Ini adalah bus listrik: apa yang kita ketahui tentang transportasi dengan baterai

Setelah kemunculan kendaraan listrik pertama di abad ke-19 dan popularitas kedua di tahun 70-an di abad ke-20, bus listrik kembali turun ke jalan-jalan kota. Apa yang memengaruhi perkembangan mereka dan bagaimana teknologi telah berubah: dari menciptakan baterai yang luas hingga mengembangkan infrastruktur pengisian dapat ditemukan di artikel baru kami.

Kendaraan listrik pertama: salam dari abad ke-19

Mobil listrik muncul jauh sebelum mobil dengan mesin pembakaran internal. Gottlieb Daimler dan Karl Benz mematenkan gerobak self-propelled pertama dengan ICE bensin pada tahun 1886, sedangkan mobil listrik pertama untuk mengangkut orang diperkenalkan pada tahun 1837. Karena biaya tinggi dan efisiensi rendah, mobil listrik pertama tidak dapat bersaing dengan mobil dengan mesin uap. Biaya servis mobil dengan baterai seng adalah 40 kali lebih tinggi daripada biaya servis mesin uap berbahan bakar batubara.

Setelah munculnya baterai timbal-asam yang terjangkau, mobil listrik berhasil menjadi mode untuk sementara waktu. Pada tahun 1890, orang Amerika William Morrison membangun bus listrik pertama - mobil dengan kapasitas 6 orang, yang mempercepat hingga 19 km / jam dan bergerak dengan sekali pengisian daya hingga 160 km. 24 baterai, dengan berat hampir 350 kg, menghasilkan arus 112 A dengan tegangan 58 V dan diperlukan 10 jam untuk mengisi penuh.


Bus listrik William Morrison. Sumber: american-automobiles.ru

Pada awal abad ke-20, 20 bus listrik berhasil beroperasi pada rute transportasi perkotaan di London, yang pada waktu itu lebih efisien dan ekonomis daripada rekan-rekan bensin mereka. Satu pengisian baterai cukup untuk 60 km, jadi di stasiun akhir baterai kosong diganti dengan yang baru - proses hanya memakan waktu tiga menit.


Bus listrik London dengan baterai yang dapat dilepas adalah prototipe Tesla masa depan dengan baterai yang dapat dilepas dengan cepat. Sumber: London Museum of Transport

Pada 1900, 38% mobil di Amerika Serikat ditenagai oleh listrik, tetapi meningkatkan mesin pembakaran internal dan menurunkan harga bahan bakar secara dramatis menghambat perkembangan industri transportasi listrik otonom - pada usia 30-an abad ke-20, bus listrik praktis telah menghilang. Tidak seperti mobil bensin, transportasi listrik tidak lebih murah, dan keadaan lingkungan sejauh ini belum menginspirasi kekhawatiran. Investasi lintas dalam bus dengan baterai telah menempatkan penampilan di 20-an dari troli murah.


Proses penggantian baterai dalam bus listrik sepenuhnya otomatis, seperti pada abad ke-21.
Sumber: British Library

Tetapi karena harga bahan bakar rendah di pertengahan abad ke-20, industri ICE mengambil jalur peningkatan volume, yang secara langsung mempengaruhi konsumsi bensin. Bahkan mobil dipasok dengan mesin enam liter yang tidak efisien, pemeliharaannya di tahun 70-an menjadi benar-benar "emas". Situasi saat ini menyebabkan lonjakan baru dalam popularitas kendaraan listrik. Jadi di Manchester Inggris pada tahun 1974, bus listrik Seddon Pennine 4-236 dengan baterai klorida datang ke rute kota.


Sebuah tembakan langka dari bus listrik Seddon Pennine 4-236 yang beroperasi pada tahun 1975.
Sumber: Alan Snatt

Satu-satunya mobil komersial universal yang tersisa dalam ingatan saat itu adalah minivan Mercedes-Benz LE 306, yang aki cepat-lepasannya memberikan daya sekitar 76 tenaga kuda, tetapi habis setelah hanya 50 km. Mobil itu hidup sampai 1983, setelah diuji oleh layanan pos kota Jerman Bonn, dinyatakan tidak menguntungkan.


