Originally posted 2018-11-03 01:02:59.
Una batteria di trazione (nota anche come batteria di veicoli elettrici, batteria di marcia o batteria da qui in avanti) è un deposito di energia, poiché viene utilizzata la guida di veicoli elettrici e viene composta una pluralità di elementi interconnessi (quindi “batteria”). Consiste di poche o migliaia di celle di accumulatori o blocchi cellulari collegati in parallelo e in serie. Inoltre, i supercondensatori o gli accumulatori meccanici del volano possono essere indicati come batterie di trazione quando più unità vengono combinate per alimentare un veicolo.
Generale
La batteria di trazione nelle auto elettriche ha spesso una tensione nominale da 350 a 400 volt, corrispondente alla normale corrente alternata trifase. Per pedelec e scooter elettrici sono comuni tensioni di 24, 36 e 48 volt. In carrelli elevatori a trazione elettrica sono normalmente utilizzate batterie al piombo con una tensione nominale di 80 V. Qui viene utilizzata la batteria di trazione per equalizzare il peso.
Per la luce, i tergicristalli, la radio, il telecomando, ecc. Usano i veicoli elettrici solitamente non direttamente la loro batteria di trazione ad alta tensione, ma un convenzionale sistema elettrico a 12 o 48 volt con una piccola riserva di energia elettrica simile alla batteria di avviamento nei veicoli convenzionali .
Storia
Dopo che l’elettricità fu usata all’inizio del 19 ° secolo per la trasmissione di informazioni, intorno al 1837/1838 furono anche le basi per un motore elettrico noto e sviluppato il motore elettrico operativo. Il 1854 fu sviluppato da Wilhelm Josef Sinsteden e nel 1859 costruì Gaston Planté, la batteria al piombo.
Una disposizione di sei di queste celle con una tensione nominale di 2 volt e piastre di piombo avvolte a spirale formate nel 1881 nel triciclo Trouvé da Gustave Trouvé la prima batteria di trazione (tensione nominale 12 volt) per guidare il veicolo elettrico autosufficiente senza binari o fascetta. Era regolato solo chiudendo o aprendo il circuito. Tuttavia, il triciclo Trouvé aveva ancora le pedivelle del triciclo come base.
Qualche mese dopo, nel 1882, l’Ayrton & amp; Il triciclo elettrico Perry non solo non aveva manovelle e luci elettriche, ma anche una batteria di trazione migliorata. Le dieci celle al piombo sono state immagazzinate a una tensione nominale di 20 volt 1,5 kWh e potrebbero essere accese e spente singolarmente, il che ha permesso una regolazione della potenza e della velocità. Già con i primi veicoli, la batteria di trazione pesante era sistemata il più in basso possibile per migliorare la stabilità e la maneggevolezza.
Ma mentre le celle della batteria erano ancora posizionate apertamente nei primi veicoli, costruite nelle prime auto elettriche (dal 1888), la batteria di trazione già in alloggiamento speciale o mascherata. The Accumulator Factory Tudorsche System Büsche & amp; Müller OHG (ora nota come VARTA) fu la prima azienda in Germania a produrre batterie al piombo nel 1888 industrialmente. Nel settore ferroviario, l’accumulatore Wittfeld funzionava con queste batterie. Intorno al 1900, furono fatti tentativi con successo per azionare elettricamente le chiatte usando accumulatori. Di conseguenza, Watt-Akkumulatoren-Werke AG, il successore di una società di studio, ha fondato Ziegel-Transport-Aktiengesellschaft (ZTG) a Zehdenick. I motori elettrici di oltre 100 chiatte erano alimentati da batterie e fornivano a Berlino mattoni.
Con l’accumulatore di nickel-ferro (Thomas Edison) sviluppato intorno al 1900 e l’accumulatore di nichel-cadmio sviluppato dallo svedese Waldemar Jungner, erano disponibili chimici alternativi per batterie di trazione. La batteria NiFe ha dimostrato di essere utilizzata in varie automobili e ha una durata molto lunga. Jay Leno negli Stati Uniti possiede un Baker Electric, dove le batterie al nickel sono ancora funzionanti dopo quasi 100 anni. Henry Ford ha sviluppato la Ford Model Talso come un veicolo elettrico. Aveva già ordinato 150.000 batterie al nickel di ferro da Edison quando il suo reparto di veicoli elettrici è andato in fiamme.
