Перспективы применения литий-ионных аккумуляторов на железнодорожном транспорте

К. М. Гурьяшкин,
генеральный директор ООО «Сотелком»

Компания СОТЕЛКОМ проектирует, производит и поставляет литий-ионные батареи и зарядные устройства для складской, погрузочной техники, клининговых машин, городского транспорта (электрогрузовики, электробусы), стационарных объектов, а также осуществляет сервисную поддержку поставленных решений. Среди наших клиентов – торговые, логистические и промышленные предприятия России, СНГ и стран Балтии, эксплуатирующие от нескольких единиц до нескольких десятков складской техники.

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) – это обширное семейство продуктов, свойства отдельных представителей которого отличаются порой в десятки раз. В зависимости от того, какие параметры аккумулятора являются наиболее важными в конкретной технической системе, для нее будет оптимальным применение вполне определенной разновидности ЛИА. Более того, во многих случаях использование ЛИА экономически более эффективно, нежели использование традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы на рельсовом транспорте

В области гибридного привода на различных видах транспорта в настоящее время наиболее эффективным является применение литий-ионных аккумуляторов на основе титаната лития (рис. 1) [1]. Эти аккумуляторы в силу невысокого номинального напряжения ячейки – 2,4 В – имеют самую низкую среди прочих литий-ионных систем плотность энергии, однако им присущ непревзойденный циклический ресурс, измеряемый десятками тысяч циклов «заряд-разряд», при этом они могут полностью заряжаться всего за 6–10 мин.

Рис. 1. Литий-ионные аккумуляторы на основе титаната лития

Альтернативным подходом для гибридных приводных систем является совместное использование литий-железофосфатных аккумуляторов и суперконденсаторов. Такая схема реализована, например, на гибридном маневровом тепловозе ТЭМ9Н [2].

Cуперконденсатор играет роль быстрого звена: способен выдавать либо поглощать высокую мощность, однако в течение лишь непродолжительного времени. Это позволяет снизить токовую нагрузку на аккумуляторную батарею в момент холодного пуска дизельного двигателя или при интенсивном разгоне. Сглаживание токовой нагрузки на батарею дает возможность продлить ее срок службы на десятки процентов [3].

По утверждению производителя ТЭМ9Н (АО Группа Синара), использование гибридного привода с аккумуляторным накопителем энергии дает следующие преимущества:

• поддержание в течение 4ч работы всех систем тепловоза во время простоя при заглушенном дизельном двигателе;
• уверенный холодный пуск двигателя с использованием энергии суперконденсаторов
• сокращение потребления дизельного топлива на 30%;
• уменьшение выбросов в окружающую среду до 55%. Для освобождения городского ландшафта от трамвайной сети разработаны системы беспроводного трамвая с тяговой литий-ионной батареей (рис. 2).

Для освобождения городского ландшафта от трамвайной сети разработаны системы беспроводного трамвая с тяговой литий-ионной батареей (рис. 2).

Концепция PRIMOVE (Bombardier) [4] подразумевает использование аккумуляторной батареи сравнительно небольшой емкости – 50 кВт·ч – в сочетании с сохранением контактной сети на трамвайных остановках и на протяжении небольшого разгонного участка в 20–30 м за ее пределами.

Батарея позволяет трамваю преодолеть расстояние около 40 км без подзарядки, однако за счет того, что она подзаряжается во время остановок (45 сек на маршрутных остановках и 10 мин на конечных станциях), а также в силу того, что разгон от остановки происходит за счет энергии из контактной сети, такой трамвай может находиться на маршруте всю смену без опустошения АКБ. Если же контактная сеть по той или иной причине будет неисправна, энергии батареи хватит на то, чтобы трамвай мог добраться до конечной остановки.

Рис. 2. Беспроводной трамвай с тяговой литий-ионной батареей

Литий-ионные аккумуляторы на промышленном колесном транспорте

На ряде промышленных машин аккумуляторные батареи используются в качестве источника энергии для движения и выполнения работы. Ярким примером такой машины может быть вилочный электропогрузчик – обязательный элемент для практически любого депо и склада [5].

Для тяговых аккумуляторных батарей, используемых в промышленном электротранспорте, важнейшими характеристиками являются сочетание ресурса и цены, определяющие стоимость одного цикла работы, а также скорость зарядки и взрывопожаробезопасность. В этой области в настоящее время наиболее эффективно применение литий-железофосфатных аккумуляторов (рис. 3).

Рис. 3. Литий-железофосфатный аккумулятор

Ниже подробно рассмотрены вопросы замены кислотных АКБ на литий-ионные.

