Какие аккумуляторы используются в электромобилях

Автомобильные

Электромобили перестали быть экзотикой и теснят на рынке модели с двигателями внутреннего сгорания. Успех возможен благодаря появлению новых видов аккумуляторных батарей.

Конструкция и состав батарей постоянно совершенствуются, растёт ёмкость, а значит, и возможный пробег на одном заряде. Однако при таком большом ассортименте у потенциального покупателя возникает вопрос, из чего делают аккумуляторы для электромобилей. Какая батарея лучше?

Виды аккумуляторов

Разберёмся, к какому виду относятся АКБ, установленные в электромобилях, и какие между ними различия.

Основная роль АКБ в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) состоит в накоплении и выдаче электроэнергии для запуска двигателя, в питании электроприборов.

С этим справляются стартерные свинцовые аккумуляторы.

АКБ в авто
Автомобильная стартёрная свинцовая АКБ

В случае с электромобилями основное предназначение АКБ – в накоплении электроэнергии, необходимой для длительной работы электродвигателей. Это тяговая АКБ.

Прежде чем подробно разберём особенности конструкции этих АКБ, отметим, что в некоторых моделях наряду с тяговой АКБ используются и уже знакомые нам свинцовые АКБ.

Для примера заглянем под капот Tesla Model S.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Дополнительный аккумулятор 12 В электромобиля Tesla Model S

Такая АКБ необходима для питания низковольтных приборов (осветительная система, подушки безопасности, дисплеи и т. п.). В ранних моделях, например, в Tesla Roadster, питание таких потребителей осуществлялось от основной батареи.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Tesla Roadster

Дополнительная нагрузка в течение длительного времени, а это примерно 2-3 недели, пусть и незначительная, могла привести к глубокому разряду основной батареи. Приходилось заменять её на новую без возможности восстановления. Поэтому инженеры приняли такое решение — установить дополнительную батарею.

В ранних моделях электромобилей также использовались свинцовые АКБ. Они отличались от уже известных нам свинцовых стартерных батарей, основным предназначением которых было обеспечение тока, достаточного для запуска ДВС в течение непродолжительного времени.

Для установки в ранние модели электромобилей применялись свинцово-кислотные батареи глубокого цикла, непрерывно и долго обеспечивавшие их работу. АКБ имели удельную энергию от 30 до 50 Вт×ч/кг и не допускали разряд менее 50% от своей ёмкости. Например, на первое поколение электромобилей EV1, выпускаемых компанией «Дженерал Моторс» в период с 1997 по 1999 гг., устанавливались именно такие АКБ. На одном заряде электромобиль мог проехать всего 120 км.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Электромобиль EV1

Кроме невысокой ёмкости свинцовые АКБ имели ещё один недостаток. При зарядке выделялись газы — водород и кислород, а также сера. Они проникали в кабину. Много таких жалоб поступало от владельцев электромобиля CitiCar, который производила компания Sebring-Vanguard с 1974 по 1977 гг. Разумеется, несовершенство АКБ сильно тормозило развитие электромобилей. В стремлении найти компромисс между стоимостью и потребительскими качествами конструкторам приходилось проектировать модели, которые имели небольшой размер, не отличались дизайнерскими решениями и большим запасом хода.

Прогресс не стоит на месте. Появились новые типы АКБ, которые стремительно вытеснили свинцовые батареи. Среди них можно выделить батареи литий-ионного, литий-серного и металл-воздушного типа. Одни из наиболее распространённых – литий-ионные АКБ. Это обусловлено наличием таких неоспоримых достоинств, как высокая плотность энергии, незначительный эффект памяти, небольшой саморазряд и срок эксплуатации, достигающий 10 лет.

У этого типа АКБ есть и недостатки: невысокий по сравнению с другими типами рабочий температурный диапазон в пределах от -20 до +50 ℃ и низкая устойчивость к перезаряду. Также батареи данного типа неустойчивы к ударам и другим механическим воздействиям. Для устранения этих недостатков в конструкцию включают системы охлаждения, электронные системы управления работой АКБ и системы пожаротушения.

Недавно появившиеся на рынке аккумуляторов металл-воздушные АКБ постепенно завоёвывают популярность. Они отличаются от литий-ионных АКБ, где ионы лития при зарядке и разряде передвигаются от катода к аноду в среде электролита.

Конструкция металл-воздушной батареи предполагает наличие металлического анода, а в качестве катода выступает воздух. Такая особенность конструкции позволяет не только снизить вес, но и уменьшить стоимость АКБ.

Серьёзно ограничивают использование такого типа батарей для электромобилей небольшое количество циклов заряда-разряда (пока не более 70). Ведутся разработки более надёжных АКБ, лишенных таких недостатков, как внезапный разряд и выход из строя батареи.

Перспективной технологией считаются литий-серные АКБ. У них выше ёмкость и значительно больше рабочий температурный диапазон. Несмотря на старания конструкторов, пока не удалось избавиться от главного недостатка — небольшого количества циклов заряда-разряда. Это значение пока не превышает 60.