Minivan listrik Mercedes-Benz LE 306 - pengingat era krisis bahan bakar. Sumber: Mercedes-Benz

Mereka mulai berbicara serius tentang produksi massal dan penggunaan kendaraan listrik hanya pada abad ke-20, ketika masyarakat mulai memikirkan ancaman lingkungan dan menyadari kerusakan lingkungan yang disebabkan oleh knalpot mobil. Berlawanan dengan latar belakang diskusi tentang isu-isu lingkungan, gagasan untuk mengubah bus diesel menjadi listrik telah menjadi sangat populer, dan munculnya baterai lithium-ion, yang dapat mengakumulasi energi dan menyediakan pergerakan otonom bus listrik untuk waktu yang lama, memainkan peran penting dalam hal ini. Penemuan baterai seperti itu juga memecahkan masalah ekonomi, membuat produksi dan pemeliharaan kendaraan listrik lebih ekonomis dan membuka jalan bagi itu ke pasar massal.

Masalah gizi

Dalam bus listrik modern, baterai atau super kapasitor digunakan untuk daya. Cara terakhir menyimpan energi menarik dengan caranya sendiri, meskipun sangat membatasi kemungkinan transportasi listrik.

Super kapasitor hanya dapat menyimpan energi 5% dibandingkan baterai lithium-ion dengan volume yang sama. Jelas, dengan sekali pengisian kapasitor, bus akan berjalan hanya beberapa kilometer, yang berarti tidak perlu membicarakan otonomi apa pun. Tetapi properti positif dari kapasitor adalah kecepatan pengisian. Diperlukan beberapa detik untuk memulihkan daya.


Supercapacitor Ultracap Bus Cina di halte dengan stasiun pengisian daya - terlihat seperti bagian dengan kabel troli. Sumber: Teknologi Shanghai Aowei

Jadi di kota Cina Ningbo ada bus kapasitor, yang hanya membutuhkan 10 detik untuk mengisi ulang - berkat infrastruktur stasiun pengisian yang dikembangkan, bus menerima energi di setiap perhentian selama naik dan pendaratan penumpang, yang biasanya berlangsung sedikit lebih lama. Selain itu, hingga 80% energi pengereman dikonversi menjadi listrik dan dikembalikan ke kapasitor - ini menghemat hingga 50%.

Superkapasitor terus ditingkatkan, tetapi pengenalan bus listrik pada baterai semacam itu membutuhkan infrastruktur yang sangat mahal dalam bentuk stasiun pengisian daya tinggi di setiap perhentian. Selain itu, situasi darurat dalam bentuk kemacetan yang tidak terduga dapat meninggalkan bus dengan kapasitor kosong di jalan dan menciptakan masalah tambahan untuk lalu lintas.

Baterai lithium-ion bukan jenis baterai khusus dengan komposisi tunggal yang disetujui, tetapi seluruh keluarga elemen energi. Pengembangan baterai lithium-ion adalah proses kompleks untuk menemukan keseimbangan yang diperlukan antara daya, kapasitas, kekompakan dan harga. Ideal belum ada. Setiap jenis baterai lithium-ion baik untuk aplikasi tertentu. Tidak semua dari mereka digunakan dalam kendaraan listrik, banyak yang menemukan tempat mereka di elektronik dengan konsumsi daya yang rendah.

Baterai Lithium cobalt oxide (LiCoO ₂ ), yang paling terjangkau dan populer saat ini, memiliki kapasitas yang sangat baik per satuan volume, biaya rendah, dan tegangan 3,6V per sel. Ini adalah jenis baterai yang akan Anda temukan di perangkat seluler dan elektronik konsumen portabel. Kerugian dari baterai tersebut juga diketahui: arus debit kecil, maksimum 1000 siklus pengisian / pengosongan sebelum degradasi serius tangki dimulai, pengisian yang lama dan ketidakmampuan untuk bekerja pada suhu rendah. Bus listrik di LiCoO ₂ akan lebih murah daripada jenis baterai lainnya, tetapi hanya dapat bekerja di negara-negara hangat di rute pendek dengan beban minimal, seperti transfer di dalam kampus.

