Перспективы разработки никель-металлогидридной батареи для электромобиля с энергоустановкой на топливных элементах

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2008. Т. 8, №3. С.168-173

УДК 541.136

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛОГИДРИДНОЙ БАТАРЕИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ С ЭНЕРГОУСТАНОВКОЙ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

А. С. Стихин, В. И. Тесля, А. П. Цедилкин, А. С. Швецов

Уральский электрохимический комбинат, Новоуральск, Россия

Поступила в редакцию 19.08.2008 г.

Для разрабатываемого на Уральский электрохимический комбинат (УЭХК) совместно с АвтоВАЗом электромобиля с энергоустановкой на топливных элементах в качестве буферной или вспомогательной требуется аккумуляторная батарея напряжением 350—400 В. Для этих целей наибольший интерес представляет разработка батареи фильтрпрессной конструкции на основе никель-металлгидридной системы. Последовательная сборка элементов в едином корпусе, контактирующих между собой через разделительные металлические пластины, при изготовлении высоковольтной батареи позволяет существенно снизить массогабаритные характеристики в сравнении с батареями, в которых элементы расположены в индивидуальных корпусах.

В работе проведен анализ режимов работы электродной группы и расчет проектных характеристик полноформатной никель-металлгидридной батареи фильтрпрессной конструкции.

A 350—400 V storage battery is necessary as a buffer or auxiliary battery for electrically driven car with fuel cell power plant developed at UEIP together with «AvtoVAZ». With this aim in view, the development of batteries with filter-press configuration based on nickel metal hydride system is of great interest. Sequential assembly of cells that are in contact through separating metal plates in one casing permits to reduce the mass and dimensions characteristics during high-voltage battery manufacturing to a considerable extent in comparison with the batteries where cells are positioned in separate casings.

The analysis of electrode group operating modes and design characteristics calculation of full-size nickel metal hydride battery with filter-press configuration was performed.

ВВЕДЕНИЕ

В связи с ухудшением экологической обстановки многими фирмами вкладываются значительные средства в разработку электромобиля с энергоустановкой на топливных элементах, генерирующих электрический ток при электрохимическом взаимодействии водорода с кислородом. Как правило, кислород поступает на реакцию из воздуха, водород запасается в сжатом или сжиженном состоянии, а также в виде так называемых гидридов металлов. Рассматриваются варианты его получения из углеводородного топлива прямо на борту электромобиля с помощью конвертора. В этом случае эффективность энергоустановки в целом несколько снижается, но зато сохраняется отлаженная инфраструктура топливозаправочного хозяйства. При этом КПД энергоустановки остается на достаточно высоком уровне — около 50%.

Вместе с тем электромобиль с питанием от топливных элементов не лишен общего недостатка — высокой массы тяговых электродвигателей транспортных средств, рассчитанных как на максимальные мощность и крутящий момент, так и на максимальную частоту вращения. При этом добавляются и специфические недостатки, характерные для топливных элементов: во-первых, отсутствие возможности рекуперации энергии при торможении автомобиля, так как топливные элементы не являются аккумуляторами, то есть они не могут заряжаться электроэнергией, а во-вторых, низкая удельная мощность топливных

элементов. При огромной удельной энергии топливных элементов (порядка 400—600 Вт-ч/кг), удельная мощность при экономичном разряде не превышает 60 Вт/кг. Поэтому реальные мощности для автомобилей могут быть достигнуты при сравнительно высокой массе топливных элементов.

Одним из способов снижения массы топливных элементов является использование в качестве промежуточного источника энергии аккумуляторной батареи, обладающей высокой удельной мощностью.

1. ТРЕБОВАНИЯ К АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

В качестве основных характеристик, предъявляемых к аккумуляторной батарее для использования в электромобиле, необходимо указать следующие [1]:

• высокая удельная мощность и КПД при заряде для увеличения приемистости и улучшения регенерации энергии при снижении скорости электромобиля;

• высокая надежность, обеспечивающая работоспособность при эксплуатации в условиях обычных для автомобиля с бензиновым двигателем;

• высокая плотность энергии, которая позволяет уменьшить массу автомобиля и увеличить расстояние пробега на одной зарядке;

• возможность эксплуатации электромобиля в широком диапазоне температур;

© А. С. СТИХИН, В. И. ТЕСЛЯ, А. П. ЦЕДИЛКИН, А. С. ШВЕЦОВ, 2008

• длительный срок службы батареи как составной части энергоустановки, определяющий ресурс электромобиля.

