Porównanie parametrów użytkowych akumulatorów w technologii litowojonowej stosowanych w układach napędowych pojazdów elektrycznych

Podobne dokumenty
Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo Paliwowe PEM

Przetwarzanie energii: kondensatory

Układy napędowe i magazyny energii w pojazdach elektrycznych oraz systemy do ładowania baterii

Nowoczesne akumulatory do zastosowań w transporcie i energetyce

Problematyka ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych

MAN Truck & Bus Ekologicznie i ekonomicznie w przyszłość. MAN EURO VI: hybryda

Część 3. Magazynowanie energii. Akumulatory Układy ładowania

Materiały katodowe dla ogniw Li-ion wybrane zagadnienia

Budowa i zasada działania akumulatora

Obwody prądu stałego. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12)Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Wpływ motoryzacji na jakość powietrza

NOWOCZESNE ŹRÓDŁA ENERGII

Samochody na wodór. Zastosowanie. Wodór w samochodach. Historia. Przechowywanie wodoru

Przetwarzanie energii: kondensatory

Materiały w bateriach litowych.

Konsekwencje termodynamiczne podsuszania paliwa w siłowni cieplnej.

Historia elektrochemii

Ogniwo paliwowe typu PEM (ang. PEM-FC)

Akumulator AGM 90Ah/12V

Scenariusz lekcji z podstaw elektrotechniki i elektroniki prowadzonej w klasie I zasadniczej szkoły zawodowej w zawodzie monter elektronik

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY

LABORATORIUM PRZEMIAN ENERGII

Metan z procesów Power to Gas - ekologiczne paliwo do zasilania silników spalinowych.

CATA ASPEKTY TECHNICZNE WYKORZYSTANIA TECHNOLOGII MAGAZYNOWANIA ENERGII. Centrum Zastosowań Zaawansowanych Technologii MIECZYSŁAW KWIATKOWSKI

Analiza kosztów eksploatacji pojazdów komunikacji miejskiej na przykładzie Miejskiego Przedsiębiorstwa Komunikacyjnego w Lublinie

Akumulacja energii w systemie elektroenergetycznym przy zastosowaniu technologii sodowo-jonowych

Katalog ogniw dla kolei

Środowiskowe aspekty wykorzystania paliw metanowych w transporcie

SYMULACJA CYKLU PRACY HYBRYDOWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO GÓRNICZEJ LOKOMOTYWY SPĄGOWEJ

INDEKS ALFABETYCZNY CEI:2004

Biogas buses of Scania

EKOLOGICZNE NAPĘDY POJAZDÓW Z UKŁADAMI ODZYSKU ENERGII

AUTOBUSY ELEKTRYCZNO-WODOROWE URSUS BUS S.A.

ELEKTROMOBILNOŚĆ WPROWADZENIE. Michał Kaczmarczyk, GLOBEnergia Zakopane,

Magazyn energii elektrycznej - definicja

Samochody przyszłości. Czy elektryczne 1?

JAKOŚĆ POWIETRZA W WARSZAWIE

EKSPERYMENTALNE BADANIE WPŁYWU TEMPERATURY OGNIWA LITOWO-JONOWEGO NA POJEMNOŚĆ I DOKŁADNOŚĆ OBLICZEŃ STOPNIA NAŁADOWANIA

Nowe odkrycie Toyoty pozwoli zwiększyć zasięg samochodów elektrycznych

Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne - Jastrzębska GraŜyna. Spis treści. Przedmowa Wykaz oznaczeń Wykaz skrótów

Sekcja I: Instytucja zamawiająca/podmiot zamawiający

Diagnostyka i zasady ładowania akumulatorów samochodowych

Silniki zasilane alternatywnymi źródłami energii

MAN Truck & Bus Ekologicznie i ekonomicznie w przyszłość. MAN z EURO VI: CNG, hybryda

Redukcja emisji substancji szkodliwych dzięki wprowadzeniu paliw metanowych analiza dla pojedynczego pojazdu. mgr Łukasz Kowalski

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

nowe trendy mobilności w regionach Europy

Euro Oil & Fuel Biokomponenty w paliwach do silników Diesla wpływ na emisję i starzenie oleju silnikowego

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

ZAAWANSOWANE ROZWIĄZANIA TECHNICZNE I BADANIA EKSPLOATACYJNE MIEJSKIEGO SAMOCHODU OSOBOWEGO Z NAPĘDEM ELEKTRYCZNYM e-kit

Mgr inż. Marta DROSIŃSKA Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa

Kompozytowy akumulator kwasowy (KLAB)

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM,

Wyznaczanie sprawności diabatycznych instalacji CAES

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

Pojemność do 5 razy większa... Nowe akumulatory

Ogniwa galwaniczne. Elektrolizery. Rafinacja. Elektroosadzanie.

