Este é um ônibus elétrico: o que sabemos sobre o transporte com bateria

Após o surgimento do primeiro veículo elétrico no século 19 e o segundo aumento na popularidade nos anos 70 do século 20, os ônibus elétricos voltaram às ruas das cidades. Você pode descobrir o que influenciou o desenvolvimento deles e como as tecnologias mudaram: da criação de baterias capacitivas ao desenvolvimento da infraestrutura de carregamento em nosso novo artigo.

O primeiro veículo elétrico: saudações do século XIX

Os carros elétricos apareceram muito antes dos carros com um motor de combustão interna. Gottlieb Daimler e Karl Benz patentearam os primeiros carros automotores com gasolina ICE em 1886, enquanto o primeiro carro elétrico para transporte de pessoas foi introduzido em 1837. Devido ao alto custo e baixa eficiência, os primeiros carros elétricos não podiam competir com carros com motor a vapor. O custo de manutenção de um carro com bateria de zinco foi 40 vezes superior ao custo de manutenção de um motor a vapor a carvão.

Após o advento de baterias de chumbo-ácido acessíveis, os carros elétricos conseguiram entrar na moda por um tempo. Em 1890, o americano William Morrison construiu o primeiro ônibus elétrico - um carro com capacidade para 6 pessoas, que acelera até 19 km / h e viaja com uma única carga de até 160 km. 24 baterias, pesando quase 350 kg no total, produziram uma corrente de 112 A com uma voltagem de 58 V e levaram 10 horas para recarregar completamente.


O ônibus elétrico de William Morrison. Fonte: american-automobiles.ru

No início do século 20, 20 ônibus elétricos operavam com sucesso em rotas de transporte urbano em Londres, que na época eram mais eficientes e econômicas do que suas contrapartes a gasolina. Uma carga de bateria era suficiente por 60 km, então, nas estações finais, as baterias vazias foram substituídas por novas - o processo levou apenas três minutos.


O ônibus elétrico de Londres com uma bateria removível é o protótipo do futuro Tesla com baterias removíveis rapidamente. Fonte: Museu dos Transportes de Londres

Em 1900, 38% dos carros nos Estados Unidos eram movidos a eletricidade, mas a melhoria dos motores de combustão interna e a redução dos preços dos combustíveis prejudicaram drasticamente o desenvolvimento da indústria autônoma de transporte elétrico - nos anos 30 do século XX, os ônibus elétricos praticamente desapareceram. Ao contrário dos carros a gasolina, o transporte elétrico não era mais barato, e o estado do meio ambiente até agora não inspirou nenhuma preocupação. A cruzada nos investimentos em ônibus com baterias colocou a aparência nos anos 20 dos trólebus baratos.


O processo de substituição da bateria em um ônibus elétrico é totalmente automático, como no século XXI.
Fonte: Biblioteca Britânica

Porém, devido aos baixos preços dos combustíveis em meados do século XX, a indústria de ICE tomou o caminho do aumento do volume, o que afetou diretamente o consumo de gasolina. Até os carros eram fornecidos com motores ineficientes de seis litros, cuja manutenção nos anos 70 se tornou literalmente "dourada". A situação atual causou um novo aumento na popularidade dos veículos elétricos. Assim, em Manchester inglês, em 1974, os ônibus elétricos Seddon Pennine 4-236 com baterias de cloreto chegaram às rotas da cidade.


Um tiro raro do ônibus elétrico Seddon Pennine 4-236 em operação em 1975.
Fonte: Alan Snatt

O único carro comercial universal que ficou na memória daquela época foi a minivan Mercedes-Benz LE 306, cuja bateria destacável rápida fornecia potência de cerca de 76 cavalos de potência, mas ficou esgotada após apenas 50 km. O carro viveu até 1983, após o teste pelo serviço postal da cidade alemã de Bonn, foi declarado não rentável.


