Батареи

Топ производителей батарей для электромобилей

С ростом рынка электромобилей, производители, конечно, увеличивают и количество батарей для этих электромобилей. Но кто занимает топ по метрологическим показателям производства аккумуляторных батарей?

BatteryПожалуй, наиболее интересная особенность рынка сейчас: в том, что среди новых «игроков», те которые небольшие, набирают «обороты», а крупные игроки начинают потихоньку терять свое господство.

В целом показатели за этот год по сентябрь цифры уже выше, чем итоги за весь прошлый год там?

Battery

Лидер рынка «Панасоник» по-прежнему создаёт рост продаж вместе с Тесла конечно. Но что будет в 2015? Будет ли запуск «Модель Х» причиной для больших продаж? Планируется, что у Panasonic производственная мощность аккумуляторов будет значительно выше, чем в 2014 году.

В AESC совместное предприятие NEC и Renault-Nissan продолжает терять свою долю — 36% в 2012 году, 28% в 2013 году. 23% — по состоянию на сегодня Стоит отметить, однако, что производство LG также пошло на некоторый спад в последнее время. Главным образом потому, что СhevyVoltпродажи уменьшились. Не совсем понятно, если падение вызвано снижением спроса или же сокращением предложения, то предстоящий выпуск 2015 Chevy Volt для LG будет возможностью обрести некоторую долю большую часть рынка.

Lithium Energy Japan (GS Yuasa и Mitsubishi), попали наверх в топ — до 7% доли рынка, за счет успеха Outlander PHEV. BYD имеет продолжение своего впечатляющегго роста — удвоив свою долю до 6%. У Samsung наблюдается рост доли рынка. Отчасти благодаря партнерству с БМВ. Теперь имеет долю рынка в 4%. Воздушно литиевые батареи. Поставщик Kandi — теперь имеет 3% рынка.

Battery

Изготовители батарей: 
  • Panasonic, 
  • AESC, 
  • LG Chem, 
  • Mitsubishi/GS Yuasa, 
  • BYD, 
  • Samsung, 
  • Воздух Лития (Lyoyang), 
  • ACCUmotive, 
  • Tianneng, Siemens.

Компания Tesla Motors представила аккумулятор на 650 километров пробега

Несмотря на очевидные преимущества использования электрических автотранспортных средств для ежедневных поездок, на дорогах планеты все еще уверенно доминируют автомобили с ДВС.

Tesla New BatteryОсновным фактором, сдерживающим популяризацию электромобилей, является их малая дальность хода на одной зарядке, в то время как для перезарядки батареи, даже от специализированной станции, требуется существенный временной промежуток. Современные модели электрических автомобилей сделали уверенный шаг вперед, обеспечив владельцам дальность хода в 150 километров и более, и этого достаточно для каждодневных поездок в условиях мегаполисов. Но, увы, совершенно недостаточно для более длительных поездок.
tesla-battery-recycled-002Небезызвестная в мире электрических автомобилей компания Tesla Motors разработала уникальный гибридный аккумулятор, который является воплощением 2-х технологий накопления электрической энергии – литий-ионной и метало воздушной технологий. Естественно, тот факт, что данное устройство широко освещается, указывает на то, что соответствующий патент уже был получен компанией.

Специалисты компании уверены, что разработанная ими аккумуляторная батарея обеспечит автомобилям компании дальность хода в 645 км. (400 миль) на полном заряде батарей. Учитывая возможности современных электромобилей, звучит это более чем фантастически.

tesla-model-s-frame_battery

Из заявления представителей Tesla Motors становится ясно, что более прочный и дорогой аккумуляторный компонент, построенный по литий-ионной технологии, будет задействоваться в случае кратковременных поездок. Если же владелец захочет проехать на дальнее расстояние, он сможет переключить двигатель в режим питания от метало-воздушного аккумуляторного компонента. Представленная концепция появилась в результате проведенных масштабных исследований, итоги которых однозначно указывали на то обстоятельство, что в 95% случаев электрические автомобили используют для краткосрочных поездок.

tesla-battery-recycled-001

В метало-воздушных аккумуляторных батареях, как вы уже наверняка знаете, в роли электрода используется атмосферный кислород. Они обладают низкой себестоимостью, поскольку в конструкции используются доступные элементы, такие как алюминий и цинк, но имеют существенный недостаток – малое количество допустимых циклов зарядки-разрядки без снижения емкости. Подобное сочетание дешевых дальнобойных аккумуляторов с живучими, но более дорогими, повседневными, по мнению специалистов компании, позволит приблизить стоимость автомобилей с аккумуляторами нового типа к уже выпускаемым компанией.

tesla-model-s-battery_3

Представленный аккумулятор все же имеет потенциальный недостаток – при частых длительных поездках метало-воздушный аккумуляторный блок будет изнашиваться значительно быстрее, чем литий ионный, предназначенный для каждодневных краткосрочных поездок. Но нет никаких сомнений, что к времени практического релиза специалисты компании решат и эту проблему, например, за счет модульной конструкции аккумулятора.

Bosch и Mitsubishi работают над новым поколением аккумуляторов

Robert Bosch GmbH совместно с японскими компаниями GS Yuasa International Ltd. и Mitsubishi Corporation займется разработкой нового поколения высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов. Именно этот компонент создает основу для развития таких транспортных средств будущего, как plug-in гибриды и электромобили.

bosch+mitsubishi

Компании намерены использовать передовую систему управления ячейками аккумулятора, последние достижения в электрохимии и самые современные материалы для увеличения заряда батарей. Такое решение позволит уменьшить вес и габариты электромобилей, а также значительно увеличить дальность их движения на одном заряде.