Logistyka - nauka. Wpływ zastosowania paliwa z dodatkiem etanolu do zasilania silników spalinowych na skład spalin

VARTA GWARANCJA MOCY. Thanks go to Peugeot,

AKUMULATORY DO POJAZDÓW OSOBOWYCH

Ocena kosztów zastosowania komunikacji opartej na pojazdach elektrycznych

Ekologistyka: samochód osobowy vs zrównoważony rozwój transportu indywidualnego

Działania na rzecz zrównoważonej mobilności w mieście stołecznym Warszawa. Miejskie Zakłady Autobusowe Sp. z o.o.

PRZEGLĄD OSIĄGÓW OGNIW LITOWO JONOWYCH W ODNIESIENIU DO WYMAGAŃ WYNIKAJĄCYCH Z ZASTOSOWANIA W SAMOCHODOWYCH POJAZDACH ELEKTRYCZNYCH

Piec nadmuchowy na gorące powietrze

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Ładowarka Victron Blue Power 12V 15A IP65

Parametry ogniw: napięcie ogniwa otwartego

ŹRÓDŁA NAPĘDU W MIEJSKIEJ KOMUNIKACJI AUTOBUSOWEJ -KIERUNKI INNOWACYJNOŚCI BARTŁOMIEJ WALCZAK

Napędy hybrydowe kontra elektryczne. Perspektywy rozwoju na najbliższe lata. Sebastian Kucia

Akumulator Seria NP Nr produktu

Sonnenschein Lithium HC (prąd o wysokim natężeniu)

Przykładowe układy napędowe

ANALIZA WPŁYWU NIESYMETRII NAPIĘCIA SIECI NA OBCIĄŻALNOŚĆ TRÓJFAZOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

Analiza parametrów pracy napędu hybrydowego Toyoty Prius III w procesie hamowania

Magneti Marelli ibat Expert Pro Tester akumulatorów

Materiały elektrodowe

BADANIA ODZYSKU ENERGII HAMOWANIA POJAZDU O NAPĘDZIE HYBRYDOWYM

Ładowarka Victron Blue Smart 12V 5A IP65 Bluetooth

Metoda Elementów Skooczonych

OBWODY PRĄDU STAŁEGO. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

CHP z ogniwem paliwowym Przegląd rynku

ANALIZA ENERGOCHŁONNOŚCI RUCHU TROLEJBUSÓW

MODERNIZACJA NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO WIRÓWKI DO TWAROGU TYPU DSC/1. Zbigniew Krzemiński, MMB Drives sp. z o.o.

Instytut Elektrotechniki Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

ZNACZENIE POWŁOKI W INŻYNIERII POWIERZCHNI

Hist s o t ri r a, a, z a z s a a s d a a a d zi z ał a a ł n a i n a, a

Świece zapłonowe Twin Tip (TT) Zaawansowana technologia OE teraz dostępna również na rynku wtórnym

Energetyka obywatelska. Magazyny energii w rozwoju transportu elektrycznego

Przegląd technologii produkcji tlenu dla bloku węglowego typu oxy

Laboratorium odnawialnych źródeł energii. Ćwiczenie nr 5

Wydajne wentylatory promieniowe Fulltech o wysokim ciśnieniu statycznym

Piotr BOGUSZ*, Mariusz KORKOSZ*, Piotr WYGONIK**, Magdalena DUDEK***, Bartłomiej LIS***

WYTYCZNE PRZY KUPNIE NOWEGO SAMOCHODU

JEDNOKOMOROWE OGNIWA PALIWOWE

PRZECIWZUŻYCIOWE POWŁOKI CERAMICZNO-METALOWE NANOSZONE NA ELEMENT SILNIKÓW SPALINOWYCH

ŹRÓDŁA NAPĘDU W MIEJSKIEJ KOMUNIKACJI AUTOBUSOWEJ -KIERUNKI INNOWACYJNOŚCI

Laboratorium ogniw paliwowych i produkcji wodoru

Krótka informacja o bateriach polimerowych.

