Akumulátory hybridných vozidiel a elektromobilov

V našom predchádzajúcom článku sme rozoberali akumulátor, čoby zdroj elektrickej energie potrebnej hlavne na naštartovanie vozidla a tiež na relatívne krátkodobú prevádzku elektrických zariadení. Úplne iné požiadavky sú však kladené na vlastnosti akumulátorov využívaných v oblasti pohonu veľkých mobilných zariadení, v našom prípade hybridných vozidiel a elektromobilov. Na pohon vozidla už treba oveľa väčšie množstvo naakumulovanej energie a tú treba niekde skladovať. V klasickom automobile so spaľovacím motorom je uložená v nádrži vo forme benzínu, nafty alebo LPG. V prípade elektromobilu alebo hybridného vozidla je uložená v akumulátoroch, čo možno označiť za hlavný problém elektromobilu.

Súčasné akumulátory dokážu akumulovať málo energie, pritom sú značne objemné, ťažké a zároveň ich doplnenie na maximum trvá niekoľko hodín (obyčajne 8 a viac). Naproti tomu konvenčné automobily so spaľovacím motorom dovoľujú uloženie veľkého množstva energie do v porovnaní s akumulátormi malého balenia s tým, že jej doplnenie trvá iba minútu možno dve. Bohužiaľ, problém s uložením elektrickej energie trápi elektromobily od ich počiatku a napriek neoddiskutovateľnému pokroku je ich merná kapacita energie potrebnej na pohon vozidla stále veľmi malá. V nasledujúcich riadkoch si ukladanie el. energie rozoberieme podrobnejšie a skúsime priblížiť skutočnú realitu okolo vozidiel s čisto elektrickým alebo hybridným pohonom. Okolo týchto „ekomobilov“ totiž panuje veľa mýtov, a tak nezaškodí sa pozrieť bližšie na výhodnosť či nevýhodnosť takýchto pohonov.

Bohužiaľ, aj čísla, ktoré uvádzajú výrobcovia sú veľmi otázne a pohybujú sa skôr v teoretickej rovine. Napríklad Kia Venga obsahuje elektromotor o výkone 80 kW s krútiacim momentom 280 Nm. Energiu dodávajú Li-Ion batérie s kapacitou 24 kWh, udávaný dojazd Kia Vengy EV podľa výrobcu je 180 km. Kapacita akumulátorov nám hovorí, že plne nabité dokážu po jednu hodinu živiť odber motora vo výške 24 kW, popr. po polhodinu živiť odber vo výške 48 kW atď. Stačí jednoduchý prepočet a 180 km dojazdu nám žiadno nevychádza. Ak by sme nad takým dojazdom chceli uvažovať, potom by sme museli ísť priemerne 60 km/hod približne 3 hodiny a výkon motora by bol len desatina z nominálnej hodnoty, teda 8 kW. Inými slovami, pri naozaj klobúkovej (opatrnej) jazde, kedy budete takmer určite brzdou v prevádzke je takýto dojazd teoreticky možný. Samozrejme neuvažujeme o zapnutí rôzneho elektrického príslušenstva. Každý si to už dokáže predstaviť v porovnaní s klasickým automobilom o aké sebazaprenie ide. Pritom do klasickej Vengy natankujete 40 litrov nafty a vozíte sa bez obmedzenia stovky a stovky kilometrov. Prečo tomu tak je? Skúsme si porovnať koľko tej energie a pri akej hmotnosti pojme klasický automobil do nádrže a koľko elektromobil do akumulátorov – viac aj TU.

Pár faktov z chémie a fyziky

• výhrevnosť benzínu: 42,7 MJ/kg,
• výhrevnosť nafty: 41,9 MJ/kg,
• hustota benzínu: 725 kg/m3,
• hustota nafty: 840 kg/m3,
• Joule (J) = [kg * m2/s2],
• Watt (W) = [J/s],
• 1 MJ = 0,2778 kWh.

Energia je schopnosť konať prácu, meriame ju v jouloch (J), kilowathodinách (kWh). Práca (mechanická) sa prejaví zmenou energie v pohyb telesa, má rovnaké jednotky ako energia. Výkon vyjadruje množstvo práce vykonanej za jednotku času, základnou jednotkou je Watt (W).

Z uvedeného je zrejmé, že napr. benzín ponúka pri výhrevnosti 42,7 MJ/kg a hustote 725 kg/m3 energiu vo výške 8,60 kWh na liter alebo 11,86 kWh na kilogram. Ak si vedľa toho postavíme súčasné akumulátory, ktoré sa dnes do elektromobilov montujú, napr. lítium-iónové, ich kapacita je necelý 0,1 kWh na kilogram (pre zjednodušenie uvažujme s 0,1 kWh). Konvenčné palivá poskytujú v rovnakej hmotnosti viac ako stokrát viac energie. Uznáte, že to je obrovský rozdiel. Ak si to rozoberieme na drobné, tak napríklad Chevrolet Cruze s kapacitou akumulátorov 31 kWh vezie energiu, ktorá sa zmestí do necelých 2,6 kilogramov benzínu alebo ak chcete objemovo cca 3,5 litra benzínu.

