Батареи транспортного средства

Батареи

Батареи транспортного средства

Требования к батарее

Батарея транспортного средства используется как источник энергии, а автомобиле, когда двигатель и, следовательно, генератор переменного тока, не работают. Батарея должна отвечать многим требованиям, которые обобщенно перечислены ниже в порядке важности:

♦ обеспечивать сохранение энергии и быть в состоянии достаточно быстро предоставить ее стартеру для запуска двигателя автомобиля;

♦ допускать использование стояночных огней в течение продолжительного времени;

♦ допускать работу вспомогательных устройств при неработающем двигателе;

♦ действовать в качестве «демпфера», сглаживая любые колебания напряжения в системе электропитания;

♦ обеспечивать питание системам энергозависимой памяти, позволять системе сигнализации сохранять активность при длительной стоянке.

Первые два требования из вышеупомянутого списка — самые важные и являются критерием выбора наиболее подходящей батареи для конкретного транспортного средства. Свиниово-кислотная батарея в различных вариантах исполнения до настоящего времени остается самым подходящим выбором для использовании в автомобиле, особенно если принять во внимание фактор стоимости батарей.

Заключительное требование к батарее автомобиля - она должна быть в состоянии выполнять все функции из вышеупомянутого списка 8 широком диапазоне температур — от минус 30 до +70°С . Этот диапазон и включает как очень холодные условия запуска, так и потенциально высокие температуры под крышкой капота.

Выбор правильной батареи

«Правильность» выбора батареи подразумевает выполнение

двух условий:

1. Способность приводить стартер в действие, чтобы обеспечить минимальное время запуска двигатели при низких температурах.

2. Использование батареи для работы прочих устройств в режиме ожидания, когда двигатель не работает.

Первый из этих двух критериев обычно является решающим фактором. Па рис. 5.1 показан график, где сравнивается мощность, потребляемая стартером, и доступная мощность батареи в

зависимости от температуры. Точка, в которой пересекаются линии графиков, является температурным пределом холодного запуски системы (см. также главу по системам запуска). Европейские

стандарты обычно используют цифру—18 °С как предел холодного запуска и критерий выбора батареи.

Исследование показало, что при «нормальных» эксплуатационных режимах в Великобритании большинство батарей автотранспортных средств заряжены в среднем только на 80%. Многие изготовители выбирают для автомобиля такую батарею,

которая будет поставлять необходимый ток для условий холодного запуска при заряде 80% и температуре—7 °С.

Расположение батареи транспортного средства

Выбирая местоположение для батареи автомобиля, необходимо принять во внимание несколько условий:

♦ распределение веса компонентов автомобиля;

♦ близость к стартеру, чтобы уменьшить длину кабеля питания;

♦ доступность;

♦ защита от загрязнения;

♦ окружающая температура;

♦ защита от вибрации.

Как правило, эти условия меняются в зависимости от топа автомобиля, средней рабочей температуры и так далее. Экстремальные температурные условия могут потребовать или нагревателя батареи, или вентилятора охлаждения. Необходимо также принимать во внимание возможность накопления

газов при работе батареи.

Свинцово-кислотные батареи

Конструкция

Даже после более чем ста лет развития и многообещающих

исследований других способов сохранения энергии, свинцово-кислотная батарея все еще остается лучшим выбором для применения в автомобиле. Это именно так, если принимать во внимание ее стоимость и плотность энергии.

За долгие поды постепенные изменения привели к тому, что повсеместно используемая батарея стала герметичной, не требующей обслуживания, очень надежной и долговечной. Некоторым конечным пользователям ото не всегда может быть

очевидно, но заметим, что качество часто связано с иеной, которую платит клиент. Многие дешевые батареи «на дне диапазона выбора» с гарантией 12 месяцев будут работать в течение

13 месяцев!

