6 ELEKTRO 6/2013 Analýza a návrh aplikace akumulátorů pro elektromobil 1. Úvod o elektromobilitěElektromobilitu lze určitě zařadit mezi moderní, prudce se rozvíjející obory. Přesto se však v současné době zatím nelze s čistě elektrickými vozidly1) v praxi příliš často se-tkat. Zdá se, že čistě elektrická vozidla jsou bez externích finančních pobídek stále příliš drahá na pořízení, přičemž se vícenáklady na jejich nákup uživatelům nevrátí v dostatečné míře v podobě úspory provozních nákladů. Lokální environmentální přínos těchto vo-zidel je nesporný, ovšem uživatel sám platí vícenáklady za zlepšení životního prostředí pro spoluobčany města, jde tudíž z jeho stra-ny de facto o charitu2). Je tedy třeba položit si zásadní otázku: proč jsou elektrická vozi-dla dražší na pořízení a vícenáklady se ne-vrátí v podobě úspory provozních nákladů?Jedním z důvodů je ekonomika velkých čísel, elektromobily se zatím nevyrábějí v tak velkých sériích jako automobily se spalova-cími motory. Dalším klíčovým důvodem je však současný stav technologie elektrických akumulátorů, jejich provozní a životnostní pa-rametry a cena. Této problematice se autoři článku od roku 2010 soustavně věnují. Bylo vytvořeno pracoviště pro krátkodobé a dlou-hodobé testování elektrických akumuláto-rů, které umožňuje cyklovat elektrické aku-mulátory o napětí do 20 V při proudech do 300 A [1]. Měření probíhá automatizovaně, naměřené hodnoty jsou zaznamenávány do datových souborů. Na základě výsledků mě-ření lze hodnotit úbytek životnosti v závislosti na různých provozních režimech akumuláto-ru. Jestliže se výsledky z dlouhodobých mě-ření propojí s pořizovacími náklady akumu-látorů, lze definovat tzv. cenu opotřebení aku-mulátoru (Kč/kW · h). Jde o podíl pořizovacích nákladů na akumulátor a celkové energie ode-brané během života akumulátoru. Cena opo-třebení akumulátorů spolu s několika příkla-dy konkrétních cen je uvedena v [2]. Bude-li akumulátorová baterie elektrického vozidla považována za „palivovou nádrž“ obdobně jako u vozidel se spalovacími motory, měla by být cena za opotřebení baterie připočtena k provozním nákladům za „palivo“. Výrob-ci elektrických vozidel však jako náklady za kilometr jízdy uvádějí pouze cenu elektřiny, navíc vypočítanou neznámým způsobem, což významně zkresluje realitu.Hlavním cílem tohoto textu je návrh trakční akumulátorové baterie. Správný návrh akumulátorové baterie splňuje pro každý akumulátor, který je součástí baterie, para-metry dané výrobcem, jako je konečné na-pětí, maximální napětí, jmenovitý proud, okolní teplota aj.2. Elektrické akumulátory V tomto textu je cílem navrhnout akumu-látorovou baterii pro elektrické vozidlo měst-ského typu takto specifikované:– pohotovostní hmotnost bez baterie 1 000 kg,– dojezd 120 km,– výkon na kolech 20 kW.2.1 Dostupné technologie elektrických akumulátorůŠiroký přehled různých typů elektroche-mických akumulátorů lze nalézt v [3]. Ač-koliv existují mnohé perspektivní technolo-gie akumulátorů (viz např. [4]), v tomto tex-tu budou uvažovány pouze akumulátory, které jsou již v současnosti dostupné na trhu. Dů-vodem je záměr použít navrženou akumulá-torovou baterii pro skutečné elektrické vozi-dlo. Z technologií elektrochemických aku-mulátorů dostupných momentálně na trhu pro trakční využití v silničním elektrickém vozidle lze uvést tyto:– olověný zaplavený akumulátor (Pb),– olověný gelový akumulátor (Pb gel),1) BEV – Battery Electric Vehicle.2) Lidé rádi jezdí automobilem, ale vadí jim škodlivé důsledky automobilismu.doc. Ing. Martin Leso, Ph.D., Ing. Jindřich Sadil, Ph.D., Fakulta dopravní ČVUT v Praze Tab. 1. Přehled technologií elektrochemických akumulátorůTechnologie Příklad výrobce Typ článku pro další tabulku Některé výhody Některé nevýhody olověný zaplavený akumulátor (Pb)Banner (Rakousko)3PzS240-24 údržbový olověný gelový akumulátor (Pb gel)Banner (Rakousko)3PzS225-24 bezúdržbový nikl-kadmiový akumulátor (NiCd)Saft (Francie)STM 5-100 dobře pracují v širokém teplot-ním rozsahu (–20 až +50 ° C)údržbový nízká objemová kapacita lithium-železo-magneziový akumulátor (LiFeMgPO4)Valence (USA)U27-12XP bezúdržbový lithium-železo-fosfátový akumulátor (LiFePO4)CALB (Čína)SE180AHA bezúdržbový lithium-železo-fosfátový akumulátor s yttriem (LiFeYPO4)Winston Battery Limited (Čína) WB-LYP160AHA bezúdržbový Článek se zabývá hodnocením a výběrem vhodné elektrické akumulátorové baterie pro elektrické vozidlo městského typu s dojezdem 120 km, výkonem vozidla na kolech 20 kW a pohotovostní hmotností 1 000 kg bez baterie. V textu jsou využity poznatky autorů o životnosti elektrických akumulátorů při různých provozních režimech akumu-látorů získané původním měřením autorů a dále původní měření autorů na elektrických vozidlech. V textu jsou také hodnoceny vhodné systémy managementu baterie (battery management systems) pro uvedené elektrické vozidlo. Názvosloví v oboru akumuláto-rů je přejato z [0].Obr. 1. Charakteristika dobíjení LiFeYPO4 napětí baterie (V) čas (s)0 2 000 4 000 6 000 4,0 3,75 3,5 3,25 3,0 2,75 2,5 2,25 2,0 1,75 1,5 1,25 1,0 0,75 0,5 0,25 0 proud baterie (A)160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ––Ubat –– Ibat