SANYO Eneloop R6 AA Czarne 2500mAh UWX 500 ładowań

Transkrypt:

SIEDLECKI Maciej 1 GALANT Marta 2 FUĆ Paweł 3 LIJEWSKI Piotr 4 Porównanie parametrów użytkowych akumulatorów w technologii litowojonowej stosowanych w układach napędowych pojazdów elektrycznych WSTĘP Rozwój układów napędowych pojazdów ze względu na ochronę środowiska kierunkowany jest na stosowanie alternatywnych rozwiązań, do których należy zaliczyć przede wszystkim napędy hybrydowe i elektryczne. Ze względu na właściwości ekologiczne, eksploatacyjne i ekonomiczne, użytkowanie pojazdów wyposażonych w te rodzaje napędów jest szczególnie korzystne w warunkach miejskich. Ruch miejski charakteryzuje się mała płynnością, czestym ruszaniem i hamowaniem, często fazy te oddziela postoju pojazdu. W tych warunkach w klasycznym napędzie pojazdu praca silnika charakteryzuje się dużą zmiennością n i M o. Ogólną sprawność energetyczną klasycznego napędu pogarsza także nieodwracalna zamiana energii kinetycznej pojazdu na ciepło podczas częstych hamowań. Dodatkowym aspektem elekryfikacji napędów pojazdów są przepisy wymagające zmniejszanie limitów emisji składników szkodliwych spalin. Do głównych parametrów użytkowych akumulatorów zalicza się: gęstość energii, gęstość mocy, zdolność magazynowania w długim okresie czasu, sprawność przemiany, okres użytkowania, dopuszczalne przeciążenia, niezawodność oraz brak konieczności konserwacji. W tabeli 1 zestawiono ich porównanie dla podstawowych rodzajów akumulatorów [1]. Tab. 1 Podstawowe właściwości różnego rodzaju akumulatorów energii [opracowano na podstawie 5, 6] Rodzaj akumulatora Właściwość kinetyczny hydropneumatyczny elektrochemiczny Gęstość energii [kj/kg] Gęstość mocy [W/kg] Sprawność magazynowania: krótki okres czasu długi okres czasu Sprawność przemiany Okres użytkowania Dopuszczalne przeciążenia Niezawodność Brak konieczności konserwacji Łączny koszt (+ = niski) 3 10 (360) bez ograniczeń ( ) (+ +) 0,9 3,2 300 ( ) (+ +) ( ) 72 400 100 160 (+ +) (o) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Legenda: (+ +) doskonały, dobry, (o) średni, ( ) zły, ( ) bardzo zły Akumulator kinetyczny przechowuje energię w postaci mechanicznej, zwykle wykorzystując wirujące element o znacznym momencie bezwładności. W hydropneumatycznym odpowiedniku energia magazynowana jest na skutek zwiększenia ciśnienia czynnika. Akumulatory elektrochemiczne składają się z dwóch różnych elektrod umieszczonych w mieszaninie związków chemicznych Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel: + 48 665 22 07, Fax: + 48 665 22 04, office_ice@put.poznan.pl 1 maciej.s.siedlecki@doctorate.put.poznan.pl 2 marta.m.galant@doctorate.put.poznan.pl 3 pawel.fuc@put.poznan.pl 4 piotr.lijewski@put.poznan.pl 4340

