Всё о батарее электромобиля
Батарея электромобиля! Этот компонент конструкции наводит благоговейный трепет на многих любителей экологически чистого транспорта. Оно и неудивительно, ведь аккумулятор является самым дорогостоящим, самым сложным и самым капризным узлом электрокара. Однако мало кто из пользователей знает, как конкретно все это «хозяйство» устроено и функционирует. Предлагаю восполнить данный пробел в знаниях — ознакомиться с аккумуляторной батареей электрокара поближе, дабы она перестала казаться для многих чем-то таинственным и неизведанным.
Содержание:
- Почему батарея является самой дорогой составляющей электромобиля.
- Назначение высоковольтной батареи электрокара.
- Какие ячейки применяют в ВВБ электромашин.
- Как ВВБ управляется электроникой.
- От чего электроника защищает аккумулятор и пользователей.
- Как сконструирован корпус аккумулятора.
- Почему аккумулятор стареет и с какой скоростью это происходит.
- Как правильно эксплуатировать аккумуляторную батарею электрокара.
- Как утилизировать ВВБ электромобиля.
Почему батарея является самой дорогой составляющей электромобиля
Пытливые умы подсчитали, что в 2010 году, когда машины на электротяге начали пробивать себе дорогу на рынок, каждый «аккумуляторный» кВт·ч обходился в 1183 доллара, т. е. был почти в 100 тыс. раз дороже запасаемой им энергии. За 10 лет развития батарейных технологий данный параметр упал до отметки 150 долларов, причем стоимость хранения электричества будет снижаться и дальше — по расчетам, приблизительно на 10–15% в год.
Однако все равно, в цене электрокара именно доля АКБ остается самой высокой и она реально будет такой еще длительное время.
Это диктуется размерами самой аккумуляторной батареи, способной хранить достаточный объем электрической энергии. Аккумуляторный блок для легковушки на электротяге, которая имеет запас хода не менее 350 км, сегодня по весу затягивает примерно на пол тонны.
Второе — батарейный узел на 80–90% состоит из мощных электропроводящих шин, а также дорогих аккумуляторных ячеек, для производства которых используются редкие химические элементы, цветные и драгоценные металлы.
Вдобавок, в каждой электрокаровской АКБ присутствует масса электронных блоков, датчиков, несколько цепей защиты и контур терморегулирования. Высоковольтная батарея (ВВБ) не спроста имеет такое сложное устройство — этому девайсу приходится функционировать с крайне высокой цикличностью и с довольно высокими токами. Далее разберем все составляющие аккумулятора.
Назначение высоковольтной батареи электрокара
Основное, чем отличается тяговая батарея установленная на EV от традиционного аккумулятора обслуживающего авто с ДВС — рабочее напряжение. Даже у первых серийных транспортных средств на электрической тяге оно измерялось сотнями вольт. На данный момент обычным считается показатель в 350–450 В, однако имеют место и цифры посерьезней. Так, у Porsche Taycan электрифицированная «тележка» базируется на 800-вольтовой системе, а перспективный грузовой электротранспорт может похвастать умопомрачительными 1200–1600 В.
В высоковольтной системе на единицу массы аккумулятора есть возможность запасти намного больше электроэнергии. Если, к примеру, попробовать сложить аккумуляторный блок Теслы из обыкновенных свинцовых автомобильных АКБ, то для их транспортировки потребуется целый грузовик. Да и токи в высоковольтной системе при той же мощности силового агрегата будут скромнее, а из этого следует, что можно применять более тонкие провода, снижая тем самым массу.
Очевидно, такие сумасшедшие показатели напряжения приведенные выше испугают любого человека, ведь для нас смертельно опасен даже на порядок меньший уровень. Однако если меры защиты соблюдены должным образом, то реально нет угрозы получить удар током в электрокаре.
Какие ячейки применяют в ВВБ электромашин
В отличие от традиционных автомобильных батарей, внутри ячеек электрокаровского аккумулятора нет электролита или заменяющего этот состав геля. Там «сухо» и по своему наполнению они приближены к бытовым батарейкам.
Не первых EV стояли никель-металлгидридные (Ni-MH) батареи, которые сулили весьма впечатляющую энергоемкость — в 1 кг такого девайса теоретически можно было запасти до 300 Вт·ч. Но реально, удавалось использовать лишь пятую часть их возможностей. По прошествии нескольких лет стандартом для электрокаров стали литий-ионные (Li-Ion) элементы, продолжительное время считавшиеся невыгодными по причине более высокой стоимости. В то же время, только эти элементы могли обеспечить реальную удельную энергоемкость на уровне 100–250 Вт·ч/кг.
