журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
2003 год
2004 год
рубрики
ТЕМА НОМЕРА

ИТОГИ И ТЕНДЕНЦИИ

КОМПАНИИ И РЫНКИ

РЫНОК ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

ЦЕНОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"Металлы мира" – №3, 2001

ТЕМА НОМЕРА

Аккумуляторы без свинца: далекая перспектива или близкая реальность?

В мировой автомобильной промышленности готовится новый технический переворот

Аренда опалубки аренда опалубки.

Единственная крупная сфера потребления свинца – сектор автомобильных аккумуляторов, поэтому утрата этого рынка может обернуться катастрофой для производителей металла. В последние годы такая угроза становится все более реальной: современные тенденции в автомобильной промышленности могут привести к замене кислотно-свинцовых аккумуляторов (КСА) альтернативными источниками тока. Конструкторы автомобилей склоняются к использованию в электрической сети более высокого напряжения: в проектируемых моделях будет устанавливаться генератор переменного тока, поддерживающий в сети напряжение 42 В; в этих условиях необходимо использовать аккумуляторы, у которых напряжение разомкнутой цепи составляет 36 В (в отличие от современных 14 и 12 В соответственно). При этом, естественно желание автостроителей, чтобы новые источники тока не превышали по весу, габаритам и стоимости традиционные КСА с напряжением 12 В. Одновременное выполнение всех этих требований представляется нереальным, и сектор аккумуляторов изучает возможности создания батарей, удовлетворяющих для начала первым двум – по весу и размерам. Поиски решения проблемы ведутся в двух направлениях: создание никельметаллгидридных (НМГ) и литийионных (ЛИ) источников с требуемыми характеристиками; разработка принципиально новой конструкции КСА. Пока не ясно, сумеют ли производители кислотно-свинцовых аккумуляторов вовремя предложить собственное решение: по мнению многих обозревателей, серийное производство автомобилей с новым электрооборудованием начнется уже в 2002-2003 годах.

Энергетический кризис

в одном отдельно взятом автомобиле

Уже более 60 лет во всем мире на автомобили устанавливают КСА с напряжением 12 В, которые обеспечивают питание осветительных приборов, системы зажигания, электродвигателей стартера, стеклоочистителей и пр. Недостатки таких источников тока – низкий к.п.д. и ограниченное количество циклов заряд-разряд, сильная зависимость токоотдачи от температуры и степени зарядки, а также большой вес – более чем компенсируются их низкой стоимостью и простотой утилизации. При этом технология производства кислотных аккумуляторов сохраняется практически неизменной в течение 50 лет; некоторые усовершенствования были сделаны только в части ресурса и технического обслуживания. До сих пор КСА с напряжением 12 В справлялись с нагрузкой, которая увеличивалась по мере усовершенствования комфортабельности автомобиля: центральные замки, электрические стеклоподъемники, электропривод регулировки сидений, наружных зеркал и т.п. Однако тенденция к замене механических устройств электроприводными набирает силу, так что скоро 12-вольтные аккумуляторы уже не смогут справляться с дальнейшим увеличением нагрузки на сеть. С другой стороны, переход к более мощной электрической сети с напряжением 42 В позволит освободить двигатель от побочных потребителей и повысить топливную экономичность автомобиля.

При проектировании новых моделей топливная экономичность имеет высший приоритет, ее наращивание – основная задача конструкторов. В США это непосредственно связано с соответствующими национальными программами, в Европе – с экологическими требованиями (снижение уровня эмиссии двуокиси углерода). В настоящее время значительная часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания (как бензиновым, так и дизельным), расходуется на работу водяного и бензинового насосов, усилителей тормозов и рулевого управления, воздушных кондиционеров (посредством прямого механического соединения либо через гидравлическую систему).

При этом, гидроусилитель рулевого управления потребляет больше всего энергии при высоких скоростях движения автомобиля – именно тогда, когда он менее всего необходим. Кроме того, в существующих конструкциях размеры водяного насоса вынужденно громоздки для обеспечения эффективного охлаждения двигателя в режиме медленного движения в жаркую погоду. Если же эти устройства будут электроприводными, появится возможность значительно расширить наблюдение и контроль за этими системами, а также повысить их эксплуатационные характеристики благодаря использованию микроэлектроники. Более того, микроэлектроника позволит осуществлять контроль и "компьютерное" управление функционированием всей подвески автомобиля, что значительно улучшит его скоростные качества и легкость вождения.

