Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok bemutatása. Előadó: Kocsis Szürke Szabolcs

Átírás

1 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok bemutatása Előadó: Kocsis Szürke Szabolcs

2 Tartalom Elektromos és hibrid járművek elterjedése Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok Elektromos és hibrid járművek töltése Akkumulátor elhasználódás Lítium függőség Akkumulátor selejtezés és újrahasznosítás Akkumulátor rendszer fejlesztés 2

3 Elektromos és hibrid járművekben elterjedése Az elektromos közlekedés terjedése aktuális trend. Az elektromos hálózatra csatlakoztatható gépjárművek számában 2020 környékén várható jelentősebb ugrás. Elektromobilitásban meghatározó régiók: Amerikai Egyesült Államok Kína Európa 3

4 Elektromos és hibrid járművekben elterjedése A tisztán elektromos (PEV) és a plug-in hibrid (PHEV) személy- és kis tehergépjárművek gyártásának alakulása a világon és az EU-ban: 4

5 Elektromos és hibrid járművekben elterjedése A hazai gépjárműtípusok alakulására 2023-ig A hazai elektromos hálózatról tölthető gépjárművek számának előrejelzése: 5

6 Elektromos és hibrid járművekben elterjedése Az elektromos töltő állomások elterjedése 6

7 Elektromos és hibrid járművekben elterjedése Az elektromos töltő állomások elterjedése 7

9 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok Energiasűrűség szerinti felosztás 9

10 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok Different type battery Battery module Battery system Battery cell 10

11 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok 11

12 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok Vegyes kapcsolás Soros kapcsolás Párhuzamos kapcsolás 12

13 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok General Motors EV1 Kewet 13

14 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok Toyota Prius (XW20) Toyota RAV4 EV 1 generation Subaru XV Crosstrek Hybrid 14

15 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok Tesla Roadster Ford Focus Electric Fiat 500e 15

16 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok A123 Systems Buckeye Bullet 2.5 Chevrolet Spark EV 16

17 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok Hyundai Sonata Hybrid Szelectra 17

18 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok 18

19 Elektromos és hibrid járművekben használatos akkumulátorok hicle weight Különböző technológiák, különböző alkalmazásokhoz: challenges Fuel cell vehicles Public transport Long range public transport transportation Economy of fuel h Plug-in hybrids City LDVs Everyday use Battery vehicle 2 nd car acceptance Economy of propulsion system Energy density Electro cycle safety distance Short trips (city) Long trips (highway) 19

21 Elektromos és hibrid járművek töltése Töltők irányelvei és szabályozásai az Európai Unióban A piac három, az EU szabályozás két nyilvános töltőkre vonatkozó töltőtípust különböztet meg: 21

22 Elektromos és hibrid járművek töltése EU irányelv megnevezés /csatlakozó Nagy teljesítményű töltőállomás (AC /DC) AC: a váltakozó árammal működő töltőállomást legalább az EN szabvány szerinti 2. típusú csatlakozókkal kell felszerelni. DC: egyenárammal működő töltőállomást legalább az EN szabvány szerinti Combo 2 típusú csatlakozókkal kell felszerelni 22 kw Normál teljesítményű töltőállomás (AC) AC: a váltakozó árammal működő töltőállomást legalább az EN szabvány szerinti aljzattal, vagy 2. típusú csatlakozókkal kell felszerelni Az egyes gyártók által a töltők elnevezésére használt terminológia nem egységes és nincs teljesen összhangban az EU meghatározásával. A piac a legalább 43 kw-tal rendelkező töltőpontokat már villámtöltőknek, a 7 kw alatti, jellemzően otthoni felhasználásra szántakat pedig normál vagy lassú töltőnek nevezi, ám az uniós szabályozás, csak nagy és normál teljesítményű töltőállomásokat különböztet meg. 22