Minivan elétrica Mercedes-Benz LE 306 - um lembrete da era da crise de combustível. Fonte: Mercedes-Benz

Eles começaram a falar seriamente sobre a produção em massa e o uso de veículos elétricos apenas no século 20, quando a sociedade começou a pensar em ameaças ambientais e a perceber os danos ambientais causados ​​pelo escapamento de um carro. No contexto de uma discussão sobre questões ambientais, a idéia de converter ônibus a diesel em eletricidade tornou-se bastante popular, e o surgimento de baterias de íons de lítio que podem acumular energia e fornecer movimento autônomo de ônibus elétricos por um longo tempo tem desempenhado um papel significativo. A invenção dessas baterias também resolveu o problema econômico, tornando a produção e manutenção de veículos elétricos mais econômica e abrindo caminho para o mercado de massa.

Questões nutricionais

Nos modernos ônibus elétricos, baterias ou supercapacitores são usados ​​para energia. A última maneira de armazenar energia é interessante à sua maneira, embora limite muito as possibilidades de transporte elétrico.

Os supercapacitores podem armazenar apenas 5% da energia em comparação com as baterias de íon-lítio de volume semelhante. Obviamente, com uma única carga do capacitor, o ônibus percorre apenas alguns quilômetros, o que significa que não há necessidade de falar sobre nenhum tipo de autonomia. Mas a propriedade positiva dos capacitores é a velocidade de carregamento. Leva alguns segundos para restaurar a cobrança.


O supercapacitor chinês Ultracap Bus, em uma parada com uma estação de carregamento - parece uma seção com fios de trólebus. Fonte: Shanghai Aowei Technology

Portanto, na cidade chinesa de Ningbo, há um ônibus capacitivo, que leva apenas 10 segundos para recarregar - graças à infraestrutura desenvolvida das estações de carregamento, o ônibus recebe energia em cada parada durante o embarque e desembarque de passageiros, que geralmente dura um pouco mais. Além disso, até 80% da energia de frenagem é convertida em eletricidade e devolvida aos capacitores - economizando até 50%.

Os supercapacitores estão sendo constantemente aprimorados, mas a introdução de ônibus elétricos nessas baterias requer uma infraestrutura muito cara na forma de estações de carregamento de alta potência em cada parada. Além disso, situações de emergência na forma de engarrafamentos inesperados podem deixar um ônibus com capacitores descarregados na estrada e criar problemas adicionais para o tráfego.

Uma bateria de íon de lítio não é um tipo específico de bateria com uma única composição aprovada, mas toda uma família de elementos de energia. O desenvolvimento de baterias de íons de lítio é um processo complexo para encontrar o equilíbrio necessário entre potência, capacidade, compacidade e preço. O ideal ainda não existe. Cada tipo de bateria de íon de lítio é adequado para uma aplicação específica. Nem todos são usados ​​em veículos elétricos, muitos encontram seu lugar na eletrônica com baixo consumo de energia.

As baterias de óxido de cobalto e lítio (LiCoO ₂ ), as mais acessíveis e populares atualmente, têm excelente capacidade por unidade de volume, baixo custo e tensão de 3,6V por célula. Esse é o tipo de bateria que você encontrará em dispositivos móveis e eletrônicos portáteis. As desvantagens dessas baterias também são conhecidas: uma pequena corrente de descarga, um máximo de 1000 ciclos de carga / descarga antes do início de uma degradação séria do tanque, carregamento prolongado e incapacidade de trabalhar a baixas temperaturas. Um barramento elétrico em LiCoO ₂ custará menos do que em outros tipos de baterias, mas só pode funcionar em países quentes em rotas curtas com carga mínima, como transferências dentro dos campi.