Karena struktur tiga dimensi, baterai lithium-mangan (LiMn ₂ O ₄ ) mampu memberikan arus debit tinggi - hingga 30 kali kapasitasnya. Ini memungkinkan untuk menggunakan LiMn ₂ O ₄ pada perangkat dengan konsumsi energi jangka pendek yang tinggi, misalnya, pada mobil listrik Nissan Leaf dan BMW i3. Tetapi baterai lithium-mangan menunjukkan kelemahannya: bahkan lebih kecil dari usia baterai lithium-kobalt dan intoleransi terhadap dingin. Oleh karena itu, baterai lithium-mangan digabungkan dengan baterai jenis lain - NMC.


Baterai Nissan Leaf NMC adalah setengah dari harga baterai Tesla NCA, tetapi kapasitas kehilangan sekitar dua kali lebih cepat (70% setelah 100 ribu km). Sumber: Benjamin Nelson

Baterai lithium-nikel-mangan-kobal-oksida, atau hanya NMC, mendapat konsumsi energi spesifik yang baik dan masa pakai (hingga 2000 siklus buangan), tetapi arus buangannya ternyata kecil. Itulah sebabnya, untuk digunakan dalam kendaraan listrik, NMC dikombinasikan dengan LiMn ₂ O ₄ - selama berkendara normal, sel-sel NMC terutama bekerja, dan ketika berakselerasi, sel LiMn ₂ O ₄ memberikan arus yang tinggi.

Baterai lithium-nikel-kobal-aluminium-oksida (LiNiCoAlO ₂ , atau NCA) dicirikan oleh kapasitas spesifik yang tinggi dan biaya yang masuk akal. Kecepatan pengisian dan debit saat ini dari baterai NCA rata-rata, mereka tidak dapat ditulis menjadi kelebihan atau kekurangan. Itu adalah NCA yang menjadi sumber energi untuk mobil Tesla dan sistem penyimpanan Powerwall.


Baterai 85 kW Tesla Model S 85A NCA, ketika diganti karena keausan, dikirim ke sistem penyimpanan energi Tesla Powerwall. Sumber: wk057

Tetapi satu fitur baterai NCA membuat bayangan Tesla bahkan sebelum pemilik dapat mengalami masalah potensial - baterai memiliki siklus hidup 500 siklus yang sebanding dengan sel lithium-kobalt. Dan kemudian penggantian dan pembuangan barang usang. Pengalaman nyata menunjukkan bahwa bahkan setelah 200 ribu kilometer, baterai di kendaraan listrik Tesla tetap berfungsi, kehilangan sepertiga dari kapasitasnya. Tetapi, terlepas dari pengalaman positif ini, untuk kendaraan listrik perkotaan, baterai NCA bukanlah pilihan terbaik, karena jarak tempuh bus beberapa kali atau bahkan pesanan yang lebih besar daripada jarak tempuh mobil pribadi.

Respon titanate lithium

Baterai lithium titanate (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ , LTO) telah dikenal sejak tahun 80-an abad terakhir. Toshiba secara aktif mengembangkan dan memproduksi baterai jenis ini yang disebut SCiB (Super Charge Ion Battery). Untuk pembuatan anoda, mereka menggunakan litium titanat bukan grafit. Dalam hal ini, katoda dapat dipinjam dari baterai NMC. Mengganti grafit memungkinkan untuk meningkatkan area efektif anoda dari 3 m ² / g menjadi 100 m ² / g, yang menjadi lebih baik mempengaruhi laju pengisian sel dan arus luahan. Jadi pada tahun 2017, Toshiba menunjukkan baterai SCiB yang dapat memulihkan hingga 90% dari kapasitasnya hanya dalam 5 menit.


Struktur berpori litium titanat oksida menyediakan area 30 kali lebih besar dari grafit, dan masa pakai lebih lama. Sumber: KB "Energi"

Baterai lithium-titanate stabil mengeluarkan arus sepuluh kali kapasitasnya, dan tiga puluh kali pada beban berdenyut. Sampel awal bertahan hingga 7000 siklus buangan, dan baterai modern menyediakan siklus 15000-20000 - tidak ada baterai lithium-ion jenis lain yang dapat dibandingkan dengan indikator-indikator ini. Selain itu, baterai LTO tahan api, selama depressurization mereka memanas hingga 70 derajat dan dingin, mereka tidak takut terlalu panas. Dalam cuaca dingin, sel hampir tidak kehilangan efektivitasnya - pada suhu -30 derajat, kapasitas sel lithium-titanat berkurang hingga 80% dari nilai nominal.


