W niniejszym opracowaniu przedstawiono rozwój technologii baterii litowo-tytanowej oraz możliwości jej zastosowania w budowie nowoczesnych, zintegrowanych modułów bateryjnych w aplikacjach zasobników energii w systemach trakcyjnych. Technologia LTO pozwala na ładowanie i rozładowanie bardzo wysokimi wartościami prądu (5C i wyżej). Pomimo tak wysokich prądów pracy, budowane zestawy baterii trakcyjnych, posiadające zoptymalizowany wysokowydajny system chłodzenia, pozwalają zachować bardzo długą żywotność oraz liczbę cykli. Dzięki tym unikalnym cechom pojazdy z bateriami LTO mogą pracować w trybie szybkiego doładowywana krótkimi cyklami podczas końcowego postoju lub ultrakrótkimi cyklami na każdym indywidualnym przystanku. Dysponując tego typu rozwiązaniem pojazdy mogą posiadać baterie o mniejszej pojemności, co zdecydowanie wpływa na ich wagę oraz umożliwia zwiększenie maksymalnej liczby pasażerów.

WSTĘP

Wprowadzenie do miast autobusów elektrycznych [1] wymusza na operatorach transportu zbiorowego poszukiwania różnych sposobów ładowania zasobników energii. W dużych aglomeracjach miejskich coraz częściej szybkie ładowanie staje się koniecznością. Możliwość szybkiego naładowania autobusu w kilka, a co najwyżej w kilkanaście minut pozwalałoby na pracę takiego pojazdu przez cały dzień. Wykorzystanie przerw w pracy kierowcy na przystankach końcowych do uzupełniania energii pozwoliłoby na stosowanie mniejszych i lżejszych baterii trakcyjnych co bezpośrednio wpływa na zabranie na pokład pojazdu większej liczby pasażerów [2]. Oczekiwania szybkiego ładowania autobusowych magazynów energii, wypływające od operatorów komunikacji miejskiej, są spełnione w przypadku użycia technologii LTO (Litium Titanium Oxide). Dzięki unikalnym cechom technologii LTO autobusy i inne pojazdy elektryczne mogą pracować całą dobę ze stałą wydajnością, doładowując się na stacjach końcowych lub na przystankach, zachowując żywotność przez okres 10-12 lat [5,8]. Równocześnie zapewnione jest wykonanie ponad 15000 cykli ładowania / rozładowania. Dzięki temu elektryczny autobus może stać się funkcjonalnie pełnowartościowym  zamiennikiem pojazdu z silnikiem Diesla. Rozwiązanie to  dodatkowo zmniejsza emisję zanieczyszczeń oraz znacznie ogranicza poziomu hałasu.

Niestety technologia LTO posiada również swoje ograniczenia.  Jednym z nich jest ograniczenie wydajności oraz żywotności ogniw w temperaturze powyżej 35ºC. Ładowanie i rozładowanie zasobnika energii mocami rzędu do 500kW [5,9], powoduje wydzielanie się dużej ilości ciepła i wymaga zastosowania zintegrowanego systemu chłodzenia [4,5]. Odprowadzenie ciepła z baterii i utrzymanie niskiej temperatury pracy zapewni żywotność systemu na poziomie powyżej 10 lat.

TECHNOLOGIE LITOWO – JONOWE

Baterie litowo jonowe są stosowane od wielu lat w aplikacjach wymagających dużej liczby cykli ładowania i rozładowania, niewielkiej masy, pewności działania i długich czasów życia w szerokim zakresie temperatury. Stale wzrasta zainteresowanie nowymi technologiami produkowanych magazynów energii, a granice możliwych zastosowań przesuwają się w kierunku coraz bardziej wymagających warunków pracy [3]. W szczególności jest to widoczne w zakresie pracy z prądami ładowania i rozładowania powyżej 3C (prąd trzykrotnie większy od prądu nominalnego).

