यह एक इलेक्ट्रिक बस है: हम एक बैटरी के साथ परिवहन के बारे में क्या जानते हैं

1 9 वीं शताब्दी में पहली इलेक्ट्रिक वाहन की उपस्थिति और 20 वीं शताब्दी के 70 के दशक में लोकप्रियता में दूसरी वृद्धि के बाद, इलेक्ट्रिक बसों ने फिर से शहरों की सड़कों पर ले लिया। उनके विकास पर क्या प्रभाव पड़ा और कैसे प्रौद्योगिकियां बदली हैं: कैपेसिटिव बैटरी बनाने से लेकर चार्जिंग इंफ्रास्ट्रक्चर तक हमारे नए लेख में पाया जा सकता है।

पहला इलेक्ट्रिक वाहन: 19 वीं शताब्दी का अभिवादन

आंतरिक दहन इंजन वाली कारों से बहुत पहले इलेक्ट्रिक कारें दिखाई दीं। गोटलिब डेमलर और कार्ल बेंज ने 1886 में गैसोलीन आईसीई के साथ पहली स्व-चालित गाड़ियों का पेटेंट कराया, जबकि लोगों को परिवहन के लिए पहली इलेक्ट्रिक कार 1837 में पेश की गई थी। उच्च लागत और कम दक्षता के कारण, पहली इलेक्ट्रिक कारें भाप इंजन वाली कारों के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं कर सकती थीं। कोयले से चलने वाले स्टीम इंजन की सर्विसिंग की लागत की तुलना में जिंक की बैटरी वाली कार की कीमत 40 गुना अधिक थी।

सस्ती सीसा-एसिड बैटरी के आगमन के बाद, इलेक्ट्रिक कारें कुछ समय के लिए फैशन में आने में कामयाब रहीं। 1890 में, अमेरिकन विलियम मॉरिसन ने 6 लोगों की क्षमता वाली पहली इलेक्ट्रिक बस - एक कार का निर्माण किया, जिसकी गति 19 किमी / घंटा है और एक बार में 160 किमी तक की यात्रा करती है। कुल मिलाकर लगभग 350 किलो वजन वाली 24 बैटरियों ने 112 V के वोल्टेज के साथ 112 A का करंट पैदा किया और पूरी तरह से रिचार्ज करने के लिए 10 घंटे का समय चाहिए।


विलियम मॉरिसन की इलेक्ट्रिक बस। स्रोत: अमेरिकन-autamoiles.ru

20 वीं शताब्दी की शुरुआत में, 20 इलेक्ट्रिक बसों को लंदन में शहरी परिवहन मार्गों पर सफलतापूर्वक संचालित किया गया था, जो उस समय उनके गैसोलीन समकक्षों की तुलना में अधिक कुशल और किफायती थे। एक बैटरी चार्ज 60 किमी के लिए पर्याप्त था, इसलिए अंत स्टेशनों पर खाली बैटरी को नए के साथ बदल दिया गया - इस प्रक्रिया में केवल तीन मिनट लगे।


हटाने योग्य बैटरी के साथ लंदन इलेक्ट्रिक बस भविष्य की टेस्ला के साथ त्वरित-वियोज्य बैटरी का प्रोटोटाइप है। स्रोत: लंदन संग्रहालय परिवहन

1900 तक, संयुक्त राज्य में 38% कारों को बिजली से संचालित किया गया था, लेकिन आंतरिक दहन इंजनों में सुधार और ईंधन की कीमतों को कम करने से नाटकीय रूप से स्वायत्त इलेक्ट्रिक परिवहन उद्योग के विकास में बाधा उत्पन्न हुई - 20 वीं शताब्दी के 30 के दशक तक, इलेक्ट्रिक बसों का अभ्यास गायब हो गया था। गैसोलीन कारों के विपरीत, इलेक्ट्रिक परिवहन सस्ता नहीं था, और पर्यावरण की स्थिति ने अब तक किसी भी चिंता को प्रेरित नहीं किया है। बैटरी के साथ बसों में निवेश पर क्रॉस ने 20 के सस्ते ट्रॉलीबस में उपस्थिति दर्ज की है।