Baterai lithium-titanate Toshiba yang digunakan dalam bus Proterra. Sumber: Proterra

Kelangsungan hidup yang luar biasa, muatan instan, tahan dingin. Kedengarannya seperti baterai yang sempurna untuk ponsel Anda. Tetapi baterai KPP juga memiliki kelemahan, yang sejauh ini membatasi ruang lingkup mereka. Pertama-tama, ini adalah kapasitas spesifik rendah 50-80 W / kg, sedangkan untuk sel lithium-kobalt tradisional adalah 150-200 W / kg - yaitu, untuk memperoleh kapasitas yang sama, sel litium-titanat harus dua kali atau tiga kali lebih besar. Kedua, tegangan sel pengenal hanya 2,4 V dibandingkan dengan 3,6 V untuk lithium cobalt. Ketiga, sementara baterai lithium-titanate memiliki harga tinggi, tiga kali lebih tinggi dari baterai NCA. Itulah mengapa belum memungkinkan untuk mengintegrasikan baterai litium-titanat ke dalam smartphone - Anda akan mendapatkan elemen mahal dengan kapasitas rendah dan tegangan yang tidak memadai agar perangkat berfungsi.

Tetapi di bus listrik, di mana tidak ada kekurangan ruang, dan juga membutuhkan daya tahan baterai yang tinggi, baterai lithium-titanate adalah tempat untuk pergi.


Grafik menunjukkan jarak tempuh mesin uji pada baterai SCiB dan lithium-cobalt-oxide. Keuntungan SCiB lebih dari jelas. Sumber: Toshiba

Masalah pengisian ulang

Tanpa infrastruktur yang dikembangkan, bus listrik berubah menjadi masalah. Anda dapat mengisi daya bus listrik dengan tiga cara berbeda: pengisian malam yang panjang, pengisian cepat di stasiun akhir dan pengisian cepat di halte.

Stasiun pengisian di halte angkutan umum diperlukan, misalnya, dengan bus listrik di superkapasitor: area kontak atau kabel dipasang di atas paviliun, yang disentuh oleh bus dengan pantograf. Jika super kapasitor memiliki daya yang cukup selama beberapa detik, maka setidaknya diperlukan beberapa menit untuk mengisi ulang baterai. Mempertimbangkan bahwa baterai lithium-titanate Toshiba modern memulihkan sebagian besar muatan dalam lima menit, cukup untuk memasang hanya beberapa stasiun pengisian daya pada jaringan rute bus yang dapat membuat baterai bus tetap terisi daya.

Pengisian malam yang panjang di angkutan umum hanya digunakan bersama dengan salah satu dari dua metode lainnya. Tidak mungkin untuk mengisi bus hanya sekali sehari dan mengirimkannya ke rute sepanjang hari karena alasan obyektif. Pertama, untuk bekerja setidaknya setengah hari, Anda membutuhkan baterai yang sangat luas yang akan memakan banyak ruang di kabin - keadaan ini secara tajam meningkatkan biaya setiap bus. Kedua, perlu untuk membawa saluran listrik yang sangat kuat ke depot bus untuk secara bersamaan memasok puluhan dan bahkan ratusan bus.


Bus listrik seri KamAZ sedang mengisi daya di perhentian terakhir rute Moskow No. 73.
Sumber: alisa

Apa selanjutnya

Transportasi listrik kota selalu dianggap eksotis yang meragukan, dan sekarang ratusan ribu bus listrik bekerja di dunia. Juara dalam mengadaptasi teknologi baru adalah Cina, di mana hampir 99% dari bus listrik yang ada di dunia berada. Menurut perkiraan Bloomberg, Keuangan Energi Baru, pada 2025 47% bus di dunia akan listrik.

Rusia juga tidak ketinggalan tren dunia. Setiap tahun, banyak kota Rusia membeli kendaraan listrik dan menempatkannya di rute permanen, menciptakan infrastruktur khusus, dan menawarkan solusi di bidang pasokan energi. Ada kemungkinan bahwa transisi ke transportasi listrik akan berlangsung selama beberapa dekade dan, mungkin, kita akan menangkap waktu ketika mobil listrik pribadi akan berhenti menjadi barang mewah dan akan bersaing dengan analog diesel.