Poviete si, ako je možné, že sa elektromobil vôbec rozbehne, a nie že ešte bude mať energiu na viac ako 100 km dojazd. Dôvod je jednoduchý. Elektromotor je oveľa efektívnejší čo sa týka premeny uloženej energie na mechanickú. Bežne by mal dosahovať 90% účinnosť, naproti tomu účinnosť spaľovacieho motora je okolo 30% u benzínového a 35% u naftového motora. Preto si elektrický motor na poskytnutie rovnakého výkonu vystačí s oveľa menším množstvom akumulovanej energie.

Využiteľnosť jednotlivých pohonov

Po vyhodnotení zjednodušeného výpočtu vychádza, že z litra benzínu dokážeme získať približne 2,58 kWh mechanickej energie, z litra nafty 3,42 kWh a z kilogramu Li-ion akumulátora 0,09 kWh. Rozdiel to teda už nie je viac ako stonásobný, ale len približne tridsaťnásobný. To už je lepšie číslo, avšak realita stále nie je ružová. Pre príklad si uveďme športovú Audi R8. Pri hmotnosti 470 kg jej plne nabitých akumulátorov zodpovedá ich energia 16,3 litrom benzínu alebo len 12,3 litrom nafty. Alebo ak by sme mali Audi A4 3,0 TDI s kapacitou nádrže 62 litrov nafty a chceli by sme mať rovnaký dojazd na čisto akumulátorový pohon, potrebovali by sme približne 2350 kg akumulátorov. Tento fakt zatiaľ príliš ružovú budúcnosť elektromobilom nedáva. Netreba však hádzať flintu do žita, keďže tlak na vývoj takýchto „ekomobilov“ sa postará neúprosná zelená lobby, a tak či sa to automobilkám páči alebo nie, musia niečo „zelené“ produkovať. Určitú náhradu čisto elektrického pohonu tvoria tzv. hybridy, ktoré kombinujú spaľovací motor s elektromotorom. V súčasnosti sú najznámejšie napr. Toyota Prius (Auris HSD s rovnakou hybridnou technikou) alebo Honda Inside. Ich dojazd na čisto elektrický pohon je však stále smiešny. V prvom prípade cca 2 km(v najnovšom vyhotovení Plug In sa zvýšila „až“ na 20 km) a v druhom prípade si Honda na čisto elektrický pohon ani neťukne. Zatiaľ ani výsledná efektivita v praxi nie je taká zázračná ako napovedá masívna reklama. Realita ukázala, že im to natrie kadejaký bluemotion (econetic) v podstate s konvenčnou technikou. Výhoda hybridného pohonu spočíva hlavne v úspore paliva v mestskej premávke. Nedávno automobilka Audi vyhlásila, že v súčasnosti stačí len zníženie hmotnosti karosérie, aby sa v priemere dosiahlo rovnakej úspory paliva, ako dosahujú niektoré značky inštaláciou hybridného systému do vozidla. Že sa nejedná o nejaký výkrik do tmy, dokazujú aj nové modely niektorých automobiliek. Napríklad nedávno predstavená siedma generácia Volkswagenu Golf používa o poznanie ľahšie komponenty a v praxi si skutočne vypýta menej paliva ako predtým. Podobným smerom sa vybrala aj japonská automobilka Mazda. Napriek spomínaným vyhláseniam vývoj „dlho-dojazdového“ hybridného pohonu pokračuje. Ako príklad uvediem Opel Ampera a paradoxne aj model od Audi A1 e-tron.

Opel Ampera

Aj keď sa Opel Ampera často prezentuje ako elektromobil, v skutočnosti sa jedná o hybridné vozidlo. V Ampere je totiž okrem elektromotora použitý aj spaľovací motor o objeme 1,4 litra s výkonom 63 kW. Tento benzínový motor však nepoháňa priamo kolesá, ale pracuje ako generátor v prípade, že batériám dochádza el. energia. Elektrickú časť zastupuje elektromotor s výkonom 111 kW (150 k) a krútiacim momentom 370 Nm. Pohonná jednotka je napájaná z 220 lítiových článkov usporiadaných v tvare písmena T. Tie majú celkovú kapacitu 16 kWh a vážia 180 kg. Na čisto elektrický pohon dokáže tento elektromobil prejsť 40-80 km. Táto vzdialenosť často plne postačuje na celodenné mestské jazdenie a výrazne znižuje náklady na prevádzku, keďže práve mestská jazda je v prípade spaľovacích motorov značne náročná na spotrebu pohonných látok. Akumulátory možno dobíjať aj z bežnej zásuvky a v spolupráci so spaľovacím motorom sa dojazd Ampery predlžuje na veľmi slušných päťsto kilometrov.

