Baterii Electrice

4.2 Baterii electrice

Alimentarea motoarelor de tracțiune ale vechiculelor electrice se face de la acumulatoare electrice care sunt formate din gruparea în diverse conexiuni a mai multor elemente-surse electrochimice. Acumulatoarele folosite pentru tracțiune sunt împărțite în două mari categorii:

acumulatoare cu plumb-acid, care reprezintă aproximativ 95% din acumulatoarele de tracțiune actuale;

acumultatoare alcaline și acumulatoare pe bază de litiu, care reprezintă aproximativ 5% din acumulatoarele de tracțiune actuale;

4.2.1 Plumb-Acid (LA – Lead Acid)

La acumulatoarele cu plumb-acid anodul este realizatdin plumb în formă metalică (Pb), catodul din bioxid de plumb (PbO2), iar electrolitul este o soluție de acid sulfuric (H2SO4) și apă (H2O). [21]

Figura 4.1. Structura bateriilor plumb-acid [33]

Caracteristicile fundamentale teoretice sunt:

tensiunea unei celule este de 2 V;

tensiunea maxima de încărcare pe celulă: 2,39 V;

tensiunea minimă de descărcare pe celulă: 1,8 V;

densitatea de energie: masică 20-35 Wh/kg și cea volumică 54-95 Wh/l;

puterea specifică: 250 W/kg;

nr. de cicluri încărcare-descărcare: 600-800;

rata de descărcare mare: 60 – 80 C;

timp de reîncărcare: 8h. (într-o oră se poate încărca 90%)

rata de autodescărcare mică, 5% pe lună;

funcționare scazută la temperaturi mici; [7]

Bateriile cu plumb-acid sunt cele mai populare pe piață la momentul actual fiind folosite pentru toate tipurile de vehicule electrice de mici dimensiuni. Sunt baterii pe bază de plumb și soluție diluată de acid sulfuric; acestea nu au un cost foarte ridicat, dar oferă în schimb performanțe bune. [17,21]

Bateriile de acest tip sunt livrate la tensiunea de 12 V și la o gamă variată de curenți de descărcare (8Ah, 10Ah, 12Ah, 16Ah, 17Ah sau 20Ah). De asemenea pot avea loc autodescărcări a bateriilor, ceea ce implică reîncărcarea lor după perioade mari de neutilizare, fiind nevoie de întrețineri pretențioase a acumulatoarelor cu plumb-acid uzuale. La întrețineri se mai adaugă și principiul completării periodice de apă distilată pentru a compensa apa pierdută prin electroliză în timpul încărcării, și după circa 600 de cicluri de funcționare e recomandat schimbarea în întregime a electrolitului. [17,21,27]

Bateriile cu plumb acid pot fi înseriate câte 2,3,4 sau 5 în funcție de tensiunea de alimentare a motorului, astfel dacă motorul se alimentează cu 24 V se înseriază 2 baterii de 12 V, curentul rămânând același. [32]

Datorită tehnologiilor moderne este posibilă realizarea acumulatoarelor cu plumb-acid în varianta fără întreținere. În acest caz, acumultatoarele sunt capsulate, au o contrucție adecvată a electrozilor, iar electrolitul este solidificat. La aceste baterii autodescărcarea este foarte redusă, iar sensibilitatea lor la descărcări ocazionale puternice, la vibrații și la temperaturi joase este mult scăzută. De asemenea, ele sunt sigure și curate, necontribuind la poluare și nepunând probleme de protecție pentru instalațiile din vecinătatea lor. [21]

Un model foarte răspândit de acumulator Plumb-Acid este cel care are înscripția DZM pe el și se poate găsi în trei variante în funcție de valoarea curentului (fig.4.2):

6-DZM-10 – acumulator 12V, 10A cu dimensiunile 120mm x 98mm x 95mm, găsit în general pe biciclete electrice mai ușoare;

6-DMZ-12 – acumulator de 12V, 12A cu aceleași dimensiuni ca și cel de mai sus pe care îl găsim pe o serie foarte mare de biciclete electrice și pare a fi unul dintre cei mai buni.