Традиционно на электропогрузчиках используются свинцово-кислотные тяговые аккумуляторные батареи. К их недостаткам можно отнести:

• длительное время зарядки (10–4 ч от полностью разряженного состояния до 100% заряда). Как правило, полностью заряженная исправная АКБ позволяет погрузчику работать в течение 8-часовой смены. Однако предприятия, связанные с перегрузкой и хранением грузов, зачастую работают в две смены или даже круглосуточно, что делает необходимым приобретение двух, а иногда и трех АКБ на каждый погрузчик. Пока одна батарея находится в работе на погрузчике, другая заряжается;
• выделение водорода и паров электролита в процессе зарядки. Обслуживаемые АКБ с открывающимися крышками отдельных элементов должны заряжаться только в специальных зарядных комнатах. Это дорогие в проектировании, строительстве и эксплуатации помещения, которые в соответствии с Межотраслевыми правилами по охране труда при эксплуатации промышленного транспорта [6] должны иметь принудительную приточно-вытяжную вентиляцию, оснащаться средствами пожаротушения и нейтрализации пролитого электролита;
• необходимость обслуживания и соблюдение предписанного графика заряда-разряда. Аккумуляторные батареи с жидким электролитом требуют регулярного долива дистиллированной воды, проверки качества электролита, напряжения на отдельных элементах и пр. Кроме того, нарушение предписанного графика заряда-разряда батарей приводит к их преждевременной деградации и выходу из строя. В результате предприятия, эксплуатирующие транспорт на кислотных тяговых батареях, вынуждены содержать аккумуляторную службу, выполняющую работы по поддержанию батарей в рабочем состоянии;
• сравнительно низкий срок службы аккумуляторных батарей. Лучшие образцы современных кислотных АКБ с жидким электролитом имеют назначенный ресурс 1 500 циклов «заряд-разряд», однако с учетом неидеальных условий и режимов эксплуатации батареи зачастую выходят из строя раньше.

Существует разновидность кислотных батарей с иммобилизованным электролитом – гелевые АКБ. Они могут заряжаться вне специализированных зарядных комнат и не требуют долива дистиллированной воды, однако их цена на 30–40% выше, а ресурс в 1,5 раза ниже, чем у обычных кислотных батарей. Использование гелевых батарей по-прежнему требует наличия специализированного персонала, отслеживающего график заряда-разряда во избежание преждевременной деградации.

Преимущества тяговых литий-железофосфатных АКБ производства «Сотелком»

Появление новых типов литий-ионных аккумуляторов позволило создать новый эффективный продукт – батареи на основе литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов. Так же как и другие типы литий-ионных батарей, этот тип АКБ обладает высокой плотностью энергии на единицу массы – более 100 Вт·ч/кг, что примерно в 3 раза выше, чем у свинцово-кислотных АКБ.

Преимуществом железофосфатной электрохимической системы по сравнению с другими типами литий-ионных систем является высокая взрывопожаробезопасность, обусловленная химическими свойствами электродных материалов и электролита. Данный тип аккумуляторов не приводит к возникновению огня или взрыва при таких событиях, как перезаряд, длительное короткое замыкание, механическое разрушение корпуса.

Кроме того, специально предусмотренные особенности конструкции аккумуляторов предотвращают протекание тока через аккумулятор в случае его чрезмерного перегрева.

В составе готового продукта (тяговая аккумуляторная батарея) дополнительной, третьей степенью защиты является использование встроенной системы контроля и управления (СКУ). Данная система непрерывно отслеживает напряжение и температуру каждой аккумуляторной ячейки, а также ток через батарею. Если любой из перечисленных параметров выходит за допустимые пределы, система обеспечивает отключение батареи от внешней цепи путем размыкания встроенного в АКБ силового ключа.

Использование тяговых литий-ионных батарей имеет следующие преимущества, оправдывающие основной недостаток этого типа батарей – в 2–3 раза более высокую цену:

• сокращение затрат на обслуживание аккумуляторного хозяйства. Литий-ионная батарея является полностью герметичной и необслуживаемой на протяжении всего срока службы, составляющего 5–7 лет. Ее зарядка благодаря встроенной системе контроля и управления осуществляется полностью в автоматическом режиме, а постановка на заряд и снятие с него может выполнить водитель техники. Эти особенности позволяют высвободить штат аккумуляторной службы для выполнения иных работ. Тяговые литийионные батареи могут заряжаться без применения специальных зарядных комнат (заключение органов государственного пожарного надзора). Для новых это дает возможность сэкономить инвестиции на создание пожарной комнаты, а для уже существующих объектов – избавиться от затрат на обслуживание зарядной комнаты;
• использование одной АКБ даже при круглосуточной работе техники. Литийионные батареи полностью заряжаются за 1,5–2 ч, они не подвержены эффекту памяти и толерантны к частичному заряду и разряду, что позволяет с высокой скоростью подзаряжать батарею в течение любых перерывов в работе техники. Таким образом, нет необходимости использовать подменные батареи, одна литий-ионная батарея полноценно заменит две кислотные или гелевые;
• высокий срок службы. Литий-железофосфатные аккумуляторы имеют назначенный (3 000–5 000 циклов) «заряд-разряд». В результате при использовании литий-ионных аккумуляторов стоимость одного цикла «заряд-разряд» оказывается ниже, несмотря на их более высокую стоимость;
• снижение расхода электроэнергии, повышение энергоэффективности. При зарядке любого аккумулятора часть энергии теряется в виде тепловых потерь в аккумуляторе.Доля полезно запасаемой энергии описывается величиной КПД процесса зарядки, и эта величина для литий-железофосфатныхи АКБ составляет около 92%, в то время как для кислотных и гелевых батарей – около 75–80%
• литий-ионные аккумуляторы допускают частичный заряд и разряд, что дает возможность без ущерба для ресурса батареи использовать для подзарядки обеденные перерывы, пересменки и иные перерывы в работе техники. В результате возможно применение батареи меньшей емкости, без ущерба для выполнения работы.