Audi A1 e-tron

Audi, ktoré je viac zástancom klasického pohonu s prepracovanejšou technikou ako technicky veľmi náročného hybridného pohonu, prišlo pred viac ako dvoma rokmi so zaujímavým hybridným vozidlom A1 e-tron. Li-Ion akumulátory o kapacite 12 kWh s hmotnosťou 150 kg dobíja motor typu Wankel ako súčasť generátora, ktorý využíva energiu v podobe benzínu uloženú v dvanásťlitrovej nádrži. Motor má objem 254 ccm a vygeneruje 15 kW/h el. energie. Elektrický motor má výkon 45 kW a krátkodobo dokáže produkovať až 75 kW výkonu. Zrýchlenie z 0-100 je za cca 10 sekúnd a maximálna rýchlosť okolo 130 km/hod. Vozidlo dokáže na čisto elektrický pohon ubehnúť cca 50 km mestskej jazdy. Po vyčerpaní el. energie sa v tichosti aktivuje rotačný spaľovací motor a dobíja el. energiu do akumulátorov. Celkový dojazd s plne nabitými akumulátormi a s 12 l benzínu je cca 250 km pri priemernej spotrebe 1,9 litra na 100 km. Prevádzková hmotnosť vozidla je 1450 kg. Poďme sa pozrieť na jednoduchý prepočet, aby sme v priamom porovnaní zistili, koľko energie skrýva 12 l nádrž. Pri predpoklade 30 % účinnosti moderného motora typu Wankel, potom jeho 70 kg spolu s 9 kg (12 l) benzínu znamená ekvivalent 31 kWh energie uložených v akumulátoroch. Teda 79 kg motora a nádrže =387,5 kg akumulátorov (počítané v mierkach Audi A1 e-Tron). Keby sme chceli zväčšiť palivovú nádrž o 9 litrov, mali by sme k dispozícii už 62 kWh energie na pohon vozidla. A takto by sme mohli pokračovať. Malo by to však jeden háčik. Nejednalo by sa už o „zelené“ vozidlo. Takže aj tu je názorne vidieť, že elektrický pohon je výrazne limitovaný mernou kapacitou uloženej energie v akumulátoroch.

Najmä vyššia cena a tiež vysoká hmotnosť spôsobili, že hybridný pohon sa v Audi pomaly dostával na vedľajšiu koľaj. Neznamená to ale, že by vývoj hybridných vozidiel a elektromobilov bol v Audi úplne odpísaný. Nedávno sa objavila informácia o novej verzii modelu A1 e-tron. Oproti predchádzajúcej nahradil rotačný motor/generátor 1,5 litrový trojvalec preplňovaný turbodúchadlom s výkonom 94 kW. Použiť klasickú spaľovaciu jednotku donútili Audi hlavne komplikácie spojené s týmto pohonným ústrojenstvom a tiež nový trojvalcový motor má za úlohu nielen dobíjať akumulátory, ale aj priamo pracovať s poháňanými kolesami. Akumulátory Sanyo majú totožnú kapacitu 12 kW/h a mierne sa predĺžil dojazd na čisto elektrický pohon, cca 80 km. Audi pritom udáva, že modernizovaný A1 e-tron by mal jazdiť v priemere za jeden liter na sto kilometrov. Bohužiaľ aj táto spotreba má jeden háčik. Pri hybridných vozidlách s väčším dojazdom na čisto el. pohon, sa používa zaujímavá metodika prepočtu výslednej spotreby. Ignoruje sa spotreba tzv. tankovania z el. siete na nabitie akumulátorov a tiež sa do výslednej spotreby l/100 km počíta len spotrebovanie benzínu na posledných 20 km jazdy, keď dôjde el. energia z akumulátorov. Veľmi jednoduchým výpočtom tak môžeme spočítať, že ak by akumulátory boli prázdne, resp. by sme jazdili po vyčerpaní el. energie z akumulátorov na čisto benzínový pohon, výsledná spotreba by stúpla na päťnásobok, čiže 5 litrov benzínu na 100 km.