Основная конструкция свинцово-кислотной батареи номинала 12 В состоит из шести элементов, соединенных последовательно. Каждый элемент, создающий напряжение около 2 В, размешен

в индивидуальном отсеке внутри корпуса из полипропилена или же № аналогичного материала. На рис. 5.2. где показана батарея в разрезе; видны основные элементы конструкции. Активное

вещество, формирующее положительные и отрицательные пластины, удерживается в сетках или корзинах. Сепараторы, сделанные из микропористой пластмассы, изолируют эти пластины

друг от друга.

Сетки, соединительные полосы в клеммы батареи сделаны из свинцового сплава. Долгие годы это был антимонид свинца (PbSb), но теперь он повсеместно заменен кальцитом свинца (РЬСа).

Современные материалы вызывают меньшее газообразование

из электролита, когда батарея полностью заряжена. С этого момента стали возможны герметичные батареи, так как потеря воды была значительно уменьшена.

Однако даже современные батареи, называемые герметичными, все еще имеют маленькое отверстие, предотвращающее рост давления при образовании даже малого количества газа. Еще одно

требование, необходимое для герметичных батареи - точный контроль напряжения зарядки.

Классификация батарей

Удобнее всего классифицировать батареи, но тому, какой ток она может отдавать и как долго может выдержать этот ток. Нормальный ток, который может отдавать батарея, зависит от скорости химической реакции. Она, в свою очередь, определяется рядом факторов, таких как:

♦ площадь поверхности пластин;

♦ температура;

♦ концентрация электролита;

♦ ток нагрузки.

Фактический отдаваемый ток определяет полную емкость батареи. Классификация батарей определяет ток разряда и время разрядки.

Емкость в ампер-часах. Теперь этот показатель используется редко, но он описывает, какой ток батарея в состоянии дать в

течение 10 или 20 ч работы. Наиболее часто используется

цифра 20 ч. Например, батарея с маркировкой 44 А/ч (ампер-час) будет в состоянии при полном заряде отдавать ток 2,2 А в течение

20 ч, прежде чем полностью разрядится (напряжение каждого элемента будет ниже 1,75 В).

Резервная емкость

Система обозначений всех новых батарей использует показатель резервная емкость(reserve capacity - RC). Этот показатель означает время в минутах, в течение которого батарея будет отдавать ток 25 А при температуре 25 "С до конечного напряжения 1,75 В- на элементе. Этот параметр показывает, как долго батарея может обеспечить работу систем автомобиля, если система зарядки в автомобиле не работает. Как правило, батарея на 44 А/ч имеет

резерв емкости приблизительно 60 мин.

Обслуживание и зарядка

Обслуживание

Безусловно, большинством доступных сегодня батарей классифицируется как «не требующие обслуживания». Это подразумевает, что в течение службы батареи ей не требуется много внимания. Однако батареи устаревших типов и некоторые мощны батареи все же требуют периодической проверки и пополнения уровня электролита. Клеммы батарей все еще немного склонны к коррозии. следовательно, рекомендуется обычное обслуживание - очистка клемм с горячей водой и смазывание техническим вазелином или специальной смазкой для контактов. Если сохранить корпус батареи (в особенности ее клеммы) чистыми, можно уменьшить скорость саморазряда.

Степень заряда батареи очень важна и, вообще говоря, нежелательно допускать длительное падение этого показателя ниже 70%, поскольку образующийся сульфат свинца на пластинах может закупорится, что затруднит перезарядку. Нели батарея должна храниться в течение длительного периода (больше нескольких недель), то она должна быть заряжена и регулярно подзаряжаться, чтобы предотвратить сульфатации пластин. Встречаются разные рекомендации но подзарядка каждые шесть недель - это разумное предложение.

Неисправности батареи

Любое электрическое устройство может пострадать от двух главных неисправностей: разрыв цепи или короткого замыкания. Батарей не исключение, но она может также пострадать от других причин — пониженного зарядного тока или снижения емкости. Часто причина проблемы кроется в другом узле автомобиля - например, о системе зарядки. В табл. 5.3 приведен список всех наиболее частых проблем, встречающихся при применении свинцово-кислотных батарей, вместе с типичными причинами.