elektrolicie. Cechują się one najkorzystniejszymi wskaźnikami mocy i gęstości energii i z tego powodu, pomimo największego kosztu zyskały największą popularność. W celu osiągniecia przez pojazdy elektryczne zasięgu zbliżonego do pojazdów na paliwa węglowodorowe konieczne jest zastosowanie dużych i ciężkich akumulatorów elektro-chemicznych [1]. Powoduje to zdecydowane zwiększenie masy pojazdu wpływającej na ilość energii wymaganej do poruszania się, a co jest z tym związane, również jego ceny zakupu. Od kilku lat stosowane są akumulatory litowo-jonowe (Li-ion), które zastąpiły starszą technologie niklowo-metalkowo-wodorową (NiMH). 1 IDEA TECHNOLOGII LITOWO-JONOWEJ Możliwość ładowania odróżnia akumulatory od ogniw galwanicznych, których zasada działania jest taka sama, jednakże swą funkcję spełniają jednorazowo. Jedynie raz można wykorzystać zgromadzoną w ogniwie energię chemiczną. Pierwotnie stosowane akumulatory wykorzystywały nikiel i kadm (NiCd). Takie rozwiązanie cechowało się niskimi współczynnikami gęstości pojemności i przede wszystkim występowaniem efektu pamięci tj. doładowywanie przed pełnym cyklem rozładowania powoduje zmniejszanie pojemności akumulatora. Kolejna generacja akumulatorów to użycie niklu w połączeniu z metalem i wodorem (NiMH). Zmiana pozytywnie wpłynęła na pojemność akumulatorów i zmniejszyła efekt pamięci. Technologia ta była stosowana w pierwszych pojazdach hybrydowych jak np. Toyota Prius oferowana w latach 1997-2010 [7]. Oba rozwiązania cechowały się małym napięciem z pojedynczej celi wynoszącym 1,2 V. Szansą na poprawę parametrów akumulatorów było zastosowanie najlżejszego metalu litu. Główną zaletą tego rozwiązania był brak efektu pamięci a także większe wartości gęstości energii i mocy niż w przypadku starszych rozwiązań. Technologia litowo-jonowa jest obecnie wykorzystywana w pojazdach elektrycznych i hybrydowych. Proces ładowania i rozładowania jest związany z przenoszeniem jonów litu przez elektrolit. Podczas ładowania pobierają one elektron od elektrody ujemnej i jednocześnie są unieruchamiane w jej strukturze, jako obojętne atomy. Podczas rozładowania oddają elektron elektrodzie i przechodzą do elektrolitu, jako jony litu. Podobny, tylko odwrotny proces zachodzi na elektrodzie dodatniej. Pierwszym pojazdem, w którym zastosowano tą technologie był Mercedes S500 Hybrid zaprezentowany w roku 2010. Głównym problemem we wcześniejszym wprowadzeniu tej technologii było przegrzewanie się akumulatorów. W Mercedesie S500 Hybrid zastosowano dodatkowy obieg chłodzący akumulatory [4]. Główny trend rozwoju tych napędów związany jest z poszukiwaniem technologii, która umożliwi zwiększenie gęstości energii na jednostkę objętości i masy. Obliczenia teoretyczne wskazują bowiem, że pojemność akumulatorów Li-Ion można zwiększyć do 2 700 Wh/kg, co stanowi wartość około 20 razy większą w stosunku do obecnych rozwiązań. Teoria zakłada wykorzystanie do tego celu nanorurek fullerenowych [8]. Niniejsza publikacja zawiera przegląd rynku nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych wraz ze wskazaniem ich głównych cech. 2 PRZEGLĄD NAJNOWSZYCH ROZWIĄZAŃ AKUMUALTORÓW LITOWO- JONOWYCH 2.1 Akumulatory LTO W akumulatorach LTO (Lithium Titanate) anoda wykonana jest z tlenku tytanu (Li 4 Ti 5 O 12 ). Akumulatory te coraz częściej stosowane są w motoryzacji, przede wszystkim w akumulatorach pojazdów hybrydowych i elektrycznych, ze względu na swoje właściwości. Mogą one pracować w temperaturze nawet -46 o C (rozładowywanie i ładowanie) przy której akumulatory kwasowe posiadają bardzo niewielką pojemność [10]. Przy -30 o C akumulatory posiadają nawet ponad 80% pojemności, w stosunku do pojemności w temperaturze otoczenia 20 o C [11]. Powoduje to, że sprawdzają się one w wielu strefach klimatycznych, a także w zastosowaniach ekstremalnych związanych z temperatura otoczenia (maksymalna temperatura pracy to ok. 70 o C). Obecne parametry akumulatorów tego typu to pojemność odpowiednio 90 Wh/kg oraz 250 Wh/dm 3 [9]. Ten typ akumulatorów dodatkowo, może być ładowany z użyciem dużych wartości natężeń nawet do 30C. Jako C rozumie się prąd ładowania 4341