इलेक्ट्रिक बस में बैटरी को बदलने की प्रक्रिया पूरी तरह से स्वचालित है, जैसा कि 21 वीं सदी में है।
स्रोत: ब्रिटिश लाइब्रेरी

लेकिन 20 वीं शताब्दी के मध्य में ईंधन की कम कीमतों के कारण, आईसीई उद्योग ने बढ़ती मात्रा का रास्ता अपनाया, जिसने सीधे गैसोलीन की खपत को प्रभावित किया। यहां तक ​​कि कारों को अकुशल छह-लीटर इंजन के साथ आपूर्ति की गई थी, जिसका 70 के दशक में रखरखाव वास्तव में "सुनहरा" हो गया था। वर्तमान स्थिति ने इलेक्ट्रिक वाहनों की लोकप्रियता में एक नया उछाल ला दिया। इसलिए 1974 में अंग्रेजी मैनचेस्टर में, इलेक्ट्रिक बसें सेडोन पेनीन 4-236 क्लोराइड बैटरी पर शहर के मार्गों पर आईं।


1975 में सेडोन पेनीन 4-236 इलेक्ट्रिक बस का एक दुर्लभ शॉट।
स्रोत: एलन स्नैट

उस समय की स्मृति में छोड़ी गई एकमात्र सार्वभौमिक वाणिज्यिक कार मर्सिडीज-बेंज ले 306 मिनीवैन थी, जिसकी त्वरित-वियोज्य बैटरी ने लगभग 76 अश्वशक्ति की शक्ति प्रदान की, लेकिन 50 किमी बाद समाप्त हो गई। जर्मन शहर बॉन की डाक सेवा द्वारा परीक्षण के बाद यह कार 1983 तक जीवित रही, इसे लाभहीन घोषित किया गया।


इलेक्ट्रिक मिनिवन मर्सिडीज-बेंज ले 306 - ईंधन संकट के युग की याद दिलाता है। स्रोत: मर्सिडीज-बेंज

उन्होंने 20 वीं शताब्दी में केवल बड़े पैमाने पर बिजली के वाहनों के उत्पादन और उपयोग के बारे में गंभीरता से बात करना शुरू किया, जब समाज ने पर्यावरण के खतरों के बारे में सोचना शुरू किया और कार के निकास से होने वाले पर्यावरणीय नुकसान का एहसास किया। पर्यावरण के मुद्दों की चर्चा की पृष्ठभूमि के खिलाफ, डीजल बसों को बिजली में परिवर्तित करने का विचार काफी लोकप्रिय हो गया है, और लिथियम-आयन बैटरी ऊर्जा के संचय में सक्षम है और लंबे समय तक इलेक्ट्रिक बसों के स्वायत्त आंदोलन प्रदान करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है। ऐसी बैटरियों के आविष्कार ने आर्थिक समस्या को भी हल कर दिया, जिससे इलेक्ट्रिक वाहनों का उत्पादन और रखरखाव अधिक किफायती हो गया और इसके लिए बड़े पैमाने पर बाजार का रास्ता खुल गया।

पोषण के मुद्दे

आधुनिक इलेक्ट्रिक बसों में, बैटरी या सुपरकैपेसिटर का उपयोग बिजली के लिए किया जाता है। ऊर्जा भंडारण का उत्तरार्द्ध अपने तरीके से दिलचस्प है, हालांकि यह विद्युत परिवहन की संभावनाओं को बहुत सीमित करता है।

सुपरकैपेसिटर समान मात्रा की लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में केवल 5% ऊर्जा स्टोर कर सकते हैं। जाहिर है, संधारित्र के एक भी चार्ज पर, बस केवल कई किलोमीटर की यात्रा करेगी, जिसका अर्थ है कि किसी भी प्रकार की स्वायत्तता के बारे में बात करने की कोई आवश्यकता नहीं है। लेकिन कैपेसिटर की सकारात्मक संपत्ति चार्जिंग गति है। चार्ज को पुनर्स्थापित करने में कुछ सेकंड लगते हैं।


