Никель-цинковый аккумулятор

Этот тип аккумулятора некоторое время рассматривался как наиболее реальный источник энергоснабжения электромобиля 70—80-х годов благодаря нескольким благоприятным особенностям: высокой удельной энергии (до 60 Вт.ч/кг), пологому разрядному напряжению, способностью выдерживать пиковые нагрузки. Определенные трудности возникали в связи с сравнительно ограниченным сроком службы таких аккумуляторов (150—250 циклов), однако казалось, что при определенных технологических ухищрениях задача увеличения срока службы никель-цинкового аккумулятора (НЦА) будет решена. Опыт последних 20 лет показал, что реальные пути существенного повышения электрического ресурса НЦА отсутствуют, а жесткий электрический и тепловой режим эксплуатации НЦА в электромобиле позволяет реально рассчитывать на 100— 150 циклов. Тем не менее работы над этой системой продолжаются и хотя маловероятно, что удастся довести такой параметр как срок службы до коммерчески приемлемого уровня, никель-цинковую систему следует, как и свинцовую, рассматривать в качестве промежуточной на пути создания массового электромобиля.

Парциальные и суммарная токообразующие реакции для НЦА записываются следующим образом:

Условием стабильной работы НЦА является обеспечение такого режима работы цинкового электрода, при котором предельные токи диффузии из приэлектродных слоев заведомо больше токов заряда. Это требование обеспечивается, с одной стороны, применением пористых электродов, с другой — сепаратора, локализующего электролит в узком приэлектродном пространстве. Наличие цинкатного электролита обязывает применять в НЦА положительный электрод металлокерамической конструкции, поскольку коэффициент использования ОНЭ ламельной конструкции в цинкатных электролитах составляет 40—50 %.

Самой серьезной проблемой при создании НЦА является малый электрический ресурс в условиях электромобиля из-за коротких замыканий и оплывания цинкового электрода. Для увеличения срока службы проводятся работы по усовершенствованию сепаратора: обработка гидратцеллюлозной пленки ионами серебра и других тяжелых материалов; переход на сепараторы, в качестве которых используются ионнообменные мембраны и неорганические сепараторы.

Определяющим для увеличения срока службы НЦА является комплекс мероприятий, направленных на увеличение прочности, сохранение формы и структуры цинкового электрода, что достигается введением в активную массу до 5 % тетрафторэтилена в качестве связующего. Требование несоизмеримости тока заряда и тока диффузии цинката (Iаар < Iдиф) обеспечивается двумя вариантами конструкции НЦА. Первый общепринятый вариант состоите плотной сборке электродного пакета с изоляцией электродов друг от друга несколькими слоями сепарации, затрудняющей протекание транспортных процессов в межэлектродном пространстве. Во втором варианте конструктивного оформления, напротив, создаются условия для конвективного переноса цинкат ионов в межэлектродном пространстве с помощью прокачки электролита или каким-либо другим путем. Предлагается, например, вибрирующий или вращающийся цинковый электрод.

Можно отметить, что при выигрыше по сроку службы во втором конструктивном варианте проигрыш аккумулятору с плотной сборкой по удельной весовой энергии составляет 30 %.

Батарея на базе НЦА разрабатываеся по программе АНЛ несколькими фирмами в США: ЕСБ, «Энеджи Ризич Корпорейшен» (Е. R. С), «Гоулд» (Gould).

Не анализируя подробно результатов испытаний, отметим, что никель-цинковые модули имеют удельную энергию около 60 Вт. ч/кг и удельную мощность 130 Вт/кг. Однако максимальный срок службы составляет 120 циклов при 80—100 %-ной глубине разряда, и реальных путей доведения срока службы до 500— 800 циклов в настоящее время практически не существует.

В СССР никель-цинковая батарея типа 84НЦ-125-У2, разработанная в аккумуляторном ВНИПКТИ, была использована для энергоснабжения электромобиля типа ВАЗ-21029.

Параметры батареи следующие:

Число аккумуляторов 84

Общая масса, кг 160

Ток заряда, А 20

Ток разряда, А:

-номинальная 60

-пиковая 250

Емкость А*ч 125

Среднее напряжение 134

Энергия кВт*ч 15

Радиус хода электромобиля до 80 км при скорости 45—50 км/ч. Батарея имела ограниченный срок службы (40—60 циклов) из-за коротких замыканий отдельных аккумуляторов.

Проблема запаса хода. Запас хода электромобилей в значительной мере определяется типом используемого источника тока. Целесообразно остановиться на некоторых вопросах технико-экономического анализа, цель которых состоит в выявлении проблемы и тенденции развития в этой области.