równy wartością pojemności akumulatora tj. dla akumulatora o pojemności 4 Ah ładowania prądem 1C oznacza natężenie 4A. Testy wykazały, ze po 7 000 cykli pełnego ładowania i rozładowania, pojemność akumulatorów zmniejszyła się w stosunku do pierwotnej o 19%. Zależność liczby cykli rozładowania/ naładowania na pojemność akumulatorów przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Zależność liczby cykli rozładowania/naładowania na pojemność akumulatorów LTO [11] Same akumulatory, nieużywane, samoistnie rozładowują się w niewielkim stopniu. Do wad tego typu rozwiązania należy napięcie wytwarzane przez jedną celę, jest to zaledwie ok. 2,4 V, choć nadal jest to wartość większa niż dla akumulatorów kwasowych (2 V). 2.2 Akumulatory LFP Akumulatory LFP (Lithium Ferrophosphate) charakteryzują się tym, ze katoda zbudowana jest ze związku litu, żelaza, fosforu i tlenu (LiFePO 4 ). Akumulatory te, podobnie jak LTO, przystosowane są do zastosowań motoryzacyjnych. Charakteryzują się one dużą odpornością na rozładowanie przy niepełnych cyklach naładowania, co jest pożądane w pojazdach hybrydowych. W przypadku akumulatorów LFP wartość napięcia z pojedynczej celi to wynosi 3,2V, jednak nie należy dopuszczać do rozładowania poniżej napięcia 2,5V, lub do ładowania napięciem powyżej 4,2V (możliwe uszkodzenie akumulatora) [12]. Akumulatory mogą być ładowane dużymi wartościami natężenia prądu, liczba pełnych cykli przy zachowaniu 80% pierwotnej pojemności przekracza 2 000, po 10 000 cykli, pojemność wynosi ok. 71%. Zależność pojemności od liczby pełnych cykli ładowania/rozładowania przedstawiono na rysunku 2. Temperatury pracy to od 0 do 60 o C, a gęstość energii sięga powyżej 120 Wh/kg, co jest wartością wysoką i pożądaną. Rys. 2. Zależność liczby cykli rozładowania/naładowania na pojemność akumulatorów LFP [13] 2.3 Akumulatory NMC W akumulatorach NMC (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide) do budowy katody używa się LiNiMnCoO 2 przy zawartości kobaltu 10-20%. Akumulatory te charakteryzuje użycie niklu, który stosowany był na szeroką skalę w akumulatorach NiMH i NiCd, zastąpionych przez akumulatory litowo-jonowe. Maksymalne napięcie to 4,1V, a minimalne napięcie pracy to 2,7V [14]. Akumulatory 4342

tego typu charakteryzują się dużą gęstością energii, do 250-270 Wh/kg, a przy zastosowaniu anody SiC nawet ponad 300 Wh/kg. Jednocześnie większe jest niebezpieczeństwo podczas przegrzania lub uszkodzenia w stosunku do rozwiązań LTO i LFP. Zakres temperatur pracy to -20 C do 55 C [14]. Wartość ta wynika z niestabilności niklu w wyższych temperaturach. Ilość pełnych cykli rozładowania i naładowania przy zachowaniu 80% pierwotnej pojemności to 1 000, więc mniej niż w powyższych rozwiązaniach. Rys. 3. Zależność liczby cykli rozładowania/naładowania na pojemność akumulatorów NMC [15] 2.4 Akumulatory LMO Akumulatory LMO (Lithium Manganese Spinel) charakteryzują się użyciem tlenku manganu w połączeniu z litem jako katody (LiMn 2 O 4 ). Wykazują one możliwość zmagazynowania dużej ilości energii (do 240 Wh/kg), przy zachowaniu większego bezpieczeństwa w razie przegrzania niż w akumulatorach NMC [16]. Ten typ jest w fazie testów, ale zakłada się jego użycie w systemach odzyskiwania energii w pojazdach formuły pierwszej. Producenci akumulatorów typu LMO nie publikują danych na temat zależność liczby cykli rozładowania/naładowania i pojemności akumulatorów. Dostępna jest jedynie informacja, że akumulatory cechują się mozliwościa przeprowadzenia ok. 1800 pełnych cykli rozładowania i naładowania przy zachowaniu 80% pierwotnej pojemności [16]. 2.5 Akumulatory litowo-jonowe KOKAM Akumulatory KOKAM to akumulatory wykonane w technologii litowo-jonowej i opatentowane przez Dow Kokama. Ich założeniem podstawowym było zwiększenie parametrów użytkowych technologii litowo-jonowej, przede wszystkim gęstości energii. Twórca już w roku 2012 uruchomił masową produkcje nowego typu akumulatora. Jednym z celów była ekologiczna produkcja, niewykorzystująca do produkcji paliw kopalnych, a o energię ze źródeł naturalnych. Katoda jest zbudowana ze związku niklu, magnezu i kobaltu. W czasie wprowadzenia ich na rynek w stosunku do produktów konkurencyjnych, akumulatory KOKAM cechowały się gęstością energii na poziomie 130 200 Wh/kg, dużą ilością cykli pełnego rozładowania i naładowania przy zachowaniu 80% pierwotnej pojemności (ponad 2 000), co zilustrowano na rysunku 4. 4343

