Электробусы. Что мы знаем о транспорте с батарейкой?

После появления первого электротранспорта в XIX веке и второго всплеска популярности в 70-х годах XX века в наше время 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 этой 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, а 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.

Электробус Уильяма Моррисона

Электробус Уильяма Моррисона

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.

Лондонский электробус

Лондонский электробус со съемной батареей — прообраз будущей Tesla с быстросъемными аккумуляторами

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.

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.

Электробус. Замена аккумулятора

Процесс замены аккумулятора в электробусе — полная автоматика, как в XXI веке.

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.

Электробус 1975

Редкий кадр действующего в 1975 году электробуса Seddon Pennine 4-236

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

Электрический минивэн Mercedes-Benz LE 306 — напоминание об эпохе топливного кризиса

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

Китайский суперконденсаторный Ultracap Bus на остановке с зарядной станцией — выглядит, как участок с троллейбусными проводами

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.

NMC-аккумулятор Nissan Leaf

NMC-аккумулятор Nissan Leaf стоит вдвое дешевле NCA-батареи Tesla, но и ёмкость теряет примерно вдвое быстрей (70% после 100 тыс. км)

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.

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.

540-килограммовая NCA-батарея Tesla Model S на 85 кВт

540-килограммовая NCA-батарея Tesla Model S на 85 кВт при замене из-за износа отправляется в системы хранения энергии Tesla Powerwall

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.

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 м2/г до 100 м2/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

Пористая структура литий-титанатного оксида обеспечивает в 30 раз большую площадь, чем графит, и в разы больший срок службы

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

Литий-титанатная батарея Toshiba, используемая в автобусах 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.

пробег тестовой машины на SCiB и литий-кобальт-оксидных батареях

На графике показан пробег тестовой машины на SCiB и литий-кобальт-оксидных батареях. Преимущество SCiB более чем очевидно

Зато в электробусах, где нет дефицита места, а также требуется высокий ресурс батареи, литий-титанатным аккумуляторам самое место.

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.

Серийный электробус КамАЗ

Серийный электробус КамАЗ заряжается на конечной остановке московского маршрута №73

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.

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.

ИСТОЧНИК: HABR

28 Oтвет на Что мы знаем о транспорте с батарейкой?

  • Fastidious replies in return of this difficulty with firm arguments and telling the whole thing regarding that.

  • g

    With havin so much content do you ever run into any issues of plagorism or
    copyright infringement? My site has a lot of completely unique content
    I’ve either created myself or outsourced but it appears a lot of it is popping it up all over
    the internet without my authorization. Do you know any ways to
    help reduce content from being stolen? I’d truly appreciate it.

  • g

    You actually make it seem really easy along with your presentation however
    I to find this topic to be actually something that I feel I would by
    no means understand. It seems too complicated and extremely extensive for me.
    I’m looking ahead in your next submit, I’ll try to get the hang of it!

  • g

    It’s difficult to find experienced people in this particular topic, but you seem like you know what you’re talking about!
    Thanks

  • g

    Way cool! Some extremely valid points! I appreciate you writing
    this article and the rest of the site is extremely good.

  • g use

    Hi mates, its wonderful post regarding cultureand fully defined, keep it up all the
    time.

  • take g

    My developer is trying to persuade me to move to .net from PHP.
    I have always disliked the idea because
    of the expenses. But he’s tryiong none the less. I’ve been using Movable-type on several websites for about a year and am concerned
    about switching to another platform. I have heard good things about blogengine.net.
    Is there a way I can import all my wordpress content into it?

    Any help would be really appreciated!

  • g all

    I am extremely impressed with your writing skills as well as with the layout on your blog.
    Is this a paid theme or did you customize it yourself? Anyway keep up the excellent quality writing, it is rare to see a great
    blog like this one nowadays.

  • This paragraph is really a nice one it assists new the web people, who are wishing in favor
    of blogging.

  • Thank you for sharing your thoughts. I really appreciate your
    efforts and I will be waiting for your next post thank you
    once again.

  • fujinopromotion.com

    Pretty section of content. I just stumbled upon your site and in accession capital to assert that I get actually enjoyed
    account your blog posts. Any way I’ll be subscribing to your augment and even I achievement you access consistently fast.

  • tinyurl.com

    That is a great tip especially to those new to the
    blogosphere. Brief but very accurate info… Thank you for sharing this
    one. A must read post!

  • tinyurl.com

    Good way of explaining, and pleasant article to take data concerning my
    presentation focus, which i am going to present in institution of
    higher education.

  • Thanks for the marvelous posting! I certainly enjoyed reading it, you may be a great author.
    I will make sure to bookmark your blog and will come back later in life.
    I want to encourage you to definitely continue your great job, have a
    nice afternoon!

  • Spot on with this write-up, I seriously feel this site needs a great deal more
    attention. I’ll probably be back again to read through more, thanks for the advice!

  • Howdy! I could have sworn I’ve been to this site before but after reading through some of the post I realized it’s new to me.
    Anyways, I’m definitely delighted I found it and I’ll be bookmarking and checking back frequently!

  • Wow, wonderful blog layout! How long have you been blogging for?

    you made blogging look easy. The overall look of your website is excellent, let alone the content!

  • Amazing things here. I’m very happy to peer your article.
    Thank you so much and I’m looking forward to touch you.
    Will you please drop me a e-mail?

  • If some one desires expert view regarding blogging and site-building after that i suggest him/her
    to visit this webpage, Keep up the pleasant
    work.

  • pdf book

    Renaissance Famous Literature Maximum Ride Ultimate Fight

    Feel free to visit my homepage: pdf book

  • Department Of Aerospace Science And Technology Instructional Leadership Plan

    Also visit my homepage — best books — http://kzarreld.shoppy.pl/Produkt/tg7wj5w4,

  • pdf book

    Top Classic Novels Everyone Should Read Pseb 10th Result 2019 Final Date

    Check out my website … pdf book

  • Jerrykab

    Знаете ли вы?
    Первая председательница Верховного суда Татарии молчала по поводу своей службы в НКВД.
    Перечень имён может быть самостоятельным поэтическим жанром.
    Владелец вернул похищенную картину Пикассо почтой, не найдя покупателей.
    В 1941 году в московскую «Писательскую роту» пришли добровольцами бывший вор и следователь ЧК.
    Старейшую в России организацию реставраторов велено было выселить и уплотнить.

    http://arbeca.net

  • books

    James Lee Burke Writer Arabian Journal For Science And Engineering Editorial Board

    Look into my website: books

  • bog

    Aldous Huxley Konec Civilizace Jacqueline Wilson Books Cheap

    My web blog: bog

  • zmkywqv.shoppy.pl

    Tom Gates Books Online Free Government Polytechnic Hisar

    my blog … library; zmkywqv.shoppy.pl,

  • Love In The Time Of Cholera Last Page Rte Admission Notification

    Also visit my web-site — best books — http://zcmanmj.shoppy.pl

  • bog

    A Handmaid’S Tale Litcharts Animal Farm George Orwell Waterstones

    Here is my homepage :: bog

Написать ответ

Your email address will not be published. Required fields are marked *