Рассмотрим следующие типы аккумуляторов, которые могут быть использованы в качестве источников энергии в электрических и гибридных транспортных средствах. К ним относятся никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлгидридные (NiMH), а также литий-ионные (Li-ИА) и полимерные литий-ионные аккумуляторы (nLi-ИА). Основные характеристики этих аккумуляторов приведены в табл. 1.

Выбор типа аккумуляторной батареи в основном определяется ее функциональным назначением и условиями эксплуатации в транспортном цикле. Функциональное назначение батареи в достаточной степени определено: она должна обеспечивать запуск энергоустановки электромобиля, в том числе при отрицательных температурах окружающей среды, эффективную рекуперацию энергии при торможении электромобиля и способствовать улучшению его приемистости. Условия же эксплуатации батареи существенным образом зависят от конкретной конструкции энергоустановки в целом, графика нагрузки в транспортном цикле и выбранного алгоритма ее распределения между батареей топливных элементов (БТЭ) и аккумуляторной батареей (АБ). В работе [3] приведены диаграммы нагрузок, полученные при моделировании транспортных циклов для движения электромобиля на топливных элементах со свинцовой аккумуляторной батареей в городском цикле (FUDS-цикл) и на автомагистрали (HWFET-цикл). В рассмотренной энергоустановке емкость аккумуляторной батареи составляет 42 А-ч, номинальное напряжение 336 В. Из приведенных данных следует, что режим работы АБ описывается сложной комбинированной диаграммой заряда/разряда в результате большой разрядной мощности при ускорении (до 60 кВт) и в результате регенерации мощности (до 40 кВт) при снижении скорости электромобиля. Основные характеристики условий эксплуатации АБ приведены в табл.2.

Исходя из данных, представленных в табл. 1 и 2, можно уже на основании полуколичественного анализа провести обоснование выбора типа аккумуляторной батареи для электромобиля на топливных элементах.

2. ВЫБОР ТИПА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Из данных, приведенных табл. 1, видно, что литий-ионные аккумуляторы (Ы-ИА, ПЫ-ИА) имеют наилучшие удельные энергетические характеристики, а также самое высокое рабочее напряжение, что особенно важно в высоковольтной сборке. Это объективно предопределяет приоритетную перспективность их развития и оправдывает высокую интенсивность научно-исследовательских и технологических работ, направленных на всестороннее изучение и совершенствование этой электрохимической системы. Однако на современном этапе развития химических источников тока Ы-ИА имеют сравнительно низкие мощностные характеристики на единицу объема изделия. Кроме того, они практически не обладают устойчивостью к перезаряду, что может затруднить эффективность их применения для рекуперации энергии торможения электромобиля.

Вместе с тем №-МН аккумуляторы, уступая Ы-ИА по удельным энергетическим характеристикам, могут быть вполне конкурентоспособными с ними на данном этапе разработки электромобиля в целом. Это обусловлено тем, что №-МН аккумуляторы уже сейчас обладают необходимыми эксплуатационными возможностями (число рабочих циклов, допустимые токи нагрузки, величина внутреннего сопротивления, срок службы), которые делают их пригодными для применения на транспортных средствах. Не случайно для прохождения эксплуатационных испытаний нового поколения аккумуляторных батарей, мощных и энергоемких, оснащены около 20 различных моделей электромобилей, где используется в основном никель-металлгидридная система.

Табл иц а 1

Сравнительные характеристики аккумуляторов [2]

Тип электрохимической системы Напряжение элемента, В Ток нагрузки, С Плотность энергии Рабочие температуры, °С Ресурс, кол-во циклов

Вт-ч/кг Вт-ч/л

Ni-Cd 1,25 > 2 40—б0 150 -40... +60 1500

Ni-MH 1,25 (0,5—1,0) б0—80 190 -20... +60 700

Li-ИА 3,б < 1 100—150 250 -20... +60 1000

nLi-ИА 2,7 0,2 150—200 370 Нет данных 150

Таблица 2

Условия эксплуатации аккумуляторной батареи в электромобиле на топливных элементах