Rys. 4. Wykres zależności ilości cykli rozładowania/naładowania na pojemność akumulatorów KOKAM [3] Dodatkowo, KOKAM cechują się możliwością ładowania prądem o większym natężeniu w stosunku do innych rozwiązań akumulatorów (w zastosowaniu seryjnych do 30C przy ładowaniu i 50C przy rozładowywaniu w zależności do pojemności). Są to kluczowe parametry, w aspekcie używania akumulatorów do zastosowań motoryzacyjnych. Dodatkowo cechują się one mniejszym nagrzewaniem w czasie pracy oraz większym bezpieczeństwem dla środowiska w przypadku uszkodzenia. Temperatury ładowania to przedział od 0 do 40 o C, a rozładowywania od -20 do 60 o C. Producent zakłada 10-letni okres użytkowania akumulatorów między wymianami. Akumulatory cechują się niewielkim samo rozładowywaniem i brakiem efektu pamięci, czyli zmniejszania się pojemności na skutek niepełnych cykli rozładowywania/naładowywania. Akumulator KOKAM po upływie 2 tygodni zachowuje około 78% pierwotnej pojemności. 2.6 Akumulatory A123 Ogólna wydajność i niezawodność akumulatorów zależy w dużej mierze od związków chemicznych zastosowanych do budowy pojedynczej celi. Technologia jonowo-litowa stosowana jest zarówno w pojazdach elektrycznych, sieciowych systemach magazynowania oraz różnorodnych zastosowaniach przemysłowych. Firma A123 Systems zaprezentowała technologię Nanophosphate. Technologia ta została opracowana przez zespół profesora Yet-Ming Chiang w Massachusetts Institute of Technology. Dotyczy akumulatorów litowo-jonowych skonstruowanych w nanoskali ze specyficznymi strukturalnymi i chemicznymi właściwościami, pozwalającymi maksymalizować wydajność. Na rysunku 5 przedstawiono schematycznie strukturę Nanophosphate. Rys. 5. Schematyczne przedstawienie struktury Nanophosphate zastosowanej w akumulatorze liotowojonowym przez firmę A123 [2] Do głównych zalet akumulatorów A123: dużą wartość energii użytecznej w szerokim zakresie SOC (State Of Charge) oraz zdolność do utrzymywania stanu poprzez zastosowanie specjalistycznej opatentowanej nanostruktury. Napięcie pojedynczej celi wynosi 3,3 V [17]. Akumulatory pozwalają 4344

na osiągnięcie wysokiej dużej mocy z kg (2 400 W/kg) oraz objętości (4 500 W/dm 3 ), a również pojemności (do 300 Wh/dm 3 oraz 165 Wh/kg) [17]. Zaznaczyć należy także wartości zakresów temperatur pracy (od -30 do 55 o C) oraz przechowywania (od -40 do 60 o C). Akumulatory A123 cechują się również osiągnięciem bardzo niskiego kosztu jednej watogodziny w doniesieniu do jednostki objętości i masy. Szczególnie istotnym wskaźnikiem w przypadku zastosowania tego typu akumulatorów w pojeździe jest niespotykana w innych rozwiązaniach niezależność mocy akumulatora od stopnia jego naładowania. Zazwyczaj wiąże się to ze znacznym zmniejszeniem napięcia wraz z rozładowywaniem się akumulatora, w tym przypadku charakter krzywej jest bardziej zbliżony do płaskiego. Przedstawiono ta na rysunku 6. Rys. 6. Zależność mocy akumulatorów od stopnia naładowania [2] Niezwykle ważnym aspektem używania akumulatorów jest bezpieczeństwo. Akumulatory te, mimo, że nie jest to obecnie wymagane, przeszły testy zderzeniowe oceniające ich zdolność do zachowania wymaganego poziomu bezpieczeństwa w przypadku zniekształcenia. Takie testy będą obowiązkowe dla akumulatorów w pojazdach dopiero od 2016 roku. Gwarantuje to możliwość użycia ich także w przyszłościowych pojazdach. Ostatnia wymieniona zaleta dotyczy zachowywania części pierwotnej pojemności w zależności od liczby cykli (rysunek 7). Akumulatory A123 po 3 000 cyklach posiadają nadal ok. 90% pierwotnej pojemności. Wyróżnia je to spośród innych rozwiązań obecnych na rynku. Zazwyczaj po takiej ilości cykli, akumulatory posiadają jedynie ok 80 % pierwotnej pojemności. Rys. 7. Zależność pojemności akumulatora A123 od liczby cykli rozładowania/naładowania [2] 4345