Tesla взяла на вооружение цилиндрические литий-ионные батарейные элементы формата 18650, изначально предназначавшиеся для аккумуляторов ноутбуков. В седане Model S, 7104 такие ячейки собраны в шестнадцать 25-вольтовых модулей.
Японские же автопроизводители сделали выбор в пользу аккумуляторных ячеек, специально предназначенных для электромашин. Они имеют плоскую форму и их удобно собирать в пакеты требуемой емкости. Европейские бренды стремятся иметь дело с еще более технологичными ячейками, выполненными в виде увесистых брусков.
Технология производства литий-ионных ячеек уже на достаточно хорошем уровне отработана несколькими крупными компаниями, дислоцирующимися главным образом в Юго-Восточной Азии:
Каждый формат предлагает свои плюсы и минусы. Так, аккумуляторный блок в состав которого входят цилиндрические ячейки получается более габаритным, на зато цилиндры легче подвергать охлаждению.
Вообще, Li-ion является общим названием для группы совершенно разных по составу аккумуляторов. К примеру, существуют литий-кобальтовые элементы, предлагающие самую высокую энергоемкость, будучи при этом самыми капризными. Они разочаровывают ограниченным ресурсом, взрывоопасностью и вдобавок токсичностью.
Литий-марганцевые элементы отличаются меньшей прихотливостью и стоят не так дорого, но в то же время такие изделия могут запасать более скромный объем энергии и практически утрачивают свою работоспособность при температуре -10 градусов.
Наиболее стабильными и высокоресурсными характеристиками щеголяют литий-железо-фосфатные АКБ. У данных изделий емкость пребывает на уровне остальных, но степень саморазряда и порог рабочих температурных режимов ниже (до -30 градусов).
Существуют аккумы созданные на основе смесей разных металлов, а также особые литий-титанатные. Сегодня они являются самыми дорогостоящими, однако за счет очень низкого внутреннего сопротивления способны принимать сверхбыструю зарядку высоким током.
И даже при таком широком выборе нельзя утверждать, что литий-ионная технология взяла верх. Ведутся разработки нескольких интересных альтернатив с целью найти дешевую замену литию — это алюминий-ионные и металл-воздушные накопители электроэнергии. А с целью достижения еще большей скорости заряда и емкости, инженеры работают с графен-полимерными и литий-серными разновидностями.
Кстати сказать, аккумуляторы для гибридных транспортных средств нередко отличаются от чисто электрокаровских не только размерами, но и составом. Завязано это на иную специфику работы: в гибриде важно быстро и предельно эффективно заряжать АКБ во время замедлений, а при подзарядке от розетки большее значение имеет энергоемкость.
Как ВВБ управляется электроникой
Тяговая батарея — это матрица из соединенных между собой определенным образом элементарных низковольтовых ячеек. Процессом их зарядки-разрядки заведует целая сеть микропроцессоров на разных уровнях данной матрицы.
Так, в каждый аккумуляторный элемент внедрен 1 либо 2 температурных датчика и личный контроллер. Последний отвечает за обеспечение безопасных токовых режимов, защиту от перенапряжения, слишком высокого заряда, перегрева и т. д.
Зарядом блока состоящего из нескольких десятков или сотен элементов распоряжается контроллер BMU. Его задача сведена к балансировке токов между ячейками соединёнными последовательно и параллельно.
За общее управление, а также распределение электроэнергии, в зависимости от типа зарядки (стандартная, медленная, ускоренная или сверхбыстрая), отвечает центральный контроллер BMS. На него же, обычно, возложена и ответственность за ресурсные параметры всего накопителя электроэнергии — устройство отслеживает, оптимальное распределение нагрузки по всем модулям.
Кстати сказать, значения 0 и 100% отображаемые на панели приборов электрокара либо на зарядной консоли, являются не более чем условностью. Производитель не заряжает аккумулятор под завязку, оставляя кое-какой запас от номинального показателя. Этот запас постепенно используется в процессе старения АКБ и снижения ее энергоемкости.
Недопустим и полный разряд батареи — даже тогда, когда электрокар полностью останавливается и не может продолжать дальнейшее движение, в аккумуляторе остается некоторое количество энергии. Разработчики предусмотрели данный момент для предотвращения нежелательных и необратимых химических процессов в ячейках.
