Niezbędne ogniwa
Fot. Johnson Controls
Zwykły akumulator ołowiowo-kwasowy użytkowany w samochodzie z systemem start-stop traciłby w ciągu tygodnia 7-16% pojemności, a więc już po 2 miesiącach nadawałby się tylko do recyklingu.
Konieczność ochrony atmosfery ziemskiej przed szkodliwymi zmianami jej składu sprawia, iż w Unii Europejskiej wprowadzane są coraz ostrzejsze limity emisji dwutlenku węgla przez pojazdy drogowe. Dla samochodów osobowych wyniosą one w 2015 roku 130 gramów na przejechany kilometr, a w roku 2020 już tylko 95 g/km. Potem należy się spodziewać kolejnych ograniczeń. W przypadku napędów spalinowych musi się to wiązać z proporcjonalną redukcją zużycia paliwa, możliwą jednak tylko do pewnego poziomu, wyznaczanego prawami fizyki.
Dalsze zmniejszanie emisji CO2 wymagać będzie stopniowego zastępowania dotychczas wykorzystywanych materiałów pędnych energią elektryczną. Newralgiczne znaczenie dla wszystkich etapów tej ewolucji mają i mieć będą odpowiednio wydajne i trwałe akumulatory.
W stronę elektromobilności
Zapoczątkowana już dawno i trwająca nadal redukcja zużycia paliwa w tradycyjnych konstrukcjach samochodów sprowadza się z jednej strony do obniżania ich masy własnej i poprawy aerodynamiki nadwozi, z drugiej zaś – do stosowania coraz bardziej energooszczędnych rozwiązań we wszystkich elementach układów napędowych – od silników aż po ogumienie kół. Pewne korzyści ekologiczne przynosi też stosowanie niektórych paliw alternatywnych (np. LPG, CNG i tzw. biopaliw), wytwarzających przy całkowitym spalaniu mniej CO2 niż benzyna lub olej napędowy. Standardowe akumulatory kwasowo-ołowiowe używane w pojazdach tej generacji wpływają na poziom emisji gazów spalinowych tylko w niewielkim zakresie związanym ze skutecznością zapłonów i łatwością rozruchów. W ocenie ich jakości liczy się też eksploatacyjna trwałość i niezależność poprawnego działania od kłopotliwej obsługi serwisowej.
Dodatkowe oszczędności paliwa i redukcję emisji CO2 (od ok. 8 do 10%) przyniosło zastosowanie w samochodach systemu start-stop, który zatrzymuje silnik podczas krótkich przerw w ruchu, koniecznych zwłaszcza w warunkach miejskich i w drogowych korkach, a potem automatycznie ponownie go uruchamia, gdy kierowca wykonuje rutynowe czynności wznawiające jazdę. Samochody wyposażone w tę funkcję nazywane są mikrohybrydowymi, ponieważ akumulator musi w nich dostarczać energię nie tylko do częstszych rozruchów, lecz także do zasilania wszystkich włączonych jej odbiorników w trakcie chwilowych postojów. Staje się więc integralną częścią kompleksowego systemu zarządzania energią, a w związku z tym musi się odznaczać szczególnymi cechami technicznymi, charakterystycznymi dla technologii EFB oraz AGM, a nieosiągalnymi w konstrukcjach standardowych.
Jeszcze mniejszą emisję CO2 wykazują następne generacje samochodowych napędów spalinowo-elektrycznych. W pojazdach typu mild hybryd, czyli "łagodnie hybrydowych", silnik spalinowy pracuje podczas jazdy w zakresie odpowiadającym minimalnemu zużyciu paliwa i najmniejszej emisji spalin. Gdy zapotrzebowanie mocy okresowo wzrasta, system zarządzania energią wyłącza alternator, aby większy moment obrotowy mógł być przekazywany na koła pojazdu. Wszystkie odbiorniki prądu zasilane są wówczas z akumulatora. Dostarcza on również energii w czasie krótkotrwałych postojów i automatycznych rozruchów w ramach funkcji start-stop. Jednak konstrukcje kwasowo-ołowiowe są już tu niewystarczające nawet w swych wspomnianych wcześniej najdoskonalszych jej wariantach, więc wykorzystuje się baterie ogniw niklowo-metalowo-wodorowych lub litowo-jonowych.
Elementy systemu start-stop w typowym samochodzie osobowym
Wyłącznie jonowo-litowych źródeł energii wymagają napędy full hybryd, czyli w pełni hybrydowe. Mają już swe praktyczne zastosowania, choć jeszcze stosunkowo mało rozpowszechnione. Cechą wspólną różnych ich konstrukcyjnych wariantów jest mechaniczna niezależność silników: spalinowego i elektrycznego, mogących pracować zarówno przemiennie, jak i równocześnie.
Także do ładowania akumulatorów służą w takich pojazdach trzy niezależne układy: z alternatora napędzanego silnikiem spalinowym, przez odzysk energii w trakcie elektrycznego hamowania (wykorzystywany również w niektórych mikrohybrydach) i przy użyciu zewnętrznych źródeł energii, czyli na zasadzie plug-in z wykorzystaniem podłączenia do stacjonarnej sieci energetycznej.