L’invenzione del motorino di avviamento elettrico, mediante una batteria di avviamento, il motore poteva essere avviato senza sforzo fisico, ha iniziato il declino del primo periodo d’oro delle auto elettriche, di conseguenza, l’accumulatore e lo sviluppo della batteria sono rimasti fermi. Le batterie piombo-acido a ciclo profondo erano praticamente lo standard per le applicazioni di trazione entro la fine del 20 ° secolo. Questi includevano, tra gli altri, sottomarini, auto a batteria, veicoli industriali, come carrelli elevatori e carriole, ma anche sedie a rotelle elettriche. Negli anni ’90 i produttori francesi hanno prodotto diverse migliaia di veicoli legali con batterie al nichel-cadmio. Nel 1990, dal CARB che legiferava in California, i costruttori di automobili dovevano essere costretti a veicoli a emissioni zero (US = Zero Emission Vehicle) che offrivano che Akkumulatorforschung ricevesse di nuovo forti impulsi.
Ad esempio, mentre le prime batterie di trazione della General Motors EV1 utilizzavano ancora le batterie a basso costo al piombo disponibili (26 blocchi con una capacità totale di 16,3 kWh e una tensione nominale di 312 volt), nella seconda forma di realizzazione quelle di Stanford R. Ovshinsky è pronto per la serie di batterie al nichel-metallo idruro utilizzate. La batteria di trazione è stata installata saldamente in un tunnel centrale nel pavimento del veicolo, il che ha contribuito a garantire un’elevata sicurezza in caso di incidente e ottime caratteristiche di manovrabilità.
Mentre la batteria di sodio-zolfo per la BMW E1 o la batteria di bromo di zinco annunciata per l’Hotzenblitz non ha mai raggiunto la prontezza della produzione in serie, la cella di cloruro di sodio-nichel (Zebra Battery) non solo per una gamma pratica di oltre 200 km, ma anche per le applicazioni nel militare e nello spazio. Interessante anche in questo veicolo è la disposizione compatta dei blocchi, che ha reso possibile montare l’intera batteria di trazione in un unico pezzo dal basso e ha anche contribuito all’alto livello di sicurezza per l’applicazione automobilistica.
Le basi della chimica cellulare per batterie agli ioni di litio sono state poste durante questo periodo. Tuttavia, dopo l’allentamento delle leggi CARB, l’industria automobilistica ha interrotto queste attività, così che le batterie agli ioni di litio sono diventate importanti come batterie di trazione nel 21 ° secolo. Oggi, le varie varianti contano come speranza per miglioramenti significativi nel rapporto peso-potenza e capacità portante.
Proprietà fisico-tecniche
Rispetto alle batterie portatili o alle celle di consumo, le celle di una batteria di trazione hanno una capacità molto più elevata. Inoltre, sono sviluppati e prodotti da vari produttori in vari design, in parte su richiesta del cliente. Le dimensioni standard non esistono. Sono comuni sia le celle rotonde, in cui gli elettrodi sono a forma di bastoncello e a forma di coppa, ad esempio i prodotti dei sistemi A123, sia le celle prismatiche con disposizione di elettrodi a forma di piastra, ad esempio celle di Winston Battery.
Vengono utilizzati sistemi di batterie a ciclo continuo ad alta corrente resistenti che sono in grado di erogare o ricevere energia elettrica a seconda delle condizioni di guida e sopravvivere a molti cicli di scarica di carica. A differenza delle batterie di avviamento, le batterie al piombo, ad esempio, possono essere scaricate fino all’80% di profondità grazie al design speciale della griglia e dei separatori di conduttori senza subire danni.
Mentre i blocchi per le batterie di avviamento per auto al piombo per capacità 12 V o 24 V 36-80 ampere-ore (Ah), devono essere collegati insieme per le celle carrelli con capacità da 100 a 1000 Ah a tensioni operative, ad esempio da 24 a 96 volt , per le auto elettriche può raggiungere fino a diverse centinaia di volt. Le dimensioni sono quindi considerevolmente più grandi. Tensioni più elevate riducono le correnti e quindi, tra le altre cose, riducono le perdite ohmiche nelle linee e le perdite termiche durante la carica e la scarica e riducono il peso (cavo).
Tramite l’interconnessione seriale delle singole celle si ottiene la tensione di pilotaggio o la tensione di trazione. Aumentando la dimensione delle celle o collegando le celle in parallelo, è possibile aumentare la capacità di memorizzazione e l’ampiezza. Il prodotto della tensione di trazione (V) e della carica elettrica / capacità galvanica delle singole celle / celle collegate in parallelo (Ah) fornisce il contenuto energetico della batteria di trazione.