От чего электроника защищает аккумулятор и пользователей
Обсуждаемые выше блоки управления осуществляют контроль не только ячеек ВВБ, но и всей электросети соединяющей элементы. В том случае, если какая-то из ячеек по какой-то причине начнет демонстрировать отклонения от номинальных режимов, BMS понизит нагрузку на нее или даже прекратит подзаряжать, дабы свести на нет малейшие риски внутреннего повреждения электронакопителя.
Силовые цепи транспортного средства на электротяге также находятся под контролем электроники. Имеют место мощные реле, которые разъединяют их при возникновении внештатных отклонений в приводе либо при каких-нибудь утечках токов. Присутствуют традиционные предохранители, которые защищают от короткого замыкания. Физические кондиции всех критически важных соединений отслеживаются по сквозной шине контроля разъемов.
Используются датчики удара, обеспечивающие защиту от поражения электричеством при ДТП. При их срабатывании снимается напряжение с высоковольтных цепей, покрытых яркой оранжевой изоляцией, предупреждающей об опасности непрофессионального обращения с ними.
В современных аккумах мощных EV помимо пассивного мониторинга температуры используется активное терморегулирование, посредством системы магистралей, которые заполнены антифризом. При высокой нагрузке либо при сверхбыстрой подзарядке, данная система убирает излишки тепла, а при пониженных температурных режимах, наоборот, осуществляется подогрев ячеек.
Как сконструирован корпус аккумулятора
Когда для постройки электрокаров за основу брались традиционные автомобили, их накопители энергии обладали довольно затейливыми формами, а причина этого проста — размещение их на месте топливных баков, «запасок» и ненужных валов.
Сегодня же, у большинства e-cars аккумуляторы находятся под полом салона и из-за этого они по своей форме максимально похожи на плоскую плиту. В данном формате особенно удобно исполнять модельные батареи — «плиты», разнящиеся массой, габаритами, энергоемкостью и стоимостью, но взаимозаменяемые в рамках одной электроплатформы.
В то же время, подобная компоновка предъявляет повышенные требования к прочности корпуса аккумуляторной батареи. Ее силовую структуру проектируют так, чтобы она могла выдержать серьезные удары со всех сторон. Днище же электронакопителя должно обеспечивать его герметичность и защищать от точечных повреждений, к примеру, от летящих камушков либо от ударов об скверную дорогу. Так что, здесь можно с полной уверенностью считать батарею самой прочной и практически неубиваемой составляющей «электрички».
Добавляем к этому гидрозащиту, систему патрубков для охлаждения и вентиляции, комплект защищенных высоковольтных разъёмов и все остальное, что требуется для проведения диагностических мероприятий. Еще, крепление к кузову, делающее у некоторых электромашин АКБ частью его силовой структуры.
А теперь, что мы видим: не сложная по задумке «коробочка для батареек» на поверку оказывается техническим шедевром, который не штампуют одним ударом пресса, а создают по сложной технологии из высокопрочных алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей.
Почему аккумулятор стареет и с какой скоростью это происходит
Высоковольтная батарея современного электрокара — это саморегулирующаяся система с «мозгами», которые исключат все вредные для нее режимы. Аккумулятор не нуждается в сервисном обслуживании, кроме считывания возможных ошибок электроники, а также, при надобности, обновлениях ее прошивки.
Практический опыт подтверждает, что даже при самом жестком режиме эксплуатации с частыми зарядками, аккум без особого напряга способен выдержать 100–160 тыс. км пробега. Теоретически, самым критичным периодом является первый год эксплуатации, когда отдельные ячейки могут отказаться работать надлежащим образом. Но, здесь, как и в случае с битыми пикселями на мониторах: оставшиеся в строю с большой вероятностью будут функционировать надежно, а падение общей энергоемкости АКБ будет еле заметным.
Первые признаки старения, как правило, начинают давать о себе знать только к третьему году эксплуатации, когда падение энергоемкости ВВБ может дойти до показателя 10–15% от исходного значения. А далее процесс деградации будет замедляться. Даже на восьмой год функционирования в аккумуляторе часто остается намного больше гарантированных производителями 70% емкости.
Как правильно эксплуатировать аккумуляторную батарею электрокара
Помните, как раньше нужно было правильно пользоваться мобильниками? Их требовалось разряжать в полный ноль, а затем заряжать до 100%. В противном случае образовывался «эффект памяти» и емкость аккумулятора таяла просто на глазах.
Современного обладателя электрического автомобиля подобная возня обошла стороной — заряжать девайс можно когда душа пожелает. У литий-ионных элементов оптимальный уровень разряда по всей матрице ячеек отслеживается целой процессорной системой. Однако имеют место нюансы, могущие оказывать влияние на ресурс батарей — сокращать его либо немного продлевать.
