Dnevnik jednog strojara

VRSTE BATERIJA ZA POGON HIBRIDNIH I ELEKTRIČNIH PLOVILA

Baterije dolaze u svim oblicima i veličinama, ali najčešći oblici su prizmatični (uglavnom pravokutne prizme) ili cilindrični.

Slika 9. Tipovi i vrste baterija

vrste baterija

Baterijska ćelija skupina je elektroda u jednom spremniku koja pokazuje osnovni napon baterije. Obično je baterijska ćelija napona od 1 do 4 volti.

Baterijski modul grupa je ćelija mehanički pričvršćena jedna na drugu i električki spojene serijski ili paralelno kako bi tvorile baterijski blok paketa baterije.

U električnim vozilima baterijski moduli obično su 10-30V. Paket baterija električnog vozila sastoji se od niza baterijski modula u jednom spremniku koji su spojeni serijski ili paralelno ovisno o željenom kapacitetu i željenom naponu. Baterijski paketi također sadrže elektroniku i sustav protiv pregrijavanja potrebni za normalni rad baterije. Obično električna plovila sadrže 10-40 baterijskih modula i uobičajeno rade na rasponu od 100 do 350V. Baterijski ili akumulatorski sustav može biti jedan baterijski paket ili to može biti više paketa spojenih zajedno kako bi zadovoljili

zahtjevima plovila.

Kad bismo otvorili kućište baterije za električna i hibridna vozila, unutra bismo našli više baterijskih ćelija te vjerojatno nekoliko elektroničkih elemenata. Uočimo razliku između baterije i ćelije. Ćelija je osnovna baterijska jedinica i odlikuje se svojim nazivnim naponom i kapacitetom.

Serijski spoj baterija

Serijski spoj baterija

paralelni spoj baterija

paralelni spoj baterija

 

Litij-Ionske baterije

U usporedbi s drugim uobičajenim baterijama, litij-ionsku bateriju karakterizira velika gustoća energije, velika gustoća snage, duži životni vijek i prihvatljivija je za okoliš. Automobilističke litij-ionske baterije imaju veliki kapacitet i veliki broj

serijsko-paralelnih kombinacija spajanja članaka, koji su, zajedno s problemima kao što su sigurnost, trajnost, ujednačenost rada i cijena samih baterija veliko ograničenje za široku primjenu litij-ionskih baterija. Litij-ionske baterije moraju raditi u sigurnom i pouzdanom okruženju, što je ograničeno temperaturom i naponom. Prekoračenjem tih ograničenja će dovesti do brzog slabljenja učinkovitosti baterije, pa čak dovesti i do ugrožavanja sigurnosti.

Litij-ionska baterija (Li-Ion) predstavlja veći korak u evoluciji punjivih baterija. Budući da kao osnovnu aktivnu tvar koristi litij, jedan od najlakših metala, ova vrsta baterije odlikuje se vrlo malom masom što je itekako korisna karakteristika kod

električnih i hibridnih plovila.

Litij ionska baterija

 

Jedna od najvećih prednosti joj je vrlo velika gustoća energije, čak dvostruko veća od tipične nikal-metal-hidridne (NiMH) baterije, a odlikuje je i tri puta veći nazivni napon od niklenih baterija (3.6V u odnosu na 1.2V). Velika prednost joj je i u tome što, za razliku od baterija na bazi nikla, Li-Ion baterija ne zahtijeva apsolutno nikakvo

održavanje jer ne pati ni od memorijskog ni od kristalizacijskog efekta. Dakle, moguće ju je puniti bilo kada i nema potrebe za periodičkom pražnjenjem.

Li-Ion baterija je, sama po sebi, izuzetno osjetljiva na prepunjavanje i pretjerano pražnjenje, no za to se, umjesto korisnika, brine elektronika koja je ugrađena u svaku komercijalnu Li-Ion bateriju. Iako nije pogodna za pražnjenje jakom strujom, pokazala se kao izvrsno rješenje za električna i hibridna vozila, mobilne telefone i

ostale električne uređaje.

Olovni akumulatori

Olovni akumulator izumio je i razvio Gaston Planté 1859.g. (francuski fizičar). U to vrijeme to je bila prva punjiva baterija. Danas, u tehnički nešto dotjeranijem obliku taj se akumulator još uvijek najviše upotrebljava.

Olovni akumulator sastoji se od jednog ili više članaka, koji sadrže dvije olovne ploče (elektrode; katodu i anodu), uronjenih u vodom razrijeđenu sumpornu kiselinu (elektrolit) prikladnih koncentracija (najčešće 38%-tna).

Najčešće su u uporabi olovni akumulatori, koji daju napon od 2V po ćeliji. Budući da plovila /vozila  imaju instalaciju za napon 12/24V, stoga se u akumulator ugrađuje šest serijski povezanih ćelija, pa se njihovi naponi zbrajaju. [5]

Olovni akumulator spremnik je energije koji pretvorbom električne energije u kemijsku akumulira tj. pohranjuje određeni dio dovedene mu električne energije.