6-DZM-20 – acumulator de 12V, 20A cu dimensiunea de 180mm x 100mm x 76mm pe care îl găsim mai des la triciclete sau scutere electrice.

Figura 4.2. Tipuri de acumulatoare Plumb-Acid DZM [32]

Pe scurt pot fi evidențiate câteva avantaje și dezavantaje a acestor tipuri de baterii.

Avantaje:

au un număr mare de cicluri de încărcare-descărcare;

sunt relativ ieftine;

plumbul este folosit pentru electrozi, care este disponibil în cantități mari;

plumbul din electrozi poate fi reciclat după ieșirea lor din funcțiune;

există producție în serie;

sunt robuste, capsulate, generează puteri/energii mari;

Dezavantaje:

sunt sensibile la supracurenți;

puterea lor scade o dată cu descărcarea;

capacitatea și energia lor scade la temperaturi scăzute;

oferă posibilități limitate de încărcare rapidă;

Încărarea acumulatoarelor plumb-acid se face de la o sursă de curent alternativ de diverse complexități în 2 sau 3 etape:

Etapa 1:  Încărcarea vrac (bulk): încărcarea masivă la aprox. 80% din capacitate, în care curentul de încărcare este menținut constant, iar tensiunea crește. Încărcătorul corect dimensionat va da bateriei un curent acceptat până la 0.25 din capacitatea bateriei în amperi.

Etapa 2: Încărcarea de absorbție: restul de aprox. 20% se încarcă menținând constantă tensiunea de absorbție a încărcătorului (între 14.1 V și 14.8 V, în funcție de valorile de referință ale încărcătorului și de tipul bateriei), scăzând treptat curentul, până când bateria este complet încărcată. Dacă bateria nu va avea o sarcină sau curentul nu se scade după un timp de reîncărcare așteptat, bateria se poate sulfata permanent.

Etapa 3: Încărcarea flotantă: Dacă bateria rămâne legată la încărcător, se trece la încăracarea flotantă. Tensiunea de încărcare este redusă între 13.0V și 13.8V și se menține constantă, în timp ce curentul este redus sub 10% din capacitatea bateriei. Acest mod poate fi folosit pentru a menține o baterie complet încărcată pe timp îndelungat.[31]

Figura 4.3 Graficul încărcării bateriei Pb-Acid în 3 etape 

4.2.2 Li-Ion (LI – Lithium Ion)

La acest tip de baterii anodul este realizat din carbon. Catodul este realizat din oxid de litiu-cobalt, fosfat litiu-feric sau oxid de magneziu-litiu. Electrolitul este constituit din lichide ne-apoase (litiu reacționează violent cu apa și degajă hidrogen) precum esterii carbonat de etilen sau carbonat de etanol și săruri de litiu precum hexafluorofosfati, hexafluoroarsenati LiPF6, fluoroborat LiBF4. [34]

Figura 4.4. Structura bateriei Li-Ion

Caracteristicile fundamentale teoretice sunt:

tensiunea unei celule este de 3,5 V;

tensiunea maximă de încărcare pe celulă: 4,2 V;

tensiunea minimă de desărcare pe celulă: 3 V;

densitatea de energie: masică 90 Wh/kg și cea volumică 153 Wh/l;

puterea specifică: 300 W/kg;

rata de descărcare: 15-20 C;

funcționare bună la temperaturi între 5-50 oC;

nr. de cicluri încărcare-descărcare: 300-500;

timp de reîncărcare: 2-3h;

rata de autodescărcare mică: 5% din capacitate în primele 24 de ore, 1-2% pe lună;[7]