Восстановление современных батарей невозможно. Решение большинства из внесенных к список проблем означает замену батареи. В случае сульфотации иногда можно вернуть батарею к жизни посредством продолжительной зарядки низким током. Рекомендуемое значение восстановительного тока - одна сороковая емкости а А/ч или около i/200 тока холодного пуска о течение приблизительно 50 ч.

Таблица 5.3. Общие проблемы свинцово-кислотных батарей и их вероятные причины

Признак или неисправность	Вероятные причины
Низким уровень зарядки	Неисправность системы зарядки. Нежелательной утечка в батарее. Разбавленный электролит. Неправильный выбор батареи
Малая емкость	Низкий уровень заряда. Клеммы изъедены коррозией. Примеси в электролите. Сульфотация пластин. Старой батареи - активное вещество осыпалось с пластин
Чрезмерное газообразование	Перезарядка
Повышенной температура	Батарея помещено выхлопного трубопровода
Короткое замыкание в Элементе	Поврежденные пластины и изоляторы. Выпадение активного материала в осадок.
Цепь элемента разомкнута	Сломаны соединяющие полосы элементов. Чрезмерной сульфотация. Очень слабый электролит
Срок службы меньше ожидаемого	Чрезмерная температура. Загрязненный электролит. Перезарядка.

Испытание батарей

Чтобы проверить степень зарядки негерметичной батареи, можно использовать ареометр, как показано на рис. 5.6. Ареометр содержит шприц, которым вытягивают электролит из банки элемента, и поплавок, которым плавает в электролите на глубине,

определяемой его плотностью. Плотность, то есть относительный удельным все электролита, считываемая с градуированной шкалы ареометра при полностью заряженном элементе, должна иметь

значение 1.280. Значение 1.200 соответствует наполовину заряженной батарее и 1,13D — полностью разряженной (показания отсчитываются в г/ ).

Большинство транспортных среди и теперь оснащено необслуживаемыми батареями, и для определения состояния батареи ареометр не пригоден. Состояние необслуживаемой батареи можно определить только по ее напряжению, как показано

в табл. 5.4. Для этого теста требуется точный вольтметр.

Таблица 5.4. Степень зарядки батареи

Напряжение батареи при 20 °С, В	Состояние заряда
12.0	Разряжена (20% или менее)
12.3	Заряжено на половину (50%)
12.7	Заряжено полностью (100%)

Сильноточный тестер разряда (нагрузочная вилка) (heavy-duly — HD), - инструмент, состоящий из резистора низкого сопротивления и вольтметра, связанного с парой измерительных щупов (рис. 5.7). Измерительные щупы сильно прижимаются

к клеммам аккумулятора. Вольтметр показывает напряжение батареи на большом разрядном токе, его величина составляет 200-300 А.

Пригодная к эксплуатации полностью заряженная батарея должна дать значение примерно 10 В в течение 10 с. Резкое падение напряжения, более чем на 3 В относительно номинального, указывает на ее непригодность к эксплуатации. Примечательно

также, что если любой элемент батареи выделяет газ, это указывает на короткое замыкание. Ноль или чрезвычайно низкое показание могут указывать на обрыв в элементе. Используя HD-тестер

(нагрузочную вилку), необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:

♦ аккуратно постучать по верхней крышке батареи, чтобы удалить взрывоопасные газы;

♦ прижать измерительные щупы и правильной полярности к свинцовым клеммам, чтобы минимизировать возможность искрения,

♦ ни в коем случае не использовать тестер в то время, когда батарея находится под зарядкой.

Безопасность

При работе с батареями должны соблюдаться следующие меры безопасности:

♦ хорошая вентиляции;

♦ защитная одежда на персонале;

♦ легкодоступный источник волы (предпочтительно проточной);

♦ наличие аптечки скорой помощь. включая примочки для глаз;

♦ никакого курения или открытого огня.

Электрохимия

Электрохимия — очень сложная и всесторонняя наука. В этом разделе поясняются основные термины и понятия, полезные при изучении принципа действия батарей транспортного средства.

