Как выглядит типичная батарея электромобиля?
Она состоит из множества отдельных модулей, которые, в свою очередь, состоят из множества отдельных элементов. Элемент батареи - это самый маленький элемент в аккумуляторной системе. В современных системах используются так называемые ячейки pouch, которые по своей конструкции напоминают аккумуляторы мобильных телефонов. В VW ID.3 24 таких элемента составляют один батарейный модуль. В конечном итоге до двенадцати модулей составляют батарейный блок в электрическом VW. Но возможно и большее или меньшее количество модулей. Количество элементов и модулей определяет емкость батареи.
Какие типы аккумуляторов применяются в электромобилях?
Благодаря высокой плотности энергии и мощности в электромобилях, как правило, устанавливаются литий-ионные батареи. В них используются катоды из оксида металла лития, а анод обычно изготавливается из графита.
В Германии в электромобилях используются только два типа тяговых батарей: NMC (никель, марганец, кобальт) или LFP (литий-железо-фосфат). У них разные свойства и, прежде всего, разная цена. Ячейки NMC имеют очень хорошую плотность энергии и очень мощные, но оптимально работают только при комфортной температуре, поэтому они требуют интенсивного охлаждения либо нагрева. Именно поэтому NMC-ячейки относительно дороги.
LFP-элементы, напротив, не содержат дорогостоящих никеля и кобальта и также отличаются прочностью. Их долговечность высока, а риск "теплового пробоя" (пожароопасность) очень низок. Однако, в очень холодную погоду аккумулятор необходимо сначала нагреть, прежде чем он начнет работать. Поскольку плотность энергии также ниже, чем у NMC, а запас хода короче, LFP-элементы практически используются только в электромобилях начального уровня, таких как Model 3 и Model Y от Tesla с задним приводом. VW также хочет предлагать ID.2 в базовой версии с 2025 года.
Из чего их делают?
Для производства батарей для электромобилей используется такое сырье, как литий, никель, кобальт, графит и марганец,. В Чили или Конго их добыча иногда наносит ущерб окружающей среде, приводит к снижению уровня грунтовых вод и использованию детского труда.
Крупнейшие производители автомобилей теперь используют литий и кобальт, добываемые в Австралии. Также тестируются производственные процессы с использованием пластика, серы, магния или кремния. Кремний все чаще добавляют в графит на аноде. Эффект: значительно более быстрая зарядка и увеличение плотности энергии.
Конструкция ячеек
Большинство элементов питания выпускаются в форматах цилиндрических, призматических и тонких пакетиков. Форма не имеет никакого отношения к содержанию; пока неясно, какой формат будет преобладать. Часто используются ячейки Pouch, также известные как литий-ионные полимерные батареи. Их преимущества: простая структура ячеек и, как следствие, высокая эффективность, низкая себестоимость, высокая безопасность и надежность. По данным Института Фраунгофера, ячейки-пакеты обладают наибольшим потенциалом для оптимизации плотности энергии.
Призматическая ячейка обычно состоит из сложенных в стопку анодов и катодов – "стопки ячеек". Она имеет прочный металлический корпус и характеризуется почти идеальным сочетанием плотности энергии и безопасности с длительным сроком службы. Такая конструкция уже используется, в частности, в Audi и BMW, а с 2025 года будет применяться на 80% всех автомобилей VW Group. Благодаря своей коробчатой форме призматические элементы могут быть интегрированы в корпус между осями, занимая особенно мало места.
Цилиндрические ячейки можно встретить в большинстве Tesla, Lucid Air и пикапе Rivian R1T. Но BMW также планирует использовать круглую ячейку в будущем. Преимущества: автоматизированное производство и высокий срок службы. Недостатки: сложное охлаждение и потеря пространства для установки из-за зазоров. В настоящее время аккумуляторные блоки Tesla по-прежнему имеют самую высокую плотность энергии и, соответственно, самый низкий вес среди всех батарей, используемых в электромобилях.
Как правильнее всего заряжать электромобиль?