Audi A1 e-tron II. generácia

Problematika úschovy elektrickej energie

Problematika úschovy elektrickej energie je rovnako stará ako sama elektrotechnika. Prvými zdrojmi elektrickej energie boli galvanické články. Po krátkom čase bola objavená aj možnosť reverzibilného procesu ukladania elektrickej energie do galvanických sekundárnych článkov – akumulátorov. Ako prvé boli použité akumulátory olovené, po krátkom čase nikel-železové a o niečo neskôr nikel-kadmiové, pričom ich využitie v praxi trvá už viac ako sto rokov. Treba tiež dodať, že ich základné konštrukčné usporiadanie sa napriek intenzívnemu celosvetovému výskumu v tejto oblasti príliš nezmenilo. Použitím nových výrobných technológií, zlepšením vlastností základných materiálov a využitím nových materiálov pre separátory a nádoby článkov sa podarilo trochu zmenšiť mernú hmotnosť, obmedziť samovybíjanie článkov a taktiež zlepšiť pohodlie obsluhy a bezpečnosť, ale to je v podstate všetko. Najpodstatnejší nedostatok, tj. veľmi nepriaznivý pomer množstvo uloženej energie k hmotnosti a objemu akumulátorov, pretrval. Preto boli tieto akumulátory využívané predovšetkým v statických aplikáciách (zálohovacie zdroje pre prípad výpadku primárneho zdroja napájania a pod). Ako zdroj energie pre trakčné systémy sa používali akumulátory predovšetkým na železnici (prepravné vozíky), kde veľká hmotnosť a značné rozmery tiež príliš neprekážali.

Pokrok v úschove elektrickej energie

Tlak na vývoj článkov malých ampérhodinových kapacít a rozmerov sa však zintenzívnil. Tak vznikli alkalické primárne články a hermetizované verzie nikel-kadmiových (NiCd) a následne nikel-metal-hydridových akumulátorov (NiMH). Pre zapuzdrenie článkov boli zvolené zhodné tvary a rozmery puzdier ako u doteraz bežných primárnych zinok-chloridových článkov. Najmä dosiahnuté parametre akumulátorov NiMH umožnili ich použitie najmä v mobilných telefónoch, notebookoch, pohonoch ručného náradia atď. Technológia výroby týchto článkov je odlišná od technológií používaných pre články veľkých ampérhodinových kapacít. Doskové usporiadanie elektródového systému veľkých článkov je nahradené technológiou stáčania elektródového systému, vrátane separátorov, do valcového zvitku, ktorý je vložený a kontaktovaný do obvyklého tvaru článkov veľkostí AAA, AA, C a D, popr. násobkov ich rozmerov. Pre niektoré špeciálne aplikácie sú vyrábané články zvláštnych plochých tvarov.

Výhodou hermetizovaných článkov so zvinutými elektródami je niekoľkonásobne väčšia možnosť nabíjania a vybíjania veľkými prúdmi i pomer pomernej hustoty energie k hmotnosti a objemu článkov v porovnaní s klasickým prevedením veľkých článkov. Nevýhodou je väčšie samovybíjanie a menší počet pracovných cyklov. Najväčšia kapacita samostatného článku NiMH je približne 10 Ah. Ale ako u ostatných valcových puzdier väčších priemerov neumožňujú vzhľadom na problematický odvod tepla nabíjanie príliš veľkými prúdmi, čo využitie v elektromobiloch výrazne obmedzilo a tak je tento zdroj využívaný len ako pomocný akumulátor v hybridnom systéme (Toyota Prius 1,3 kWh).

Významným pokrokom v oblasti ukladania elektrickej energie bolo vyvinutie bezpečných lítiových akumulátorov. Lítium je prvok s vysokou hodnotou elektrochemického potenciálu, tiež je ale mimoriadne oxidačne aktívny z čoho pramenia aj problémy s použitím kovového lítia v praxi. Pri styku lítia so vzdušným kyslíkom dochádza k horeniu, ktoré podľa vlastností okolia môže mať až charakter výbuchu. Túto nepríjemnú vlastnosť je možné eliminovať buď dôslednou ochranou povrchu, alebo použitím menej aktívnych zlúčenín lítia. V súčasnosti sú najviac rozšírené akumulátory lítium-iónovej a lítium-polymérové s ampérhodinovými kapacitami max 2 až 4 Ah. Ich použitie je obdobné ako pri NiMh, a pri priemernej veľkosti vybíjacieho napätia 3,2 V je k dispozícii 6 až 13 Wh energie. V porovnaní s NiMH akumulátormi umožňujú lítiové akumulátory uložiť dva-až štyrikrát viac energie do rovnakého objemu. Lítium-iónové (polymérové) akumulátory majú elektrolyt v gélovej alebo tuhej forme a je možné ich vyrobiť ako ploché články v hrúbkach už od niekoľkých desatín milimetra takmer ľubovoľného tvaru podľa potrieb príslušnej aplikácie.