Интересующая нас ветвь электрохимии — это исследование гальванических элементов и процесса электролиза. Когда электрический ток пропускается через электролит, он вызывает определенные химические реакции и перемещение вещества. Некоторые химические реакции при выполнении определенных условий будут пропускать электрическую энергию за счет свободной энергии в системе.

Наиболее интересны обратимые реакции, или, другими словами, те реакции, которые могут - обрабатывать электрическую энергию в химическую и наоборот.

Ион: положительно или отрицательно заряженная молекулярная частица.

Анион: отрицательно заряженный ион.

Катион: положительно заря жен ион, который движется к отрицательной клемме во время электролиза.

Электролиз: процесс протекания электрического тока между двумя электродами, погруженными в раствор, содержащий ионы (электролит), который вызывает химические изменения на электродах.

Электроды: пластины батареи или электролизной ванны , погруженные в электролит.

Анод: положительный электрод гальванического элемента.

Катод: отрицательный электрод элемента.

Электролит: проводящая ионы жидкость, покрывающая оба электрода.

Катализатор: вещество, которое значительно увеличивает скорость химической реакции, при этом кажется, что оно не принимает участия и ней.

Диффузии: самопроизвольное смешивание жидкостей

или газов.

Диссоциация: разложение молекул или атомов в растворе на положительные и отрицательные ионы.

Вторичный гальванический элемент: элемент, содержащий электроды и электролит, который преобразует электрическую энергию в химическую энергию, во время зарядки, и, наоборот, химическую энергию в электрическую в течение разрядки.

Электрохимические реакции

Свойство батареи

Приведенные ниже заголовки означают рабочие характеристики батарей.

Внутреннее сопротивление.

Любой источник электрической энергии может быть представлен общей схемой (рис. 5.8). На ней показан идеальный источник напряжения, последовательно соединенный с резистором. Это представление удобно для объяснения того, почему напряжение на клеммах батареи понижается, когда к ней подключается нагрузка. Когда цепь разомкнута, тока, текущего через внутреннее сопротивление батареи, нет и, следовательно, напряжение не снижается. Когда же ток потечет от источника, появится падение напряжения на его внутреннем сопротивлении. Фактическое значение этого сопротивления

может быть рассчитано следующим образом.

Подключим вольтметр к клеммам батареи и отметим напряжение разомкнутой цепи, например, 12,7 В. Соединим внешнюю нагрузку с батареей и измерим ток, скажем, 50 А. Отметим еще раз напряжение батареи на клеммах при подключенной нагрузке, например 12,2 В.

Внутреннее сопротивление определит следующий расчет :

где U - напряжение разомкнутой цепи, V- напряжение при нагрузке,I - ток, Rt — внутреннее сопротивление.

Для этого примера результат вычисления равен 0,01 Ом.

Температура и степень зараженности батареи влияют на ее внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление может также исполнится как индикатор качества багажи — чем ниже значение, чем выше качество.

Эффективность

Эффективность батареи может быть рассчитана двумя способами: как эффективность по ампер-часам или эффективность по энергии.

При нормативе 20 ч значение может достигать 90%. Обратная величина известна как фактор заряда 1(8 этом примере он равен приблизительно 1.1).

Типичный результат этого вычисления- приблизительно 75%. Эта цифра ниже, чем эффективность но ампер-часам, поскольку учитывается повышенное зарядное напряжение.

Саморазряд

Все батареи подвержены саморазряду, то есть даже без подключения внешней степень заряда уменьшается. Норма саморазряда имеет порядок 0,2—1% емкости батареи в день. Она увеличивается с увеличением температуры и возраста батареи. Это вызвано двумя факторами. Во-первых, химический процесс в батарее нарушается из-за материала сеток, образующих короткозамкнутые гальванические пары между сурьмой и активным материалом. Использование в качестве механической присадки для свинцовых сеток тормозит этот процесс. Примеси в электролите, в частности, металлы, такие как железо, могут также способствовать процессу саморазряда.

Во-вторых, ток утечки также вносит свой в саморазряд, особенно если верхняя часть батареи находится в грязном состоянии. Пары кислоты с частицами грязи могут сформировать токопроводящую пленку. Эта проблема значительно уменьшена применением герметизированных батареи.