Наименование характеристики, параметр Численное значение

РИББ-цикл HWFET-цикл

Изменение степени заряженности от 60 до 80% от 40 до 55%

Среднее значение тока разряда 1С 1.8С

Среднее значение тока заряда 2.7С 1.3С

Максимальное пиковое значение импульса мощности на разряд

Максимальное пиковое значение импульса мощности на рекуперацию

Длительность работы электродвигателя от АБ 70% 40%

Рассмотрим подробнее возможность применения батареи никель-металлгидридных аккумуляторов (БНМГА) в условиях эксплуатации на электромобиле (см. табл. 2). Глубина заряда/разряда от 80 до 40% близка к оптимальной для обеспечения длительного ресурса с учетом того обстоятельства, что №-МН система, в отличие от №-Сё, практически не обладает эффектом памяти. Допустимое среднее значение тока разряда для БНМГА составляет (3—5)С. Допустимое среднее значение тока заряда ограничивается, как правило, уровнем 1 С. Однако при эксплуатации батареи в единой энергоустановке с топливными элементами этот уровень может быть существенно повышен при объединении газовой полости БНМГА с водородной полостью БТЭ с помощью системы клапанов. В этом случае, подобрав оптимальный уровень давления водорода в газовой полости БНМГА (3—4 атм.), вопреки общепринятой концепции организации замкнутого кислородного цикла, при перезаряде аккумулятора можно обеспечить водородный цикл, а именно выделение его на перезаряжаемых металлгидридных электродах и одновременное окисление его на анодах топливных элементов с экономией основного топлива. Конечно, при этом необходимо организовать дозаправку батареи водой. Для обеспечения буферных режимов работы на пиковых нагрузках не исключена возможность применения мощных конденсаторов, объединенных конструктивно с никель-металлгидридной батареей. Это позволит продлить срок службы батареи за счет выбора более оптимальных режимов ее работы.

Возможность работы БНМГА в режиме Б8Т120/5/1996 (испытания на динамические нагрузки), имитирующем картину пробега при городском движении транспорта, подтверждена результатами, полученными авторами [1].

Таким образом, проведенный анализ показывает, что в настоящее время более целесообразным является оснащение энергоустановки электромобиля на топливных элементах батареей никель-металлгидридных аккумуляторов.

3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ БНМГА НА УЭХК

Достигнутый уровень решения основных задач по разработке высокомощных батарей из никель-металлгидридных аккумуляторов на УЭХК характеризуется следующим образом. Во-первых, накоплен большой опыт работы с различными сплавами-накопителями водорода как отечественного производства (Москва, Екатеринбург, Глазов), так и нескольких зарубежных фирм (США, Китай), а также созданы основы технологии их подготовки для использования в составе цилиндрических аккумуляторов НЯ 15/51 (АА). Во-вторых, разработаны основы технологии изготовления пастированных оксидно-никелевых и металлгидридных электродов, характеристики которых приведены в табл. 3.

Таблица 3

Характеристики электродов УЭХК для никель-металлгидридных аккумуляторов

Наименование характеристики Численное значение

Оксидноникелевый электрод Металлогидридный электрод

Емкость на единицу объема, А-ч/см3 0.55-0,58 1.2—1.3

Емкость на единицу массы электрода, А-ч/г 0,17-0,18 0.19-0.20

Кроме того, проведен ряд разработок и изготовление батарей фильтрпрессной конструкции, в том числе с биполярной компоновкой блоков электродов,

отвечающих лучшим удельным объемным характеристикам для высоковольтных сборок [4,5], которые реализованы в электрохимическом генераторе на топливных элементах «Фотон» и в никель-водородной аккумуляторной батарее для спутника связи «Ямал».

При проектировании и изготовлении энергоустановки для электромобиля на различных этапах неизбежно будут возникать задачи по оптимизации распределения энергетических и мощностных ресурсов между топливными элементами и аккумуляторной батареей, корректироваться требования к характеристикам этих изделий, уточняться условия эксплуатации.

В работе [6] приведены результаты испытаний макета никель-металлгидридной батареи с биполярными электродами и общим газовым коллектором. Пастированные (намазные) оксидно-никелевые электроды (ОНЭ) толщиной 0.75 мм и металлгидридные электроды (МГЭ) толщиной 0.55 мм из сплава накопителя водорода системы АВ5 изготовлены с использованием пеноникеля толщиной 1.3—1.6 мм.

Проведенные испытания показали возможность работы никель-металлгидридной системы в составе батареи фильтрпрессной конструкции, макет батареи на протяжении 150 циклов обладал емкостью, близкой к расчетной. Вместе с тем в процессе испытаний выяснилось, что при повышенных нагрузках емкость макета существенно снижается, так, например, при разряде током 2 А, что соответствует нагрузке ~ 1 С, и снижении напряжения на элементах до 0.8 В емкость составила 1.13 А-ч (рис. 1). Емкость отрицательных электродов в аккумуляторах превышает емкость положительных электродов, однако на приведенном рисунке видно, что на разрядной кривой отсутствует участок резкого снижения напряжения в конце разряда, характерного для работы положительных электродов при исчерпании своего заряда. К снижению разрядных характеристик макета, по-видимому, приводят ограничения, связанные с разрядом отрицательных электродов.