PODSUMOWANIE Przeprowadzona analiza dowiodła, że nie można wskazać jednoznacznie najkorzystniejszej technologii akumulatorów litowo-jonowych. Duża ilość parametrów funkcjonalnych sprawia, że powstające technologie zawsze są swojego rodzaju kompromisem. Najważniejszym parametrem jest gęstość energii odniesiona do jednostki kilograma i objętości. Na rysunku 8 przedstawiono zestawienie pojemności energetycznej odniesionej do Wh/kg oraz Wh/dm 3 dla akumulatorów LTO, LFP, NMC, LMO, KOKAM i A123. Rys. 8. Zestawienie pojemności omawianych akumulatorów jonowo-litowych Akumulatory NMC cechują się największymi maksymalnymi wartościami pojemności odniesionymi do jednostki masy i objętości. Pozostałe rozwiązania cechują wartości na poziomie 250-350 Wh/dm 3 i 100-200 Wh/kg. Są to wartości przewyższające stosowane obecnie rozwiązania. Kolejnym ważnym parametrem jest napięcie jednej celi. Im jego wartość jest większa, tym mniejsza ilość pojedynczych ogniw pozwoli na osiągnięcie wymaganej wartości napięcia. Bezpośrednio przekłada się to na rozmiary całego akumulatora, a więc także na masę pojazdu. To z kolei pozwala na zmniejszenie ilości energii zużywanej na pokonanie oporów ruchu pojazdu. Zestawienie napięć poszczególnych rozwiązań przedstawiono na rysunku 9. Rys. 9. Zestawienie wartości napięcia pojedynczej celi omawianych akumulatorów jonowo-litowych Spośród omawianych akumulatorów najmniejszą wartością napięcia pojedynczej celi cechują się akumulatory LTO (2,4V). Dla pozostałych omówionych przykładów, wszystkie wartości mieszczą się w przedziale od 3,1 do 3,7 V. Należy jednak zauważyć, że wyniki te są zdecydowanie większe od rozwiązań NiCd i NiMH. Kolejnym istotnym zagadnieniem są warunki temperaturowe akumulatorów, gdyż lokalne warunki klimatyczne w różnych obszarach kuli ziemskiej są zróżnicowane. Zakresy temperatur pracy przedstawiono na rysunku 10. 4346

Rys. 10. Zestawienie zakresów temperatury pracy omawianych akumulatorów jonowo-litowych Akumulator LTO posiada najmniejsze napięcie oraz pojemność względną dzięki czemu cechuje się zdecydowanie najszerszym zakresem temperatur użytkowych. Akumulatory LTO, które w poprzednim zestawieniu cechowały się najmniej korzystnymi parametrami, mają najszerszy zakres temperatur pracy. Akumulatory w technologii LFP mogą być eksploatowane tylko w temperaturach dodatnich, co może znacznie zwiększyć ich konkurencyjność. Podobnie rozwiązanie firmy KOKAM, z zakresem stosowalności do -10⁰C nie będzie mogło być wykorzystywane powszechnie. Pozostałe rozwiązania: NMC, LMO i A123 charakteryzują się zakresami temperatur pracy odpowiadającymi zakresowi temperatur występujących w Europie. Ostatnim istotnym wskaźnikiem jest ilość cykli odpowiadająca żywotności akumulatora. Jako parametr pozwalający na określenie żywotności akumulatora przyjmuje się ilość cykli pełnego naładowania i rozładowania, przy których pojemność zmniejsza się o 20%, tj. utrzymuje się 80% oryginalnej wartości SOC. Na rysunku 11 przedstawiono zestawienie ilości pełnych cykli przy której to następuje. Rys. 11. Zestawienie żywotności omawianych akumulatorów jonowo-litowych Najmniejszą ilością pełnych cykli naładowania i rozładowania, przy których SOC pozostaje na poziomie 80% cechują się akumulatory NMC. Kolejno, akumulatory LMO gwarantują jedynie ok. 4347