Оценка экономической эффективности тяговых литий-железофосфатных АКБ

Сравним затраты за 2 года эксплуатации при использовании различных типов батарей. Расчетные предположения:

• стоимость качественной свинцово-кислотной батареи 48 В 460 А·ч – 270 тыс. руб.; • стоимость зарядного устройства для свинцово-кислотной батареи – 50 тыс. руб.;
• стоимость литий-ионной батареи 48 В 300 А·ч – 660 тыс. руб.;
• стоимость зарядного устройства для литий-ионной батареи – 130 тыс. руб.;
• оплата труда персонала и затраты на обслуживание (ремонты) свинцово-кислотных батарей в расчете на одну батарею – 50 тыс. руб./год;
• КПД трансформаторно-выпрямительного зарядного устройства (используется для свинцово-кислотных АКБ) – 80%; • КПД высокочастотного зарядного устройства (используется для литийионных АКБ) – 90%;
• энергетический КПД свинцово-кислотных АКБ – 75%;
• энергетический КПД литий-ионных АКБ – 92%;
• стоимость электроэнергии – 5 руб./кВт·ч.

Суммарную стоимость электроэнергии, потраченную за 2 года эксплуатации, рассчитаем исходя из одного полного цикла «заряд-разряд» в сутки, при этом учитывая потери электроэнергии на тепло в зарядном устройстве и самой батарее. Оценка экономической эффективности тяговых литий-железофосфатных АКБ

Табл. 1. Сумма затрат за 2 года эксплуатации, тыс. руб.

Так, для свинцово-кислотной АКБ энергоемкость составляет 48 × 460 = 22 080 Вт, то есть 22,1 кВт·ч. Один цикл зарядки с учетом КПД батареи и зарядного устройства потребует 22,1 / (0,8 × 0,75) = 36,8 кВт·ч потребленной из сети электроэнергии. При цене 5 руб./кВт·ч получим за 2 года 36,8 × 5 × 365 × 2 = 134 320 руб.

При использовании литий-ионной АКБ за счет более высокого КПД зарядного устройства и самой батареи потребление энергии от сети для выполнения такой же транспортной работы будет меньше. Отличие будет численно определяться соотношением КПД, а именно величиной (0,75 × 0,80) / (0,90 × 0,92) = 0,725. Таким образом, при использовании литий-ионной АКБ на электроэнергию будет за 2 года затрачено 134 320 × 0,725 = 97 330 руб.

Следовательно, срок окупаемости перехода на литий-ионные аккумуляторные батареи составляет не более 3 лет, а при высокой загруженности техники – менее 2 лет.

За назначенный срок службы литий-ионной батареи (не менее 5 лет) экономический эффект от ее использования составит более 0,5 млн руб. На объектах РЖД и других предприятий, связанных с железными дорогами России, работают тысячи электрических погрузчиков, то есть потенциал снижения затрат, которые касаются только электропогрузчиков на железных дорогах, составляет сотни миллионов рублей ежегодно.

Из журнала «Техника железных дорог», № 4 (40) ноябрь 2017

Список использованной литературы:

1. TOSHIBA – Rechargeable battery SCiB [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.scib.jp/en/. – (Дата обращения: 30.06.2017).
2. Маневровый тепловоз ТЭМ9Н SinaraHybrid с гибридной силовой установкой // Веб-сайт ОАО «Синара – Транспортные Машины» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://sinaratm.ru/products/teplovozy/ tem9hsinarahybrid/. – (Дата обращения: 30.06.2017).
3. Praseeda Ramesh, Dr. Shankaralingappa C. B. and Dr. R. Prakash. Improvement of Battery Lifetime using Supercapacitors and Current Controller // International Journal of Engineering Research & Technology. – June 2014. – Vol. 3. – Issue 6, pp. 1870–1874.
4. Bombardier’s Battery Powered Tram Sets Range Record [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www. bombardier.com/en/media/newsList/details.BT-20151103Bombardiers-BatteryPowered-Tram-SetsRange-Record-01.bombardiercom.html. – (Дата обращения: 30.06.2017).
5. Гундорова Е.П. Технические средства железных дорог: Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. – М.: Маршрут, 2003. – 496 с.
6. «Межотраслевые правила по охране труда при эксплуатации промышленного транспорта (напольный безрельсовый колесный транспорт). ПОТ РМ00899» (утв. Постановлением Минтруда РФ от 07.07.99 №18) (ред. от 21.04.2011 с изменениями, вступившими в силу с 01.01.2012) // Справочно-правовая система «Консультант плюс».