Elektrický pohon v osobnom automobile môže byť riešený ako hlavný a jediný (elektromobil) alebo kombinovaný, kde môže byť elektrický pohon buď dominantným, alebo pomocným zdrojom ťažnej sily (hybridný pohon ). V závislosti na použitej variante sa líši potreba energie pre prevádzku vozidla, a tým aj kapacita akumulátorov. Pri elektromobiloch sa kapacita akumulátorov pohybuje od cca 25 kWh po cca 50 kWh a pri hybridnom pohone je prirodzene nižšia a pohybuje sa od cca 1 kWh až po 10 kWh. Z uvedených hodnôt je zrejmé, že pri napätí jedného (lítiového) článku 3,6 V je nutné spájať články do série. K obmedzeniu strát vo vodičoch rozvodov, v meničoch aj vo vinutí motorov je pre pohony vhodné voliť napätie vyššie ako klasické v palubnej sieti (12 V) – bežne používané hodnoty sú 250 až 500 V. Z dnešného pohľadu sú lítiové články jednoznačne najvhodnejším typom, aj keď treba priznať že zatiaľ aj veľmi drahým, hlavne v porovnaní s olovenými akumulátormi. Tie sú však oveľa ťažšie.

Menovité napätie bežných lítiových akumulátorových článkov je 3,6 V. Touto hodnotou sa odlišujú od bežných článkov NiMH, popr. NiCd, ktoré majú menovité napätie 1,2 V (resp. olovených – 2 V), čo v prípade využitia v praxi neumožňuje vzájomnú zámenu oboch typov. Nabíjanie uvedených lítiových akumulátorov sa odlišuje nutnosťou veľmi presne dodržať hodnotu maximálneho nabíjacieho napätia, čo predpokladá špeciálny typ nabíjača a najmä neumožňuje použitie nabíjacích systémov určených pre iné typy článkov.

Základné charakteristiky akumulátorov na báze lítia

Za základné znaky akumulátorov pre elektromobily a hybridy možno považovať ich nabíjacie a vybíjacie charakteristiky.

Nabíjacia charakteristika 

Nabíjací proces si vyžaduje reguláciu nabíjacieho prúdu, kontrolu napätia článku a nemôže chýbať ani kontrola aktuálnej teploty. Pre dnes používané lítiové články, ktoré používajú pre katódovú elektródu oxid LiCoO2, je hraničnou hodnotou maximálneho nabíjacieho napätia 4,20 až 4,22 V na článok. Prekročenie tejto hodnoty spôsobuje poškodenie vlastností článku a naopak nedosiahnutie tejto hodnoty znamená nevyužitie menovitej kapacity článku. Pre nabíjanie sa používa zvyčajná charakteristika IU, teda v prvej fáze sa nabíja konštantným prúdom až do dosiahnutia napätie 4,20 V / článok. Veľkosť nabíjacieho prúdu je obmedzená maximálnou prípustnou hodnotou danou výrobcom článku, resp. možnosťami nabíjača. Doba nabíjania v prvej fáze sa podľa veľkosti nabíjacieho prúdu pohybuje medzi niekoľkými desiatkami minút až niekoľkými hodinami. Napätie na článku postupne rastie až do dosiahnutia max. hodnoty 4,2 V. Ako už bolo spomínané, toto napätie nesmie byť prekročené z dôvodu rizika poškodenia článku. V prvej fáze nabíjania sa tak do článkov uloží asi 70 až 80% energie, v druhej fáze zvyšok. V druhej fáze sa udržuje nabíjacie napätie na maximálne prípustnej hodnote a nabíjací prúd sa postupne zmenšuje. Nabíjanie je ukončené pri poklese prúdu na hodnotu okolo 2 až 3% nominálneho vybíjacieho prúdu pre daný článok. Keďže maximálna veľkosť nabíjacích prúdov v prípade menších článkov býva aj niekoľkonásobkom vybíjacieho prúdu, je možné v prvej fáze nabíjania uložiť podstatnú časť el. energie za relatívne veľmi krátku dobu (cca ½ a 1 hodinu). Tak je možné v prípade núdze nabiť akumulátory elektromobilu na dostatočnú kapacitu za relatívne krátky čas. Aj v prípade lítiových článkov dochádza po istej dobe skladovania k poklesu uloženej elektrickej energie. Tento čas ale nastáva až po cca 3 mesiacoch mimo prevádzky.

Vybíjacia charakteristika

Napätie spočiatku rýchlo klesá na hodnotu 3,6 až 3,0 V (podľa veľkosti vybíjacieho prúdu) a po celú dobu vybíjania zostáva takmer konštantné. Po vyčerpaní uloženej el. energie veľmi rýchlo klesá aj napätie článku. Vybíjanie teda musí byť ukončené najneskôr po dosiahnutí výrobcom stanoveného vybíjacieho napätia, ktorého úroveň sa pohybuje medzi 2,7 a 3,0 V.