Переход к более высокому напряжению в сети позволит также решить проблему обогрева кабины. Эта проблема появилась потому, что современные системы подачи горючей смеси и методы ее воспламенения обеспечивают более эффективную работу двигателя при меньшем тепловыделении. В результате в некоторых моделях автомобилей нагрев охлаждающей жидкости оказывается недостаточным для эффективного обогрева салона; единственная возможность устранить этот недостаток – обеспечить соответствующий электрообогрев.

К тому же, электроприводные вспомогательные устройства не будут связаны с работой двигателя, и его топливная эффективность резко возрастет. Также можно будет реализовать некоторые новые концепции в конструкции газораспределительного механизма, например электромеханический контроль работы клапанов, что освободит двигатель от стержней толкателей, габаритных зубчатых ремней и цепей привода распределительного вала. Отказ от цепей и механических приводов упростит монтаж, увеличит возможности маневра в плане расположения деталей и снизит уровень шума. Исследования, проведенные компанией Delphi Automotive, крупнейшим в США производителем автомобильных деталей, показали, что при отказе от ременных приводов топливная эффективность увеличивается на 10%. Другие разработки свидетельствуют, что генераторы переменного тока напряжением 42 В более эффективны при всех режимах работы двигателя, чем традиционные 14-вольтные, и приводят к экономии топлива у автомобилей средней категории на 15%.

Электрический переворот

в автомобильной промышленности

Наиболее значительное конструкционное новшество при подходящем напряжении в сети – возможность объединить двигатель стартера и генератор в единый блок (ISA), расположенный между двигателем и коробкой передач. Это позволяет конструктивно реализовать автоматическую остановку двигателя в момент остановки автомобиля и его повторный запуск при нажатии педали акселератора, если аккумулятор обеспечивает необходимую мощность на протяжении необходимых для этого нескольких миллисекунд. При такой конструкции экономия топлива составляет 8-10%. Действительно, при остановке на перекрестке (красный свет) двигатель глохнет автоматически и заводится, только когда нужно возобновить движение после смены сигналов светофора. Использование ISA позволяет также снизить потери энергии в проводах, возникающие при подзарядке аккумулятора.

По данным английского консультационного агентства автомобильной промышленности Knibb, Gormezano & Partners, потребление электроэнергии в легких автомобилях увеличилось от 500 Вт в 1999 году до 1 кВт в 2000-м, в моделях среднего размера – до 1,5 кВт, а в тяжелых – до 2 кВт. Согласно оценкам, к 2005 году потребляемая этими автомобилями мощность достигнет соответственно 1,5; 2,8 и 3,5 кВт. Даже если бы существующая система могла выдерживать дополнительную нагрузку (что весьма сомнительно), увеличение сечения проводов, необходимое для пропускания больших токов, приведет к значительному росту веса и проблемам монтажа объемистой электропроводки. Практически электропроводка легких транспортных средств может пропускать токи до 200 А, которые при существующей 14-вольтной системе обеспечивают мощность около 3 кВт; очевидна необходимость перехода к более высоким напряжениям. По существующим положениям, 42 В – максимальное напряжение, которое можно использовать в незаземленной электрической системе; при этом напряжении и токах не более 200 А мощность составляет, примерно, 9 кВт.

Консорциум, созданный при Массачусетском технологическом институте, уже разработал систему электрооборудования автомобиля с напряжением в сети 42 В, предназначенную для повсеместного внедрения, хотя еще не все узлы схемы четко определены. Автомобили с такой системой электрооборудования находятся на стадии проектирования в Европе и США.

По мнению американского консорциума Advanced Lead-Acid Battery Consortium (ALABC), новые модели появятся на рынке в 2003-2004 годах, начиная с сектора самых дорогих автомобилей. Однако Knibb, Gormezano & Partners сообщает, что одна из европейских компаний уже в 2002 году намерена выпустить оснащенную ISA модель с очень маленьким дизельным двигателем; этот блок ISA допускает функционирование в режиме "старт-остановка" и способен возвращать аккумулятору от двигателя 4-5 кВт электроэнергии в режиме ускорения. Модель будет оснащена 42-вольтной сетью. Другие компании начнут выпускать такие автомобили в 2003 году, а в 2006-м на рынке появится уже довольно много моделей с 42-вольтной сетью. Следует ожидать, что к 2010 году в Европе будет ежегодно выпускаться 4 млн. таких автомобилей, в Японии – 2 млн., в США – 2 млн. легковых и 4,5 млн. легких грузовых автомобилей. Вообще говоря, их, вероятно, будет значительно больше, причем, в первую очередь, – моделей "люкс". У этих моделей высокая стоимость будет компенсирована дополнительной комфортабельностью.