Firma Johnson Controls ma bogate konstruktorskie i produkcyjne doświadczenie w zakresie wszystkich wyżej wymienionych technologii akumulatorowych jako ich czołowy lub wręcz pierwszy na świecie (w przypadku akumulatorów jonowo-litowych) dostawca dla producentów samochodów, a także na rynek części zamiennych. Produkty kwasowo-ołowiowe tej firmy dostarczane są pod marką Varta, a litowo-jonowe przeznaczone do systemów hybrydowych – pod marką Johnson Controls-Saft, ponieważ powstają w ramach joint venture z firmą Saft. Te ostatnie montowane są fabrycznie w hybrydowych wersjach modeli Mercedes klasy S i BMW 7 Active Hybrid.
Akumulatory w mikrohybrydach
Już obecnie z układów start-stop korzysta ponad 3 miliony pojazdów, zaś w roku 2015 liczba ich przekroczy 30 milionów. Oznacza to, iż w ciągu paru lat rozwiązanie to stanie się standardowym wyposażeniem aż 70% wszystkich nowych samochodów.
Głównym elementem układu start-stop jest, i nadal pozostanie, akumulator o specjalnej konstrukcji, połączony z elektroniką pokładową poprzez procesorowy system zarządzania BMS (battery management system) lub inteligentny sensor IBS (intelligent battery sensor). Urządzenia te dokładnie monitorują jego stan oraz współpracę z pozostałymi elementami pojazdu tak, aby redukcja emisji CO2 nie odbywała się kosztem komfortu podróżowania, obejmującego dziś i takie funkcje, jak podgrzewane fotele, klimatyzacja postojowa i rozbudowane centra multimedialne.
Budowa akumulatora VARTA start-stop w technologii EFB
Sam akumulator musi być dostosowany do częstego uruchamiania silnika bez znacznych strat energii, gdyż w ruchu miejskim potrzeba średnio czterech uruchomień na przejechany kilometr. Konieczna jest także jego niezawodna praca nawet przy częściowym stanie naładowania oraz zdolność szybkiego akumulowania energii z alternatora lub z elektrycznego hamowania w procesie rekuperacji. Akumulatory konwencjonalne nie mają takich właściwości, nie są wytrzymałe na znaczne obciążenia cykliczne, a ich awarie stanowią zagrożenie również dla innych części elektroniki pojazdu.
VARTA: Start-Stop i Start Stop Plus
Akumulatory start-stop wykonane w technologii EFB odznaczają się, w porównaniu z konstrukcjami tradycyjnymi, dwukrotnie większą wytrzymałością na obciążenia cykliczne, a także podwyższoną zdolnością szybkiego absorbowania dostarczanej im energii i wydłużoną trwałością eksploatacyjną. Ich dodatkowe zalety to: wysoka wartość prądu rozruchowego, niezawodna szczelność (brak wycieków elektrolitu) przy przechyłach sięgających 55°, prawidłowa praca przy głębokim rozładowaniu i całkowita bezobsługowość.
Pod względem zasady działania akumulatory te zaliczają się do kwasowo-ołowiowych, a ich cechy szczególne wynikają z niestandardowej konstrukcji, której istotę wyraża skrót EFB (enhanced flooded battery). Dosłowne jego tłumaczenie na "wzmocniona zalana bateria" nie budzi wprawdzie sensownych skojarzeń, lecz twórcom tej koncepcji chodziło o wzmocnienie każdej z elektrod w poszczególnych ogniwach akumulatora specjalną powłoką z porowatego poliestru. Dzięki temu mogą być one grubsze, a ich masa aktywna chroniona jest w znacznym stopniu przed wypłukiwaniem przez elektrolit. Akumulatory Varta Start-Stop montowane są fabrycznie w samochodach Fiat 500 Start-Stop, Toyota Yaris Start-Stop i Ford ECOnetic.
Budowa akumulatora VARTA start-stop w technologii AGM
Absolutnie bezobsługowe akumulatory Varta Start-Stop Plus należą również do kwasowo-ołowiowych, lecz od standardowych konstrukcji odróżnia je zastosowanie technologii AGM (absorbent glass mat – separator z maty szklanej). Oznacza to, iż płyty elektrod rozdzielone są w nich separatorami z włókna szklanego nasączonymi elektrolitem. Dzięki temu poszczególne ogniwa mają bardzo niski wewnętrzny opór elektryczny, gdyż skraca się czas reakcji pomiędzy masą czynną płyty a elektrolitem. Nie dochodzi też do wypłukiwania masy czynnej. W efekcie więc bateria takich ogniw ma 3–4 razy większą wytrzymałość na obciążenia cykliczne niż konwencjonalne akumulatory i zdolność jeszcze szybszego ładowania się niż przy technologii EFB nawet w skrajnie niskich temperaturach. Może też oddawać bardzo silne prądy rozruchowe także przy niskim stanie naładowania.
Sam fakt uwięzienia elektrolitu w mikroskopijnych porach szklanej maty sprawia, że akumulatory AGM są całkowicie odporne na wstrząsy i wycieki, niezależnie od ich kątowej pozycji względem pionu w zakresie od 0 do 360°. Z tego powodu wyposaża się je w dokładnie hermetyczne obudowy, a nadmierne ciśnienie nagromadzonych w nich gazów (np. podczas przeładowywania akumulatora) niweluje jednokierunkowy zawór ciśnieniowy, zwany VRLA (valve regulated lead acid – regulowany zawór odprowadzania kwasu). Otwiera się on przy określonej wartości nadciśnienie, by bezpiecznie odprowadzić nadmiar gazu na zewnątrz, zapobiegając rozsadzeniu obudowy.
Akumulatory Varta Start-Stop Plus stanowią fabryczne wyposażenie takich samochodów, jak np. BMW Efficient Dynamics i VW BlueMotion.
0 komentarzy dodaj komentarz