Návrh trakčních bateriích pro těžká a průmyslová vozidla

Jak vybrat trakční baterii do našeho připravovaného hybridního nebo elektrického vozidla? Jaká technologie bude nejvíce vyhovovat? Jak se vyznat v záplavě technologií a dodavatelů?

Dá se říci, že návrh elektrického nebo hybridního vozidla začíná i končí u baterie. Typ trakční baterie určuje rytmus fungování vozidla především kvůli rychlosti nabíjení a životnosti.

V poslední době se pro trakci používají především lithiové baterie. U nějakých aplikací se stále můžeme setkat s bateriemi na bázi olova a niklu. Jedná se ale spíše o historický drift u aplikací, které ještě nebyly aktualizovány a nevadí tam vysoká hmotnost.

Posunovací lokomotiva E 407.0 [1]

HISTORIE

Olověné a Ni-Cd akumulátory se začaly rozvíjet už v 19.st. a proto první pokusy s bateriovými vozidly byly právě s nimi. V komerčním provozu se využívaly například pro nákladní automobily nebo posunovací lokomotivy. V roce 1926 byla vyrobena bateriová posunovací lokomotiva E 407.0 firmou František Křižík a ČKD (elektrická část – elektro výzbroj) a firmou Breitfeld & Daněk (mechanická část – šasi, chassis). V době své výroby byla největší akumulátorovou lokomotivou na světě. 440 V s kapacitou 392 Ah (172 kWh) při hodinovém vybíjení, a kapacitou 630 Ah (277 kWh) při pětihodinovém vybíjení) [1].

Lithiové akumulátory se začaly rozvíjet v 80. letech 20. st. a nyní můžeme říci, že jsme v době jejich doposud největšího rozmachu.

BĚŽNÉ ELEKTRICKÉ A HYBRIDNÍ APLIKACE SOUČASNOSTI

  • Industriální vozítka požívaná ve skladech a výrobnách (AGV, AMR)

  • Těžká vozidla

    • Městská veřejná doprava (autobusy, trolejbusy, tramvaje)

    • Železniční doprava (vlaky, lokomotivy, nádražní posunovače)

    • Přístavní manipulační technika nákladních kontejnerů (RTG, Straddle carrier, AGV)

    • Letištní technika (GSE, Taxibot, manipulace zavazadel)

    • Nákladní vozidla a bagry

    • Vozidla technických služeb (popeláři, manipulační vozidla, multikáry)

  • Lodě (trajekty, remorkéry, jachty)

  • Těžební vozidla (vrtače, rypadla, haulery)

  • Hybridní vojenská vozidla s tichým pojezdem

  • Osobní automobily

NEJPOUŽÍVANĚJŠÍ DRUHY LITHIOVÝCH BATERIÍ PRO TRAKCI

[2]

HLAVNÍ PARAMETRY PRO VÝBĚR BATERIOVÉ TECHNOLOGIE

  • Požadovaná životnost

  • Předpokládaný počet cyklů za den/rok

  • Maximální únosná hmotnost

  • Požadovaný výkon (nabíjení/vybíjení) a napět

  • Požadovaný dojezd (km)

  • Uložení (uvnitř vozidla, na střeše vozidla)

  • Požadované IP (Ingress Protection – Stupeň krytí)

  • Okolní teplota provozu

  • TCO (total cost of ownership)

Pro návrh a vývoj bateriového systému je nezbytné, aby oslovená firma, která integruje bateriové systémy měla zkušenosti anebo plnou technickou podporu výrobce bateriových článků a modulů.

Do vývoje systému vstupují následující úkony:

  • Analýza životnosti na základě výkonové potřeby (zátěžový profil, load profile)

  • Termální analýza pro návrh chladícího systému a uložení článků/modulů v boxu

  • Návrh BMS na základě počtu článků v sérii a počtu paralelních větví v systému (nejčastější komunikace je CAN – SAE J1939)

  • Návrh bateriového boxu dle potřebných norem a homologací (např. R10, R100, ISO 26262, SIL 0 – 3)

 

HLAVNÍ PRINCIPY FUNGOVÁNÍ ELEKTRICKÝCH A HYBRIDNÍCH VOZIDEL SOUČASNOSTI

  • Pomalé nabíjení, Nabíjení přes noc, Nabíjení v depu (řádově hodiny)

    • Dlouhé dojezdy

    • Vhodné pro NMC, LFP

  • Rychlé nabíjení, Příležitostné nabíjení, Nabíjení při zastávkách nebo prostojích (řádově minuty 1 – 20 min.)

    • Možnost provozu 24/7

    • Vhodné pro LTO

  • Bateriový hybrid pro vykrývání výkonových špiček a rekuperaci nabržděné energie

  • Bateriový hybrid pro tichý a bezemisní pojezd v požadovaném území (5 – 20 km)

Příklady 24h provozu

ZÁVĚR

Návrh trakčního bateriového systému je možné dělat pro jakoukoliv velikost vozidla. Od malých robůtků AMR (0,5 kWh), přes autobusy a vlaky (50 – 600 kWh), po těžební vozidla (MWh).

[1] https://www.koridory.cz/e-407-001-prvni-elektricka-lokomotiva-csd-uvedena-do-provozu-1926/

[2] https://cs.wikipedia.org/wiki/Lokomotiva_E_407.0

[3] https://batteryuniversity.com/article/bu-205-types-of-lithium-ion