Среди европейских компаний наибольший энтузиазм по отношению к новой системе электрооборудования выражает Renault, но BMW, DaimlerChrysler и VW тоже проявляют значительный интерес. В США United States Council for Automotive Research создает рабочую группу для руководства промышленностью при переходе к 42-вольтной системе, а Society of Automotive Engineers формирует консультационный комитет. Тем не менее, маловероятно, что значительные перемены произойдут в ближайшие три года: в любой автомобильной компании выпуск новых моделей начинается не мгновенно, ему предшествует определенный предпроизводственный период. При этом, ни одна компания, кроме Renault, пока еще не приняла окончательного решения о переходе к 42-вольтной системе, который планируется осуществить в два этапа. На первом будет существовать система двойного напряжения, что можно реализовать либо устанавливая по два аккумулятора (12 В и 36 В) на автомобиль, либо при одной 36-вольтной батарее, применяя постояннотоковый преобразователь напряжения от 36 к 12 В, которые необходимы для некоторых случаев. Вероятно, схема с двойным напряжением будет использоваться, по крайней мере, до 2007 года. Тем не менее, хотя вариант сдвоенных аккумуляторов предоставляет их конструкторам много степеней свободы в отношении оптимизации характеристик каждого их них в соответствии со специфическими назначениями, для создания 36-вольтной части потребуются значительные технологические новшества, чтобы она соответствовала требованиям в отношении размера, веса, характеристик, надежности и стоимости.

Новое – это хорошо усовершенствованное старое

В сложившейся ситуации перспективы КСА сохранить рынок в автомобильном секторе пока не ясны. По мнению Knibb, Gormezano & Partners, стартово-остановочный режим автомобиля с ISA находится за пределами возможностей свинцово-кислотных батарей. Кроме того, за десять лет жизни аккумулятор используется для запуска двигателя, в среднем, 7 тыс. раз, а теперь потребуется, чтобы это число было увеличено в 50 раз – до 350 тыс. Кроме того, несмотря на прочные позиции КСА, обеспеченные низкой стоимостью и преимуществами в отношении экологии (исключительные возможности утилизации), им начинают составлять конкуренцию литийионные и никельметаллгидридные источники тока. Удельная энергия больших свинцово-кислотных аккумуляторов находится в диапазоне 35-50 Вт-ч на кг, никель-металлгидридных – 55-70, и хотя у литийионных источников эта характеристика может достигать 120 Вт-ч на кг, при высоких скоростях разряда можно получать только половину этой энергии. Рассматриваются также литийполимерные варианты, поскольку они могут хранить достаточно энергии, чтобы поддерживать ускорение, и получать энергию от рекуперативной тормозной системы. Никелькадмиевые источники не могут быть конкурентами, поскольку в связи с директивами ЕС они должны быть изъяты из употребления до 2010 года.

Тем не менее, исследования, предпринятые компаниями Renault, Exide и Valeo, показали, что для их целей КСА предпочтительнее. Эксплуатационные расходы по сравнению с эффективностью у КСА значительно ниже, чем у всех других известных источников тока, что дает им безусловное преимущество, по крайней мере, в дешевой части автомобильного рынка. Кроме того, все альтернативные источники тоже имеют существенные недостатки либо в отношении стоимости, либо в плане ограниченного интервала рабочих температур, безопасности, времени саморазряда или возможностей контроля степени зарядки. Поэтому ожидается, что свинцово-кислотные аккумуляторы с системой контроля и регулирования клапанов зарядки станут среднесрочными кандидатами для обеих частей сдвоенной системы (12 В/14 В). Если не появятся новые альтернативы, из всех конкурентов только КСА имеют очевидные преимущества и длительный опыт использования в электрооборудовании транспортных средств.

Автомобильному сектору потребуются, вероятно, и традиционные, и новые системы, но в будущем необходимо значительно улучшить коэффициент утилизации. Некоторые модели КСА предоставляют хорошие возможности для восстановления, их можно будет использовать повторно, если и не 10 раз, то 2-3 раза несомненно. Однако этого недостаточно, а никельметаллгидридные системы предоставляют значительно большие возможности. По мнению германской компании Varta, свинцовые аккумуляторы не смогут полностью удовлетворить рынок, потребуются также никельметаллгидридные или литийионные источники.