Aktualnie na rynku używane są 4 technologie do budowy zasobników energii – trzy technologie ogniw litowo-jonowych i jedna superkondensatorowa. Technologie ogniw litowo-jonowych różnią się między sobą przede wszystkim rodzajem materiałów użytych do wyprodukowania katody i anody. Tabela 1 oraz rysunek 1 prezentują podsumowanie podstawowych parametrów technologii litowo-jonowych oraz superkondensatorów, na podstawie których projektanci systemów magazynowania energii projektują rozwiązania zasobników energii dedykowanych do konkretnej aplikacji. Dla wybranych technologii wykonania ogniw w tabeli 1 przedstawiono typowe wartości parametrów takich jak: UN – nominalne napięcie pracy ogniwa, UDOP – zakres dopuszczalnych napięć pracy ogniwa, e – gęstość energii zgromadzonej w jednym kilogramie ogniw oraz CL – nominalna liczba cykli ładowania i rozładowania (Life cycles).

Tab. 1. Podsumowanie technologii litowych wraz z superkondensatorem pod względem budowy zasobników energii [5] 

Na podstawie danych zawartych w tabeli 1 można wnioskować, że technologia litowo-tytanowa jest odpowiedzią technologiczną ze strony naukowców i producentów na wymagania rynku. Kluczową różnicą pomiędzy dotychczasowymi rozwiązaniami baterii litowo-jonowych jest wykorzystanie na powierzchni anody nanokryształów litowo-tytanowych LiTi5O12. Zastąpiono w ten sposób stosowany do tej pory grafit. Dzięki zastosowaniu technologii nano powierzchnia czynna anody jest około 30 razy większa od dotychczasowej standardowej anody [4].

 


Rys. 1
. Wielowymiarowe porównanie parametrów technologii litowojonowych i superkondensatorów


Rys. 2.
Procentowy udział pierwiastków w LiTi5O12 na wykresie kołowym [7]

Dzięki takiemu rozwiązaniu technologicznemu ogniwa LTO charakteryzują się następującymi cechami [4,5]:

  • wysoki prąd ładowania – typowo 5C (pięciokrotny prąd nominalny) lub więcej przy zastosowaniu optymalnego system chłodzenia,
  • wysoki prąd rozładowania – praktycznie taki sam jak prądu ładowania,
  • bardzo duża liczba cykli – ponad 14 000 pełnych cykli bez wpływu na starzenie się ogniwa,
  • bardzo dobre zachowanie się w ujemnych temperaturach,
  • brak wpływów wysokich prądów ładowania i rozładowania na żywotność ogniwa.

Nominalne napięcie ogniwa LTO 2,4V jest niższe od standardowych ogniw wykonanych w technologii NMC i LFP oraz gęstość energii jest niższa – dzisiaj na poziomie 90 kWh/kg. Ponadto ogniwa te charakteryzują się wysokim wpływem podwyższonej temperatury na żywotność i wydajność ogniw [3].

Magazyn energii napędzający pojazd musi posiadać wysokie napięcie i dużą pojemność, co wymaga projektowania bloków bateryjnych złożonych z wielu ogniw połączonych szeregowo oraz równoległe, zdolnych do przenoszenia bardzo dużych prądów. Dodatkowo uwarunkowania mechaniczne, temperaturowe i środowiskowe determinują do zastosowania adekwatnego do potrzeb sposobu łączenia pojedynczych ogniw. Z wyżej wymienionych powodów produkcja modułów LTO opiera się na technologii automatycznego spawania laserowego [5], które zapewnia bardzo wysoka jakość i stabilność w czasie, zapewniając minimalną rezystancję połączeń. Dzięki temu minimalizowane są straty termiczne na połączeniach podczas pracy z wysokimi prądami ładowania/rozładowania. Przykładowe urządzenie do laserowego łączenia ogniw LTO przedstawia rysunek 4.


Rys. 4.
Technika laserowego zgrzewania modułów LTO w firmie ISPT S.A.

MODUŁOWOŚĆ ROZWIĄZANIA.

Istnieje kilka powodów dla, których kompletna bateria trakcyjna dla pojazdu elektrycznego jest zbudowana z małych modułów o jednakowych parametrach elektrycznych i mechanicznych [5]:

  • nie istnieją światowe, europejskie i krajowe standardowe specyfikacje parametrów mechanicznych i elektrycznych dla autobusów elektrycznych [1],
  • waga całej baterii to ciężar rzędu kilkuset kilogramów, a nawet kilku ton i objętość rzędu do kilku metrów sześciennych,
  • całkowicie indywidualne podejście producentów autobusów do miejsca montażu trakcyjnych magazynów energii oraz jego integracja z układem napędowym i innymi urządzeniami pokładowymi pojazdu,
  • optymalizacja procesów produkcyjnych i testowych podczas seryjnej produkcji zestawów bateryjnych.