V opačnom prípade hrozí poškodenie štruktúry článku. Riadenie vybíjacieho procesu je pomerne jednoduché. Je limitované len veľkosťou prúdu a ukončené dosiahnutím hodnoty konečného vybíjacieho napätia. Problémom je len fakt, že vlastnosti jednotlivých článkov v sériovom usporiadaní nikdy nie sú úplne rovnaké. Preto je potrebné zabezpečiť, aby sa napätie ktoréhokoľvek článku neznížilo pod hodnotu konečného vybíjacieho napätia, pretože by došlo k jeho poškodeniu a tým aj k následnému znefunkčneniu celého akumulátorového bloku. Analogicky sa musí uvažovať aj pri nabíjaní akumulátora.

Spomínané riziká poškodenia článku pri nedodržaní charakteristík eliminuje nový typ lítiového články s odlišným materiálom katódy, pri ktorých je oxid kobaltu, niklu alebo mangánu nahradený fosfid Li3V2 (PO4) 3. Takéto články sú teplotne stabilnejšie aj pri väčších nabíjacích či vybíjacích prúdoch, čo umožňuje vyrábať články s väčšou kapacitou. Taktiež je veľmi dobrá aj ich udávaná životnosť cca 2 000 nabíjacích cyklov (pri 80% vybití) a hlavne fakt, že pri úplnom vybití článku nedôjde k jeho poškodeniu. Výhodou je aj vyššie menovité napätie cca 4,2 pri nabíjaní až 4,9 V.

Z uvedeného popisu možno jednoznačne napísať, že v súčasnej dobe sú lítiové akumulátory jedinou akou takou alternatívou uloženia energie pre pohon automobilu oproti energii uloženej vo fosílnom palive v palivovej nádrži. Každé zvýšenie mernej kapacity akumulátorov bude zvyšovať konkurencieschopnosť tohto ekologického pohonu. Ostáva len dúfať, že vývoj sa nespomalí, ale naopak bude napredovať míľovými krokmi vpred.

Príklady vozidiel využívajúcich akumulátory na hybridný a el.pohon

Toyota Prius-klasický hybrid s krátkym dojazdom na čisto el. pohon

Toyota Prius používa NiMh akumulátory o kapacite 1,3 kWh, ktoré slúžia hlavne ako zdroj energie pri akcelerácii vozidla a umožňujú samostatný elektrický pohon na vzdialenosť cca 2 km pri max. rýchlosti 50 km/hod. V prípade verzie Plug-In sú už použité Lithium-iontové akumulátory s kapacitou 5,4 kWh, ktoré umožňujú jazdu čisto na elektrický pohon na vzdialenosť 14-20 km pri max. rýchlosti 100 km/hod.

Opel Ampera- hybrid s predĺženým dojazdom na čisto el. pohon

Elektromobil s predĺženým dojazdom (40-80 km), ako Opel štvormiestnu päťdverovú Amperu nazýva, je poháňaný elektromotorom s výkonom 111 kW (150 k) a krútiacim momentom 370 Nm. Pohonná jednotka je napájaná z 220 lítiových článkov usporiadaných v tvare písmena T. Tie majú celkovú kapacitu 16 kWh a vážia 180 kg. Ako generátor slúži benzínový motor s objemom 1,4 litra a výkonom 63 kW.

Mitsubishi i MiEV, Citroën C-Zero, Peugeot iOn-čisto el. vozidlá

Lítium-iónové batérie s kapacitou 16 kWh umožňujú vozidlu prejsť na jedno nabitie až 150 km, merané podľa normy NEDC (New European Driving Cycle). Vysokonapäťové (330 V) akumulátory sa nachádzajú vo vnútri v podlahe a sú chránené aj kolískovým rámom pred poškodením pri náraze. Jedná sa o produkt spoločnosti Lithium Energy Japan, čo je joint-venture dvoch divízií Mitsubishi a GS Yuasa Corporation. Celok sa skladá z 88 článkov. Energiu pre pohon dodá 330 voltová lítium-iónová batéria zložená z 88 50 Ah článkov s celkovou kapacitou 16 kWh. Z domácej zásuvky rozvodnej siete sa bude akumulátor nabíjať šesť hodín, s použitím externej rýchlonabíjačky (125 A, 400 V) sa batéria nabije na 80% behom pol hodiny.