Щелочные батареи

Свинцово-кислотные батареи традиционно требовали значительного объема обслуживания для поддержания их в хорошем состоянии. Впрочем, с появлением герметичных необслуживаемых батарей это уже не так. Однако когда батарея должна регулярно подвергаться высокой скорости заряда- разряда или оставаться в бездействии в течение долгого времени, свинцово-кислотный элемент не идеален. С другой стороны, щелочные элементы требуют минимального обслуживания и значительно более стойки к «электрическим злоупотреблениям» вроде глубокого разряда и перезаряда.

Недостатки щелочных батарей состоят в том, что они массивна, имеют меньшую энергетическую эффективность и более дороги, чем их свинцово-кислотный эквивалент. Впрочем, для некоторых применений срок жизни щелочных батарей и минимальные требования к обслуживанию того стоит. Автобусные и рейсовые компании, а также некоторое крупные транспортные операторы используют щелочные батареи.

Щелочные батареи, используемые на транспортных средствах, - это, вообще говоря, никель-кадмиевыебатареи, поскольку другой основной тип таких батарей—для такого применения. Главные

компоненты никель-кадмиевыеэлемента (NiCd) для транспортных средств следующие:

♦ положительная пластина гидрат никеля (NiOOH);

♦ отрицательная пластина- кадмий (Cd);

♦ электролит - гидроокись калия (КОН) и вода (H2O).

В процессе заряда кислород перемешается от отрицательной пластины к положительной, и в обратном направлении - при разряде. Когда батареи заряжена полностью, отрицательная пластина становится чистым кадмием, а положительная пластина становится гидратом никеля. Химическое уравнение, представляющее эту реакцию, в упрощенном виде выглядит так:.

2NiOOH + Cd + 2Н20 + КОН

2Ni (ОН)3 + CdO2 + КОН.

Две молекулы H2O фактически улетают я виде водорода (Н) и кислорода (О2), поскольку в течение всего времени заряда имеет место газообразование. Именно потребление поды элементами указывает на то, что они работают так, как следует из уравнения. Состав электролита в течение реакции не изменяется. Это означает; что величина относительной плотности не будет указывать степень заряда. Эти батареи нечувствительны к перезаряду, потому что как только окись кадмия превратилась в кадмий, дальнейшая реакция невозможна.

Напряжение элемента полностью заряженной батареи — 1,4 В, но оно быстро падает до 1,3 В, как только начинается разрядка. Элемент разряжается до напряжения 1.1 В. На рис. 5.10 показана упрошенная схема NiCd элемента аккумуляторной батареи.

Некоторую надежду для использования в электрических системах транспортных средств подают Ni-MH (никель-металлгилридиые) батареи.

Батарея ZEBRA

Комиссия по исследован им м батарей с нулевым выбросом (Zero Emission Battery Rccearch Activity—ZEBRA) приняла батарею на основе соединения никель-хлорид натрия для использования ее в программе разработки электрического транспортного средства. Основные материалы батареи — никель и попаренная соль. Когда батарея заряжается, на одной стороне керамического электрода хлорид никеля, а натрий на другой. При разрядке электроды изменяют свое состояние обратно к исходным материалам. Каждый элемент батареи имеет напряжение 2,58 В.

Батарея работает при внутренней температуре 270-350 *С и требует встроенного нагревателя. Корпус батареи представляет собой «термос», гарантирующий, что температура наружной поверхности никогда не 30 С. Батарея ZEBRA имеет плотность энергии 90 (Вт/ч)/кг, что вдвое больше значения для батареи снинцово-кислотного типа.

При эксплуатации на электрическом транспортном средстве (electric vehicle - EV) пакет батареи состоит из 44К индивидуальных ячеек, дающих напряжении около 289 В. Плотность энергии - 8J (Вт/ч)/кг, масса пакета - 370 кг (более ¼ полной массы транспортного средства), размеры — 993x793x280 мм. Пакет можно перезарядить всего за один час, используя внешний источник энергии. Этот тип батареи находится в настоящее время о пробной эксплуатации на автомобиле класса А компании Mercedes.

