Электропривод. Плюсы электрификации

Новые веяния в автомобилестроении дают толчок развитию неожиданно ставших смежными отраслей

Наоборот

О чем бы мы подумали десяток лет назад, увидев автомобиль, «привязанный» проводом к бытовой электрической розетке? «Под финна косит: мотор в мороз греет», — предположил бы продвинутый технарь. Сегодня он же предположит, что идет зарядка аккумуляторов электромобиля, и, вполне вероятно, ошибется. По крайней мере, если к домашней цепи подключен Nissan LEAF, то процесс может быть и обратным.

Nissan разработал новую энергосистему, которая позволяет японскому электромобилю, признанному автомобилем года и в Старом, и в Новом Свете, в течение довольно длительного времени обеспечивать электроэнергией небольшой частный дом. В батарее Nissan LEAF накапливается 24 кВтч электроэнергии, что достаточно для электропитания среднего японского дома в течение двух суток. Местные бытовые условия, конечно, скромнее европейских и, тем более, американских, но по количеству электроприборов на душу населения (или на одно домашнее хозяйство) японцы дадут фору любой другой нации. К главному силовому электрощиту дома электромобиль подключается через стандартизированный протоколом CHAdeMO разъем, используемый и для быстрой зарядки аккумуляторов от бытовой сети.

А для чего это, собственно, нужно? Прежде всего, электромобиль может послужить в качестве аварийного источника электроснабжения. Памятуя о катастрофах годичной давности, да и о регулярности природных катаклизмов не только в тех краях, такую возможность нельзя не признать полезной.

Электричество качают насосами

Можно «под завязку» зарядить батареи по льготному тарифу ночью и использовать относительно дешевую энергию днем. Такое решение при неконтролируемом (или, правильнее, псевдоконтролируемом) росте тарифов становится все более актуальным и у нас. Конечно же, накапливать электричество реально и в стационарных аккумуляторах, но зачем городить огород, тратить большие деньги и лишать себя жизненного пространства, когда «авоська для электричества» стоит под окнами. Кстати, собственный запас энергии позволит при необходимости обойти лимит, установленный сбытовой компанией. Да и самим поставщикам энергии становится легче пережить пиковые нагрузки.

Инженеры компании утверждают, что система обеспечит домохозяйство стабильным и достаточным количеством электроэнергии, позволив снизить нагрузку на электросети при восстановлении ее запаса в ночное время. Рабочий ток системы однофазный. Для его передачи используется обычный трехжильный кабель («фаза», «ноль» и «земля»). Рабочее напряжение — 200 В. На дисплей панели управления выводятся данные о доступной остаточной емкости батареи, выходном напряжении и потребляемом токе. Предусмотрена возможность переключения источников питания. Система полностью совместима с серийным Nissan LEAF, что позволяет приступить к ее массовому коммерческому использованию уже в текущем году.

Есть, однако, у «электромобиля-донора» и сущест­венный недостаток, давно и хорошо известный — ограниченный запас энергии. На дороге можно тем или иным способом подзарядиться, а что делать, если электропитание не будет восстановлено в течение упомянутых двух суток? Сидеть и без света, и без машины?

Одним из выходов может стать дополнительный альтернативный источник электроэнергии — солнечная батарея, ветряк или дизель-генератор. При этом сразу же возникает вопрос: почему бы не взять в качестве «донора» автомобиль с гибридной силовой установкой? Получилось бы куда более универсально и надежно. Но, видимо, задача конструкторов прежде всего состояла в том, чтобы для улучшения продаж далеко не дешевого электромобиля пополнить список его опций этакой современной диковиной.

Борьба за емкость

Но логичнее и на словах легче «просто» увеличить удельную (на единицу веса) емкость батареи. Кавычки не случайны: задача эта стоит со времен Гальвани, но, несмотря на грандиозный прогресс последних десятилетий, еще очень далека от окончательного решения. Новые идеи возникают чуть ли не ежедневно.

Nissan LEAF

Последняя разработка инженеров Sumitomo Electric призвана увеличить емкость литий-ионной батареи в полтора-три раза, что сулит увеличение запаса хода на 50–200%. В результате Nissan LEAF на одной зарядке должен будет проходить не 175, а 350 км, а Tesla Roadster — аж 1180 вместо 590. Такой дневной пробег устроит большинство водителей.

Речь идет о новом материале, названном Aluminum-Celmet. Первая часть термина в переводе не нуждается, вторая — слово-слиток, объединившее «ячейки» и «металл». По своей сути это своеобразная трехмерная алюминиевая «губка» с открытыми, соединяющимися друг с другом, сферическими порами.