Наиболее благоприятным для аккумулятора электромобиля является уровень заряда от 20 до 80 процентов. Экстремальные уровни заряда сокращают срок службы элементов батареи из-за чрезмерно высокого или низкого напряжения внутри них. Именно поэтому появилась так называемая нетто-емкость: электроника не даст вам использовать всю энергию «до дна». Поскольку быстрая зарядка быстрее старит батарею, зарядку на станциях быстрой зарядки следует свести к минимуму, то есть, в идеале только при поездках на электромобиле на большие расстояния. С другой стороны, очень медленная зарядка от сетевой розетки защищает аккумулятор, но приводит к большим потерям. Экстремальные температуры летом или зимой также неблагоприятны, поэтому электромобиль следует парковать в тени или, по возможности, в гараже.
В идеале аккумулятор следует заряжать непосредственно перед поездкой. Оставлять автомобиль надолго без подзарядки с полным аккумулятором – плохая идея. Эксперты любят сравнивать это с растянутой резинкой, которая теряет свою эластичность. Большая непрерывная зарядка от 10 до 90 процентов емкости также сокращает срок службы больше, чем зарядка, например, от 30 до 50 или от 60 до 80%. Однако, не стоит относиться к этой информации уж слишком догматично.
Что надо знать о 800-вольтовых системах?
Аккумуляторы электромобилей обычно работают с высоким напряжением, чтобы обеспечить быструю зарядку. (Чем выше напряжение, тем меньше сила тока при той же мощности, тем тоньше может быть кабель для зарядки). Например, напряжение в системе VW ID.3 составляет 408 вольт, а напряжение в системе Porsche Taycan или Kia EV6 или EV9 достигает 800 вольт. Для управления потоком энергии при таких высоких напряжениях необходима специальная силовая электроника. Она также выполняет функции инвертора, преобразующего постоянный ток, накопленный в батарее, в переменный для электродвигателя. Преобразователь постоянного тока обеспечивает также классическое 12-вольтовое бортовое питание.
Силовая электроника – это мозг электропривода. С помощью интеллектуального управления частотой и амплитудой (ограничение напряжения) инвертор регулирует мощность электродвигателя. В то время как частота переменного тока определяет скорость автомобиля, амплитуда отвечает за мощность. Поэтому силовая электроника электромобиля генерирует из постоянного тока, хранящегося в аккумуляторе, именно тот переменный ток, который необходим для текущей ситуации.
Сколько весят батареи электричек?
Вес батареи электромобиля обычно составляет от 200 до 700 килограммов. Батарея компактного автомобиля VW e-Up (емкость 36,8 кВт·ч) весит 248 кг, батарея Tesla Model 3 емкостью 75 кВт·ч – 478 кг, а батарея Mercedes EQC – 650 кг. Решающими факторами являются плотность энергии (Вт·ч/кг; запасенная энергия на килограмм) и плотность мощности (Вт/кг; выходная мощность на килограмм).
Сколько служат современные батареи?
Сейчас ясно одно: аккумуляторные батареи служат дольше, чем автомобили, в которых они установлены. Большинство автопроизводителей гарантируют срок службы батареи электромобиля в течение восьми лет или 160 000 километров. Lexus с моделью UX300e идет далеко впереди, гарантируя десять лет или один миллион километров пробега. Mercedes также предлагает десять лет или 250 000 километров пробега, но только для роскошного седана EQS.
Однако, технологии здесь развиваются стремительно. Сегодня можно рассчитывать на 1500 – 2500 полных циклов зарядки, что означает пробег от 300 000 до 500 000 километров при средней дальности в 200 километров на одну зарядку. Современные литий-ионные батареи могут выдерживать даже до 3000 циклов зарядки. Эксперты считают, что батареи современных электромобилей служат в среднем 300 000 километров. Однако, большое количество циклов зарядки приводит к ускоренному старению. В связи с этим стоит приобрести автомобиль с более емкой батареей, так как ее нужно реже заряжать.