Ультра-конденсаторы

Ультра-конденсаторы - это конденсаторы очень высокой емкости, но относительно малого размера. Это достигается применением электродов из нескольких различных материалов, приготовленных при использовании специальных процессов. Некоторые ультра-конденсаторы базируются на использовании поверхности

большой плошали, двуокиси рутения (RuO:) и угольных электродах. Рутении чрезвычайно дорог и доступен только в очень ограниченных количествах.

Электрохимические конденсаторы используются в энергоемких областях, таких как клеточная электроника, кондиционирование, промышленные лазеры, медицинское оборудование, мощная бытовая электроника, электрические и гибридные транспортные средства. В обычных транспортных средствах можно применить ультра-конденсаторы, чтобы снизить требования к мощности генераторов переменного тока в случае пиковых нагрузок, возникающих при работе усилителя привода руля и тормозов. Ультра-конденсаторы могут накапливать энергию торможения, рассеиваемую в обычных тормозах в миле тепла, и могут использоваться, чтобы повысить к.пл. энергосистемы.

Одна система, эксплуатируемая на гибридном автобусе, использует 30 ультра-конденсаторов. накапливающих (600 кДж электрической энергии (она имеет электрическую емкость 20 Ф при напряжении 400 В). Весит такая батарея конденсаторов 950 кг. Использование этой технологии позволяет использовать энергию, которая в другом случае была бы попросту потеряна (например,

затраченную на торможение). Конденсаторы можно зарядить за очень короткое время, и они могут быстро отдавать ее - например, для быстрого разгона.

Топливные элементы

Энергия окисления традиционного топлива, сопровождаема» обычно выделением тепла, может быть преобразована непосредственно в электричество внутри топливного элемента. Все процессы окисления включают в себя передачу электронов между топливом и окислителем, и в топливном элементе используется сходный процесс преобразования энергии непосредственно в электричество. Химический процесс в батарее сопровождается окислением на отрицательном полюсе и восстановлением на положительном. Чтобы достичь разделения этих реакций в топливном элементе, требуется анод, катод и электролит. Электролит в таком элементе подастся непосредственно с топливам.

Оказалось, что топливо в виде водорода при соединении с кислородом обещает стать самым эффективным источником энергии. Топливные элементы очень надежны и бесшумны в работе, но в настоящее время очень дороги. На рис. 5.11 схематически показано строение топливного элемента.

Работа топливного элемента на водороде происходит следующим образом. Водород под годится к электроду (аноду) из пористого никеля, покрытого катализатором, и диффундирует в электролит. При этом электроны отрываются от атомов водорода. Эти электроны затем проходят через внешнюю цепь. На электроде, к которому аналогичным образом подается кислород, образуется избыток отрицательно заряженных водородных анионов (ОН~). Кислород также переводит в раствор электролита. Анионы движутся через электролит к аноду. Используемый электролит- раствор гидроокиси калия (КОН). Бода образуется как побочный продукт реакции, в которой участвуют ионы водорода, электроны

и атомы кислорода. Если использовать элемент при высокой температуре, создаваемой самим топливным элементов, то можно получить к.пл. более 80% при хорошем показателе плотности энергии. Одна ячейка топливного элемента часто упоминается как «стек».

Рабочая температура этих элементов варьируется, типичное значение около 200 *С. Здесь также используется высокое давление, которое может составлять 30 Бар. Главными проблемами, которые предстоит преодолеть, прежде чем топливный элемент станет реальной альтернативой другим формам сохранения энергии для массового рынка, являются именно давление и хранение водорода. В следующем разделе, однако, показывается путь решения «водородной» проблемы.

Батарея натрий-сера

Ведутся исследования, призванные улучшить существующую

технологию изготовления батарей и обеспечить большую плотность энергии для электрических транспортных средств (электрическая тяга будет обсуждаться в одной из следующих глав). На сегодняшний день потенциальный шаг вперед - батарея на основе соединений натрия и серы, достигшая уже стадии производства. В табл. 5.6 сравнивается потенциальная плотность энергии нескольких типов батарей. Показатель

«(Вт/ч)/кг» означает количество запасенной энергии в (ватт х час) на килограмм веса батареи.