Три компании планируют создать совместное предприятие, которое займется проведением исследований и разработок, а также поддержкой материнских компаний в области продаж и маркетинговой деятельности. Планируется, что работать новая структура начнет уже в 2014 году. Штаб-квартира будет располагаться в Штутгарте (Германия). Сейчас создание совместного предприятия подлежит одобрению антимонопольных органов. Согласно договоренности, Bosch в новой организации получит 50% акций, а GS Yuasa и Mitsubishi Corporation будут владеть пакетами по 25%. Состав и структура совета директоров и наблюдательного совета будут соответствовать распределению акций.

Вклад Bosch в данный проект заключается во внедрении собственных ноу-хау в организацию производственных процессов и контроль качества при крупномасштабном серийном выпуске сложных изделий. Учитывая опыт компании в сфере производства батарей и систем управления аккумуляторами, Bosch займется разработкой систем мониторинга и управления, как отдельными ячейками, так и аккумуляторными системами.

Кроме внедрения новых технологий в автомобили, в рамках проекта Bosch будет поставлять широкий ассортимент комплектующих для электромобилей. Компания GS Yuasa привнесет в проект свой многолетний опыт в производстве литий-ионных аккумуляторов высокой емкости, экспертизу в области использования материалов, а также знания в электрохимии. Один из ведущих производителей автомобильных и не только литий-ионных аккумуляторных батарей – GS Yuasa – располагает сильной командой инженеров и современными производственными линиями с высоким уровнем автоматизации.

Mitsubishi Corporation применит свой опыт в создании глобальных производственно-сбытовых цепочек, охватывающих поставки природных ресурсов, необходимых материалов, а также продажи.

 

Типы солнечных батарей

В наше время вопрос получения экологически чистой, и что не менее важно, экономически доступной энергии стоит особенно остро. Одним из перспективных решений является использование энергии солнца для обеспечения нужд населения в электрической энергии. Главной составляющей домашней солнечной электростанции, вне всяких сомнений, являются фотоэлектрические элементы или, как их чаще называют, солнечные батареи. Они выполняют основную функцию – преобразования энергии солнца в электрический ток.

Типы солнечных батарей

Данная солнечная батарея включает в свой состав отдельные соединенные вместе фотоэлектрические элементы, обеспечивающие необходимую производительность всей установки. Сегодня на рынке солнечного оборудования можно встретить пять различных типов фотоэлектрических элементов, которые отличаются материалом изготовления и некоторыми техническими особенностями.

Поликристаллическая солнечная панель

Типы солнечных батарей

Поликристаллические солнечные элементы получили широчайшее применение благодаря эффективному соотношению стоимости и коэффициента преобразования света в электрическую энергию. Чаще всего эффективность батарей этого типа колеблется в пределах двенадцати-четырнадцати процентов. Визуально фотоэлектрические элементы данного типа выделяются кристаллической структурой и синим цветом.

Монокристаллическая солнечная панель

Типы солнечных батарей

Фотоэлектрические панели, выполненные из монокристаллических элементов, характеризуются лучшей эффективностью преобразования энергии, однако обладают более высокой стоимостью в пересчете на стоимость ватта производимой энергии. Эффективность батарей данного типа составляет порядка четырнадцати-шестнадцати процентов.

Как правило, монокристаллические фотоэлектрические элементы имеют форму многоугольников, из-за чего заполнение всей полезной площади батареи не представляется возможным. По этой причиной удельная мощность установки уступает удельной мощности отдельно взятого элемента батареи.

Солнечная панель на основе аморфного кремния

Типы солнечных батарей

Фотоэлектрические элементы, изготавливаемые на основе аморфного кремния, имеют самый низкий показатель эффективности – всего шесть-восемь процентов. Вместе с тем, батареи данного типа производят самую дешевую энергию из всех батарей, сконструированных по кремниевой технологии.

Солнечная панель на основе теллурида кадмия

Типы солнечных батарей

Фотоэлектрические панели, выполненные на основе теллурида кадмия (CdTe) изготавливаются с использованием пленочной технологии. Полупроводниковый слой наносится очень тонко, всего в несколько сотен микрометров. Эффективность батарей на основе теллурида кадмия невысока – всего одиннадцать процентов. Вместе с тем, батареи данного типа производят энергию, конечная стоимость которых ниже на двадцать-тридцать процентов, чем у кремниевых аналогов.

Солнечная панель на основе CIGS

Типы солнечных батарей

Фотоэлектрические элементы данного типа основаны на использовании CIGS – полупроводника, имеющего в составе такие элементы как галлий, медь, индий и селен. Как и предыдущий, данный тип солнечных батарей изготавливается с использованием пленочной технологии. Вместе с тем, эффективность данных батарей гораздо более высокая – порядка пятнадцати процентов.

Потенциальные покупатели фотоэлектрических батарей, часто задаются вопросом – какой же тип элементов лучше всего подойдет для их ситуации. Хочется отметить, что эффективность преобразования энергии не является абсолютным показателем преимущества среди солнечных панелей. Если места для размещения большого количества фотоэлектрических элементов достаточно – вполне можно сэкономить на установке более дешевых и менее эффективных панелей, мощности которых будет достаточно для удовлетворения нужд в электрической энергии. Помимо прочего следует учитывать параметры отдельно взятой батареи, предоставленные ее производителем.