Аналогичный материал под торговой маркой Celmet из никелевых и хромоникелевых сплавов Sumitomo Electric уже производит массово. Над «пузырчатым» алюминием пока только колдуют. Пористость Celmet достигает 98%, а площадь поверхности невероятно велика. Такой материал, с его способностью вбирать в себя и удерживать жидкость (электролит) и «ловить» электроны, как ничто другое подходит для использования в аккумуляторах. Он хорошо обрабатывается, нужная форма легко придается резанием и штамповкой. Celmet уже одобрен для изготовления положительных электродов никель-водородных батарей для гибридных силовых установок.

Aluminum-Celmet, изготавливаемый по схожей технологии, имеет такую же пористость, но значительно легче предшественника, обладает более высокой электропроводностью и коррозионной стойкостью — свойствами, делающими его привлекательным для использования в литий-ионных батареях электромобилей и других источниках тока высоким напряжением заряда и разряда.

Замена положительного электрода из алюминиевой фольги на трехмерный пористый сулит трехкратное увеличение емкости традиционной литий-ионной батареи или уменьшение ее габаритов на две трети при неизменной емкости.

Опытные образцы новых материалов Sumitomo Electric изготавливает на специально созданном для этой цели экспериментальном производстве в Осаке. Там же отрабатывается технология серийного выпуска и решаются вопросы коммерческого использования новинок.

Двукратное увеличение емкости аккумулятора — реальный технологический прорыв, но конструкторы электромобилей, подобно герою мультика, твердят: «Маловато будет!» Они правы: два раза — это не революция.

Электричество галлонами

Помимо малой удельной емкости есть у современных химических источников тока и другой принципиальный недостаток: уж очень медленно они заряжаются. Процесс, вообще-то, можно несколько ускорить, но расплачиваться придется ресурсом аккумулятора.

«Рекордное» на сегодня решение — замену разряженного аккумулятора на заряженный — едва ли можно назвать оптимальным: с «ящиком» весом в несколько сот килограммов без подъемного оборудования не управишься. Запасная батарея стоит дорого, поэтому обезличенная ее замена владельцу энтузиазма не добавляет.

Другое дело — старый добрый бензин: залил за пару минут, и порядок. Видимо, именно этот образ не давал покоя сотрудникам Массачусетского технологического института, предложившим электричество в аккумулятор… заливать. Разделив функции хранения энергии и перезарядки батареи, исследователи из ведущего технического вуза Америки смогли сократить время восстановления энергозапаса электромобиля до показателей заправки бака автомобиля с ДВС.

Новая технология может найти применение и в «бытовой энергетике», в частности, во все тех же солнечных и ветровых установках.

В новой батарее применен принцип «полутвердого проточного элемента» (semi-solid flow cell), в котором положительный и отрицательный электроды (катод и анод) образуются твердыми частицами, плавающими взвесью в жидком электролите. Эти частицы с противоположными зарядами прокачиваются через системы разделенными фильтром — тонкой пористой мембраной, например. Разделение функций позволяет повысить эффективность перезаряжаемых батарей, вдвое снизив их габариты и стоимость при сохранении паспортной емкости. Последнее обстоятельство само по себе привлечет внимание конструкторов электромобилей. А быстрая заправка и вовсе становится главным козырем. Кстати, возможность быстрой «перезаливки» не препятствует зарядке батареи обычным образом.

Справедливости ради надо отметить, что проточные батареи были изобретены не вчера. Но во всех известных конструкциях использовались жидкости с очень низкой энергетической плотностью. Батареи получались намного большими, чем топливные элементы. Жидкость требовалось очень быстро прокачивать, что также отрицательно сказывалось на эффективности.

Разработанные американскими учеными жидкости для новых полутвердых батарей по энергетической плотности в 10 раз превосходят ранее известные. Электролит со взвешенными в нем частицами назвали Cambridge crude («Сырая кембриджская нефть»). Внешне похож, да и по смыслу близок.

Пока в качестве подопытного используется литий-ионный аккумулятор, но физика процесса не зависит от химии источника тока. Промышленный образец батареи для электромобиля, пригодный для серийного производства, должен появиться до конца 2013 года.

 

От старого ворчуна

Читая о достижениях заморских инженеров, невольно задаешься вопросом: «А что же наши?» Еще 30 лет назад электромашиностроение и энергетика были в СССР отраслями не только конкурентными по сравнению с зарубежными, но и порой превосходящими мировых лидеров. «Электросиловские» генераторы были мощнее немецких. Они, как и гибридные БелАЗы, продавались по всему свету. Были и экспериментальные электромобили, и серийные аккумуляторы для подводных лодок и космических аппаратов. Совместными усилиями «новых эффективных владельцев» и их прикинувшихся партнерами конкурентов от былых достижений не осталось и следа. Но неужели русских инженеров в России уже не осталось?