Электротранспорт: снижение стоимости эксплуатации начинается с батареи

Литий-ионные батареи компании Benning с системой Lionic®

Со времени появления в конце XIX в. первых электрохимических аккумуляторов, в основе действия которых всегда лежат окислительно-восстановительные реакции на электродах, ученые перепробовали и различные технологии их изготовления, меняя материалы электродов и состав электролита, применяя органические компоненты. Поиск оптимальных решений продолжается и поныне.

Сложившаяся к настоящему времени практика показывает, что хотя использование свинцово-кислотных батарей для электропитания транспортных средств и стало практически общепринятой традицией, однако комплекс вопросов, возникающих уже при их эксплуатации, – малая энергоэффективность, использование токсичного свинца и относительно невысокое число циклов заряд–разряд – заставляет задуматься и об альтернативах. Практически то же самое можно сказать и о широко распространенных никель-кадмиевых аккумуляторах, у которых улучшение одних параметров (энергоемкость, работа при низких температурах) нивелируется таким существенным недостатком, как эффект памяти. Неполный заряд и неполный разряд, что сплошь и рядом бывает в практике активной складской работы, приводят к резкому снижению емкости таких батарей. Именно поэтому они так и не смогли полностью вытеснить свинцово-кислотные батареи, стоимость которых намного ниже.

Возросший ныне интерес к натрий-серным аккумуляторам оправдан их высокими ресурсными характеристиками, прежде всего возможностью глубокого разряда и высокой цикличностью, однако внутренние потери энергии во время хранения (допустим либо заряд, либо разряд) ограничивает их использование в сфере электротранспорта, оставляя открытой только нишу применений в стационарных устройствах.

Эффективность электрохимического преобразования электрической энергии в свинцово-кислотных аккумуляторах не превышает 70% (потери возникают еще на этапе заряда), что связано с большим перепадом напряжения между зарядом и разрядом и последующим расходом энергии на тепловыделение. На практике только 64% электроэнергии расходуется на выполнение полезной работы. Если же применить в литий-ионной батарее, например, выпускаемой немецкой компанией Benning, систему Lionic®, уровень полезной энергии можно повысить до 85%, что определяется энергетическим КПД системы, составляющим не менее 93%. Такой высокий КПД определяется малыми перепадом напряжения и тепловыделением в циклах заряд–разряд.

С точки зрения пользователя современные свинцово-кислотные аккумуляторы для подъемно-транспортного электрооборудования, несмотря на хорошую надежность в целом, имеют и существенные недостатки, которые вряд ли будут устранены в ближайшей перспективе.

Сравнение энергетических и ресурсных характеристик уже явно не в пользу традиционных решений (табл.).

Энергия, запасаемая в тяговой аккумуляторной батарее, определяется произведением номинальной емкости (А∙ч) и номинального напряжения (В). Таким образом, полностью заряженная свинцово-кислотная батарея напряжением 24 В и емкостью 375 А∙ч запасает энергию в 9,0 кВт.ч.

Кривые разряда, приводимые каждым производителем свинцово-кислотных батарей, показывают резкое падение напряжения при разряде, которое еще более увеличивается с ростом током разряда. Напряжение разряда литий-ионных батарей, напротив, достаточно долго сохраняет постоянный уровень при разряде, что говорит о 100%-ной доступности запасенной энергии. Благодаря такой стабильности напряжения можно выбирать литий-ионную батарею с емкостью на 35% меньше, чем стандартная батарея E/PzS.

Например, вместо свинцово-кислотного аккумулятора 375 А.ч можно применить литий-ионный с емкостью 240 А.ч, состоящий из восьми пар элементов напряжением 3,2 В каждый. Номинальное напряжение такой батареи – 25,6 В при запасе энергии 6,1 кВт. При заряде такой системы током 12 А (0,5.С, где C – численное значение емкости аккумулятора) время заряда составит не более 2 ч.

Для наиболее эффективной работы электротранспорта с литий-ионными батареями зарядный выпрямитель и батарею нужно рассматривать как единое целое, несмотря на то, что физически они разнесены. На самом погрузчике устанавливается система Lionic®, состоящая из восьми последовательно соединенных литий-железо-фосфатных (LiFePO4) элементов общим напряжением 24 В, которые могут поставляться с емкостью 120, 240, 360 и 480 А∙ч. Данная батарея называется системой, так как в нее встроен контроллер, управляющий как напряжением на элементах, так и их температурным режимом.

Работу такой системы обеспечивает специально разработанный выпрямитель Belatron Li+ с IU-характеристикой заряда, при этом расход электроэнергии будет на 30% меньше, чем при работе со стандартными свинцово-кислотными батареями.

Быстрый заряд, который достижим на батареях с литий-ионной технологией, увеличивает мощность системы Lionic® и повышает экономическую эффективность используемого электротранспорта, так как в этим случае уже не требуется вторая сменная батарея, а промежуточный заряд в любой удобный перерыв может добавить 37% емкости за 30 минут заряда (при токе заряда 0,75.C).

Данная система, предназначенная для замены прежних батарей в стандартных противовесных вилочных электропогрузчиках, выпускается с аналогичными массо-габаритными показателями, несмотря на то, что собственно батарея почти на 50% легче. Это сделано для сохранения устойчивости погрузчика, поскольку батарея в нем выполняет и функцию противовеса.

Другим немаловажным моментом, влияющим на эксплуатационные затраты, является возможность построения на основе этой технологии децентрализованной системы, когда отсутствие газовыделения и жидкого электролита позволит отказаться от создания дорогостоящих зарядных помещений со специальной вентиляцией, системой долива воды и кислотостойкими полами. При этом малые расстояния транспортировки батарей до мест заряда обеспечат и дополнительную экономию рабочего времени.

В итоге такие факторы, как низкая безопасность эксплуатации и высокая стоимость самих литий-ионных батарей, препятствовавшие ранее их широкому применению в логистических комплексах, практически потеряли свое влияние. Уровень безопасности у промышленного транспорта с этой батареей такой же, как у обычного автомобиля, а дополнительные начальные затраты на закупку более дорогих новых типов батарей компенсируются за счет резкого снижения эксплуатационных расходов. Опыт показывает, что срок их окупаемости в среднем не превышает двух лет.

Еще совсем недавно мы привыкали к литий-ионным батареям в сотовых телефонах, с опаской пользовались оснащенным ими переносным электроинструментом. Теперь в магазинах уже можно купить велосипед или электроскутер, оснащенный такой батареей, да и практически каждый автопроизводитель сейчас предлагает свою версию электромобиля. Складские механизмы и промышленный электротранспорт ждут своей очереди.