Sám som osobne veľký fanúšik elektromobilov a neustále sledujem, čo nové sa v tejto oblasti deje, ale realita nie je v súčasnosti až tak optimistická. Potvrdzujú to aj vyššie uvedené informácie, z ktorých vidieť, že život čisto elektrických, ale aj hybridných vozidiel nie je ľahký a často je nám predstieraná len hra čísel. Ich výroba je stále veľmi náročná a drahá a ich efektivita je mnohokrát diskutabilná. Hlavnou nevýhodou elektromobilov (hybridov) je veľmi malá merná kapacita energie, uložiteľná do akumulátorov, v porovnaní s energiu uloženou v klasikom palive (nafte, benzíne, LPG, CNG). Aby sa reálne začali kapacitou elektromobily približovať ku konvenčným automobilom, museli by akumulátory zmenšiť svoju hmotnosť aspoň na desatinu. To znamená, že spomínaná Audi R8 e-tron by musela mať uložených 42 kWh nie v 470 kg, ale v 47 kg. Tiež čas nabíjania by sa musel podstatne skrátiť. Cca hodina na 70-80% kapacity je stále veľa a to nespomínam priemerných 6-8 hodín na plné nabitie. Taktiež netreba veriť nezmyslom o nulovej produkcii CO2 elektromobilu. Stačí spomenúť fakt, že el. energia v našich zásuvkách sa produkuje aj z tepelných elektrární a tie nielen CO2 produkujú naozaj dostatok. Nehovoriac o zložitejšej výrobe takéhoto vozidla, kde je potreba CO2 na výrobu oveľa väčšia ako pri tom klasickom. Netreba zabúdať ani na množstvo súčiastok obsahujúcich ťažké a toxické materiály a ich problematickú následnú likvidáciu.

Pri všetkých spomínaných aj nespomínaných negatívách má elektromobil (hybrid) aj nespochybniteľné výhody. V mestskej premávke alebo jazde na kratšie vzdialenosti je ich úspornejšia prevádzka neoddiskutovateľná, už len z princípu spätného ukladania energie (rekuperácie) pri brzdení, kedy sa pri klasických vozidlách odvádza brzdením ako odpadné teplo do ovzdušia, nehovoriac o možnosti si pár km mestskej jazdy za lacno dobiť z verejnej el. siete. Ak porovnáme čisto elektromobil a klasické vozidlo, v bežnom vozidle máte spaľovací motor, ktorý je sám o sebe dosť zložitým mechanickým prvkom. Jeho výkon treba nejako dostať na kolesá a deje sa tak väčšinou cez mechanickú alebo automatickú prevodovku. V ceste ešte stojí jeden či viac diferenciálov, niekedy aj kardan a rad poloosí. Samozrejme vozidlo musí aj brzdiť, motor musí byť chladený a táto tepelná energia uniká bez úžitku do okolitého prostredia ako zvyškové teplo. Elektromobil je oveľa účinnejší a jednoduchší – (neplatí pre hybridný pohon, ktorý je veľmi zložitý). Elektromobil neobsahuje žiadne prevodovky, rozvodovky, kardany a poloosi, zabudnite aj na motor vpredu, vzadu alebo uprostred. Neobsahuje žiaden chladič, teda ani chladiacu kvapalinu a tiež žiadny štartér. Elektromobil má výhodu v možnosti umiestniť motory priamo v kolesách. A zrazu máte dokonalú štvorkolku, ktorá dokáže každé koleso poháňať úplne nezávisle na ostatných. Preto pri elektromobile nebude žiadny problém poháňať len jedno koleso, tiež sa dá navoliť a zvládnuť optimálne rozloženie výkonu pre prejazd zákrutou. Každý z motorov dokáže byť aj brzdou, opäť úplne nezávislou na ostatných kolesách, ktorá premení aspoň časť kinetickej energie späť do tej elektrickej. Z toho vyplýva, že klasické brzdy budú oveľa menej zaťažované. Motory dokážu prakticky kedykoľvek a bez otáľania dodať maximum dostupného výkonu. Ich efektivita premeny energie uloženej v batériách na pohybovú energiu je okolo 90%, čo je oproti konvenčným motorom približne trikrát viac. Preto ani zďaleka nevytvárajú toľko zvyškového tepla a netreba ich zložito chladiť. Na toto všetko stačí iba dobrý hardvér, riadiaca jednotka a slušný programátor.

Suma sumárum. Ak sa chcú elektromobily resp. hybridy čo i len priblížiť klasickým vozidlám s úspornými motormi, čaká ich ešte veľmi ťažká a zložitá cesta. Dúfam len, že nebude podporená množstvom klamlivých čísel resp. prehnaným tlakom úradnických hláv. Ale nezúfajme. Vývoj v oblasti nanotechnológii kráča naozaj míľovými krokmi a možno nás naozaj čakajú v blízkej dobe zázraky.

Na záver priložím ešte jednu zaujímavosť. Existuje už aj solárna „tankovacia“ stanica.