चार्जिंग स्टेशन के साथ एक स्टॉप पर चीनी सुपरकैपेसिटर अल्ट्राकैप बस - ट्रॉलीबस तारों के साथ एक खंड जैसा दिखता है। स्रोत: शंघाई Aowei प्रौद्योगिकी

तो चीनी शहर में Ningbo में एक संधारित्र बस है, जिसे रिचार्ज करने में केवल 10 सेकंड लगते हैं - चार्जिंग स्टेशनों के विकसित बुनियादी ढांचे के लिए धन्यवाद, बस यात्रियों के बोर्डिंग और लैंडिंग के दौरान प्रत्येक स्टॉप पर ऊर्जा प्राप्त करता है, जो आमतौर पर थोड़ी देर तक रहता है। इसके अलावा, ब्रेकिंग ऊर्जा का 80% तक बिजली में परिवर्तित हो जाता है और कैपेसिटर पर वापस आ जाता है - यह 50% तक बचाता है।

सुपरकैपेसिटर में लगातार सुधार किया जा रहा है, लेकिन ऐसी बैटरियों पर इलेक्ट्रिक बसों की शुरूआत के लिए प्रत्येक स्टॉप पर उच्च-शक्ति चार्जिंग स्टेशनों के रूप में एक बहुत ही महंगे बुनियादी ढांचे की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, अप्रत्याशित ट्रैफिक जाम के रूप में आपातकालीन स्थिति सड़क पर छुट्टी दे दी गई कैपेसिटर के साथ एक बस छोड़ सकती है और यातायात के लिए अतिरिक्त समस्याएं पैदा कर सकती है।

लिथियम आयन बैटरी एक विशिष्ट अनुमोदित संरचना के साथ एक विशिष्ट प्रकार की बैटरी नहीं है, बल्कि ऊर्जा तत्वों का एक पूरा परिवार है। लिथियम-आयन बैटरी का विकास शक्ति, क्षमता, कॉम्पैक्टनेस और कीमत के बीच आवश्यक संतुलन खोजने की एक जटिल प्रक्रिया है। आदर्श अभी तक मौजूद नहीं है। प्रत्येक प्रकार की लिथियम-आयन बैटरी एक विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए अच्छी है। उन सभी का उपयोग इलेक्ट्रिक वाहनों में नहीं किया जाता है, कई कम बिजली की खपत वाले इलेक्ट्रॉनिक्स में अपना स्थान पाते हैं।

लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO ₂ ) बैटरी, सबसे सस्ती और लोकप्रिय आज, प्रति यूनिट वॉल्यूम, कम लागत और 3.6V वोल्टेज प्रति सेल में उत्कृष्ट क्षमता है। इस तरह की बैटरी आपको मोबाइल उपकरणों और पोर्टेबल उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में मिलेगी। ऐसी बैटरी के नुकसान भी ज्ञात हैं: टैंक के गंभीर क्षरण से पहले एक छोटा सा डिस्चार्ज करंट, अधिकतम 1000 चार्ज / डिस्चार्ज चक्र, कम चार्ज और कम तापमान पर काम करने में असमर्थता। LiCoO ₂ पर एक इलेक्ट्रिक बस अन्य प्रकार की बैटरियों की तुलना में कम खर्च करेगी, लेकिन केवल गर्म देशों में कम से कम लोड वाले छोटे देशों में काम कर सकती है, जैसे कि परिसरों के अंदर स्थानान्तरण।