Емкость, А-ч

Рис. 1. Изменение среднего напряжения на элементах под нагрузкой током 2 А

В работе [7] представлены результаты математического моделирования распределения электрохимических процессов для данного вида электродов, использованных при изготовлении макета батареи. На рис.2 приведены зависимости распределения интенсивности токообразующих процессов по толщине электродов. Видно, что токообразование в ОНЭ распределено достаточно равномерно.

Толщина, мм

Рис. 2. Распределение интенсивности токообразования по толщине

электродов: 1 — МГЭ, 2 — ОНЭ

Иная ситуация имеет место в металлгидридном электроде. Расчеты показали, что в половине объема электрода, граничащего с фронтальной поверхностью, формируется основная часть тока нагрузки о, равная 85%. Следовательно, другая половина электрода, более удаленная от фронтальной поверхности, прорабатывается только на 15%.

Таким образом, в выбранной схеме испытания макета батареи с биполярными электродами коэффициент использования активного материала в отрицательных электродах оказался относительно низким. Поэтому в данном эксперименте не удалось реализовать потенциальные возможности электродов в полной мере.

Существенное снижение поляризационных потерь наступает в случае двухсторонней работы электродов. Как показали расчеты [7], сопротивление металлгидридного электрода снижается в два раза при реализации двухстороннего режима работы, при этом повышается равномерность распределения то-кообразования по толщине электрода (рис. 3), (МГЭ-2), в этом случае показатель о составляет 66%.

батареи электроды работают в одностороннем режиме, это приводит к повышению поляризационных потерь и определяет необходимость проведения оптимизации параметров и конструкции сборки электродной группы.

В табл.4 приведены результаты испытаний элементов с разным числом электродов в группе [7]. В экспериментах использовались электроды с размерами 50x26 мм, толщина ОНЭ — 0.54 мм, МГЭ — 0.31 мм. Толщина сепаратора (полипропилен) —

0.22 мм.

Испытания показали, что с увеличением количества электродов в группе удельные характеристики улучшаются. В группах с числом электродов 3-4 и 4-

4 (число МГЭ — число ОНЭ) сопротивление элементов, приведенное на единицу емкости, снижается до 69 мОм-А-ч, разрядная емкость при нагрузке током 1 С составляет 75—77% от номинальной емкости (табл. 4).

Улучшение разрядных характеристик с увеличением числа электродов в группе при одном и том же режиме разряда, например, при токе 1 С, связано, прежде всего, с уменьшением плотности тока. Плотность тока при данной нагрузке, приходящаяся на рабочие поверхности электродов, в группе 4-4 с числом электродов составляет 19 мА/см2, а при одностороннем режиме работы в группе 1-1 существенно выше — 31 мА/см2. Эффективность работы повышается за счет снижения поляризационных потерь и более равномерного распределения токообразова-ния по толщине электродов.

Таблица 4

Результаты испытаний элементов с разным числом электродов

Группа Сопротив-ление, R, мОм Ток разряда, мА Разрядная емкость, Ср, А-ч Ср^ мОм- А-ч Ср/Сн, %

4-4 40 300 1.72 69 75

50 1700 1.27

3-3 81 250 1.25 81 66

84 1250 0.83

2-2 130 170 0.85 110 55

133 850 0.47

1-1 200 80 0.46 92 48

— 400 0.22

1-2 170 80 0.46 78 72

170 460 0.33

2-3 71 160 0.88 63 73

— 880 0.65

3-4 55 260 1.25 69 77

— 1250 0.90

Примечание. Значения параметров в данном режиме разряда выделены жирным шрифтом.

Толщина, мм

Рис. 3. Распределение интенсивности токообразования по толщине электродов (двухсторонний режим работы): 1 — МГЭ-А, 2 — МГЭ-

2

Для сравнения на рис.3 показан характер распределения токообразования в металлгидридном электроде, полученный при моделировании процессов в случае двухсторонней работы, реализуемого в цилиндрическом аккумуляторе (МГЭ-А). При толщине металлгидридного электрода 0.35 мм показатель о в цилиндрическом аккумуляторе составил 57%.

