これは電気バスです：バッテリーでの輸送について何を知っていますか

19世紀に最初の電気自動車が登場し、20世紀の70年代に2度目の人気を博した後、電気バスは再び街の通りに向かいました。 新しい記事で、開発に影響を与えたものと、テクノロジーの変化（容量の大きいバッテリーの作成から充電インフラの開発まで）を確認できます。

最初の電気自動車：19世紀からの挨拶

電気自動車は、内燃機関を搭載した車よりもずっと前に登場しました。 ゴットリーブダイムラーとカールベンツは、1886年にガソリンICEを搭載した最初の自走式カートの特許を取得し、1837年に人を輸送する最初の電気自動車が導入されました。 高コストと低効率のため、最初の電気自動車は蒸気エンジンを搭載した車と競合できませんでした。 亜鉛電池を搭載した自動車の整備費用は、石炭火力蒸気機関の整備費用の40倍でした。



手頃な価格の鉛蓄電池の出現後、電気自動車はしばらく流行しました。 1890年、アメリカのウィリアムモリソンが最初の電気バスを開発しました。6人収容の自動車で、速度は最大19 km / hで、1回の充電で最大160 km走行します。 合計約350 kgの重量の24個のバッテリーは、58 Vの電圧で112 Aの電流を生成し、完全に再充電するのに10時間かかりました。





ウィリアム・モリソンの電気バス。 ソース：american-automobiles.ru



20世紀初頭、20の電気バスがロンドンの都市輸送ルートで正常に動作しましたが、当時はガソリンよりも効率的で経済的でした。 1回のバッテリー充電で60 kmで十分だったため、エンドステーションで空のバッテリーを新しいバッテリーに交換しました。プロセスは3分で完了しました。





取り外し可能なバッテリーを備えたロンドンの電気バスは、迅速に取り外し可能なバッテリーを備えた将来のテスラのプロトタイプです。 出典：ロンドン交通博物館



1900年までに、米国の自動車の38％は電気で駆動されていましたが、内燃機関の改善と燃料価格の低下は、自律型電気輸送産業の発展を劇的に妨げました-20世紀の30年代までに、電気バスは事実上消滅しました ガソリン車とは異なり、電気輸送は安くはありませんでしたが、これまでの環境の状態は懸念を引き起こしていません。 バッテリーを備えたバスへの投資のクロスにより、20年代に安価なトロリーバスが登場しました。





21世紀のように、電気バスのバッテリーを交換するプロセスは完全に自動化されています。

出典：大英図書館



しかし、20世紀半ばの低価格により、ICE産業はガソリン消費量に直接影響を与える増加する量のパスを取りました。 車にも非効率的な6リットルエンジンが搭載されており、70年代のメンテナンスは文字通り「黄金」になりました。 現在の状況により、電気自動車の人気が急上昇しました。 そのため、1974年のイギリスのマンチェスターでは、塩化物電池を搭載した電気バスSeddon Pennine 4-236が市内の路線に到着しました。





1975年に稼働しているセドンペニン4-236電気バスの珍しいショット。

出典：アラン・スナット



当時の記憶に残った唯一の汎用商用車は、メルセデス・ベンツLE 306ミニバンでした。このミニバンは、素早く取り外し可能なバッテリーで約76馬力の電力を供給しましたが、わずか50 kmで消耗しました。 この車は、ドイツのボン市の郵便局によるテストの後、1983年まで存続し、不採算と宣言されました。





電動ミニバンMercedes-Benz LE 306-燃料危機の時代を思い出させるもの。 ソース：メルセデスベンツ



電気自動車の大量生産と使用について真剣に話し始めたのは、社会が環境への脅威について考え始め、自動車の排気ガスによる環境被害を認識した20世紀になってからです。 環境問題の議論を背景に、ディーゼルバスを電気に変換するというアイデアは非常に人気があり、エネルギーを保存し、電気バスを長時間自律的に動かすことができるリチウムイオン電池の出現が重要な役割を果たしました。 このようなバッテリーの発明は、経済的な問題も解決し、電気自動車の生産と保守をより経済的にし、大衆市場への道を開きました。

栄養問題

現代の電気バスでは、バッテリーまたはスーパーキャパシターが電力に使用されます。 後者のエネルギー貯蔵方法は、電気輸送の可能性を大きく制限しますが、それ自体が興味深い方法です。



スーパーキャパシタは、同量のリチウムイオン電池に比べてわずか5％のエネルギーしか保存できません。 明らかに、コンデンサを1回充電するだけで、バスは数キロメートルしか移動しません。つまり、自律性について話す必要はありません。 しかし、コンデンサのプラスの特性は充電速度です。 充電の復元には数秒かかります。