Datorită densității mari de energie, acumulatoarele Li-Ion înlocuiesc cu succes acumulatoarele Ni-Cd și Ni-MH din dispozitivele portabile. Nu sunt încă foarte populare pentru că sunt destul de scumpe, dar faptul că sunt mai usoare decât bateriile plumb-acid le face mai atractive pentru vehiculele electrice, mai ales pentru cele de mici dimensiuni sau pentu cele unde autonomia este foarte imporantă. [17,28]

Electrolitul acestor tipuri de baterii este format din solvenți organici agresivi; astfel că dacă acesta curge în afara bateriei există pericolul coroziunii. Pentru a îndepărta acest pericol, acumulatorii cu litiu sunt înveliți în metal. În plus, un microcontroler cu senzor este integrat în carcasa acumulatorului pentru a preveni o eventuală supraîncălzire sau chiar explozia acestuia.[28]

În momentul de față se fac cercetări pentru a îmbunătăți tehnologia de fabricație a acestui tip de baterii introducând noi combinații chimice. De asemnenea, în ultima perioadă s-au făcut încercări mai mult decât evidente pentru introducerea pe piață a mai multor prototipuri de vehicule echipate cu baterii Li-Ion. Acestea se folosesc deja pe vehicule electrice de mici dimensiuni, spre exemplu pot fi plasate în cadrele bicicletelor electrice. [17]

Avantaje:

există sub diverse forme constructive și de dimensiuni diferite, care se pot adapta unei game largi de dispozitive;

greutate mică în comparație cu alte baterii care au aceeși densitate de energie;

tensiunea în circuit deschis este superioară celei caracteristice bateriilor cu electrolit apos;

viteza de autodescărcare inferioară altor acumulatoare.

Dezavantaje:

sunt fragile și necesită circuite suplimentare de protecție care să asigure siguranța în exploatare;

sunt caracterizate de valori moderate ale curentului de descărcare;

costul de fabricare este ridicat;

Cele mai multe acumulatoare de Li-Ion au nevoie de o tensiune de încărcare de 4.20V/cell cu o toleranță de + / -50mV/cell. Tensiunile mai mari ar putea crește capacitatea, dar oxidarea celulelor rezultată ar reduce durata de viață.  Figura 4.5 prezintă nivelul de tensiune și curent al acumulatorului litiu-ion ce trece prin 4 etape de încărcare.

Figura 4.5 Etapele încărcării bateriei Li-Ion [36] 

Acumulatorul Li-Ion este complet încărcat atunci când curentul scade până la un nivelul de la terminarea etapei 2 de încărcare. În loc să scadă încărcarea, unele dintre încărcătoare aplică o încărcare ocazională atunci când tensiunea acumulatorului scade – etapa 4.

Creșterea curentului de încărcare nu va accelera prea mult încărcarea maximă a bateriei. Cu toate că bateria va ajunge la tensiunea maximă în timp mai scurt, încărcarea până la saturație nu va ține prea mult. Această creștere a curentului de încărcare modifică doar timpul necesar fiecărei etape; etapa 1 va fi mai scurtă, dar etapa 2 va fi mai lungă.

Acumulatorul Li-ion nu trebuie să fie complet încărcat, așa cum este cazul cu acumulatorii plumb-acid. Alegerea unui prag de tensiune mai mică, sau eliminarea încărcării de saturație cu totul, prelungește viața bateriei, dar aceasta reduce durata de funcționare. Deoarece piața de consum promovează încarcarea maximă, aceste încărcătoare sunt concepute pentru capacitatea maximă, mai degrabă decât pentru durata de viață extinsă.[36]

4.2.3 Nichel – Cadmiu (NiCd – Nickel Cadmium)

Principalul tip de acumulator alcalin utilizat este acela cu Nichel-Cadium, la care anodul este Cd, catodul este Oxi-Hidroxid de Ni, Ni(OH)2 ,iar electrolitul este Hidroxid de sodiu, KOH. [21]