Проточные батареи Sandia

Проточные батареи Sandia

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали уникальную полутвердую проточную ячейку SSFC, наполняемую не менее Cambridge Crude – не менее уникальным электролитом.

Оказалось, что в данном направлении уже долгое время работают ученые из Sandia National Laboratories, национальной лаборатории. Совсем недавно ими было представлено новое семейство жидких электролитов, предназначенных для проточных батарей, с энергоемкостью, превышающей все используемые аккумуляторные батареи в три раза.

Новейший электролитический раствор, основанный на ионной жидкости, получил название MetILs. В ионной жидкости в больших количествах содержатся частицы железа, марганца, ванадия, кобальта и никеля. Проточная батарея Sandia имеет в три раза большую емкость по сравнению с самыми совершенными литий-ионными аккумуляторными батареями, более того, она способна выдерживать свыше четырнадцати циклов заряда/разряда. Такой устойчивости к цикличной зарядке по подсчетам инженеров будет достаточно для двадцати лет работы, чего в принципе невозможно добиться с применением литиевых аккумуляторов.

Принцип работы проточной батареи весьма схож с оным у топливного элемента. Генерация электрического тока достигается при взаимодействии двух жидких компонентов, которые при помощи насоса прогоняются через активную зону – саму топливную ячейку. То есть для поддержания полного заряда батарей необходимо просто заливать в специальные резервуары ионную жидкость, что по своей сути весьма эффективно и удобно. Однако в данном случае не все так радужно – современные аккумуляторные батареи проточного типа имеют большие физические размеры и обладают высокой стоимостью.

Однако все эти сложности вполне решаемы. Специалистами Sandia National Laboratories было принято решение об отказе от воды, что в значительной степени способствовало миниатюризации всего устройства. Этого удалось добиться за счет использования более высокой концентрации нетоксичных доступных металлов, таких как медь, марганец и железо, в электролитическом растворе. Вместе с тем, достижения ученых пока применимы лишь к катоду проточной батареи. В настоящее время ведется поиск оптимальных материалов для анода.

Графеновые батареи

Люди шутят, что если долго смотреть на разряженный Android-смартфон, можно заметить, как он медленно ползет в сторону розетки. Проблема постоянной нехватки заряда в нашем быстрорастущем мире технологий становится все острее. Но все может измениться с новыми батареями на основе графена, которые будут заряжаться за считанные минуты.

Новая технология — предмет коммерческого лицензионного соглашения между Battelle и Vorbeck Materials — разработки Тихоокеанской национальной лаборатории в Ричленде (PNNL). Согласно договору, Vorbeck оснастит свои литиевые батареи графеновыми технологиями Vor-X и представит рынку, который так нуждается в свежих решениях. Особенно в сфере батарей для смартфонов и медицинских устройств, экологического транспорта (электромобилей) и другой «прожорливых» и активно используемой техники.

«Сегодня обычный аккумулятор телефона нужно заряжать от двух до пяти часов, а электрический транспорт  должен заряжаться всю ночь», — объяснил Джон Леттов (John Lettow), президент Vorbeck Materials. — «Пионерские разработки Vorbeck и PNNL ведут к тому, что время, которое нужно будет тратить на зарядку батарей, сократится до нескольких минут для смартфона и до нескольких часов для автомобиля».

Не так давно открытый нашими соотечественниками Геймом и Новосёловым, работающими за границей, графен (а позже и поставленный на коммерческое производство) представляет собой уникальную модификацию углерода. Материал обладает интересными свойствами и постепенно вливается в различные сферы электроники — от полупроводниковой до, как видите, энергетической.

Исследования PNNL и Vorbeck показали, что небольшие количества графена Vor-X, выступающего в роли электронного проводника и сделанного из невероятно тонких листов атомов углерода, значительно улучшают производительность батареи, а также снижают время зарядки до минимума.

В исследовательском центре Nokia считают, что «мы стоим на этапе развития графеновой революции». Евросоюз выделил миллиард долларов на исследование этого материала, и очень скоро он может заменить собой кремний, как он в свое время заменил железо.

Литий-воздушные батареи IBM

Один из самых весомых недостатков электрокара – ограниченная дальность пробега. Нетрудно представить, какие ощущения испытывает водитель, опасающийся, что он может просто-напросто не доехать до пункта назначения – какое уж там удовольствие от вождения, когда шкала заряда стремительно пустеет! IBM решила жестко расправиться с этой проблемой, ведя разработку батареи с 800-километровым запасом хода.

Сама компания называет новый аккумулятор литий-воздушным. Его теоретическая энергетическая плотность в тысячу раз выше литий-ионного варианта, что позволит поставить электрокар в один ряд с бензиновыми авто. В упрощенном виде его работу можно описать так – в позитивном электроде вместо оксидов металлов используется углерод, реагирующий с воздухом вокруг него для создания электрического тока. Польза от применения углерода заключается еще и в том, что он легче оксидов металлов, что позволит снизит вес батарей.

LeafЕсли исследования IBM завершатся успехом, то подобные Nissan Leaf машины с их ограниченным запасом хода будут вспоминаться с ностальгической улыбкой.

Однако без проблем в разработке не обходится. Химическая нестабильность процессов, происходящих во время перезарядки, ограничивает жизненный цикл батарей, что в текущем виде делает их непригодными для использования в автомобилях. Разумеется, это не тупик. Специалисты IBM ведут дальнейшие исследования, которые приносят многообещающие плоды уже сейчас.