充電ステーションを備えたバス停での中国のスーパーキャパシタUltracapバス-トロリーバスワイヤのあるセクションのように見えます。 出典：上海Aowei Technology



中国の寧波市では、充電に10秒しかかからないコンデンサーバスがあります。充電ステーションの開発されたインフラストラクチャのおかげで、バスは乗客の乗降中に各停留所でエネルギーを受け取りますが、通常は少し長く続きます。 さらに、ブレーキエネルギーの最大80％が電気に変換され、コンデンサに戻されます。これにより、最大50％節約できます。



スーパーキャパシタは絶えず改善されていますが、そのようなバッテリーに電気バスを導入するには、各停留所に高出力の充電ステーションという形で非常に高価なインフラストラクチャが必要です。 さらに、予想外の交通渋滞という形での緊急事態は、道路上に放電したコンデンサを備えたバスを離れ、交通に追加の問題を引き起こす可能性があります。



リチウムイオン電池は、承認された単一の組成を持つ特定の種類の電池ではなく、エネルギー要素のファミリー全体です。 リチウムイオン電池の開発は、電力、容量、コンパクトさ、価格の間で必要なバランスを見つける複雑なプロセスです。 理想はまだ存在しません。 各タイプのリチウムイオン電池は、特定の用途に適しています。 それらのすべてが電気自動車で使用されているわけではなく、多くの人が低消費電力の電子機器で使用されています。



コバルト酸リチウム（LiCoO ₂ ）バッテリーは、今日最も手頃で人気のあるもので、単位体積あたりの容量に優れ、低コストで、セルあたり3.6Vの電圧を備えています。 これは、モバイルデバイスやポータブルコンシューマエレクトロニクスに搭載されている種類のバッテリーです。 このようなバッテリーの短所も知られています。小さな放電電流、タンクの深刻な劣化が始まる前の最大1000回の充電/放電サイクル、長時間の充電、低温での動作不能。 LiCoO ₂の電気バスは他の種類のバッテリーよりも安くなりますが、暖かい国ではキャンパス内での移動など、負荷が最小限の短いルートでしか機能しません。



その三次元構造により、リチウムマンガン電池（LiMn ₂ O ₄ ）は、最大30倍の容量の高い放電電流を提供することができました。 これにより、たとえば日産リーフやBMW i3などの電気自動車など、短期間の高エネルギー消費のデバイスでLiMn ₂ O ₄を使用できるようになりました。 しかし、リチウムマンガン電池には欠点がありました。リチウムコバルト電池の寿命や耐寒性よりも劣っています。 したがって、リチウムマンガン電池は別の種類の電池-NMCと組み合わされます。





日産リーフNMCバッテリーはテスラNCAバッテリーの半分の価格ですが、容量は約2倍の速さで失われます（10万km後に70％）。 ソース：ベンジャミンネルソン



リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物電池、または単にNMCは、良好な比エネルギー消費と耐用年数（最大2000放電サイクル）を受けましたが、それらの放電電流は小さいことが判明しました。 そのため、電気自動車で使用する場合、NMCはLiMn ₂ O ₄と組み合わされます。通常の運転中はNMCセルが主に機能し、加速するとLiMn ₂ O ₄セルが高電流を発生します。



リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物電池（LiNiCoAlO ₂ 、またはNCA）は、高い比容量とリーズナブルなコストが特徴です。 NCAバッテリーの充電速度と放電電流は平均であり、長所と短所に書き込めません。 テスラ車とパワーウォールストレージシステムのエネルギー源となったのはNCAでした。





85 kW Tesla Model S 85A NCAバッテリーは、消耗により交換されると、Tesla Powerwallエネルギー貯蔵システムに送られます。 ソース：wk057



しかし、NCAバッテリーの特徴の1つは、所有者が潜在的な問題に直面する前にテスラに影を落とします。バッテリーの寿命は、リチウムコバルトセルに匹敵する500サイクルです。 そして、摩耗したアイテムの交換と廃棄。 実際の経験では、20万キロ走行した後でも、Tesla電気自動車のバッテリーは機能し続けており、容量の3分の1が失われています。 しかし、この前向きな経験にもかかわらず、都市の電気自動車の場合、NCAバッテリーは最良の選択ではありません。なぜなら、バスの走行距離は、個人の自動車の走行距離よりも数倍または数桁も大きいからです。