Какие 3 ошибки при зарядке особенно вредны для батареи?
Вот эти три вещи, которые являются настоящим «ядом» для состояния здоровья аккумулятора (SoH):
Быстрая зарядка приводит к ускоренному старению аккумулятора. Поэтому быстро заряжать аккумулятор следует только в том случае, если этого нельзя избежать, например, при поездке на электромобиле на дальние расстояния или в отпуск.
Стоянка с полным аккумулятором также вредит здоровью элементов батареи. Чем дольше или чаще автомобиль оставляют с полным аккумулятором, тем больше сокращается срок его службы. Влияние оказывает и количество циклов зарядки: Если вы часто заряжаете батарею от полностью разряженной до полностью полной, она будет стареть быстрее, чем та, которая получает энергию лишь небольшими порциями (например, от 20 до 50 процентов).
Третий риск для срока службы аккумуляторов электромобилей – это внешняя температура в пассивном состоянии. Если электромобиль долгое время находится на стоянке в условиях сильной жары, это ускоряет старение батареи.
Что для батареи вреднее: жара или мороз?
В Сахаре аккумулятор стареет быстрее, чем в умеренном поясе. Но это не связано с ездой в сильную жару: в это время аккумулятор активно охлаждается. Процесс старения происходит в основном в пассивном состоянии, когда автомобиль не используется. Сильный холод также приводит к ускоренному старению батареи, но он менее вреден для батареи, чем жара.
Какой емкости бывают батареи для электромобилей?
Батарея компактного автомобиля VW e-Up имеет емкость 36,8 кВт·ч. Аккумулятор внедорожника Mercedes EQA вмещает 66,5 кВт·ч, люксового спортивного седана Porsche Taycan Turbo - 93,4 кВт·ч, а Tesla Model S даже 103,9 кВт·ч.
Сколько стоит батарея электромобиля?
Несмотря на постоянное снижение стоимости, батарея по-прежнему остается самым дорогим компонентом электромобиля. Она варьируется от 6000 евро за автомобиль среднего класса до 20 000 евро за роскошный электромобиль от Tesla. Многое зависит от рыночной цены на литий, которая сильно колеблется между 30 и 80 долларами за килограмм в 2022 году. Производители неохотно официально раскрывают цены на сменные батареи. Приедете менять – узнаете.
Что нового ожидать от литий-ионных аккумуляторов?
Согласно последним сообщениям, дальнейшее развитие традиционных литий-ионных батарей весьма перспективно. Производители из Китая, такие как vie EVE hat и CATL, продолжают совершенствовать батареи с жидким электролитом, чтобы повысить плотность энергии и снизить потребление ресурсов. CATL объявила о трех прорывах в развитии: батарея Shenxing для быстрой зарядки за короткое время, батарея, нечувствительная к холоду благодаря более прочному электролиту, и натриево-ионная батарея, над которой CATL работает совместно со шведским производителем Northvolt.
Stellantis работает над литий-серной батареей
В сотрудничестве с калифорнийским разработчиком батарей Lyten компания Stellantis работает над созданием литий-серной батареи, отличающейся особенно высокой плотностью энергии. В основе лежит трехмерный графен – материал, который производится из метана и свойства которого можно легко адаптировать для конкретных применений.
Система хранения энергии не содержит никеля, кобальта и марганца, что позволяет снизить углеродный след примерно на 60% по сравнению с литий-ионными батареями. Еще одним преимуществом является то, что сырье для литий-серных батарей может быть закуплено и произведено в Северной Америке и Европе, что способствует обеспечению надежности поставок в регионе.
Алюминиево-серная батарея, разработанная исследователями из Массачусетского технологического института (MIT) в США, не требует также и дорогостоящего лития, поэтому может быть очень экономичной и снизить стоимость электромобилей. Вместо этого используются электроды из серы и алюминия, а сепаратором между ними служит жидкая хлороалюминатная соль. Преимущество такого способа заключается в том, что батарея не может загореться в случае перегрева.