Caracteristicile fundamentale teoretice sunt:

tensiunea unei celule este de 1,3V;

tensiunea maximă de încărcare pe celulă: 1,44 V;

tensiunea minimă de descărcare pe celulă: 0,81 V;

densitatea de energie: masică 40-55 Wh/kg și cea volumică 70-90 Wh/l;

putere specifică: 125 W/kg;

nr. de cicluri încărcare-descărcare: 1200;

rata de descărcare: 6-10 C;

timp de reîncărcare: 1h (în 20 de minute se poate încărca rapid 60%)

rata de autodescărcare: 10-15% din capacitate în primele 24 de ore, 10-15% pe lună;

prezintă efect de memorie;

funcționare acceptabilă la temperaturi scazute;[7]

Acumulatorul de NiCd a fost considerat ca fiind unul dintre principlaii concurenți a acumulatorului cu plumb-acid în utilizarea lor la vehiculele electrice pentru că au un raport energie/greutate bun, livrează un curent mare și permit multe cicluri de încărcare-descărcare. Din păcate nu sunt capabile de a livra mai multă energie decăt bateriile plumb-acid. [7]

Avantajele acumulatorului NiCd în comparație cu celelalte trei tipuri sunt capacitatea de încărcare mare și rezistența bună la temperaturi de până la -150 C. Dacă un acumulator NiCd se blochează vreodată din cauza efectului de memorie, se poate reactiva prin mai multe încărcări și descărcări succesive, deoarece efectul de memorie este reversibil. Un acumulator Ni-Cd se poate încărca de cinci ori mai repede decât unul Ni-MH și este de 20 de ori mai rapid decât unul pe bază de Li, condiția este să existe un încărcător care să furnizeze curentul necesar.[28]

Prin efect de memorie se înțelege o reducere temporară a capacității celulei atunci când celula este încărcată fără a fi fost descărcată complet în prealabil. [17]

În comparație cu bateriile plumb-acid care sunt mai accesibile, bateriile de NiCd nu par să aibă un viitor în domeniul vehiculelor electrice pentru că sunt scumpe datorită costului ridicat al cadmiului și pun probleme ecologice. Trebuie precizat și faptul că acest tip de baterii se descarcă singure în aproximativ o lună și încărcarea lor pune probleme la temperaturi ridicate.[17,21]

Bateriile pe baza de nichel necesită, înainte de prima utilizare o încărcare pentru 24 de ore (formatare). Aceasta este necesară pentru echilibrarea celulelor înseriate și pentru a reduce zonele uscate din separatorul electrolitic, aparute datorită acțiunii gravitației in timpul stocării îndelungate. [37]

În prima perioadă de încarcare a unei baterii Ni-Cd în bună stare ( până atinge 70% din capacitate), eficiența reacțiilor chimice este de aproximativ 100%, bateria rămânâd rece ca urmare a transformarii integrale a energiei electrice primite în produse chimice. Încărcătoarele ultrarapide exploatează această calitate încărcând în cateva minute bateria la curenți de câteva ori mai mari decât C, până atinge 70%din capacitatea totală. Odată ce se depașește acest prag, bateria începe să piardă treptat însușirea de transformare a curentului electric în reacție chimică, apărând supraîncălzirea și acumularea de presiuni interne. [37]

Bateriile Ni-Cd de capacități foarte mari tind să se încălzească mai mult decât cele standard. Acest fenomen apare datorită rezistenței interne mici a celulei. Pentru a compensa acest fenomen nedorit, încărcătoarele "inteligente" aplică o încărcare cu un curent variabil; mai mare la începutul încărcării și apoi, din ce în ce mai mic. [37]

4.2.4 Nichel – Metal Hibrid (NiMh – Nickel Metal Hydride)

Un alt timp de acumulator alcalin asemanator cu Ni-Cd este Nichel-Metal Hibrid la care anodul este format din diferite aliaje metalice de Ni, catodul este Oxi-Hidroxid de Ni, Ni(OH)2, iar electrolitul este Hidroxid de sodiu, KOH. [21]