इसकी त्रि-आयामी संरचना के कारण, लिथियम-मैंगनीज बैटरी (LiMn ₂ O ₄ ) एक उच्च निर्वहन वर्तमान प्रदान करने में सक्षम थी - अपनी क्षमता से 30 गुना तक। इससे इलेक्ट्रिक कारों निसान लीफ और बीएमडब्ल्यू i3 में, उदाहरण के लिए, अल्पकालिक उच्च ऊर्जा खपत वाले उपकरणों में LiMn ₂ O ₄ का उपयोग करना संभव हो गया। लेकिन लिथियम-मैंगनीज बैटरी ने अपनी कमियां दिखाईं: लिथियम-कोबाल्ट बैटरी के जीवन से भी कम और ठंड के प्रति असहिष्णुता। इसलिए, लिथियम-मैंगनीज बैटरी को एक अन्य प्रकार की बैटरी - एनएमसी के साथ जोड़ा जाता है।


निसान लीफ NMC बैटरी टेस्ला एनसीए बैटरी की आधी कीमत है, लेकिन क्षमता लगभग दोगुनी तेजी से घटती है (100 हजार किमी के बाद 70%)। स्रोत: बेंजामिन नेल्सन

लिथियम-निकल-मैंगनीज-कोबाल्ट-ऑक्साइड बैटरी, या बस एनएमसी, को एक अच्छी विशिष्ट ऊर्जा की खपत और एक सेवा जीवन (2000 निर्वहन चक्र तक) मिला, लेकिन उनका निर्वहन वर्तमान छोटा हो गया। इसीलिए, इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग के लिए, NMC को LiMn ₂ O _{4 के} साथ जोड़ दिया जाता है - सामान्य ड्राइविंग के दौरान, NMC कोशिकाएं मुख्य रूप से काम करती हैं, और जब त्वरण होता है, तो LiMn ₂ O ₄ कोशिकाएं उच्च धारा देती हैं।

लिथियम-निकल-कोबाल्ट-एल्यूमीनियम-ऑक्साइड बैटरी (LiNiCoAlO ₂ , या NCA) एक उच्च विशिष्ट क्षमता और उचित लागत की विशेषता है। एनसीए-बैटरी की चार्जिंग गति और डिस्चार्ज करंट औसत हैं, उन्हें फायदे या नुकसान में नहीं लिखा जा सकता है। यह एनसीए था जो टेस्ला कारों और पावरवॉल भंडारण प्रणालियों के लिए ऊर्जा का स्रोत बन गया।


85 kW की टेस्ला मॉडल एस 85A एनसीए बैटरी, जब पहनने और आंसू के कारण प्रतिस्थापित होती है, टेस्ला पावरवॉल स्टोरेज सिस्टम में भेजी जाती है। स्रोत: wk057

लेकिन एनसीए बैटरियों की एक विशेषता ने टेस्ला पर एक छाया डाली, इससे पहले कि मालिक संभावित समस्याओं में भाग सकें - बैटरियों में लिथियम-कोबाल्ट कोशिकाओं के तुलनीय 500 चक्रों का जीवन चक्र होता है। और फिर पहना वस्तुओं के प्रतिस्थापन और निपटान। वास्तविक अनुभव से पता चला है कि 200 हजार किलोमीटर के बाद भी, टेस्ला इलेक्ट्रिक वाहनों में बैटरी काम कर रही है, अपनी क्षमता का एक तिहाई खो रही है। लेकिन, इस सकारात्मक अनुभव के बावजूद, शहरी इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए, एनसीए बैटरी सबसे अच्छा विकल्प नहीं है, क्योंकि बस का माइलेज कई बार या व्यक्तिगत कारों के माइलेज से अधिक परिमाण का आदेश है।