Изучая электрохимические реакции в литий-воздушных батареях, они обнаружили, что кислород вступает в реакцию не только с углеродным электродом, но и с электролитическим сольвентом – проводящим раствором, переносящим ионы лития между электродами. Однако реакция электролита с кислородом со временем приводит к истощению первого. Так что ученым IBM из калифорнийской и швейцарской лабораторий пришлось провести невероятно детализированные симуляции происходящих реакций для поиска альтернативного электролита, вплоть до моделирования на атомарном уровне – в чем помог суперкомпьютер Blue Gene.

В результате удалось получить несколько функционирующих прототипов, однако пока IBM не раскрывает деталей касательно примененных в них элементов и соединений. Вместе с «голубым гигантом» в проекте задействованы четыре американских национальных лаборатории и коммерческие партнеры – союз надеется на то, что полнофункциональные прототипы будут готовы к 2013 году, а коммерческий вариант литий-воздушных батарей окажется доступен автопроизводителям в 2020 году.

Только представьте перспективы, которые открываются перед электрокарами с новыми батареями. Разумеется, перед исследователями стоят и другие практические проблемы – например, дороговизна и ограниченность лития как ресурса, а также проблема работы литий-воздушных батарей во влажном воздухе (ведь литий может спонтанно загореться при контакте с водой). Однако будущее выглядит многообещающе.

 

Никель-металлогидридные аккумуляторы

История

NiMH аккумуляторы и зарядноеИсследования в области никель-металлогидридных батарей начались в 1970-х годах как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объем никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжелого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объем батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве.

Начиная с 1980-х была существенно улучшена технология производства NiMH батарей и началось коммерческое использование в различных областях. Успеху NiNH батарей способствовала увеличенная емкость (на 40% по сравнению с NiCd), использование материалов, годных к вторичной переработке («дружественность» природной среде), а также весьма длительных срок службы, часто превышающий показатели NiCd аккумуляторов.

Для создателей электромобилей есть один большой облом: для использования в электромобилях NiMH батареи не продаются. Причина проста — корпорация Texaco выкупила долю патентодержателя на никель-металлогидридные батареи (фирмы Ovonics) у General Motors и теперь объединенная Texaco/Chevron не дает лицензий на производство аккумуляторных элементов большого размера до конца 2014 года (и кто же после этого скажет, что нет заговора нефтяных корпораций против электромобилестроения).

Вы можете сказать, что в Toyota Prius используется тяговый никель-металлогидридный аккумулятор. Это так, только Тойоте приходится идти на жертвы в виде высоковольтной аккумуляторной батареи с сотнями элементов для того, чтобы из малоемких аккумуляторов можно было собрать батарею с приемлемой токовой нагрузкой. Наградой за такие ухищрения стала аккумуляторная батарея емкостью 1,3КВт*ч — этого хватает только на 10км пробега.

До введения запрета на NiMH аккумуляторы достаточно большим успехом пользовался электромобиль Toyota RAV4 EV. Хотя из-за окончания производства больших аккумуляторов RAV4 EV перестали производить более 6 лет назад, до сих пор многие из этих электромобилей ездят на родных аккумуляторах.

Преимущества и недостатки NiMH аккумуляторов

Преимущества:

  • Большая емкость — на 40% и более, чем обычные NiCd батареи
  • меньшая выраженность эффекта «памяти» — циклы обслуживания батареи можно проводить в 2-3 раза реже
  • простая возможность транспортировки — авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
  • экологически безопасны — возможна переработка

Недостатки:

  • Ограниченное время жизни батареи — обычно около 500 циклов полного заряда/разряда (хотя в зависимости от режимов работы и внутреннего устройства могут быть различия в разы).
  • Эффект памяти — NiMH батареи требуют периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора).
  • Относительно малый срок хранения батарей — обычно не более 3х лет при хранении в разряженном состоянии, после чего теряются основные характеристики. Хранение в прохладных условиях при частичном заряде в 40-60% замедляют процесс старения батарей.
  • Высокий саморазряд батарей
  • Ограниченная мощностная емкость — при превышении допустимых нагрузок уменьшается время жизни батарей.
  • Требуется специальное зарядное устройство со стадийным алгоритмом заряда, поскольку при заряде выделяется большое количество тепла и никель-металлгидридные батареи прохо переносят перезаряд.
  • Плохая переносимость высоких температур (свыше 25-30 по Цельсию).

Конструкция NiMH аккумуляторов и АКБ

Современные никель-металлогидридные аккумуляторы имеют внутреннюю конструкцию, схожую с конструкцией никель-кадмиевых аккумуляторов. Положительный оксидно-никелевый электрод, щелочной электролит и расчетное давление водорода совпадают в обеих аккумуляторных системах. Различны только отрицательные электроды: у никель-кадмиевых аккумуляторов – кадмиевый электрод, у никель-металлогидридных – электрод на базе сплава поглощающих водород металлов.

В современных никель-металлогидридных аккумуляторах используется состав водородоадсорбирующего сплава вида AB2 и AB5. Другие сплавы вида AB или A2B не получили широкого распространения. Что же обозначают загадочные буквы A и B в составе сплава? – Под символом «A» скрывается металл (или смесь металлов), при образовании гидридов которых выделяется тепло. Соответственно, символ «B» обозначает металл, который реагирует с водородом эндотермически.

Для отрицательных электродов типа AB5 используется смесь редкоземельных элементов группы лантана (компонент А) и никель с примесями других металлов (кобальт, алюминий, марганец) – компонент B. Для электродов типа AB2 используются титан и никель с примесями циркония, ванадия, железа, марганца, хрома.