Caracteristicile fundamentale teoretice sunt:

tensiunea unei celule este de 1,2V;

tensiunea maximă de încărcare pe celulă: 1,44V;

tensiunea minimă de descărcare pe celulă: 0,83V;

densitatea de energie: masică 65 Wh/kg și cea volumică 150 Wh/l;

putere specifică: 200 W/kg;

nr. de cicluri încărcare-descărcare: 1000;

rata de descărcare: 6-10 C;

funcționare acceeptabilă la temperaturi scăzute;

timp de reîncărcare: 1h (în 20 de minute se poate încărca rapid 60%)

rata de autodescărcare: 20-30% din capacitate în primele 24 de ore, 20-30% pe lună;

efect de memorie mai puțin pregnant decât la cele de tip Ni-Cd; [7]

Bateriile NiMh au fost introduse pe piață în ultimii ani ai secolului XX și au performanțe asemănatoare cu bateriile NiCd. Diferența dintre cele două tipuri de acumulatoare este înlocuirea cadmiului de la anod cu o hidrură metalică care acumulează hidrogen, ceea ce reprezintă un avantaj deoarece Cd are o toxicitate mai ridicată. [7,28]

Avantajul lor cel mai important este capacitatea de a furniza curenți mari pe o durată de timp mare fără ca tensiunea să scadă și numărul mare de cicluri de încărcare-descărcare pe care aceste baterii le oferă.

Dezavantajul ar fi faptul că nu trebuiesc descărcate de maximum pentru că durata lor de viață scade semnificativ. Din punct de vedere al costurilor nu sunt cea mai bună alegere mai ales datorită faptului că nichelul este un material încă scump și nu oferă șanse prea mari unei ieftiniri în viitorul apropiat. [17]

Metoda de încărcare neadecvată și întreținerea necorespunzătoare a unui acumulator sunt de cele mai multe ori cauzele defectării acumulatorilor de tipul NiCd și NiMH.

Dacă acumulatorii NiCd și NiMH sunt reîncărcați în mod repetat înainte de descărcarea acestora până la valoarea de 0,9 – 1 V/celulă, oxihidroxidul de nichel trec printr-un proces de recristalizare necontrolată, astfel încât au loc constituirea unor straturi compacte, macrocristaline de oxihidroxid de nichel, ce îngreunează procesele de difuzie și conduce la creșterea rezistenței interne. [27]

4.2.5 Sodiu – Sulf (NaS – sodium sulphur)

La acumulatoarele cu NaS anodul este Na, catodul este S, iar electrolitul este beta alumină (βAl2O3) ceramică un conductor solid de ioni Na+. [21]

Caracteristicile fundamentale teoretice sunt:

tensiunea unei celule este de: 2V;

densitatea de energie: masică 100 Wh/kg și cea volumică 150 Wh/l;

putere specifică: 200 W/kg;

nr. de cicluri încărcare-descărcare: 700;

timp de reîncărcare: 8h [7]

Pentru a obține o conductivitate suficientă a electrolitului solid este necesară o temperatură ridicată (uzual: 330oC). Funcționarea la o astfel de temperatură necesită o izolare termică compactă și eficientă, precum și un management termic adecvat. [21]

Perspectiva obținerii unor densități foarte mari de energie a făcut ca cercetările privind aceste acumulatoare să fie foarte intense, încă din 1964. Sunt de reținut rezultatele obținute după 1990 în Germania de către o companie productoare de vehicule electrice, care făceau baterii multicelulare de acumulatoare cu NaS la prețuri comparabile cu ale bateriilor cu NiCd. [21]

Avantajele determinate al acumulatoarelor cu NaS sunt acelea că posedă densități mari ale energiei, atât masice cât și volumice, ceea ce este foarte atractiv, întrucât conduce la greutăți și volume scăzute, și nu necesită întreținere.

Dezavantajele mari ar fi că aceste baterii funcționează numai la temperatură ridicată necesitând un management termic și au un număr relativ scăzut de cicluri de încărcare-descărcare.