Dlatego też w firmie ICPT S.A. został opracowany moduł podstawowy o pojemności 1,1kWh oraz 1.27kWh składający się z 24 ogniw o kilku możliwościach połączeń konfiguracyjnych: 24S1P, 12S2P, 8S3S i 6S4P z własnym lokalnym i niezależnym układem zarządzania energią BMS oraz systemem chłodzenia (rys. 5). Moduły mogą być łączone szeregowo aby otrzymać żądane napięcie systemowe. Tak utworzone łańcuchy mogą być łączone równolegle w celu zwiększenia pojemności. Daje to możliwość zwiększenia zasięgu nosiąganego przez autobus

Rys. 5. Widok podstawowego modułu LTO w konfiguracji 12S2P z układem BMS [5]

Pojedynczy moduł jest stosunkowo lekki (waga ok 16kg) o wymiarach 355mm x 269mm x 121mm. Pozwala to na łatwy montaż podczas produkcji oraz prostą wymianę podczas serwisowania autobusu elektrycznego. Dużą zaletą tego rozwiązania jest elastyczność podczas budowy całego systemu bateryjnego, gdyż tak mały moduł pozwala na budowę systemu magazynowania energii w każdym możliwym miejscu i o praktyczne dowolnym kształcie.

Rys. 6. Przykład płaskiego pakietu bateryjnego w technologii LTO firmy ICPT S.A. montowanego na dachu autobusu [5].

NIEZALEŻNOŚĆ MODUŁÓW

W celu zapewnienia pełnego bezpieczeństwa użytkownikom pojazdu, a przede wszystkim pasażerom, przy jednoczesnym zapewnieniu całkowitej integracji mechanicznej i elektrycznej z pozostałymi elementami autobusu, pojedyncze moduły podstawowe LTO są umieszczane w większych obudowach tworząc w pełni autonomiczne pakiety bateryjne o pełnym napięciu systemowym (rys. 6). Kilka takich pakietów rozmieszczonych zgodnie z wymaganiami konkretnego producenta jest połączonych równolegle tworząc większy kompletny system zasilania bateryjnego. Przykładowa konfiguracja magazynu energii jest przedstawiona na rys. 7.

Rys.7. Konfiguracja kompletnego układu zasilania bateryjnego LTO dla autobusu elektrycznego o pojemności 100kWh zbudowana z 4 niezależnych pakietów o pojemności 25kWh każdy [5].

ZARZĄDZANIE TERMICZNE

Ogniwa wykonane w technologii LTO są wrażliwe na pracę w podwyższonych temperaturach [4]. Permanentna praca tych baterii w temperaturach powyżej 30ºC może skrócić znacznie żywotność magazynu energii oraz całkowitą liczbę wykonanych cykli. Dla aplikacji pojazdów transportu zbiorowego został opracowany w firmie ICPT S.A. układ chłodzony cieczą w celu utrzymania ogniw w warunkach najbardziej korzystnych z temperaturowego punktu widzenia. Podstawowy moduł LTO ma trzy różne konfiguracje układu chłodzenia wody w zależności od wymaganych warunków środowiskowych oraz żądanych cyklów pracy [5].

Rys. 8. Moduł LTO firmy ICPT z wewnętrznymi wymiennikami ciepła przylegającymi bezpośrednio do powierzchni bocznych ogniw [5].

Wprowadzenie systemu chłodzenia powoduje wzrost wagi modułu, a co za tym idzie może spowodować zmniejszenie maksymalnej liczby pasażerów, którą można zabrać na pokład pojazdu. Dlatego na etapie projektowania zastosowano niestandardowe podejście do konstrukcji tego modułu, zakładając, że nie każdy system LTO ma pracować stale z prądami ładowania/ rozładowania powyżej 5C i nie zawsze w klimacie gorącym. Firma ICPT opracowała trzy rodziny modułów LTO o zmiennych opcjach indywidualnej metodologii chłodzenia. Pierwsza i najbardziej wydajna konstrukcja przeznaczona do pracy z prądami powyżej 5C posiada umieszczone cieczowe wymienniki ciepła bezpośrednio po obu stronach każdego indywidualnego ogniwa LTO. Pozwala to na bardzo precyzyjne sterowanie i zarządzanie temperaturę w obrębie modułu LTO.