Результаты расчетов и экспериментов позволяют заключить, что разрядный процесс в использованной электродной группе протекает с ограничениями, не позволяющими реализовать заложенные емкостные характеристики активных материалов. В макете

Результаты расчетов и экспериментов были использованы при разработке никель-металлгидридной аккумуляторной батареи для портативных радиостанций [8] с напряжением 7.2 В и емкостью 2.2 А-ч. Батарея собрана из 6 плоских аккумуляторов, каждый из которых помещен в индивидуальный герметичный корпус. Электродный блок состоит из 5-ти отрицательных и 4-х положительных электродов на основе пеноникеля. Как показали результаты испытаний, выбранные условия работы электродов в группе обеспечивают сравнительно высокие разрядные характеристики при повышенных нагрузках и отрицательных температурах. Удельная энергоемкость батареи составляет не менее 200 Вт-ч/л.

В заключение проведем оценку удельных характеристик полноформатной никель-металлгидридной батареи емкостью 10 А-ч для электромобиля. С учетом результатов испытаний (см. табл. 4) для проектирования высоковольтной батареи введено ограничение величины плотности тока при двухсторонней работе электродов в режиме разряда 1 С, не превышающей 20 мА/см2. Площадь одного электрода

Sэ в батарее фильтрпрессной конструкции составляет 45.7 см2. Для обеспечения заданной плотности тока общая площадь электродов одного знака в каждом аккумуляторе должна составлять не менее 250 см2 . В аккумуляторе с равным числом

положительных и отрицательных электродов необходимое количество электродов одного знака не менее

6 шт. (п = 457 = 5.5).

С использованием удельных емкостных характеристик (см. табл. 3) расчетная емкость положительных электродов 10 А-ч достигается при использовании электродов толщиной 0.57 мм с общим числом электродов в группе, равном 7. При толщине 0.34 мм реализуется запас емкости отрицательных электродов, равный 30%, необходимый для обеспечения ресурса аккумуляторов. Фактическая плотность тока на фронтальных поверхностях электродов при нагрузке 10 А (в режиме разряда током 1 С) со ставит 17 мА/см2.

Из величины общего напряжения батареи, равного 400 В, и напряжения одного аккумулятора при

заряде 1.5 В следует количество аккумуляторов в последовательной сборке: N = 267. Расчетные удельные энергетические характеристики батареи составляют 74 Вт-ч/кг и 224 Вт-ч/л. Масса батареи оценивается величиной 45 кг.

ВЫВОДЫ

1. На основе анализа литературных данных сформулированы основные требования к аккумуляторной батарее для электромобиля на топливных элементах.

2. Показано, что никель-металлгидридная система является перспективной при проектировании и изготовлении опытных образцов высоковольтных аккумуляторных батарей для использования на автотранспорте.

3. Проведен анализ режимов работы электродной группы и расчет проектных характеристик полноформатной никель-металлгидридной батареи фильтрпрессной конструкции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Kitaoka K., Fujwara T., Oda T., Reizo Maeda. // Large-sized Nickel-Metal Hydride Battery of Electric Vehicle San’yo denki giho = Sanyo Tech. Rev. 1999. Vol. 31. P. 69-74.

2. Scrosati B. // J. Electrochem. Soc. 1992. Vol. 139, № 10. P. 2777-2781.

3. Patton D., Lator J. et al. // Design and Development of the 2000 Virginia Tech Fuel Cell Hybrid Electric Future Truck. 2000 Future Truck Challenge. 2000. P. 1—17.

4. Голин Ю. Л., Кондратьев Д. Г., Матренин В. И., Овчинников А. Г, Поспелов Б. С., Постников В. Н., Соловьев Г. С., Стихин А. С., Тихонов В. Н. // Теория и практика электрохимических процессов. Вестник УГТУ-УПИ №14(44)(сер. хим.). Екатеринбург, 2004. С. 45—52.

5. Баженов М. Д., Железняков А. Г., Кондратьев Д. Г., Матренин В. И., Никитин В. А., Соколов Б. А., Стихин А. С. // Изв. РАН. Энергетика. 2003. №5. С. 21—37.

6. Стихин А. С., Тесля В. И., Матренин В. И., Цедилкин А. П., Швецов А. С., Громов В. В. // Электрохим. энергетика. 2007. Т.7, №3. С. 132—137.

7. Швецов А. С., Зарубин А. Н., Тесля В. И. // Электрохим. энергетика. 2007. Т.7, №2. С. 84—93

8. Тесля В. И., Цедилкин А. П., Швецов А. С., Тренин Д. С. // Электрохим. энергетика. 2006. Т.6, №2. С. 61—65.