În tabelul 4.1 sunt prezentate principalele caracteristici ale acumulatoarelor avute în vedere pentru tracțiunea unei biciclete electrice.

Tabelul 4.1

.

Bateriile electrice au o serie de mărimi caracteristice comune asociate procesului de încărcare cât și de descărcare. Acestea sunt:

Tensiunea electromotoare, sau forța electromotoare a celulei reprezintă lucrul total efectuat de câmpul electric pentru a transporta unitatea de sarcină electrică pe întregul circuit.

Rezistența internă Ri, a unei pile reprezintă opoziția la trecerea curentului prin acea pilă. Aceasta depinde atât de rezistențele ionice ale electroliților, cât și de rezistențele electronice ale electrozilor, contactelor etc.

Capacitatea de descărcare, Qd și capacitatea de încărcare, Qî a pilelor reprezintă cantitatea de electricitate furnizată, în condiții date de funcționare. La curent constant de descărcare sau încărcare, acestea vor fi egale cu produsul dintre intensitatea curentului, I, și durata procesului de încărcare sau descărcare.

Coeficientul de autodescărcare, C, exprimă pierderile de capacitate ale surselor chimice de curent în circuit deschis, atunci când pila este depozitată sau neutilizată.

Energia de descărcare (Wd) și energia de încărcare (Wî) a pilelor reprezintă cantitatea de energie absorbită la încărcare sau furnizată la descărcare. Aceste valori se deduc din valorile tensiunilor de încărcare, respectiv descărcare, a intensității curentului, I, și a duratei procesului de încărcare, descărcare.

Rata de descărcare, face referire la curentul livrat de baterie, dacă se va extrage un curent mare este posibil ca bateriile să se descarce mai repede decât este specificat în datele tehnice din catalog.

Densitatea de energie (Wh/kg), este capacitatea de energie pe care o livrează bateria în funcție de greutatea sa.

Criterii de alegere a bateriilor:

Puterea bateriei este primul indicator al performanței acesteia și se măsoară în wați. Puterea reprezintă cantitatea de energie electrică pe care o baterie o furnizează.

Timpul de încărcare este timpul necesat pentru a reîncărca o baterie. Acest timp poate varia în funcție de tipul de încărcător utilizat.

Energia stocată se măsoară în wați-oră. Mai multă energie stocată înseamnă o autonomie mai mare pentru bicicleta electrică. O baterie de 1 kWh ar putea genera energie necesară alimentării unui motor de 1000 W timp de o oră.

Durata de viață reprezintă capacitatea bateriei de a suporta cât mai multe cicluri de încărcare/descărcare fără a pierde capacitatea de a stoca energia și se măsoară în cicluri de încărcare.

Concluzii:

Principalul scop al unei baterii electrice este de a stoca cât mai multă energie pentru a putea alimenta motorul cât mai mult și ca acesta să poată funcționa o perioadă de timp cât mai mare.

Cel mai solicitat proces pentru o baterie este descărcarea și încărcarea, de aceea bateriile trebuie să reziste cât mai mult timp acestui proces fără să își piardă capacitatea de stocare.

Soluțiile la aceste scopuri va depinde în mare parte de tehnologia și materialele utilizate la fabricarea bateriei. Cea mai utilizată tehnologie de astăzi este bateria de litiu.

Aceste baterii pot stoca între 80 și 200 W/km de baterie. Prin această capacitate de stocare se înțelege că se poate parcurge o distanță de aproximativ 25 km cu o baterie de la 2,5 la 6 kg.

Unele acumulatoare Li-Ion pot suporta până la 2000 de cicluri încărcare/descărcar, funcționează până la 10 ani păstrând peste 80% capacitatea de stocare.

S-a aproximat că după un număr de 2000 de cicluri bateriile Li-Ion pierd mai mult de 20% din capacitatea de stocare.

Figura 4.6. Energia specifică și puterea specifică a bateriilor reîncărcabile