Разработки и будущее источников питания электромобилей 

Наиболее вероятным решением, которое вскоре потеснит литий-ионные АКБ, являются литий-полимерные аккумуляторные батареи. Этот тип аккумуляторов уже широко применяется не только в мобильных устройствах, но и в беспилотных дронах.

Они обладают не таким большим весом, низким саморазрядом, меньшим эффектом памяти, а в их конструкции применяются менее токсичные элементы. Кроме того, технологии производства позволяют получать батареи любой формы.

Перспективное направление – выпуск АКБ на основе графена. Такие АКБ не требуют много затрат при производстве, имеют меньший вес, долговечны. Они обеспечивают быстрый заряд, теоретически это позволит сократить время зарядки.

Как соединяют ячейки в батарее и зачем это нужно

При проектировании аккумуляторных батарей конструкторы пошли разными путями. Для компании «Тесла» оптимальным вариантом оказалось использование отдельных элементов типа 18650. Из них можно было собрать батарею нужной конфигурации. Для этого отдельные элементы объединялись в блоки, составлявшие батарею для электромобиля. Это оказалось весьма кстати, если учесть, что Tesla Roadster построен на базе шасси Lotus Elise.

Элементы 18650 электрически соединялись отдельной шиной, причём проводники, которыми они присоединялись, служили одновременно плавкими вставками. При возникновении проблемы плавкая вставка перегорала. Элемент отключался от батареи. На ёмкость батареи это не оказывало существенного влияния. Выходное напряжение не изменялось. В батарее, собранной из отдельных элементов, было проще организовать систему охлаждения.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Подключение отдельных элементов на примере АКБ Tesla Model S

Остальные производители аккумуляторных батарей для электромобилей пошли по другому пути. Например, в электромобиле Nissan Leaf батарея собрана из ячеек и имеет воздушное охлаждение.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
АКБ Nissan Leaf

Такие ячейки, в свою очередь, собраны из отдельных пакетов. Каждый пакет представляет собой отдельный аккумулятор. Пакеты электрически соединены между собой. Высоковольтными кабелями последовательно подключены ячейки.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Конструкция отдельной ячейки АКБ Nissan Leaf

Как обеспечивается безопасность от взрыва и возгорания

Основной проблемой, которую предстояло решить конструкторам электромобилей, было обеспечение его безопасности. Ведь литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перенапряжениям, перегреву и к механическим воздействиям.

Защита батареи от возгорания и взрыва обеспечивается как функционированием электронных систем, так и применением специальных пассивных элементов. Была проведена большая работа по улучшению конструкции АКБ на основании разных случаев возгорания.

Для примера приведём один случай возгорания электромобиля Tesla Model S, произошедший в октябре 2013 года.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Возгорание электромобиля Tesla Model S

После расследования компания сообщила, что причиной возгорания стало механическое повреждение АКБ из-за наезда электромобиля на некий крупный предмет. Сила удара составила 25 тонн и была такой, что в корпусе АКБ образовалось отверстие диаметром 7 см.

Автопроизводитель уже в ноябре 2013 года выпустил обновление программного обеспечения, увеличившее клиренс электромобиля. Также доработали конструкцию электромобиля. Весной 2014 года с конвейера начали сходить транспортные средства, имевшие усиленное при помощи титановой плиты и алюминиевого щита днище, а под ним устанавливали дополнительный алюминиевый брус. Этот брус при наезде на крупный предмет должен был его отбросить и ослабить удар.

В конструкцию АКБ электромобилей Tesla Model 3 и Model Y включили систему тушения пожара. Она представляла собой оболочку из пластика, внутри которой находилась специальная жидкость. При любом механическом повреждении батареи оболочка лопалась, жидкость вытекала и тушила возгорание.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
АКБ Tesla Model 3

Для защиты АКБ от перегрева, который возникает при её заряде и разряде, в каждом элементе батареи установлены датчики температуры и контроллер. Эти электронные компоненты требуются для обеспечения безопасных режимов работы, для защиты от перезаряда, перенапряжения и перегрева.

Контроль работы батареи, общее управление распределением энергии и скоростью зарядки — зона ответственности центрального контроллера, который размещён на плате управления АКБ.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Плата управления АКБ Tesla Model S

Какой пробег на одном заряде и от чего зависит время перезарядки

Запас хода — основной параметр АКБ. Над улучшением данного показателя упорно работают конструкторы всего мира. Чтобы его повысить, необходимо увеличить количество отдельных ячеек батареи. Разберём это наглядно на примере разных батарей для Nissan Leaf.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Характеристики АКБ Nissan Leaf

Взглянув на эту таблицу, можно увидеть прямую зависимость между ёмкостью батареи и запасом хода. Она сохраняется для времени, которое потребуется на полную зарядку АКБ, и для мощности зарядного устройства.