Никель-металлогидридные аккумуляторы с электродами типа AB5 имеют большее распространение из-за лучших показателей циклируемости, несмотря на то, что аккумуляторы с электродами типа AB2 более дешевы, имеют большую емкость и лучшие мощностные показатели.

В процессе циклирования происходит колебания объема отрицательного электрода до 15-25% от исходного за счет поглощения/выделения водорода. В результате колебаний объема возникает большое количество микротрещин в материале электрода. Это явление объясняет, почему для нового никель-металлогидридного аккумулятора необходимо произвести несколько циклов «тренировочных» циклов заряда/разряда для приведения значений мощности и емкости аккумулятора к номинальным. Также у образования микротрещин есть и отрицательная сторона – увеличивается площадь поверхности электрода, которая подвергается коррозии с расходованием электролита, что приводит к постепенному увеличению внутреннего сопротивления элемента и снижению емкости. Для уменьшения скорости коррозийных процессов рекомендуется хранить никель-металлогидридные аккумуляторы в заряженном состоянии.

Отрицательный электрод имеет избыточную емкость по отношению к положительному как по перезаряду, так и по переразряду для обеспечения приемлемого уровня выделения водорода. Из-за коррозии сплава постепенно уменьшается емкость по перезаряду отрицательного электрода. Как только избыточная емкость по перезаряду исчерпается, на отрицательном электроде в конце заряда начнет выделяться большое количество водорода, что приведет к стравливанию избыточного количества водорода через клапаны элемента, «выкипанию» электролита и выходу аккумулятора из строя. Поэтому для заряда никель-металлогидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное усройство, учитывающее специфику поведения аккумулятора для избегания опасности саморазрушения аккумуляторного элемента. При сборе батареи аккумуляторов необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию элементов и не курить рядом с заряжающейся никель-металлогидридной батареей большой емкости.

Со временем в результате циклирования возрастает и саморазряд аккумулятора за счет появления больших пор в материале сепаратора и образовании электрического соединения между пластинами электродов. Эта проблема может быть временно решена путем нескольких циклов глубокого разряда аккумулятора с последующим полным зарядом.

При заряде никель-металлогидридных аккумуляторов выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. При собирании нескольких аккумуляторных элементов в батарею необходима система контроля параметров батареи (BMS), а также наличие терморазмыкающихся токопроводящих соединительных перемычек между частью аккумуляторных элементов. Также желательно соединять аккумуляторы в батарее путем точечной сварки перемычек, а не пайки.

Разряд никель-металлогидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и емкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная емкость никель-металлогидридного аккумулятора будет максимальной.

Новые чипсеты от TOSHIBA

toshiba_chipset Вполне возможно, что уже в ближайшее время аккумуляторами электромобилей и гибридов будет управлять электроника Toshiba. Об этом можно судить по недавнему объявлению представителей японской компании, которые заявили о скором запуске продаж чипсетов для мониторов аккумуляторных батарей электрического транспорта.

Руководство компании Toshiba утверждает, что ее специалистам удалось создать интегральные схемы, каждая из которых может одновременно управлять 16 ячейками аккумулятора. Благодаря этому становится возможным создание простых и экономичных систем мониторинга состояния аккумулятора.

В состав чипсета Toshiba входит интегральная схема монитора аккумулятора (TB9141FG) и микроконтроллер (TMPM358FDTFG), что позволяет ему определять оставшийся заряд в каждой ячейке и выравнивать его по объему аккумулятора. Чипсет также может обнаруживать аномальные состояния в аккумуляторе. Специалисты Toshiba считают свое решение идеальным для гибридов и электромобилей, состояние аккумуляторов которых нуждается в постоянном контроле.

Интегральные схемы TB9141FG используют высоковольтные процессы (96В) и осуществляют контроль 16 ячеек при помощи одной схемы. Для обмена данными интегральные схемы используют дифференциальное сигнализирование в гирляндном подключении.

Микроконтроллер TMPM358FDTFG – это 32-битная микросхема с сокращённым набором команд (RISC), созданная на базе ядра ARM CortexTM-M32. Это устройство позволяет осуществлять постоянный мониторинг состояния аккумулятора с низким потреблением энергии благодаря функции резервной RAM, «спящему режиму» и маломощным устройствам Toshiba.

Компания Toshiba планирует создать примеры установки блоков TB9141FG и TMPM358FDTFG, а также библиотеку программного обеспечения в соответствии с существующими стандартами безопасности. Это позволит владельцам электромобилей самостоятельно создавать системы контроля состояния аккумулятора.

Аналитики компании рассчитывают на рост рынка мониторов литиево-ионных аккумуляторов в связи с ростом популярности электромобилей и гибридов. В планах Toshiba занять 25% этого рынка в 2017 фискальному году.

Продажи первых образцов чипсета начнутся в феврале-марте 2013 года, а массовое производство начнется в апреле 2014 года.

Новые алгоритмы улучшат аккумуляторы

Учеными из Калифорнийского университета (University of California) разработали передовые оценочные алгоритмов для систем управления аккумуляторами электромобилей (BMS, battery management systems), которые позволят литиево-ионным источникам питания работать эффективнее, снизят их себестоимость, а также ускорят зарядку таких батарей.