Requisiti per l’uso nei veicoli
L’applicazione mobile delle batterie di trazione richiede requisiti di sicurezza più elevati rispetto all’uso stazionario. Soprattutto, la sicurezza delle azioni meccaniche deve essere dimostrata. Ciò si ottiene utilizzando sostanze chimiche cellulari sicure (ad esempio accumulatori al litio-ferro-fosfato) con caratteristiche elettriche spesso più povere, la progettazione sicura dell’alloggiamento nel veicolo (ad esempio, vassoi per batteria sottoposti a crash test nel sottosuolo) o una combinazione di entrambi metodi. Quanto sia forte l’influenza dei requisiti di sicurezza delle batterie di trazione, può essere esemplificato dall’avvio ritardato della produzione di Opelabe tracciato. La ragione era il (solo alcune settimane) dopo un crash test sulla batteria di trazione antincendio dello stesso modello Chevrolet Volt.
Requisiti diversi per veicoli elettrici e ibridi
Poiché i veicoli completamente elettrici immagazzinano tutta l’energia necessaria per viaggiare, vengono utilizzate celle ad alta capacità per minimizzare lo spazio e il peso per la quantità di energia necessaria. A causa della capacità necessaria della batteria (dimensione della cella o del modulo), viene generalmente fornita la capacità di carico corrente delle celle per i processi di scarica e ricarica. Il carico è anche più uniforme e con correnti inferiori rispetto alla capacità della batteria rispetto ai veicoli ibridi.
Nei veicoli ibridi elettrici, la parte principale dell’energia motrice viene trasportata sotto forma di energia chimica (combustibile). La batteria di trazione ha una capacità molto più piccola. Memorizza energia elettrica per la locomozione e assorbe l’energia di recupero del freno rigenerativo. A tale scopo vengono utilizzate celle ad alta corrente che, nonostante la loro capacità inferiore, possono realizzare il carico di corrente elevato (spesso a breve termine) necessario con una buona efficienza e la vita di servizio richiesta.
Capacità nominale, capacità di carico, informazioni del produttore
La capacità nominale è la quantità di energia che può essere ritirata dal produttore in base a determinati criteri. Per i confronti di capacità, è importante rispettare questi criteri. Pertanto, un accumulatore con le specifiche 12 V / 60 Ah C3 ha una capacità superiore rispetto a una batteria ricaricabile della stessa dimensione con la denominazione C5 o C20. La specifica Cx caratterizza la durata della scarica per la capacità specificata in ore. In C3 60 Ah può essere preso in tre ore di scarica uniforme, cioè sono possibili correnti più elevate rispetto a C5 o C20, che è importante per l’uso come una batteria di trazione, perché le correnti sono spesso in pratica per queste correnti di misura (vedi anche C- Equazione di Rate e Peukert).
Per le batterie agli ioni di litio per impieghi gravosi è prevalsa la dichiarazione della capacità di carico corrente in relazione alla capacità. In questo caso, ad esempio, per una cella 3,2 V 100 Ah per la scarica standard a 0,5 C (o anche 0,5 CA), ciò significa che la capacità è stata determinata con una corrente di scarica di 50 A. Solitamente le specifiche di capacità a 0,5 C o 1 C, la capacità di carico continua ammissibile di 3 C o più (nell’esempio a 3 C cioè 300 A), il carico a breve termine ancora di più (qui 20 CA, cioè 2000 A) può essere.
Sempre più spesso, la capacità di una batteria di trazione non viene più fornita in ampere-ora di singole celle, ma in wattora. Pertanto, diversi tipi sono comparabili tra loro, poiché la tensione è inclusa. Le batterie di avviamento hanno un contenuto energetico di 496,8-960 Wh, batterie di trazione per carrelli elevatori a 4.800-28.800 Wh e per la Toyota Prius II a 1.310 Wh.
Costo della batteria
Nel 2010, gli scienziati della Technical University of Denmark hanno pagato $ 10.000 per una batteria EV certificata con capacità di 25 kWh (cioè $ 400 per kilowattora), senza sconti o sovrattasse. Due produttori di batterie su 15 potevano fornire i documenti tecnici necessari sulla qualità e la sicurezza antincendio. Nel 2010 è stato stimato che passerebbero almeno 10 anni prima che il prezzo della batteria scendesse a 1/3.