23 Elektromos és hibrid járművek töltése EV Battery charging 23

24 Elektromos és hibrid járművek töltése Töltőállomások típusai és felhasználása 24

25 Elektromos és hibrid járművek töltése Csatlakozó típusok 25

26 Elektromos és hibrid járművek töltése Csatlakozó típusok 26

27 Elektromos és hibrid járművek töltése Mennekes csatlakozó A jelző (kommunikációs) protokollt a következő képen tervezték: Rákapcsoljuk a 3 fázist Jármű érzékeli a proximity áramkör segítségével (a jármű nem tud elindulni amíg csatlakoztatva van a töltő) Elkezdődnek a control pilot funkciók o o o o Érzékeli a csatlakoztatható járművet (plug-in electric vehicle PEV) A rendszer jelzi a PEV készenléti energiáját PEV szellőztetési (akkumulátor hűtési) követelmények meghatározása Áram szükségletet megkapja a PEV PEV elküldi parancsokat energiaáramláshoz PEV és az ellátó eszközök (töltő) folyamatosan figyelemmel kíséri folyamatos biztonsági földelést Töltés megszakad, ha kihúzzuk a csatlakozót a járműből 27

28 Elektromos és hibrid járművek töltése Mennekes csatlakozó 12V: Nincs elektromos jármű csatlakoztatva és a kábel ki van húzva 9 V: Elektromos jármű csatlakoztatva van, de nem áll készen a töltésre 6 V: Elektromos jármű készen áll töltésre 3V Elektromos jármű csatlakoztatva van és igényel hűtést (szellőztetést) töltés közben 28

29 Elektromos és hibrid járművek töltése Fedélzeti töltők Brusa NLG513 - On-Board- Charger 29

30 Elektromos és hibrid járművek töltése Battery switch technology 30

31 Elektromos és hibrid járművek töltése Battery switch technology 31

32 Elektromos és hibrid járművek töltése Vehicle-to-grid technológia Elektromos gépjárművek nem csak a villamos energia felvételére képesek, hanem a tárolt villamos energiát akár vissza is tudják tölteni a hálózatba Visszatöltési folyamat úgy valósulhat meg, hogy villamosenergia-igény jelenik meg a rendszerben A V2G technológia összességében kétféleképpen támogatja az elektromos rendszer egyensúlyát és a piac kiegyenlítését. Egyrészt csúcsidőszakon kívüli töltéssel és csúcsidőszaki visszatáplálással, másrészt tartalékkapacitás biztosításával. 32

34 Akkumulátor elhasználódás A jelenlegi elektromos autózás főbb nehézségei közé tartoznak: Folyamatos használat mellett az akkumulátorok idővel elhasználódnak. Jelentősen veszítenek a kapacitásukból. Nehezen behatárolhatók. Az akkumulátor használata során számos fejlesztési és üzemi probléma merülhet fel. Az alábbi tényezőktől függenek: akkumulátor típusától, gyártási módszereitől, kapcsolási rendszereitől. 34

35 Akkumulátor elhasználódás Lítium akkumulátorok használati/üzemi problémái legtöbbször: Túltöltés vagy a névlegesnél magasabb feszültséggel való töltés. Öregedési és elhasználódási probléma. 35

37 Lítium függőség A lítium előfordulása Lítium a Föld számos helyén megtalálható: sziklákban, sós tavakban és a tengervízben. Előállítása technikailag és gazdaságosan Dél-Amerikában, Ausztráliában és Kínában lehetséges. 37

38 Lítium függőség A lítium felhasználása 38

40 Akkumulátor selejtezés és újrahasznosítás Az akkumulátorok és elemek jelentős mennyiségű nehézfémet és mérgező kemikáliákat tartalmaznak. Ezért elemeket visszagyűjtik, ártalmatlanítják és újrahasznosítják. Fontos annak érdekében, hogy ezek az anyagok ne a termőtalajt vagy a talajvizet szennyezzék. 40

41 Akkumulátor selejtezés és újrahasznosítás Újrahasznosítás típus szerint: Ólom-savas akkumulátorokat Nikkel-metál-hidrid elemek (NiMH) Lítium elemek (Li-ion, Li-ion polimer) 41

42 Akkumulátor selejtezés és újrahasznosítás Ólomsavas akkumulátor A lemerült ólom-savas akkumulátorokat nagyon jó hatásfokkal új hasznosíthatóak. Egy átlagos 13 kg-os gépjármű indító akkumulátor kb. : 60%-ban ólmot (ólomrács, ólompaszta, ólom-oxid) 25%-ban kénsavat tartalmazó elektrolit. A Magyarországon évente keletkező hulladék akkumulátor mennyisége kb ezer tonna. 42