В настоящее время для мониторинга характеристик аккумулятора и его работоспособности производители обычно используют данные о величинах напряжения и тока. Как отмечает профессор Мирослав Крстик (Miroslav Krstic), такой метод даёт очень грубый и неточный результат. Вследствие этого, из соображений безопасности разработчики создают батареи более крупных, чем надо, габаритов и веса, что увеличивает их стоимость. Кроме того, их время зарядки слишком большое, так как с целью перестраховки аккумуляторы настроены на работу в щадящем режиме. А это ограничивает, главным образом, отрасль электромобилей.

Компания Toshiba, например, недавно заявила о своих планах отказаться от серийного выпуска своего электромобиля второго поколения eQ, ссылаясь на слишком длительную зарядку батарей, которая, по мнению производителя, не позволит ему завоевать массовую популярность.

Классические литий-ионные батареи состоят из трёх листов, скрученных вместе. Один из крайних слоёв выступает анодом, средний играет роль сепаратора, и последний является катодом. Когда аккумулятор полностью заряжен, ионы лития сохраняются на аноде. При подключении приёмника питания, ионы перемещаются от анода к катоду. Для того, чтобы батарея правильно функционировала, важно знать, как именно ионы распределяются на аноде. Но это очень тяжело измерить, даже с использованием сложного дорогостоящего оборудования.

Рис. Структура литиево-ионного элемента

Ученые разработали алгоритмы, позволяющие оценивать процессы в батарее на электрохимическом уровне. С помощью предложенной математической модели можно также оценить изменение «состояния здоровья» аккумулятора с течением времени. Исследователи надеются сформулировать стратегию зарядки и использования батарей для полного раскрытия их потенциала, обеспечивающую при этом безопасность эксплуатации.

Для развития проекта Агентство передовых исследований в области энергетики ARPA-E выделило грант в размере $9,6 млн, который разделят между собой Калифорнийский университет, а также участвующие в разработке компании Bosch и Cobasys. Эти деньги пойдут на проведение тестирования алгоритмов на реальных аккумуляторах, включая оценку распределения заряда в батарее, её состояния, а также разработку оптимальных стратегий зарядки и разрядки. По предварительным данным, внедрение новых алгоритмов позволит снизить себестоимость литий-ионных аккумуляторов на 25%, а также позволит вдвое сократить время зарядки.

Поставщик батарей для электромобилей A123 Systems заявил о банкротстве

a321_fail

A123 Systems считалась одной из наиболее успешных начинающих компаний сектора «зеленой экономики» и получила около 250 000 000 долларов в виде грантов от правительства США. Однако череда производственных неудач и недостаточно высокий спрос на электромобили привел компанию к финансовому кризису.

Автомобильный бизнес A123 Systems будет передан за 125 миллионов долларов крупной американской корпорации Johnson Controls, занимающейся, в том числе, производством автокомпонентов. Судьба прочих направлений деятельности A123 Systems (грид-системы для балансирования нагрузки на энергосети, аккумуляторы для военных и коммерческих целей) пока не определена.

В августе A123 объявила о намерении продать около 80% своих акций китайскому производителю автокомпонентов Wanxiang Group за 450 миллионов долларов. Нынешнее решение о сделке с Johnson Controls отменяет предыдущие планы.

Капитализация A123 Systems за последние три года упала примерно в десять раз: с 1,6 миллиарда долларов в конце 2009 года, вскоре после IPO, до 160 миллионов долларов перед объявлением о банкротстве.

В числе последних неблагоприятных для компании финансовых факторов оказались отзыв дефектных аккумуляторов в 2012 году на сумму в 55 миллионов долларов и инвестиции в производителя гибридных автомобилей Fisker Automotive.

A123 Systems — один из стартапов, созданных в 2001 году на базе разработок Массачусетского технологического института. Компания наладила производство литий-ионных аккумуляторов с катодом нового типа, на базе фосфата лития и железа. Достоинством таких батарей считалась более высокая стабильность, надежность, безопасность и способность к отдаче больших токов — качества, которые особенно важны для автомобильных применений.

Персонал A123 Systems насчитывает около 2,4 тысячи человек, компания располагает производственными мощностями в США, Европе и Азии.

Литий-нанофосфатные батареи A123

Прикрепленное изображениеЭлементы питания A123 — являются новым поколением литиево-ионных батарей. Данная технология была разработана и запатентована Масачуссетским Технологическим Институтом в 2001-м году, в основе которой лежит использование электродов нано-масштаба. В ноябре 2005 года А123System анонсировала новый высокомощный быстро-заряжающийся элемент питания, основанный на исследованиях лицензированных MIT. Первая партия элементов была выпущена в 1-м квартале 2006 года и использовалась для питания электроинструментов DeWalt, стартеров авиа-двигателей, гибридных автобусов и PHEV-конвертированных электромобилей.

Принцип действия
Новые батареи отличаются не только большой емкостью, но и быстротой зарядки. Всего за 15 минут требуется, чтобы зарядить их. К тому же такие аккумуляторы допускают в 10 раз больше циклов зарядки-разрядки, чем обычные модели. Идея нового аккумулятора заключается в активизации литиево-ионного обмена между электродами. С помощью наночастиц удалось развить обменную поверхность электродов и получить более интенсивный ионный поток. Чтобы исключить слишком cильное нагревание и возможный взрыв электродов, авторы разработки применили в катодах вместо лития/оксида кобальта литий/фосфат железа. Недостаточная электропроводность нового материала компенсируется введением наночастиц алюминия, марганца или титана.