Тип батарей Напряжение элемента Плотность энергии, Батареи, В (Вт/ч)/кг

Свинцово-кислотная 2 30 Никель-железа/кадмий 1,22 45 Никель металл гибрид 1.2 50-80 Натрий сера 2-2,5 90-100 Натрий никель хлорид 2,58 90-100 Литий 3,5 100 Топливный элемент Н2 /O2 -30 500

Таблица 5.6. Потенциальная плотность энергии нескольких типов батарей

Натрий-серные батареи недавно достигли стадии производства, в среди других внесенных в список типов имеют наибольший потенциал. Однако все типы батарей имеют определенные недостатки. Например, хранение и транспортировка водорода- общая проблема всех топливных элементов.

Натрий-серные (Na-S) батареи состоят из катода с жидким натрием, внутрь которого помешен токосъемник. Это - твердый электрод из β-алюминия. Металлическая банка, которая находится в контакте с анодом (серный электрод), окружает всю конструкцию. Главная проблема этой системы заключается в том, что рабочая температура должна быть 300-350 °С. В систему входит нагреватель мощностью несколько сот ватт. Он поддерживает температуру батареи, когда транспортное средство

не движется. Во время эксплуатации температура батареи поддерживается за счет тепла, выделяемого на внутреннем сопротивлении батареи при протекании тока.

Каждый элемент этой батареи является очень маленькой шейкой, использующей приблизительно 15 г натрия. Это - следствие мер безопасности. Если элемент поврежден, сера, окружающая катод, заставит потенциально опасный натрий преобразоваться в сравнительно безопасные полисульфиды. Преимущество маленьких элементов заключается в том, что они могут быть распределены по всему автомобилю.

Емкость каждого элемента — приблизительно 10 А/ч. Эти элементы перестают работать при разрыве в сети, данное обстоятельство следует принимать во внимание, поскольку целая цепочка элементов, используемых для создания необходимого напряжения, может оказаться недействующей. Выходное напряжение каждого такого элемента — около 2 В. На рис. 5.14 показана конструкция Na-S элемента батареи.

Проблема, которую все еще предстоит преодолеть, - материал корпуса банки, который склонен к коррозии вследствие очень агрессивной природы натрий. В настоящее время используется дорогое покрытие из хромистой стали.

Этот тип батареи, питающей электрический двигатель, становится конкурентом двигателю внутреннего сгорания. Конечно, должна быть развита инфраструктура по обслуживанию и зарядке батарей, но все выглядит многообещающим. Есть оценка, что стоимость эксплуатации электрического транспортного средства составит менее 15% от бензиновой версии, в прочем, выгоду могут свести на нее дополнительные затраты на производство.

Батарея «Свинг»

Некоторые перспективные разработки в технологии батарей представляются шагами в правильном направлении, но многие из новых методов включают использование высоких температур, Одна из основных целей исследования батарей заключается в том, чтобы разработать высококачественную батарею, которая работает при нормальной температуре. Одна из таких конструкций – батарея «Свинг» (Swing). На рис. 5.15 показан химический процесс в этой батарее.

В батарее «Свинг» используются ионы лития. Такие батареи имеют угольный анод и катод, изготовленный из окислов переходных (амфотерных) металлов. Ионы лития находятся в постоянном движении между этими очень гонкими электродами в жидком не водном электролите. Следующим шагом, запланированным компанией разработчиком, должно стать использование твердого годимерного электролита на основе окиси полиэгилена вместо жидкого электролита.

Процесс, лежащий в основе батареи «Свинг», протекает при нормальной температуре и дает очень высокое среднее напряжение элементов 3,5В. Испытания, моделирующие условия в электрических транспортных средствах, продемонстрировали уникальную плотность энергии - приблизительно 100 (Вт/ч)/кг или 200 (Вт/ч)/л.