Известны (причем достаточно давно) источники тока с весьма высокой энергоемкостью. К их числу можно отнести в первую очередь серебряно-цинковые аккумуляторные батареи. При удельной энергии этих батарей около 120 Вт ч/кг реально достигнутый запас хода электромобиля типа ВАЗ-2801 (на базе автомобиля ВАЗ-2102) оказался равным примерно 300 км. Однако стоимость аккумуляторной батареи массой 320 кг составила около 100 тыс. руб. Хотя основная часть этой стоимости (определяемая нерасходуемым запасом серебра) не изменяется при эксплуатации батареи вплоть до окончания ее ресурса, установка таких дорогих устройств на серийный электромобиль исключена по ряду причин.

Имеются и менее экзотические примеры дорогостоящих источников тока. В частности, на ряде отечественных и зарубежных электромобилей использовались никель-цинковые аккумуляторные батареи. При сравнительно высокой удельной энергоемкости (46-50 Вт ч/кг) и большой допустимой мощности эти батареи показали в условиях реальной эксплуатации очень низкий срок службы - порядка 100-150 циклов заряд-разряд. Начальная стоимость такой батареи 10-15 тыс. руб., при этом амортизировалась на пробеге около 10-12 тыс. км. Легко подсчитать, что амортизация батареи, отнесенная к пробегу, составила очень большую величину, т. е. порядка 100-150 руб. на 100 км.

Разумеется, что при таких экономических показателях получаемые запасы хода не имеют практической ценности.

Изложенное выше показывает теснейшую связь, существующую между запасом хода электромобиля и стоимостными характеристиками установленной на нем аккумуляторной батареи, включая начальную стоимость батареи; затраты по ее эксплуатации; срок службы батареи.

Проблема создания серийно пригодного источника тока для электромобилей является поэтому не только технической, но и экономической. Однако этой связи техники и экономики до сих пор уделялось недостаточное внимание. В равной мере допускались две ошибки: ориентация на наиболее дешевые источники тока, в частности, свинцово-кислотные; стремление получить запас хода «любой ценой».

Таким образом, существует достаточно сложная задача определения (или точнее прогнозирования) экономически обоснованной лимитной стоимости создаваемого источника тока для электромобилей. Эта задача не является строго поставленной, так как содержит ряд неопределенностей, раскрываемых только в процессе создания источника тока. Можно считать, что решение будет найдено в результате некоторого итеративного процесса. Важно однако иметь в этом процессе достаточно близкие первые приближения. Поясним это следующим примером.

Задаваясь некоторым гипотетическим источником тока (например, удельной энергией 60-70 Вт ч/кг. начальной стоимостью в 2000 руб. и эксплуатационными расходами на батарею 1 коп./км пробега), заказчик ориентирует создателя источника тока на довольно узкий класс возможных объектов разработки. Может оказаться в дальнейшем, что этот вариант ошибочен (как это имело место с никель-цинковой батареей) и ущерб от неправильного первого приближения велик настолько, что его даже трудно оценить. Такой ущерб уже понесли практически все развитые страны мира в период интенсивных разработок электромобилей в 70-х годах.

При формулировке технико-экономических требований первого чрезвычайно важно не оставить в стороне количественную оценку социально-экологических последствий частичной замены автомобильного парка в крупных городах электромобилями.

Условно выделить две группы мероприятий, направленных на увеличение запаса хода электромобилей, - технические и организационные. К числу технических мероприятий следует отнести: совершенствование существующих аккумуляторных батарей; создание новых, более энергоемких источников тока; совершенствование конструкции электромобилей. В числе организационных мероприятий могут быть названы - промежуточная подзарядка аккумуляторов электромобилей и внутрисменная замена аккумуляторных батарей.

Определяющим направлением увеличения запаса хода электромобилей является повышение удельной энергоемкости источников тока.

Эксплуатационный пробег электромобилей. может быть увеличен и организационно-техническими мероприятиями, к которым относятся замена батарей на специальных станциях и промежуточная подзарядка их при выполнении погрузочно-разгрузочных работ, а также во время перерыва водителя. Замена аккумуляторных батарей - наиболее капиталоемкий вариант, он требует создания специальных станций и наличия дополнительных батарей. Система таких станций разработана и опробована американской фирмой «Электромоушн» (Electromotion) в районе Бостона.

Западно-германская фирма МАН предусмотрела для созданного ею электробуса замену батарей на конечных пунктах движения. Для этого батареи смонтированы в специальном прицепе, буксируемом электробусом. Операция смены прицепа занимает 7-10 мин максимум.

Перспективным мероприятием является подзарядка батарей грузовых электромобилей во время работы на линии.

Параллельно с указанными направлениями ведутся исследования и разработки в области совершенствования конструкции электромобилей, что способствует снижению потерь энергии в электроприводе и трансмиссии электромобиля, а также затрат на его передвижение.

Рис. 1.17. Прогноз распределения опытных образцов электромобилей по запасу хода на 1990-1995 гг.:1 - грузовые; 2 - легковые