1 700 pełnych cykli. Szczególnie korzystnie prezentują się wyniki dla akumulatorów LTO i A123, odpowiednio 7 000 i 6 500 cykli. Akumulatory NMC i LMO cechuje zatem ponad trzykrotnie mniejsza żywotność niż technologii LTO i A123. Spośród omawianych rozwiązań akumulatorów ciężko jest wyłonić rozwiązanie zdecydowanie najkorzystniejsze. W zakresie żywotności i warunków pracy wyróżnić można technologię LTO, największymi pojemnościami i wartościami napięcia pojedynczej celi cechują się jednak akumulatory NMC i LMO. Wybór najkorzystniej technologii zależy od przeznaczenia akumulatora. Zdaniem autorów do zastosowania w pojazdach elektrycznych najkorzystniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie akumulatorów LTO lub jednostek produkowanych przez firmę A123 Systems. Streszczenie Rozwój cywilizacyjny niesie ze sobą ciągły wzrost zapotrzebowania na energię. Zużycie paliw wzrasta, co powoduje wzrost zanieczyszczeń środowiska szkodliwymi składnikami spalin takimi jak: tlenek węgla (CO), dwutlenek węgla (CO2), węglowodory (HC), tlenki azotu (NOx), cząstki stałe (PM). Rozwój układów napędowych pojazdów ukierunkowany więc jest na poszukiwanie alternatywnych rozwiązań, do których należy zaliczyć przede wszystkim napęd hybrydowy i elektryczny. Napędy takie cechują się korzystnymi właściwościami ekologicznymi i ekonomicznymi. Problemem są właściwości użytkowe stosowanych akumulatorów, które znacząco odbiegają od używanych na szeroką skalę paliw kopalnych. Tematyka niniejszego opracowania dotyczy analizy istniejących na świecie koncepcji akumulatorów litowojonowych stosowanych w pojazdach elektrycznych. Opracowanie zawiera przedstawienie nowoczesnych rozwiązań, które mogą wpłynąć na poprawę parametrów użytkowych alternatywnych napędów. W podsumowaniu zawarto porównanie rozwiązań z zaznaczeniem wad i zalet poszczególnych technologii. Słowa kluczowe: akumulator, alternatywne napędy pojazdów, technologia litowo-jonowa The comparison of battery performance in lithium-ion technology for use in electric vehicle drivetrains Abstract The development of civilization brings a continuous increase in energy demand. Fuel consumption increases, which causes an increase in environmental pollution with harmful exhaust gas components such as carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM). The development of vehicle propulsion systems so focused on the search for alternative drivetrains, which include primarily hybrid and electric. Such drives are characterized by a favorable ecological and economical performances. The problem is the performance of used batteries, which differ significantly from the large-scale use of fossil fuels such as petrol and diesel. The subject of this study concerns the analysis of the concept of the world's existing lithium-ion batteries used in electric vehicles. The study contains a presentation of innovative solutions that can improve the performance characteristics of alternative drives. In summary, comparison of the content indicating the pros and cons of each technology. Keywords: battery, alternative drivetrains, li-ion technology BIBLIOGRAFIA 1. Jaroszyński L., Akumulatory litowe w pojazdach elektrycznych, Przegląd Elektrotechniczny 08/2011; 8:280-283. 2. Materiały firmy A123 Systems 3. Materiały firmy KOKAM 4. Materiały firmy Mercedes-Benz 5. Merkisz J., Bajerlein M., Daszkiewicz P., Nowoczesne rozwiązania techniczne akumulatorów stosowanych w miejskich autobusach elektrycznych jako forma zwiększenia zasięgu. Czasopismo Techniczne. Mechanika, 2012, R. 109, z. 4-M, 251 266. 6. Merkisz J., Pielecha I., Alternatywne napędy pojazdów, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2006. 7. Strona internetowa: http://www.toyota.pl/new-cars/prius/index.json, dostęp: 15.01.2015 8. Strona internetowa: http://www.bosch-professional.com/, dostęp: 1.03.2015 4348

9. Strona internetowa: http://samochodyelektryczne.org/, dostęp: 15.01.2015 10. Strona internetowa: http://www.batteryspace.com/lithium-titanate-battery.asp, dostęp: 1.02.2015 11. Strona internetowa: http://www.ev-power.eu/lto-tech/, dostęp: 12.02.2015 12. Strona internetowa: http://www.batteryspace.com/lifepo4cellspacks.aspx, dostęp: 17.02.2015 13. Strona internetowa: http://www.homepower.com/lfp-precautions, dostęp: 23.02.2015 14. Strona internetowa: http://ieeexplore.ieee.org/, dostęp: 17.01.2015 15. Strona internetowa: http://i01.i.aliimg.com/img/pb/264/256/901/901256264_808.jpg 16. Strona internetowa: http://energy.gov/, dostęp: 23.02.2015 17. Strona internetowa: http://www.greencarcongress.com/, dostęp: 19.01.2015 4349