Сложность системы накопления электроэнергии увеличивается с ростом рабочих температур, увеличением количества элементов и с присутствием смешанных или переработанных электролитов. Чтобы гарантировать надежную и безопасную работу, нужно найти ответы на все более и контроля батареи. Понятно, что это ведет к большей системы транспортного средства в целом. Исследование должно быть направлено не только на определенные методы накопления энергии, но и на комплексность и безопасность систем. На рис. 5.16 сравниваются батареи различных типов с позиций плотности энергии и факторов безопасности.

Высокотемпературные системы уже доказали свою жизнеспособность для использования в транспортных средствах. Одни прошли рил суровых испытаний, другие системы находятся в стадии подготовки к испытаниям. Натрий-серная батарея при полной емкости, которая оценивается в 20 кВт/ч, содержит приблизительно 10 кг жидкого натрия. Эти 10 кг должны быть заключены в капсулы в двух герметично закрытых контейнерах. При наличии 100 000 автомобилей получим, что в эксплуатации будет 1000 т жидкого натрия. Концепция батареи «Свинг» все еще числится в новинках, но обещает икал более спитому для не пользования в будущем.

Топливные элементы - Dona

Топливные элементы когда-нибудь заменить двигатель внутреннего сгорания. Разработка топливных элементов является, вероятно, наиболее желанной в транспортной индустрии сегодняшнего дня, поскольку ежегодно тратят колоссальные, суммы в поисках жизнеспособной альтернативы (или дополнения) двигателю внутреннего. В течение нескольких последних лет инженеры компании Dana направили свои производственные и технические возможности на решение задачи уменьшения зависимости автомобиля от традиционных источников энергии. На протяжении истории человечества основные энергии изменялись от твердых видов топлива (типа древесины и угля) в сторону жидких (нефти). В ближайшие годы, как полагают многие, газообразные продукты постепенно станут доминирующим источником энергии во веем мире.

Если коротко, устройство, в котором уперши химической реакции преобразуется непосредственно в электричество, тепло и золу. Этот процесс изменяет в лучшую сторону низкую эффективность традиционного термомеханического преобразования носителя энергии (рис. 5.19).

Водород- первый пример возобновляемого газообразного топлива, которое позволяет вести такую реакцию и, в конечном счете получать электрическую энергию. И этот процесс не загрязняет окружающую среду.

Типичная модель топливного элемента с использованием энергии водорода включает в себя водород, текущий в сторону анода топливного элемента, где посредством электрохимического процесса в присутствии платинового катализатора молекулы водорода расщепляются на электроны и положительно заряженные ионы. Электроны идут и обход протонной обменной мембраны, тем самым генерируется электрический ток. В то же самое время положительные ионы водорода продолжают диффундировать через топливный элемент сквозь РЕМ. Затем электроны и положительный ионы водорода объединяются с кислородом на стороне катода, образуя воду и выделяя тепло. В отличие от традиционного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, здесь электричество сохраняется в батареях или идет непосредственно в тяговые электродвигатели, которые, в спою очередь, приводят во вращение колеса (рис. 5.20)

Одно из препятствий для систем на базе топливных

элементов - это в настоящее время инфраструктуры для изготовления или поставки достаточных объемов водорода. В результате главной нерешенной проблемой остается наличие специфичного вида топлива, используемого в топливном элементе. Бензин и метанол - самые вероятные носители энергии для топливных элементов. Однако каждый вид топлива все еще стоит перед своими собственными проблемами.

В настоящее время разрабатывается технология для композитных биполярных пластин, спаянных в виде сетки, трубопроводов и интегрированных изоляторов. Инженеры разрабатывают металлические биполярные пластины со специальными покрытиями, высокотемпературными каналами области тока, высокотемпературными изоляторами и со средствами высокотемпературной зашиты. Они также разрабатывают методы управления и конструкцию топливных процессоров., предварительных нагревателей и модулей охлаждения интегрированными вентиляторами и .моторами. Продолжается разработка решений для транспортировки водорода, жидкостей, воды и воздуха к различным частям системы. Группа фильтрации