43 Akkumulátor selejtezés és újrahasznosítás Ólomsavas akkumulátor Hogyan hasznosítják a hulladékká vált akkumulátorokat? Gépi törés, fő alkotóira szedi a hulladékot. A törött akkumulátorokból vízzel kimossák a savat, majd lúggal közömbösítik. Ezután az ólom és műanyag (jellemzően polipropilén) frakciókat választják szét egymástól. A nagyobb feldolgozók mellé ólom öntöde is települt, ahol ólomtömböt, vagy egyéb félkész terméket állítanak elő. A műanyag szintén hasznosítható. 43

44 Akkumulátor selejtezés és újrahasznosítás Nikkel-metal-hidrid elemek (NiMH) A nikkel visszanyerésén van a hangsúly. Nikkel-metálhidrid elemeket kisebb darabokra vágják, fennáll annak a veszélye, hogy hidrogén szabadul fel. A műanyag tartalmat eltávolítják. Magas nikkel tartalmú anyag marad vissza fontos alapanyaga lehet a fémgyártásnak Société Nouvelle d Affinage des Métaux (SNAM) 44

45 Akkumulátor selejtezés és újrahasznosítás Lítium elemek (Li-ion, Li-ion polimer) Az újratölthető lítium elemek újrahasznosítása során a fő cél a fémtartalom kobalt, nikkel, réz visszanyerése. A lítium mérgező, erősen reaktív és fokozottan gyúlékony, ezért az újrahasznosítás költségei magasak. A modern lítium elemekre bonyolult kémiai összetétel jellemző, ami megnehezíti az újrahasznosítást. A piaci ár nagyon alacsony és bizonytalan, az újrahasznosítás költségei pedig igen magasak a primer gyártási költségekhez viszonyítva. A lítium begyűjtési aránya nagyon alacsony. 45

46 Akkumulátor selejtezés és újrahasznosítás Lítium elemek (Li-ion, Li-ion polimer) A lítium gyűjtésére és újrahasznosítására vonatkozó hatékony szabályozás. Infrastrukturális fejlesztésekbe. Új technológiákba történő beruházások. Toyota : telepek szétszedése, reciklikálása belgiumi székhelyű Umicore N.V szállítás Ultra Magas Hőfokú (UHT) olvasztási technológia a kobalt, a nikkel és a réz költséghatékony és környezetkímélő kinyerése kinyert anyagokat a belgiumi Hobokenben létesítménybe szállítják 46

48 Akkumulátor rendszer fejlesztés Kutatási célok: Jármű specifikus akkumulátor választás. Akkumulátor ideális töltési és kisütési feszültség értékeinek a meghatározása. Töltöttségi szint menet közbeni folyamatos meghatározása. A járműbe épített akkumulátorok élettartamának becslése. Üzemi hőmérséklet szerepének feltárása. Akkumulátor pakkok ideális elhelyezésének meghatározása. 48

49 Akkumulátor rendszer fejlesztés A különböző járművek akkumulátor választás szempontjainak optimalizálási lehetőségei: súly és kapacitás alapján (energiasűrűség szerint), biztonsági és stabilitási faktor alapján (elöregedés, kapacitás romlás), gazdasági szempontok szerint (ár, mikor és hol éri meg?). 49

50 Akkumulátor rendszer fejlesztés Különböző típusú jármű, különböző típusú akkumulátor igény: 50

51 Akkumulátor rendszer fejlesztés Akkumulátor töltés: Akkumulátor kisütés 51

52 Akkumulátor rendszer fejlesztés Akkumulátor cella kiegyenlítés 52

53 Akkumulátor rendszer fejlesztés Miért hasznos ez? 53

54 Akkumulátor rendszer fejlesztés Akkumulátor védelem (BMS) Hardver és szoftver fejlesztés Biztonsági funkciók: Mélykisütés Túltöltés Túláram Hőmérséklet Szakadt vezeték detektálás 100 µv pontosság Kétirányú aktív cellakiegyenlítés Izolált kommunikáció (SPI, CAN) Akár 1000V-os csomagokig 54

55 Akkumulátor rendszer fejlesztés Moduláris akkumulátor csomagok: LiPo 162 (Wh/Kg) Akkumulátor csomag 6 db akkumulátor 24 db cella Aktív és passzív BMS Névleges feszültség: 44,4 V Max feszültség: 50,4 Kapacitás: 12,8Ah 568, 32 Wh 55

56 Akkumulátor rendszer fejlesztés Akkumulátor tesztelés 56

57 Köszönöm a figyelmet! Előadó: Kocsis Szürke Szabolcs kocsis.szabolcs@ga.sze.hu