Исследовательский центр корпорации Fiat определил требования к свинцовокислотным аккумуляторам с напряжением 36 В следующим образом: емкость – 25-50 ампер-часов, высокая скорость токоотдачи, хорошая способность к перезарядке и низкая стоимость. Таким образом, у КСА имеется принципиальная возможность сохранить рынок: надо всего лишь срочно создать 36-вольтный аккумулятор; правда, он не должен быть в три раза больше и тяжелее традиционного…

Многие производители аккумуляторов уже создали удовлетворяющие технические условия 36-вольтные свинцовокислотные прототипы, однако пока еще нет общего согласия с автостроителями по поводу размеров, емкости и т.д. Требование потребителей, чтобы размеры и вес были такими же, что и у 12-вольтных образцов, нереалистично. Новые аккумуляторы первого поколения будут более габаритными и тяжелыми несмотря на тенденцию к снижению толщины пластин. Плотность энергии увеличится ненамного, а использование свинца повысится, примерно, на 10%. Улучшится контроль функционирования аккумулятора в результате использования электроники: можно будет получить больше информации о его состоянии, и, следовательно, появится возможность управлять степенью его зарядки. В разработке новых типов КСА дальше других продвинулись компании Varta и Johnson Control.

Сумма технологий

Компания Varta производит свинцово-кислотные аккумуляторы с сепараторами из стекловолокна (технология AGM – absorptive glass matt). Сепараторы поглощают кислоту, предотвращая ее утечку, обеспечивают высокий коэффициент удельной энергии и возможность маневра в размещении батареи на автомобиле. В рамках этой технологии Varta проводит усовершенствования, направленные на повышение коэффициента рабочего цикла и разрабатывает новую систему управления аккумулятором. Компания перешла к производству (для сегодняшних автомобилей) сетчатых положительных электродов из свинцово-кальциево-серебряного сплава, что обеспечивает низкий расход воды; при этом КСА не нуждается в техническом обслуживании и имеет больший ресурс. В этих аккумуляторах используются высокоэффективные короткие пластины и оптимизированная конструкция сетки с центральным расположением монтажных лепестков. В результате имеется короткая и очень мощная 12-вольтная батарея; сейчас разработан 36-вольтный образец, состоящий из двух блоков, каждый из которых содержит по девять ячеек.

Прототип аккумулятора компании Johnson Control имеет принципиально новую конструкцию, центр которой – спиральный электрод. На основе тонкопленочной технологии Bolder производится свинцовая фольга, которую сворачивают в спираль и снабжают токоотводами; полученные таким образом элементы плотно упаковывают в корпус аккумулятора "Inspira". В этой конструкции электрод имеет большую площадь поверхности, а межэлектродное расстояние уменьшено; соответственно, значительно снижено внутреннее сопротивление, поэтому система может функционировать при значительно больших плотностях тока. Потребление свинца на 1 кВт-ч в этой конструкции такое же, как и в традиционных устройствах. Прототип снабжен системой управления клапанами зарядки. В результате, 36-вольтная батарея имеет практически тот же размер, что и традиционная 12-вольтная, но поставляет в пять раз больше энергии на единицу массы и в три раза больше энергии на единицу объема. Технология Inspira хорошо приспособлена к назначениям, где требуются частые короткие посылки энергии постоянного высокого напряжения и быстрая перезарядка. Такие аккумуляторы дают высокую энергию, но их недостаток – высокая стоимость. Образцы уже представлены автомобильным компаниям для испытаний.

Появление нового поколения аккумуляторов произошло в трудное время для рынка источников тока: европейский сектор подавлен перепроизводством, импортом и трудной маркетинговой ситуацией, связанной с концентрацией внутри автомобильного сектора.

По мнению аналитиков Varta, развитие технологий в секторе автомобильных аккумуляторов не окажет влияния на уровень потребления свинца в ближайшие пять лет, но в дальнейшем эта ситуация изменится, хотя бы потому, что будут подключаться другие типы батарей. Пока слишком рано судить, приведет это к росту или к снижению уровня потребления свинца на автомобиль. В любом случае, потребление свинца сектором источников тока больше зависит от флуктуаций в общей экономической ситуации, чем от изменения технологии.

Галина Резник,
по материалам Metal Bulletin

 
© агенство "Стандарт"