К моментам оказывающим негативное влияние на срок службы АКБ относится частая скоростная подзарядка от ЭЗС с постоянным током мощностью более 100 кВт. Никто спорить не будет, в дальнем пути, где-то на загородном шоссе, скоростная зарядка — это просто спасение. За каких-то 30–40 минут, воспользовавшись данным терминалом, можно пополнить запас хода электромобиля на 150–200 километров. Однако для ячеек аккумулятора подзарядка сверхинтенсивными токами все-таки стрессом является. Для регулярного восполнения энергетических запасов электронакопителя лучшим выбором будут ЭЗС мощностью не выше 25–50 кВт.
Следующий потенциальный стресс для аккумулятора — функционирование при очень низких температурах. В принципе, высокотехнологичный контроллер электронакопителя сделает все возможное, дабы ограничить ток на холодных элементах и как можно быстрее прогреть их, а заодно и салон авто, посредством штатного кондиционера инверторного типа. Но будет куда лучше и для вас, и для аккумулятора, если во время зимней эксплуатации оставлять электрокар на зарядном кабеле до самого начала поездки, а накануне включать по таймеру подогрев от электрической сети.
Третья неприятность — регулярная зарядка АКБ до 100%. При подобном раскладе ячейка будет испытывать уже приближенные к критическим изменения в химическом балансе. А из этого в свою очередь следует, что небольшой недозаряд литий-ионных элементов вашей электрической машины точно пойдет им на пользу.
Как утилизировать ВВБ электромобиля
Ученые уже давно озабочены данной проблемой, ведь технологий недорогостоящей, глубокой и не наносящей вреда окружающей среде переработки довольно токсичных литий-ионных элементов в первое время вообще не было. Сегодня они уже существуют: медные шины и корпуса утилизируют как обыкновенный цветной металл, а ячейки размывают спецсоставом, что дает возможность заново пускать в ход содержащийся в полученном растворе литий и другие элементы.
В то же время, подобных предприятий по переработке аккумуляторных батарей в мире мизерное количество, поэтому эффективным, пускай даже и временным решением, стало повторное использование ячеек либо АКБ электрокаров целиком в разнообразных стационарных источниках хранения и резервирования энергии. Они нужны станциям генерации электрической энергии от солнечных панелей и ветряков.
Кроме того, их можно применять в частных домохозяйствах либо в структуре городских энергосетей. К примеру, в Японии, отработавшие свое аккумуляторы электромобилей уже используются для обеспечения уличного освещения, в Париже такие устройства приводят в движение лифты, а в Амстердаме обеспечивают электричеством целый стадион.
Заключение
Итак, подведем итоги…
1. Аккумуляторы для электротранспорта на данный момент все еще дороги, хотя и упали в цене за последние 10 лет приблизительно в 3 раза. Примерно во столько же раз поднялась их энергоемкость.
2. Все ВВБ электромашин функционируют при повышенных напряжениях — 350–800 В, однако многоконтурная система защиты практически исключает риск поражения током.
3. Li-ion является лишь названием для группы абсолютно различных по составу аккумуляторных батарей. Они бывают литий-кобальтовыми, литий-марганцевыми, литий-железо-фосфатными, литий-титанатными и т. д., в том числе и на основе смесей. У всех них разный комплект преимуществ и недостатков.
4. Распределением энергопотоков внутри АКБ заведует сложная многоуровневая система с большим количеством термодатчиков. Под контролем каждая ячейка, модуль, участок цепи и аккумулятор в целом.
5. Довольно большая доля в общей стоимости аккумулятора припадает не только на ячейки, но и на корпус, который является очень прочным элементом со сложной технологией изготовления.
6. Устаревание ВВБ электрокара при его регулярной эксплуатации происходит специфично. По причине наличия дефектных ячеек, энергоемкость аккума может быстро просесть на несколько процентов, а затем она на протяжении нескольких лет плавно снизится на 15–20%. Далее же деградация замедляется, что дает возможность применять электрокаровские АКБ, к примеру, в стационарных системах.
7. На данный момент имеют место технологии для глубокой утилизации электронакопителей, но пока услуги подобного рода предоставляет очень ограниченный перечень компаний и далеко не во всех странах.
- Стильненький снаружи, классненький внутри: обзор Avatr 11 - 30 ноября, 2023
- Расширяем «горизонты человечества»: обзор Gaoshe HiPhi X - 2 ноября, 2023
- Самый динамичный и авангардный серийный минивэн в мире: обзор электрокара Zeekr 009 - 28 сентября, 2023