Secondo uno studio del 2010, dal National Research Council, il costo di un pacco batterie agli ioni di litio era di circa US $ 1,700 / kWh di energia utilizzabile, e considerando che un PHEV-10 richiede circa 2,0 kWh e un PHEV-40 circa 8 kWh , il costo del produttore del pacco batterie per un PHEV-10 è di circa US $ 3.000 e sale a US $ 14.000 per un PHEV-40. La rivista MIT Technology Review ha stimato che il costo dei pacchi batterie per autoveicoli è compreso tra $ 225 e $ 500 per kilowattora entro il 2020. Uno studio del 2013 del Consiglio americano per un’economia ad alta efficienza energetica ha riportato che i costi della batteria scendevano da US $ 1.300 per kWh nel 2007 a US $ 500 per kWh nel 2012. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha fissato obiettivi di costo per la ricerca di batterie sponsorizzate di US $ 300 per kWh nel 2015 e US $ 125 per kWh entro il 2022. Riduzione dei costi grazie ai progressi nella tecnologia delle batterie e ai maggiori volumi di produzione consentirà ai veicoli elettrici plug-in di essere più competitivi con i veicoli convenzionali a combustione interna. Nel 2016, il mondo aveva una capacità di produzione di litio di 41,57 GWh.
I costi effettivi per le celle sono oggetto di molti dibattiti e speculazioni poiché la maggior parte dei produttori di EV si rifiuta di discutere questo argomento in dettaglio. Tuttavia, nell’ottobre 2015, la casa automobilistica GM ha rivelato alla Global Business Conference annuale che prevedevano un prezzo di 145 dollari per kilowattora per le celle di litio che entrano nel 2016, sostanzialmente inferiori alle stime dei costi di altri analisti. GM prevede inoltre un costo di US $ 100 per kwh entro la fine del 2021.
Secondo uno studio pubblicato a febbraio 2016 da Bloomberg New Energy Finance (BNEF), i prezzi delle batterie sono calati del 65% dal 2010 e del 35% solo nel 2015, raggiungendo i 350 dollari USA per kWh. Lo studio conclude che i costi delle batterie sono su una traiettoria per rendere i veicoli elettrici senza sussidi governativi accessibili come le macchine con motore a combustione interna nella maggior parte dei paesi entro il 2022. BNEF prevede che entro il 2040 le auto elettriche a lungo raggio costeranno meno di US $ 22.000 espresse nel 2016 dollari. BNEF si aspetta che i costi delle batterie delle auto elettriche siano ben al di sotto dei 120 dollari USA per kWh entro il 2030 e che diminuiscano ulteriormente dopo la disponibilità di nuove sostanze chimiche.
Confronto delle stime dei costi della batteria
Tipo di batteria th> | Anno th> | Costo ($ / kWh) th> Tr> Thead> | ||
---|---|---|---|---|
Li-Ion td> | 2016 td> | 130-145 td> Tr> | ||
Li-Ion td> | 2014 td> | 200-300 td> Tr> | ||
Li-Ion td> | 2012 td> | 500-600 td> Tr> | ||
Li-Ion td> | 2012 td> | 400 td> Tr> | ||
Li-Ion td> | 2012 td> | 520-650 td> Tr> | ||
Li-Ion td> | 2012 td> | 752 td> Tr> | ||
Li-Ion td> | 2012 td> | 689 td> Tr> | ||
Li-Ion td> | 2013 td> | 800-1000 td> Tr> | ||
Li-Ion td> | 2010 td> | 750 td> Tr> | ||
Idruro di nickel td> | 2004 td> | 750 td> Tr> | ||
Idruro di nickel td> | 2013 td> | 500-550 td> Tr> | ||
Idruro di nickel td> | td> | 350 td> Tr> | ||
acido principale td> | td> | 256,68 td> Tr> Tbody> |
Tipo di batteria th> | Anno di stima th> | Cicli th> | Miles th> | Anni th> Tr> Thead> |
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Li-Ion td> | 2016 td> | & gt; 4000 td> | 1.000.000 td> | & gt; 10 td> Tr> |
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Li-Ion td> | td> | td> | 60.000 td> | 5 td> Tr> |
Li-Ion td> | 2002 td> | td> | td> | 2-4 td> Tr> |
Li-Ion td> | 1997 td> | & gt; 1000 td> | td> | td> Tr> |
Idruro di nickel td> | 2001 td> | td> | 100.000 td> | 4 td> Tr> |
Idruro di nickel td> | 1999 td> | & gt; 90.000 td> | td> | td> Tr> |
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Idruro di nickel td> | 1999 td> | 1000 td> | 93,205.7 td> | td> Tr> |
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acido principale td> | 1997 td> | 300-500 td> | td> | td> Tr> Tbody> |