings/ev212ve24-t3s5-2- ArindamMaitra-EPRI_Characterization DCfastCharger Systems.pdf. [4] Merkisz J., Pielecha I.: Układy elektryczne pojazdów hybrydowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 215. [5] Novak E.: Electric vehicle charge times poised to shorten dramatically. envirodad.com/electric-vehicle-charge-times-poised-to-shorten-dramatically. [6] Plug-in electric vehicle handbook for public charging station hosts. National Renewable Energy Laboratory pdfs/51227.pdf. [7] Rask E., Bohn T., Gallagher K.: On charging equipment and batteries in plug-in vehicles: present status. 212 IEEE ISGT Conference. [8] Stevic Z. (ed.): New generation of electric vehicles. ISBN , sent-and-future-role-ofbattery-electrical-vehicles-in-private-and-public-urban-transport. Strona 7