Rychlé nabíjení akumulátorových baterií elektrických vozidel

Rychlé nabíjení akumulátorových baterií elektrických vozidel

doc. RNDr. Miroslav Cenek, CSc., prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc., Ing. Zdenka Rozsívalová,
Ústav elektrotechnologie, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT Brno

Při hodnocení aktuálního stavu aplikace akumulátorových baterií v elektrických vozidlech pro moderní způsob individuálního užití vyhovují v současné době z ekonomického hlediska dva typy akumulátorových baterií – niklkadmiové (Ni-Cd) a olověné (Pb). Co se týče budoucích perspektiv, jeví se výhodné především akumulátorové baterie Ni-MH (nikl-metalhydridové), Li-ion (lithiové) a Na-NiCl₂, zvláště z důvodu výrazného prodloužení dojezdu elektrických vozidel. Provozní náklady uvedených baterií jsou však s ohledem na výši pořizovacích nákladů v současné době ještě příliš vysoké, avšak s perspektivou jejich výrazného snížení v budoucnosti.

Proč rychlé nabíjení

Snížení provozních nákladů lze u akumulátorových baterií elektrických vozidel dosáhnout použitím jejich rychlého nabíjení pomocí zařízení vyráběných firmou EPRONA, a. s. Rokytnice nad Jizerou. Tento způsob nabíjení vede (vedle zkrácení doby nabíjení ze stávajících 6 až 8 h na dobu 30 až 60 min podle výkonu nabíječe) k odstranění nežádoucího přebíjení baterie při výrazném zvýšení účinnosti nabíjecího procesu z dosavadních 70 až 85ásobným až trojnásobným prodloužením životnosti baterií. Výrazné zkrácení doby plného nabití akumulátorové baterie s využitím rychlého nabíjení významně prodlužuje denní dojezd elektrických vozidel – na vzdálenost až 180ázanou v Praze).

Z hlediska životnosti jsou pro elektrická vozidla nevhodné běžně dostupné trakční olověné akumulátorové baterie, používané v elektrických vozících, s trubkovými kladnými elektrodami, neboť jsou navrženy pro pětihodinový vybíjecí režim (C₅). U elektrických vozidel jsou však požadovány vybíjecí režimy jedenapůlhodinové až jednohodinové (C_1,5 až C₁). Není-li olověná akumulátorová baterie těmto požadavkům přizpůsobena, její životnost je maximálně 300 cyklů, nikoliv 900 až 1 000 cyklů, uváděných pro katalogový vybíjecí režim. Zmíněné skutečnosti byly plně potvrzeny při sledování provozu elektrických vozidel ELTRA 151, vyráběných firmou ŠKODA ELCAR, s. r. o. Ejpovice.

Ke shodným výsledkům jsme dospěli při použití olověných baterií BÄREN, jak je zřejmé z výsledků uvedených v tab. 1. Dosažené výsledky prokázaly pozitivní vliv rychlého nabíjení na stabilitu jejich kapacity, avšak pouze u poloviny provozovaných akumulátorových bloků BÄREN.

Tab. 1. Hodnoty kapacity 6V olověných akumulátorových bloků BÄREN typu 6PzF o jmenovité kapacitě 174 A·h nabíjených metodou rychlého nabíjení v elektrickém vozidle ELA 2 po ujetí 11 947 km

Polovina ze čtrnácti bloků vykázala kapacitu pohybující se v rozsahu 85,2 až 90,1ící další použití v provozu elektrického vozidla. Druhá polovina bloků vykázala kapacitu pouze v rozmezí 43,2 až 46,5í olověných baterií byl zjištěn na základě zvýšené sulfatace desek olověných akumulátorů, vzhledem k horšímu rozdělení elektrického proudu na povrchu desek. Je tomu tak proto, že větší nabíjecí proud má za následek relativně menší proud ve spodní části elektrod kvůli různé koncentraci elektrolytu ve vybitém a nabitém stavu olověných akumulátorů. Rychle nabíjené olověné články mohou obzvláště trpět nedostatečným nabíjením spodní části elektrod. Při srovnání s výsledky hodnocení shodného typu olověných akumulátorových bloků BÄREN v roce 1997 bylo zjištěno, že po ujetí 13 640m vozidle bylo u všech čtrnácti šestivoltových olověných akumulátorových bloků při jejich klasickém způsobu nabíjení po dobu 6 až 8 h dosaženo kapacity pohybující se v rozmezí 64,4 až 77,9ho vozidla ELA 2. Prezentované výsledky jsou uvedeny v tab. 2.

Tab. 2. Hodnoty kapacity 6V olověných akumulátorových bloků BÄREN typu 6PzF o jmenovité kapacitě 174 A·h nabíjených metodou klasického nabíjení v elektrickém vozidle ELA 2 po ujetí 13 640 km

Baterie Ni-Cd versus baterie Pb

Krátká životnost olověných baterií je způsobena jejich hlubokým vybíjením (větším než 60m přebíjením, stávající konstrukcí elektrod, sulfatací elektrodových desek, trvalou korozí kolektorů elektrod působením kyseliny sírové jako elektrolytu a dlouhodobým stavem elektrického vozidla bez provozu, není-li baterie trvale dobíjena. Běžné olověné trakční akumulátorové baterie vykazují menší rozsah provozních teplot, a to –15 při nízkých teplotách vede k výraznému zkrácení dojezdu elektrického vozidla s olověnou baterií. Menší hustota energie u olověných akumulátorových baterií způsobuje při shodné požadované kapacitě zvětšení hmotnosti oproti Ni-Cd baterii SAFT o 44 %.

Snížení provozních nákladů elektrických vozidel je jednou z cest, které vedou ke zvýšení konkurenční schopnosti elektrických vozidel oproti vozidlům se spalovacími motory. Z tohoto ohledu perspektivnější – i při nižších pořizovacích nákladech olověných baterií – jsou baterie niklkadmiové, neboť jejich životnost dosahuje až 1 500 cyklů při dojezdu 120 000í olověných, které však nejsou výrobci olověných baterií pro trakční aplikaci v elektrických vozidlech garantovány). Vysoká stabilita kapacity niklkadmiových bloků o napětí 6 V i celé Ni-Cd baterie je zřejmá z hodnot kapacit dosažených u elektrického vozidla PROTOEL X1 při použití rychlého způsobu nabíjení Ni-Cd baterie po ujetí 40 570 km (tab. 3).

Tab. 3. Hodnoty kapacit jednotlivých 6V bloků 96V Ni-Cd baterie o kapacitě 136 A·h firmy SAFT typu STM 5 140 po 9 813 km, po 16 711 km, po 30 700 km a po 40 570 km v elektrickém vozidle PROTOEL X1 při použití rychlého nabíjení

Naopak životnost olověných baterií byla zjištěna podstatně kratší – dosáhla pouze 13 640a jen 11 947 km, když bylo použito rychlé nabíjení u poloviny zkoušených šestivoltových bloků. Rychlé nabíjení mělo negativní vliv na životnost olověných akumulátorů v důsledku zvýšené sulfatace jejich jednotlivých desek, především v jejich spodní části.