Devido à sua estrutura tridimensional, a bateria de lítio-manganês (LiMn ₂ O ₄ ) foi capaz de fornecer uma alta corrente de descarga - até 30 vezes a sua capacidade. Isso possibilitou o uso do LiMn ₂ O ₄ em dispositivos com alto consumo de energia a curto prazo, por exemplo, nos carros elétricos Nissan Leaf e BMW i3. Mas as baterias de lítio-manganês mostraram suas desvantagens: menos ainda que a vida útil das baterias de lítio-cobalto e intolerância ao frio. Portanto, as baterias de lítio-manganês são combinadas com outro tipo de bateria - NMC.


A bateria Nissan Leaf NMC é metade do preço da bateria Tesla NCA, mas a capacidade perde cerca de duas vezes mais rápido (70% após 100 mil km). Fonte: Benjamin Nelson

As baterias de lítio-níquel-manganês-óxido de cobalto, ou simplesmente NMC, receberam um bom consumo de energia específico e uma vida útil (até 2000 ciclos de descarga), mas sua corrente de descarga acabou sendo pequena. É por isso que, para uso em veículos elétricos, as NMCs são combinadas com o LiMn ₂ O ₄ - durante a condução normal, as células NMC funcionam principalmente e, ao acelerar, as células LiMn ₂ O ₄ fornecem alta corrente.

As baterias de lítio-níquel-cobalto-alumínio-óxido (LiNiCoAlO ₂ ou NCA) são caracterizadas por uma alta capacidade específica e um custo razoável. A velocidade de carregamento e a corrente de descarga das baterias NCA são médias, não podem ser consideradas vantagens ou desvantagens. Foi a NCA que se tornou a fonte de energia para carros Tesla e sistemas de armazenamento Powerwall.


A bateria Tesla Modelo S 85A NCA de 85 kW, quando substituída devido ao desgaste, é enviada aos sistemas de armazenamento de energia Tesla Powerwall. Fonte: wk057

Mas uma característica das baterias da NCA lança uma sombra sobre a Tesla antes mesmo que os proprietários possam ter problemas em potencial - as baterias têm um ciclo de vida de 500 ciclos comparável às células de lítio-cobalto. E então a substituição e descarte de itens gastos. A experiência real mostrou que, mesmo após 200 mil quilômetros, as baterias dos veículos elétricos da Tesla continuam funcionando, perdendo um terço de sua capacidade. Mas, apesar dessa experiência positiva, para veículos elétricos urbanos, as baterias NCA não são a melhor escolha, porque a quilometragem de ônibus é várias vezes ou até mesmo ordens de magnitude maiores que a quilometragem de carros particulares.

Resposta ao titanato de lítio

As baterias de titanato de lítio (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ , LTO) são conhecidas desde os anos 80 do século passado. A Toshiba está desenvolvendo e produzindo ativamente esse tipo de bateria chamada SCiB (Super Charge Ion Battery). Para a fabricação do ânodo, eles usam titanato de lítio em vez de grafite. Nesse caso, o cátodo pode ser emprestado das baterias NMC. A substituição da grafite tornou possível aumentar a área efetiva do ânodo de 3 m ² / g para 100 m ² / g, o que para melhor afeta a velocidade de carregamento da célula e a corrente de descarga. Portanto, em 2017, a Toshiba demonstrou uma bateria SCiB que pode restaurar até 90% de sua capacidade em apenas 5 minutos.


A estrutura porosa do óxido de titanato de lítio fornece uma área 30 vezes maior que a grafite e uma vida útil muitas vezes maior. Fonte: KB "Energia"

As baterias de titânio e lítio emitem de forma estável a corrente dez vezes sua capacidade e trinta vezes em cargas pulsadas. As primeiras amostras suportaram até 7000 ciclos de descarga e as baterias modernas fornecem 15000-20000 ciclos - nenhum outro tipo de bateria de íon de lítio pode ser comparado com esses indicadores. Além disso, as baterias LTO são à prova de fogo; durante a despressurização, esquentam até 70 graus e esfriam, também não têm medo de superaquecer. No tempo frio, a célula quase não perde sua eficácia - a uma temperatura de -30 graus, a capacidade de uma célula de titanato de lítio diminui para 80% do valor nominal.