Druga rodzina wykorzystuje dodatkowe aluminiowe radiatory umieszczone pomiędzy komórkami. Dzięki bardzo dobremu przewodnictwu ciepła radiatory przenoszą ciepło skumulowane w pojedynczych ogniwach do głównej płyty chłodzącej umieszczonej pod każdą warstwą modułów podstawowych. Konstrukcja ta jest przeznaczona do aplikacji pracujących w podwyższonych temperaturach [5].

Trzecia najlżejsza i najbardziej opłacalna konstrukcja jest oparta na zaawansowanej konstrukcji aluminiowej zapewniającej bezpośredni transfer ciepła do dolnej głównej płyty chłodzącej wyposażonej w układ zarządzania chłodziwem. To rozwiązanie pozwala na pracę z prądami ładowania / rozładowania 5C bez utraty żywotności pakietu.

Rys 9. Przykładowe charakterystyki z testów termicznych lekkiego modułu LTO firmy ICPT S.A. przy rozładowaniu prądem 5C oraz ładowaniu prądem 4C dla pracy cyklicznej [5].

PODSUMOWANIE

Opracowane w firmie ICPT S.A. rodziny modułów bateryjnych w technologii pozwalają na praktyczne i ogólnie dostępne szerokie wykorzystanie szybkiego i ultraszybkiego systemu ładowania baterii autobusów elektrycznych zrealizowanych w różnej konfiguracji. Dzięki temu elektryczne autobusy na bazie technologii LTO mogą bardzo szybko upowszechnić się w miejskim transporcie zbiorowym oferując nie tylko znane dotąd walory ekologiczne takie jak redukcja zanieczyszczeń i poziomu hałasu, ale dzięki unikalnym cechom szybkiego i intensywnego doładowania energią elektryczną pozwalają na jazdę autobusu przez cały dzień, bez długich przerw na ładowanie. Ponadto wysoka żywotność baterii LTO oraz duża liczba cykli ładowania i rozładowania powoduje, że autobusy elektryczne stają się coraz bardziej opłacalne niż autobusy napędzane silnikiem diesla. Technologia została opracowana z pomocą środków otrzymanych od KIC InnoEnergy.

BIBLIOGRAFIA
1. Plan rozwoju elektromobilności w Polsce, Ministerstwo Energii, wrzesień 2016.
2. Vilppo O., Markkula J., Feasibility of electric buses in public transport, EVS28, Kintex, South Korea 2015.
3. Burke, A., Marshall, M., Hengbing, Z., Fast charging tests (up to 6C) of lithium titanate cells and modules: electrical and thermal response, University of California-Davis Institute of Transportation Studies, Research Report UCDITS-RR-12-07, 2012.
4. Toshiba materiały firmowe oraz LTO datasheet, http://www.scib.jp/en/index.htm, 15.01.2016
5. Materiały firmowe, ICPT S.A.
6. Dongxiang Y., Languang L., Fachao J., Minggao O., Comparing the performances of different energy storage cells for hybrid electric vehicles, EVS28, Kintex, South Korea 2015.
7. http://www.webqc.org/molecular-weight-of-LiTi5O12.html
8. Ambrose H., Kendall A., Effects of battery chemistry and performance on the life cycle greenhouse gas intensity of electric mobility, Elseveir, Transportation Research Part D, 2016.
9. Gieu J.-B., Courreges C., El Ouatani L., Tessier C., Martinez H., Temperature effects on Li4Ti5O12 electrode/electrolyte interfaces at the first cycle: A X-ray Photoelectron Spectroscopy and Scanning Auger Microscopy study, Elseveir, Journal of Power Sources 318, 2016.

Ten serwis wykorzystuje pliki cookies. Jeśli nie zgadzasz się na korzystanie przez serwis z plików cookies, zmień ustawienia przeglądarki zgodnie z niniejszą Polityką cookies

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close