Отличие от других батарей
Никель-кадмиевые и метал-гидридные батареи — это уже прошлый век. Многие производители уже отказываются от производства кадмиевых батарей (в частности Panasonic). Литий-полимерные хороши, но имеют существенные недостатки — прежде всего недостаточная прочность, капризность, склонность к возгоранию. Для радиоуправляемых моделей, например вертолёта, ЛиПо вполне уместны — там все части нежные, лёгкие и хрупкие. Но для электропневматического привода, ЛиПо недостаточно актуальны. Представьте, что в цевье/прикладе вы носите достаточно хрупкие и быстровоспламеняющиеся батареи. Повредить такую батарею в запарке боя или просто уронить при установке очень просто. Последствия это – утечка лития и возможное возгорание. Впоследствии такую батарею придется выкинуть, т.к. она не подлежит восстановлению.

Достоинства:
1. Прочные и безопасные в отличие от Li-Po.
2. Сверхбыстрый заряд (при токе 7А полный заряд за 15 мин !!!)
3. Очень большой ток отдачи 60А — рабочий режим; 132А — кратковременный режим (до 10-ти секунд)
4. Саморазряд всего 3% за 3 года
5. Работают на холоде (до -30 гр. С) без потери рабочих свойств
6. Наработка на отказ 1000 циклов (в трое больше чем у никелевых)
7. Элементы можно составлять последовательно / параллельно, как обычные NiCd или NiMH

Недостатки:
1. Требуют специального зарядного устройства (не совместимы с LiPo зарядниками)
2. Тяжелее, чем Li-Po

  • A123 Systems (LiFePO4) 2300mAh 3.3V — $24.50 (оригинал)

Литий-титанатный аккумулятор

Это вариант Литий-ионных аккумуляторов, использующий титанаты лития (Li4Ti5O12) в качестве анода. Для увеличения площади анода применяются структуры из нанокристаллов. Такие аккумуляторы имеют меньшее время зарядки, более высокую надежность, могут работать при низких температурах, но в сравнении с традиционными Li-ion аккумуляторами удельная энергоемкость ниже на 40-45 %.Аккумуляторы

Для использовании в смартфонах рассматривается вопрос о коммерциализации проекта, посредством производства универсальных зарядных устройств, оборудованных переходниками micro и miniUSB.

Но прогресс на месте не стоит и недавно американская компания A123 выпустила новый тип литиевых аккумуляторов, известный, как ЛиФо, или литий-фосфатные, илиLiFePO4. Силовые ЛиФо аккумуляторы относятся к литий-ионным аккумуляторам, но за счёт улучшенной технологии (модно называемой «нанофосфатная» ) достигли уровня практического применения в устройствах с большим токопотреблением, например, в некоторых «топовых» моделях электроинструмента. Не обошли вниманием эти аккумуляторы и авиамоделисты, постепенно батареи внедряются в электропневматические привода страйкеров. Судя по восторженным откликам последних, нанофосфат имеет большой потенциал развития.

SANYO Eneloop

1. Сохранение заряда

Аккумуляторы Sanyo ENELOOP продаются в полностью заряженном состоянии, что позволяет начать их использование сразу после покупки … купил – поставил – пользуешься долго! Eneloop HR-3UTGA boxОднажды заряженный аккумулятор практически не теряет степени своего заряда и может быть готов к использованию даже, если он пролежал на полке без дела несколько лет: 90% остаётся после 6 месяцев хранения, после 1 года хранения остаётся 85% ёмкости, после 3-х лет хранения – 75%. Напряжение сохраняется на уровне 1,235 вольта.

В лучших из обычных Ni-MH аккумуляторах, которые могут значительно превосходить ENELOOP по ёмкости, после хранения в течении 3 месяцев остаётся, в лучшем случае, 50% емкости и напряжение 1.2 вольта (уровень предупреждения слабых батарей), а после хранения 1 год – менее 25%, через 2 года хранения обычный аккумулятор можно просто выкинуть. Ситуация с некоторыми Ni-MH аккумуляторами еще хуже – самостоятельный уровень саморазряда таков, что потеря 10% первоначальной ёмкости в день не является редкостью.

Столь удивительного минимального саморазряда своих аккумуляторов компания добилась, пересмотрев состав анода и пропорции ингредиентов в электролите.

Ученым SANYO удалось уменьшить химическую деградацию катода из-за использования нового сплава со сверхупорядоченной кристаллической решеткой. Это же позволило увеличить электрическую емкость и уменьшить внутреннее сопротивление, что позволило увеличить ток разряда.

Еще одним преимуществом этого сплава является использование меньшего количества кобальта.

Анод усилен новым материалом, который имеет меньшую скорость естественного разрушения. В дополнение сепаратор между ними и электролит были оптимизированы для получения низкого саморазряда.

Этот прорыв в технологии производства аккумуляторных батарей является очень сильным аргументом против предрассудков, что аккумуляторы очень быстро разряжаются.

ENELOOP можно заряжать в удобное для Вас время, а потом хранить месяцы и годы до момента использования без боязни того, что когда вам срочно нужно аккумулятор, он оказывается разряжен.

2. Способность работать при больших нагрузках, на больших токах до 4 ампер

Мощность современных электронных устройств напрямую стала зависеть от мощности источников питания. Фотоаппараты, вспышки, фонари, радиоуправляемые модели за счёт своего высокого энергопотребления требуют максимально высокой токоотдачи от источников питания..