Proces pretvorbe električne u kemijsku energiju nazivamo punjenje akumulatora. Priključkom trošila na stezaljke akumulatora vrši se obrnuti proces odnosno pretvorba kemijske u električnu energiju. To još nazivamo pražnjenje akumulatora.

Sastoji se od jednog ili više članaka koji sadrže dvije vrste elektroda (katodu i anodu)

koje su uronjene u elektrolit.

Kod olovnih akumulatora obje elektrode obložene su olovnim sulfatom (PbSO4). Prilikom procesa punjenja slijedom složenih elektrokemijskih reakcija s elektrolitom (razrijeđena sumporna kiselina u prikladnoj koncentraciji), na pozitivnoj elektrodi (anodi) olovni sulfat prelazi u olovni dioksid (PbO2), a na negativnoj elektrodi (katodi) stvara se čisto olovo. Istovremeno, povećava se koncentracija sumporne kiseline (H2SO4). Pri procesa pražnjenju se odvija suprotan proces, stvarajući napon na elektrodama visine oko 2V. Proces punjenja i pražnjenja može se prikazati

izrazom:

2PbSO4 + 2H2O <– pražnjenje punjenje –> PbO2 + Pb +2PbSO4

 

AGM akumulatori ​ (absorbed glass mat)​

AGM akumulatori su ​tip ​olovnih akumulator​a​  ​koji se razlikuju od ​standardnih​ olovnih ​jer ​imaju separatore od staklene vune koji u potpunosti upij​aju​​ elektrolit. Tako upijen elektrolit ne može istjecati niti ako kučište akumulatora pukne.
​Predviđen vijek trajanja im je do 10 godina ili 3000 ciklusa paljenja.​
Prednosti AGM akumulatora

  1.     ​rade u  svim položajima
  2.     ​​veća snaga za otprilike 50% u odnosu na standardne akumulatore
  3.     ​sendvić izvedba omogućava povećanje postotka olova u pločama i time povećanje kapaciteta
  4.     nije potrebno nadoljevanje elektrolita
  5.     elektrolit ​se ne može proliti
  6.     ​dobro podnose niske temperature​
  7.     ​samopražnjenje 1-3% kapaciteta mjesečno​
  8.     ​manji električni otpor omogućava brzo punjenje
  9.     ​​povećana otpornost na vibracije​
AGM baterija

AGM baterija

 

Nikal-Kadmijeve baterije

NiCd baterija predstavlja prvu široko prihvaćenu punjivu bateriju opće namjene. Unatoč tome što nudi nisku gustoću energije, a i kemijski sastav joj je daleko od ekološki prihvatljivog (toksični kadmij), veliki životni vijek (čak i do 1500 ciklusa) i dobro podnošenje većih struja pražnjenja čini je i danas vrlo pogodnom za određene primjene (kućanski uređaji i alati, prijenosne radio-stanice, medicinska oprema, profesionalne video- kamere).

Nikal-Kadmijske baterije su punjive baterije, ali nakon određenog ciklusa gube snagu i moraju se zbrinuti. Kadmij je teški metal i njegovo odlaganje u prirodi je štetno jer vremenom može doći do podzemnih voda i zatim u cijeli ekosustav u kojem se akumulira.

Nikal-Kadmij baterije se jako često upotrebljavaju u kućanstvima, npr. Za zidne satove, dječje igračke, daljinske upravljače i slično

Nikal kadmij baterija

Nikal kadmij baterija

Natrij-Nikal-Klorid baterije

Na-NiCl2 baterije karakterizira vrlo visoku energetsku gustoću, dugi životni ciklus i može raditi u teškim uvjetima (-40˙C do +60˙C). Za razliku od drugih baterija, baterije na bazi natrija sastoji se od krutog ili krutog i rastaljenog elektrolita s tekućim natrijem koji ima ulogu negativne elektrode.

Natrij Nikal Klorid baterija

Natrij Nikal Klorid baterija

Glavne prednosti Natrij-Nikal-Klorid baterije su:

– nema potrebe za hlađenjem,

– visoka gustoća energije (328kWh/m3, 142kW/t),

– dugi životni ciklus (2000 ciklusa pri zadržavanju 80% kapaciteta baterije)

– bez održavanja

– nula emisije i visoka recikliranost sirovine.

 

Baterije na bazi Litij-Ionskih polimera

LiPo baterije obično se sastoje od nekoliko istih sekundarnih ćelija spojene paralelno što rezultira povećanjem struje pražnjenja, često su dostupni i u seriji za povećanje ukupnog raspoloživog napona. Ova vrsta baterija razvila se iz Litij-Ionskih baterija. Osnovna razlika je u tome što se litij-sol elektrolit ne drži u organskim otapalima nego

u čvrstim polimernim kompozitima kao što su polietilen oksid i poliakrilonitrit.

Prednost Litij-Ion polimer baterija naspram Li-Ion je u dizajnu (jednostavnost konstrukciji), stoga niži troškovi proizvodnje, prilagodljivost raznim oblicima pakiranja , pouzdanost i robusnost.