Bateria Toshiba-titanato de lítio usada em barramentos Proterra. Fonte: Proterra

Sobrevivência incrível, carga instantânea, resistência ao frio. Parece a bateria perfeita para o seu telefone. Mas as baterias LTO também têm suas desvantagens, que até agora limitam seu escopo. Em primeiro lugar, essa é uma baixa capacidade específica de 50-80 W / kg, enquanto para as células tradicionais de lítio-cobalto é de 150-200 W / kg - ou seja, para obter uma capacidade igual, uma célula de titânio e lítio deve ser duas ou três vezes maior. Em segundo lugar, a tensão nominal da célula é de apenas 2,4 V em comparação com 3,6 V para o cobalto de lítio. Em terceiro lugar, enquanto as baterias de titânio e lítio têm um preço alto, três vezes superior ao das baterias NCA. É por isso que ainda não é possível integrar uma bateria de titânio e lítio em um smartphone - você receberá um elemento caro com baixa capacidade e tensão insuficiente para o dispositivo funcionar.

Mas em ônibus elétricos, onde não há falta de espaço, e também requer uma alta duração da bateria, as baterias de titânio e lítio são o lugar certo.


O gráfico mostra a quilometragem de uma máquina de teste em baterias SCiB e óxido de lítio-cobalto. A vantagem do SCiB é mais do que óbvia. Fonte: Toshiba

Problema de recarga

Sem uma infraestrutura desenvolvida, um ônibus elétrico se transforma em um problema. Você pode carregar um ônibus elétrico de três maneiras diferentes: carregamento noturno prolongado, carregamento rápido nas estações finais e carregamento expresso nas paradas.

As estações de carregamento nos pontos de transporte público são necessárias, por exemplo, por ônibus elétricos em supercapacitores: uma área de contato ou fios são instalados acima do pavilhão, nos quais o ônibus toca com um pantógrafo. Se os supercapacitores tiverem energia suficiente por vários segundos, serão necessários pelo menos alguns minutos para recarregar a bateria. Considerando que as modernas baterias de titânio e lítio Toshiba recuperam a maior parte da carga em cinco minutos, basta instalar apenas algumas estações de carregamento na rede de rotas de ônibus que podem manter as baterias de ônibus carregadas.

O carregamento noturno no transporte público é usado apenas em conjunto com um dos outros dois métodos. É impossível carregar o ônibus apenas uma vez por dia e enviá-lo para a rota durante todo o dia por razões objetivas. Em primeiro lugar, para trabalhar por pelo menos meio dia, você precisa de baterias muito espaçosas que ocupam muito espaço na cabine - essa circunstância aumenta drasticamente o custo de cada ônibus. Em segundo lugar, é necessário trazer linhas de energia muito poderosas para o terminal de ônibus, a fim de fornecer simultaneamente dezenas e até centenas de ônibus.


O ônibus elétrico serial KamAZ está sendo carregado na parada final da rota 73 de Moscou.
Fonte: alisa

O que vem a seguir?

O transporte elétrico da cidade sempre foi considerado um exótico duvidoso, e agora centenas de milhares de ônibus elétricos trabalham no mundo. A campeã na adaptação de novas tecnologias é a China, onde quase 99% dos ônibus elétricos existentes no mundo estão localizados. De acordo com as estimativas da Bloomberg New Energy Finance, até 2025, 47% dos ônibus no mundo serão elétricos.

A Rússia também não fica atrás das tendências mundiais. Todos os anos, muitas cidades russas compram veículos elétricos e os colocam em rotas permanentes, criam infraestrutura especial e oferecem soluções no campo do fornecimento de energia. É possível que a transição para o transporte elétrico se arraste por décadas e, talvez, aproveitemos o momento em que os carros elétricos pessoais deixarão de ser um item de luxo e competirão com os análogos do diesel.