Зависимость между ёмкостью и запасом хода сохранится и для других марок электромобилей, например, для «Тесла». Различия в данных появляются из-за разных методик подсчёта.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Ёмкость аккумуляторных батарей разных моделей «Тесла»

Дальность пробега зависит и от величины крутящего момента электродвигателя, то есть от его конструкции.

Логично, что чем выше ёмкость АКБ, тем больше пробег электромобиля на одной зарядке. Соответственно, чем больше ёмкость, тем больше время, требуемое для восстановления заряда АКБ. Скорость зарядки зависит и от типа зарядного устройства, его мощности. Трёхфазное зарядное выдаёт больший ток, чем однофазное. Рассчитать время, которое потребуется для этого, можно просто разделив ёмкость АКБ на мощность зарядного устройства.

Например, рассчитаем, сколько времени потребуется, чтобы полностью зарядить модели Tesla Model S. Из таблицы выше узнаём, что её ёмкость составляет 75 кВт*ч. Это значит, что теоретически для полной зарядки при мощности 75 кВт потребуется 1 час.

В реальности для зарядки от станции Tesla Supercharger, которая выдаёт 120 кВт, потребуется порядка 1,5 ч. Дело в том, что сам процесс нелинейный. Наибольший эффект достигается в диапазоне от 20 до 80%, что обусловлено конструкцией батареи. За пределами этих значений скорость будет понижаться.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Tesla Supercharger

Для дома также доступны как однофазные, так и трёхфазные зарядные устройства, рассчитанные для подключения в обычные розетки на 16 А. Однако мощность при подключении трёх фаз выше. Она составит 10,5 кВт против 3,5 кВт, если подключение будет однофазным.

Срок службы — на сколько километров или лет эксплуатации хватит АКБ 

Точно назвать километры, часы или годы, по прошествии которых ёмкость АКБ будет исчерпана и потребуется её замена, нельзя. На ресурс влияют разные факторы — манера езды, частота зарядки, температура окружающего воздуха, конструкции отдельных элементов АКБ и их химический состав.

Подобные проблемы знакомы всем владельцам смартфонов и сотовых телефонов. Если использовать или хранить такое устройство при экстремальных температурах, разряжать его полностью, деградация аккумуляторной батареи происходит заметно быстрее.

Конечно, у АКБ для электромобилей более сложная конструкция. В частности, они оборудованы специальными системами для защиты от перегрева или от работы в условиях низких температур. У них более совершенные системы защиты.

Благодаря этому «Тесла», к примеру, даёт четырёхлетнюю официальную гарантию на свои АКБ или на 80 тысяч километров пробега. Для Nissan Leaf данный показатель составляет 8 лет или пробег 100 тысяч километров.

Это только гарантия, и представленные показатели не означают, что батарея выйдет из строя. После истечения данного срока АКБ будет работоспособна, но потеряет ёмкость. У АКБ для Tesla Model 3 расчётный ресурс – от 480 до 800 тыс. км или 1500 циклов заряда-разряда.

Сколько стоит батарея для популярных моделей электромобилей и её замена 

Если зашёл разговор о замене старой батареи, то стоит присмотреться к предложениям на рынке и к стоимости работ.

Отметим, что сейчас не самое удачное время для покупки новой АКБ — неспокойная мировая ситуация приводит к значительным колебаниям курсов валют. Однако если это необходимо, то найти нужную АКБ можно.

К примеру, для Nissan Leaf батарея в зависимости от ёмкости, по состоянию на 2022г. стоит:

  • 24,6 кВт*ч — 500 тыс. руб.
  • 30 кВт*ч — 600 тыс. руб.
  • 40 кВт*ч — 770 тыс. руб.

Для Tesla Model 3 на «Авито» можно найти такие предложения.

Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Стоимость АКБ на «Авито»

Аналогично можно найти цену АКБ для других популярных моделей, например, для Porsche Taycan, электромобилей Volkswagen, BMW или Volvo.

От стоимости АКБ зависят и траты на её замену. Причём если батарея вышла из строя раньше гарантийного срока, поставить новую должны по гарантии.

Заключение

Батареи в современных электромобилях имеют сложную конструкцию и оборудованы защитными системами. Конструкторами ведутся многочисленные разработки, направленные на повышение безопасности, увеличения срока службы и автономности электромобилей. Спустя время мы увидим результат этой работы — электромобили вытеснят обычные транспортные средства с ДВС.


Сейчас читают:
Акумы.ру
Добавить комментарий

Этот сайт защищен reCAPTCHA и применяются Политика конфиденциальности и Условия обслуживания применять.

Максимальный размер загружаемого файла: 5 МБ. Вы можете загрузить: изображение, аудио, видео, документ, таблица, интерактив, текст, архив, код, другое. Ссылки на YouTube, Facebook, Twitter и другие сервисы, вставленные в текст комментария, будут автоматически встроены. Перетащите файл сюда

Ваш вопрос отправлен

И ожидает ответ от эксперта.

Adblock
detector