Litij-Ion polimerne baterije počele su se pojavljivati na tržištu 1995. godine. U posljednjih nekoliko godina proizvođači su deklarirali ciklus od samo 500 punjenjapražnjenja prije nego što kapacitet padne na 80% (Sanyo), dok druga varijanata LiPoli baterija (tanki film LiPo baterija) može izdržati i do 10000 ciklusa.

KARAKTERISTIČNA SVOJSTVA POJEDINIH TIPOVA BATERIJA

Glavni razlog sporog razvoja električnih automobila je problem skladištenja električne energije te vrijeme punjenja. Do prije desetak godina za skladištenje većih količina el. energije koristile su se u pravilu olovne akumulatorske baterije. Postojale su i druge vrste, najčešće Nikal-Kadmij (NiCd), no bile su znatno skuplje, a nisu nudile puno više.

Poznato je da su olovne baterije velike i teške, a u električnom automobilu, kako bi ispunio glavni zahtjev (domet s jednim punjenjem) ih treba puno ugraditi. U pravilu za skladištenje jednog kWh električne energije potrebno je oko 60 kg baterija. Ako to prevedemo u domet za neko prosječno plovilo, potrebno je oko 14 kg baterija za

jednu prijeđenu milju, dakle za 100 kilometara trebalo bi oko 1400kg baterija, što bi zauzimalo oko 600 litara prostora.

tip baterije svojstva

tip baterije svojstva


Uz to olovne baterije imaju dosta značajni nedostatak – na niskim temperaturama (već od +10 stupnjeva celzijusa) kapacitet im znatno pada što rezultira drastičnim padom dometa u zimskim uvjetima.

Punjenje u pravilu traje od 6-12 sati ovisno o snazi punjača. Olovne baterije ne podnose brza punjenja (manje od dva sata). Vijek trajanja akumulatorskih baterija izražava se u broju ciklusa (punjenje-pražnjenje). Olovne baterije namijenjene za pogon elektro vozila u pravilu izdrže 500-1000 ciklusa odnosno pet kalendarskih godina. U novije vrijeme na tržištu su se pojavile akumulatorske baterije zasnovane na litiju (Litij je jedan od najlakših metala).

Da bi trajala dovoljno dugo, olovna se baterija smije prazniti samo do polovice svojeg kapaciteta, dok se litij-ionska baterija može bez oštećenja i ubrzanog starenja dokraja isprazniti. Iz tih dviju različitih baterija jednakog nazivnog kapaciteta i jednako napunjenih, ne može se u jednom ciklusu pražnjenja iscrpsti jednaka količina energije. Li-ionska baterija nudi u tom ciklusu znatno više energije.

U pravilu litijske baterije tri puta su lakše i manje od olovnih baterija za isti kapacitet. Neki tipovi podnose brza punjenja i uz upotrebu dovoljno snažnog punjača mogu se napuniti za dvadesetak minuta. Trajnost ovisi o

 5000 ciklusa za Litij-Željezo (LiFePO4) ili deset kalendarskih godina. Iako im je cijena znatno veća od olovnih baterija (3-15 puta) svojom trajnošću i karakteristikama znatno su isplativiji izbor.

Litij-Željezo baterije odlikuje se izrazito malom masom, što je idealan izbor za električna plovila. 30 komada baterija nazivnog napona 3.2V – 60Ah čini ukupno 55kg mase. Usporedimo li približnu količinu energije sa olovnim baterijama one bi težile i preko 200kg. Za LiFePO4 baterije neophodan je nadzor napona prilikom punjenja. U slučaju previsokog napona (više od 3.65V) dolazi do trajnog oštećenja baterijskog članka. Zato se na svaki od članaka ugrađuje modul koji se u slučaju previsokog napona aktivira i održava napon u zadanim okvirima.

Litijeve polimerne baterije su kocipirane na slijedeći naćin: grafitna poluga služi kao anoda, dok je poluga litijevog kobalta katoda, a polimer, nabubren zbog litijevih soli, dopušta prolaz iona te služi kao elektrolit. U ovoj ćeliji ugljik u anodi povratno može prijeći u litij-ugljikovu leguru. Kod pražnjenja, litijevi ioni spontano napuštaju litij kobaltnu katodu i putuju kroz polimer u ugljikovu anodu stvarajući leguru. Upravo je tok pozitivnih litijevih iona električna struja baterije.

Puneći ćeliju, litij prestaje stvarati leguru i putuje natrag na katodu. Prednost ovakvih vrsta baterija je da litij ima visoku negativni standardni redukcijski potencijal.

Također, litij je lak metal pa je zbog toga potrebno manje litija da bi se proizveo 1 mol elektrona. Litijeve baterije imaju široku primjenu u prijenosnim elektronskim uređajima, a u zadnje vrijeme sve više se koristi kao primarni izvor električne energije za solarna, hibridna i električna plovila, ponajviše zbog visoke gustoće skladištenja energije i zbog toga što se mogu puniti. Ova tehnologija sve se više razvija i primjenjuje u automobilima i plovilima, sa novim materijalima kao što su željezni fosfati i litijevi vanadati (vanadijevi minerali).

usporedba performansi baterija

usporedba performansi baterija