Toyota Industries Corp (TIC) vyvinula solárnu nabíjaciu stanicu pre elektromobily a plug-in hybridné vozidlá. Stanica je napojená aj do elektrickej siete, takže solárne panely s výkonom 1,9 kW predstavujú skôr doplnkový zdroj energie. S použitím autonómneho (solárneho) zdroja energie dokáže nabíjacia stanica poskytnúť maximálny výkon 110 V AC/1,5 kW, pri zapojení do siete ponúka maximálne 220 V AC/3,2kW.

Nevyužitá elektrická energia zo solárnych panelov sa ukladá do akumulátorov, ktoré dokážu uchovať 8,4 kWh pre neskoršie využitie. Možné je aj recipročné dodávanie elektriny do rozvodnej siete, alebo napájanie príslušenstva stanice. Dobíjacie stojany použité v rámci stanice majú zabudovanú komunikačnú technológiu schopnú identifikovať vozidlá, resp. ich majiteľov pomocou čipových kariet.

Dôležité pojmy pri akumulátoroch

• Kapacita – udáva veľkosť elektrického náboja (množstva energie) uloženého v akumulátore. Udáva sa v ampérhodinách (Ah) alebo v prípade menších zariadení v miliampérhodinách (mAh). Akumulátor s kapacitou 1 Ah (= 1000 mAh) je teoreticky schopný dávať prúd 1 ampér po dobu jednej hodiny.
• Vnútorný odpor – udáva schopnosť akumulátora dodávať väčší alebo menší vybíjací prúd. Pre názornú  ukážku možno použiť dva kanistre, kde jeden ma menší vypúšťací otvor (veľký vnútorný odpor) a druhý väčší (malý vnútorný odpor). Ak sa ich rozhodneme vyprázdniť, kanister s menším vypúšťacím otvorom sa bude vyprázdňovať pomalšie.
• Menovité napätie akumulátora – pre NiCd a NiMH akumulátory je to 1,2 V, pre olovené 2 V a pre lítiové 3,6 až po 4,2 V. V prevádzke sa toto napätie mení v rozmedzí 0,8 – 1,5 V v prípade NiCd a NiMH, 1,7 – 2,3 V pri olovených a 3-4,2 resp 3,5 až 4,9 pri lítiových.
• Nabíjací prúd, vybíjací prúd – udáva sa v ampéroch (A) alebo miliampéroch (mA). Jedná sa o dôležitý údaj pre praktické využitie dotyčného akumulátora pre konkrétne zariadenie. Taktiež určuje podmienky správneho nabitia a vybitia akumulátora, aby bola max využitá jeho kapacita a zároveň nedošlo k jeho deštrukcii.
• Nabíjacia resp. vybíjacia krivka – graficky zobrazuje priebeh napätia v závislosti na čase pri nabíjaní resp vybíjaní akumulátora. Pri vybíjaní akumulátora je typická malá zmena napätia v priebehu cca 90% doby vybíjania. Preto je veľmi ťažké zisťovať okamžitý stav akumulátora podľa meraného napätia.
• Samovoľné vybíjanie, samovybíjanie – akumulátor nie je schopný trvalo udržiavať el. energiu, keďže reakcia na elektródach je vratný proces. Nabitý akumulátor sa postupne samovoľne vybíja. Tento proces môže trvať týždne až mesiace. V prípade oloveného akumulátora sa jedná o 5-20% za mesiac, NiCd akumulátora sa jedná asi o 1% elektrického náboja denne, v prípade NiMH akumulátorov cca 15- 20% za mesiac a lítiové stratia približne 60% svojej kapacity za tri mesiace. Samovybíjanie je závislé na okolitej teplote, tiež na vnútornom odpore (akumulátory s väčším vnútorným odporom sa vybíjajú menej) a samozrejme je dôležitá aj konštrukcia, použité materiály a kvalita vyhotovenia.
•  Akumulátorový blok (sady) – len výnimočne sa akumulátory používajú jednotlivo. Väčšinou sú spájané v sade, pričom sa takmer vždy spájajú do série (za sebou). Maximálny prúd takejto sady sa rovná max prúdu jednotlivého článku, menovité napätie je súčtom menovitých napätí jednotlivých článkov.
•  Formovanie akumulátorov.  Nový alebo dlho nepoužívaný akumulátor je potrebné podrobiť jednému ale lepšie viacerým cyklom (3-5) pomalého úplného nabitia a pomalého vybitia. Tento pomalý postup nastaví parametre akumulátora na požadovanú úroveň.
•  Pamäťový efekt – Vzniká ak sa akumulátor nabíja aj vybíja na rovnakú úroveň približne konštantným, nie príliš veľkým prúdom, pričom nesmie nastať úplné nabitie ani hlboké vybitie článku. Tento nežiadúci jav postihoval NiCd ( v minimálnej miere aj NiMH).