लिथियम टाइटानेट प्रतिक्रिया

लिथियम टाइटेनियम बैटरी (ली ₄ टीआई ₅ ओ ₁₂ , एलटीओ) को पिछली शताब्दी के 80 के दशक से जाना जाता है। तोशिबा सक्रिय रूप से इस प्रकार की बैटरी का विकास और उत्पादन कर रही है जिसे SCiB (सुपर चार्ज आयन बैटरी) कहा जाता है। एनोड के निर्माण के लिए, वे ग्रेफाइट के बजाय लिथियम टाइटनेट का उपयोग करते हैं। इस मामले में, कैथोड को एनएमसी बैटरियों से उधार लिया जा सकता है। ग्रेफाइट को प्रतिस्थापित करने से एनोड के प्रभावी क्षेत्र को 3 मीटर ² / जी से बढ़ाकर 100 मीटर ² / जी किया जा सकता है, जो बेहतर ढंग से सेल चार्जिंग गति और डिस्चार्ज करंट को प्रभावित करता है। तो 2017 में, तोशिबा ने एक एससीआईबी बैटरी का प्रदर्शन किया, जो केवल 5 मिनट में अपनी क्षमता का 90% तक बहाल कर सकती है।


लिथियम टाइटानैट ऑक्साइड की झरझरा संरचना ग्रेफाइट की तुलना में 30 गुना बड़ा क्षेत्र प्रदान करती है, और कई बार लंबे समय तक सेवा जीवन प्रदान करती है। स्रोत: KB "ऊर्जा"

लिथियम-टाइटनेट बैटरी वर्तमान में अपनी क्षमता से दस गुना अधिक, और स्पंदित भार पर तीस गुना बंद कर देती है। 7000 डिस्चार्ज चक्र तक शुरुआती नमूने, और आधुनिक बैटरी 15000-20000 चक्र प्रदान करते हैं - इन संकेतकों के साथ किसी अन्य प्रकार की लिथियम-आयन बैटरी की तुलना नहीं की जा सकती। इसके अलावा, एलटीओ-बैटरी अग्निरोधक हैं, अवसादन के दौरान वे 70 डिग्री तक गर्म हो जाते हैं और ठंडा हो जाते हैं, वे या तो ओवरहीटिंग से डरते नहीं हैं। ठंड के मौसम में, सेल लगभग अपनी प्रभावशीलता नहीं खोता है - -30 डिग्री के तापमान पर, लिथियम-टाइटानेट सेल की क्षमता नाममात्र मूल्य के 80% तक कम हो जाती है।


प्रोटेर्रा बसों में उपयोग की जाने वाली तोशिबा लिथियम-टिटैनेट बैटरी। स्रोत: प्रोटर्रा

अतुल्य उत्तरजीविता, तत्काल चार्ज, ठंड प्रतिरोध। अपने फोन के लिए एकदम सही बैटरी की तरह लगता है। लेकिन एलटीओ बैटरी में भी कमियां हैं, जो अब तक उनके दायरे को सीमित करती हैं। सबसे पहले, यह 50-80 डब्ल्यू / किग्रा की कम विशिष्ट क्षमता है, जबकि पारंपरिक लिथियम-कोबाल्ट कोशिकाओं के लिए यह 150-200 डब्ल्यू / किग्रा है - अर्थात, एक समान क्षमता प्राप्त करने के लिए, एक लिथियम-टाइटानेट सेल दो या तीन बार बड़ा होना चाहिए। दूसरे, लिथियम कोबाल्ट के लिए 3.6 वी की तुलना में रेटेड सेल वोल्टेज केवल 2.4 वी है। तीसरा, जबकि लिथियम-टाइटन बैटरी की कीमत एनसीए-बैटरी की तुलना में तीन गुना अधिक है। यही कारण है कि अभी तक स्मार्टफोन में लिथियम-टाइटेनियम बैटरी को एकीकृत करना संभव नहीं है - आपको डिवाइस के काम करने के लिए कम क्षमता और अपर्याप्त वोल्टेज के साथ एक महंगा तत्व मिलेगा।

लेकिन इलेक्ट्रिक बसों में, जहां जगह की कोई कमी नहीं है, और एक उच्च बैटरी जीवन की आवश्यकता होती है, लिथियम-टाइटेनियम बैटरी जाने के लिए जगह हैं।