На первом графике реальная емкость —  это, по сути, площадь графика ток-напряжение – таким образом, Eneloop 2000mAh сравнимы с кажущимисябОльшими обычными 2300-2800mAh. Справа представлен график характеристик разряда Sanyo ENELOOP различными токами —  400 / 1000 / 2000 / 4000mAh. Логика работы большинства электронных устройств устроена таким образом, что при достижении определенного минимального напряжения на источнике питания электронное устройство отключается.

Технология Sanyo ENELOOP позволяет значительно дольше удерживать максимально возможное напряжение на аккумуляторе при его разряде даже большими токами. Обычные Ni-MH аккумуляторы с существенно большей ёмкостью, чем у ENELOOP, значительно быстрее достигают порога, когда электронное устройство определяет, что аккумулятор разряжен и, затем, следует его отключение.

3. Терпимое отношение к низким температурам

С появлением Sanyo ENELOOP стало возможным использовать мощные электронные устройства при температурах ниже минус 20 градусов без боязни того, что устройство отключится за считанные минуты.

4. Лучшее сохранение рабочего напряжения

Многие устройства не имеют драйверов питания и выключаются при падении напряжения типичного Ni-MH до 1.1 вольта, а предупреждение низкого питания наступает при 1.205 вольтах.

Выводы: емкость 2700-2800mAh на обычных Ni-MH, по сути, будет меньше из-за падения напряжения, это можно улучшить лишь использованием в устройствах драйверов питания, но их КПД из-за падения напряжения будет меньше.

 5. Большее время жизни

По своей сути имеет в 2-3 раза больше циклов заряда-разряда и лучше сохраняемая емкость на большем времени жизни. Выводы: это наиболее трудноуловимая специфика, которая обходится многими производителями дешевых аккумуляторов, и даже лучшие экземпляры стандартных Ni-MH плохо с этим справляются. Eneloop здесь на высоте за счет технологии химии.

Отдельно можно сказать про посредственную работу алкалиновых батареек по сравнению с аккумуляторами, хотя продается аккумуляторов Ni-MH по сравнению с ними — только 1 процент! Это критично в устройствах с большим потреблением тока (например, фонари и фотокамеры).

График характеристик разряда аккумулятора Sanyo ENELOOP током 500/1000 mAh по сравнению с алкалиновой батарейкой и обычным Ni-MH аккумулятором:

Эти графики дают наглядный ответ на часто звучащий вопрос: — Почему я с аккумуляторами ёмкостью 2500-2800 mAh делаю намного меньше снимков цифровой камерой, чем с аккумуляторами Sanyo ENELOOP  ёмкостью всего 2000 mAh?

В соответствии с системой сертификации Green Power, Eneloop заряжаются  «зеленой» энергией фотоэлектрического поколения. Это означает, что часть электроэнергии, используемой для производства Eneloop (для предварительной зарядки на заводе) создается с использованием чистых, возобновляемых источников — солнечной энергии. Это часть инициативы SANYO в реализации программы “Clean Energy Loop” («Цикл чистой энергии «), согласно которой энергия от возобновляемых источников генерируется для использования при заряде производимых аккумуляторов, которые в свою очередь сохранят эту энергию для питания электроприборов.  Следовательно, Eneloop действительно воплощают понятия ENErgy (энергия) и LOOPing (цикл), от производства до использования.

 Аккумулятор Tesla Model S

В спорткаре Tesla Roadster ячейки упакованы в виде компактной «коробки», которая помещается прямо позади сидений Lotus Elise (шасси, которое используется для Roadster). В Model S решили использовать другой подход: ячейки расположат вдоль всего днища автомобиля, чтобы как можно ниже опустить центр тяжести. Главный инженер Tesla объяснил также, что такой формат способствует повышению торсионной жесткости и безопасности. Стальная рамка по периметру защищает от деформации. Вообще, он считает, что Model S займет первое место в своем классе по торсионной жесткости, что положительно скажется на управляемости автомобиля.

Tesla model S battery

Пласт батарей также служит дополнительной защитной арматурой, которая предотвращает проникновение в кабину при боковом ударе.

Tesla пока не разглашает, сколько будет весить комплект аккумуляторов для Model S, но выглядит он помассивнее, чем у Roadster, у которого вес батарей приближается к 450 кг. На первый взгляд, габариты аккумуляторной подложки Model S составляют примерно 2,1 метра в длину, 1,2 метра в ширину и 15 см в толщину.

Также как в Roadster, аккумуляторы Model S состоят из цилиндрических Li-Ion ячеек 18650s. Tesla всячески испытывает их при разных температурах, силе тока и даже в краш-тестах. Собранные данные отправят изготовителям ячеек для коррекции производства — среди них компании Panasonic и Samsung.

Model S идет в массовое производство с 2012 года, а покупатели могут выбрать машину с тремя вариантами емкости аккумулятора: на 257, 370 и 483 км от одной подзарядки. Model S разгоняется до 100 км/ч за 5,6 с, а максимальная скорость заявлена в 193 км/ч.

Аккумуляторы Tesla занимают первое место по плотности заряда среди всех электромобилей, и компания работает над дальнейшим повышением этого показателя. Хотя конкуренты пробуют различные технологии, Tesla по-прежнему отдает предпочтение тем же аккумуляторам, что используются в ноутбуках. Система жидкого охлаждения должна увеличить срок жизни аккумуляторов до 7 лет или 160 000 км. Это гораздо больше, чем в нынешнем «Roadster» (3 года / 58 000 км). Кстати, в Model S система жидкого охлаждения будет также охлаждать и электромотор.

Обсуждение закрыто.