チタン酸リチウム応答

チタン酸リチウム電池（Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ 、LTO）は、前世紀の80年代から知られています。 東芝は、SCiB（Super Charge Ion Battery）と呼ばれるこのタイプのバッテリーを積極的に開発および生産しています。 陽極の製造には、グラファイトの代わりにチタン酸リチウムを使用しています。 この場合、カソードはNMCバッテリーから借りることができます。 グラファイトを交換することで、アノードの有効面積を3 m ² / gから100 m ² / gに増やすことができました。これは、セルの充電率と放電電流により良い影響を与えます。 そのため、2017年に東芝は、わずか5分で最大90％の容量を回復できるSCiBバッテリーを実証しました。





酸化チタン酸リチウムの多孔質構造は、グラファイトの30倍の面積と、何倍もの長寿命を実現します。 出典：KB「エネルギー」



チタン酸リチウム電池は、容量の10倍、パルス負荷で30倍の電流を安定して放出します。 初期のサンプルは最大7000回の放電サイクルに耐え、最新のバッテリーは15000〜20000サイクルを提供します。他のタイプのリチウムイオンバッテリーはこれらのインジケーターと比較できません。 さらに、LTOバッテリーは耐火性があり、減圧中は最大70度まで加熱して冷却しますが、過熱もひどくありません。 寒い天候では、セルの効果はほとんど失われません。-30度の温度では、チタン酸リチウムセルの容量は公称値の80％に低下します。





Proterraバスで使用される東芝製チタン酸リチウム電池。 ソース：Proterra



信じられないほどの生存性、即時充電、耐寒性。 お使いの携帯電話に最適なバッテリーのように聞こえます。 しかし、LTOバッテリーにも欠点があり、これまでのところ範囲が制限されています。 まず第一に、これは50-80 W / kgの低い比容量です。一方、従来のリチウムコバルトセルの場合は150-200 W / kgです。つまり、同等の容量を得るには、チタン酸リチウムセルは2倍または3倍大きくなければなりません。 第二に、公称セル電圧は、コバルトリチウムの3.6 Vと比較してわずか2.4 Vです。 第三に、チタン酸リチウム電池の価格は高く、NCA電池の3倍です。 そのため、チタン酸リチウム電池をスマートフォンに統合することはまだ不可能です。低容量でデバイスが動作するのに不十分な電圧の高価な要素が手に入ります。



しかし、スペースが不足せず、バッテリーの寿命も長い電気バスでは、チタン酸リチウム電池が最適です。





グラフは、SCiBおよびリチウムコバルト酸化物電池での試験機の走行距離を示しています。 SCiBの利点は明らかです。 出典：東芝

再充電の問題

開発されたインフラストラクチャがなければ、電気バスは問題になります。 電気バスは、3種類の方法で充電できます。長い夜の充電、エンドステーションでの高速充電、停留所での高速充電です。



たとえば、スーパーキャパシターの電気バスの場合、公共交通機関の停留所に充電ステーションが必要です。パビリオンの上に接触エリアまたはワイヤが設置され、バスがパンタグラフに接触します。 スーパーキャパシタに数秒間十分な電力がある場合、バッテリーを再充電するには少なくとも数分必要です。 最新の東芝製チタン酸リチウム電池は、5分でほとんどの充電を回復できることを考えると、バスルートネットワーク上にバスバッテリーを充電し続けることができる充電ステーションをいくつか設置するだけで十分です。



公共交通機関での長時間の充電は、他の2つの方法のいずれかと組み合わせてのみ使用されます。 客観的な理由により、バスを1日1回だけ充電して終日路線に送ることは不可能です。 まず、少なくとも半日働くには、キャビン内の多くのスペースを占める非常に容量の大きいバッテリーが必要です。この状況では、各バスのコストが急激に増加します。 第二に、数十から数百のバスを同時に供給するために、バス停に非常に強力な電力線をもたらす必要があります。





KamAZシリアル電気バスは、モスクワルート73番の最終停留所で充電中です。

ソース： アリサ

次は？

市の電気輸送は常に疑わしいエキゾチックと見なされており、現在では世界中で数十万の電気バスが運行しています。 新技術の適応におけるチャンピオンは中国であり、世界の既存の電気バスのほぼ99％が位置しています。 ブルームバーグ・ニュー・エナジー・ファイナンスの推定によると、2025年までに世界のバスの47％が電気バスになります。



ロシアも世界のトレンドに遅れをとっていません。 毎年、多くのロシアの都市は電気自動車を購入し、それらを永続的なルートに配置し、特別なインフラストラクチャを作成し、エネルギー供給の分野でソリューションを提供しています。 電気輸送への移行が何十年も続く可能性があり、おそらく、私たちは個人の電気自動車が高級品ではなくなり、ディーゼルアナログと競合する時間をとらえる可能性があります。