ग्राफ SCiB और लिथियम-कोबाल्ट-ऑक्साइड बैटरी पर एक परीक्षण मशीन के लाभ को दर्शाता है। एससीआईबी का लाभ स्पष्ट से अधिक है। स्रोत: तोशिबा

रिचार्जिंग समस्या

विकसित बुनियादी ढांचे के बिना, एक इलेक्ट्रिक बस एक समस्या में बदल जाती है। आप इलेक्ट्रिक बस को तीन अलग-अलग तरीकों से चार्ज कर सकते हैं: लंबी रात की चार्जिंग, एंड स्टेशनों पर फास्ट चार्जिंग और स्टॉप पर चार्जिंग एक्सप्रेस।

सार्वजनिक परिवहन स्टॉप पर चार्जिंग स्टेशन की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, सुपरकैपेसिटर पर इलेक्ट्रिक बसों द्वारा: मंडप के ऊपर एक संपर्क क्षेत्र या तारों को स्थापित किया जाता है, जिसे बस एक पेंटोग्राफ के साथ छूता है। यदि सुपरकैपेसिटर में कई सेकंड के लिए पर्याप्त शक्ति है, तो बैटरी को रिचार्ज करने के लिए कम से कम मिनटों की आवश्यकता होती है। यह देखते हुए कि आधुनिक तोशिबा लिथियम-टाइटनेट बैटरी पांच मिनट में अधिकांश आवेश को ठीक कर देती है, बस रूट नेटवर्क पर बस कुछ चार्जिंग स्टेशन स्थापित करने के लिए पर्याप्त है जो बस बैटरी को चार्ज रख सकते हैं।

सार्वजनिक परिवहन में लंबी रात का चार्ज केवल दो अन्य तरीकों में से एक के साथ मिलकर उपयोग किया जाता है। बस को दिन में केवल एक बार चार्ज करना और पूरे दिन के लिए रूट पर भेजना असंभव है। सबसे पहले, कम से कम आधे दिन के लिए काम करने के लिए, आपको बहुत ही कैपेसिटिव बैटरी की आवश्यकता होती है जो केबिन में बहुत अधिक जगह लेगी - इस परिस्थिति में तेजी से प्रत्येक बस की लागत बढ़ जाती है। दूसरे, दसियों और यहां तक ​​कि सैकड़ों बसों की आपूर्ति करने के लिए बस डिपो में बहुत शक्तिशाली बिजली लाइनों को लाने के लिए आवश्यक है।


कामाज़ सीरियल इलेक्ट्रिक बस मास्को रूट नंबर 73 के अंतिम पड़ाव पर चार्ज हो रही है।
स्रोत: अलिसा

आगे क्या है?

सिटी इलेक्ट्रिक ट्रांसपोर्ट को हमेशा एक संदिग्ध विदेशी माना जाता है, और अब दुनिया में सैकड़ों हजारों इलेक्ट्रिक बसें काम करती हैं। नई तकनीकों को अपनाने में चैंपियन चीन है, जहां दुनिया की मौजूदा इलेक्ट्रिक बसों का लगभग 99% स्थित है। ब्लूमबर्ग न्यू एनर्जी फाइनेंस के अनुमान के मुताबिक, दुनिया में 2025 तक 47% बसें इलेक्ट्रिक होंगी।

रूस भी विश्व रुझानों से पीछे नहीं है। हर साल, कई रूसी शहर इलेक्ट्रिक वाहनों की खरीद करते हैं और उन्हें स्थायी मार्गों पर डालते हैं, विशेष बुनियादी ढांचे का निर्माण करते हैं और ऊर्जा आपूर्ति के क्षेत्र में समाधान पेश करते हैं। यह संभव है कि विद्युत परिवहन के लिए संक्रमण दशकों तक चलेगा और, शायद, हम उस समय को पकड़ लेंगे जब व्यक्तिगत इलेक्ट्रिक कारें एक लक्जरी आइटम नहीं रहेंगी और डीजल एनालॉग्स के साथ प्रतिस्पर्धा करेंगी।