Элементы для аккумулятора тесла

Устройство аккумулятора Тесла и его разновидности

Американская компания Tesla Motors некоторое время назад произвела настоящую революцию в сфере производства электромобилей. Им удалось наладить серийное производство экологически чистых транспортных средств. Причём топовые модели Tesla имели динамические характеристики, сравнимые с бензиновыми суперкарами. Электромобили объединили в себе передовые разработки инженеров компании, в числе которых была и технология создания тяговых аккумуляторных батарей. Именно об аккумуляторах для Тесла и пойдёт речь в этой статье. Мы рассмотрим, какие АКБ устанавливались и устанавливаются на американские электромобили, а также их устройство.

Разновидности аккумуляторных батарей на электромобилях Тесла

С момента запуска серийной сборки Model S, а затем и Model X, на эти электромобили устанавливались батареи, ёмкость которых лежала в диапазоне 40─100 кВтч. Они состояли 8, 12, 16 секций. Секция, в свою очередь, состоит из большого количества соединённых между собой литиевых элементов. Сначала использовались аккумуляторные элементы форм-фактора 18650 производства Panasonic. Позднее стали использовать аккумуляторные батареи форм-фактора 21700.

Требования к этим аккумуляторам в Tesla предъявляют довольно жёсткие, и компания Panasonic в качестве поставщика была выбрана не случайно. Японский производитель смог обеспечить выпуск качественных элементов, выдерживающих серьёзные нагрузки.

На изображениях ниже можно посмотреть схематическое устройство силовой части электромобиля Tesla.

Какие виды аккумуляторов для Tesla выпускались?

• 40 кВтч. Эти тяговые АКБ были двух типов: из 8 и 12 модулей. Первые были сделаны на базе батареи для модели Тойота RAV4 EV. Аккумулятор из 12 блоков имел номинал 60 кВтч, но программно был ограничен на отметке 40 кВтч. Выпуск этих моделей был довольно быстро прекращён из-за низкого спроса на Tesla Model S 40 кВтч.
• 60 кВтч. Выпускались модификации с 12 или 16 секциями. Первые использовались на Model S40. Модификация с 16 модулями представляла собой модифицированный вариант, который выпускался с обозначением «New».
• 70/75 кВтч. Эти модели использовались на Model S60 (S60D), S70 (S70D), S75 (S75D). Для S60 использовались модификации с номиналом 60 кВтч, имеющие на 77 аккумуляторных элементов меньше, чем в моделях S70. В последних все модели были загружены целиком.
• 85/90 кВтч. Модификации номиналом 85 и 90 кВтч (и 100 также) состоят из 16 модулей. Каждый из них имеет в своём составе 444 литиевых элемента и плату управления, управляющую их зарядом, разрядом и балансировкой. Наиболее популярным аккумулятором для Tesla стал 85 кВтч, имеющий в своём составе 7104 элементом форм-фактора 18650.

Специалисты Panasonic в 2015 году усовершенствовали конструкцию анода литиевых аккумуляторных элементов, в результате чего ёмкость аккумулятора увеличилась на 6 процентов. Так появились АКБ с номиналом 90 кВтч.

100 кВтч. Это наиболее мощная версия. Инженеры Tesla изменили внутреннюю конфигурацию аккумуляторной батареи и в каждом модуле разместили 516 элементов 18650. В результате всего в АКБ разместились 8256 штук. Запасённая энергия составила более 100 кВтч. Электромобиль на таком аккумуляторе пробегает около 500 км. Токоотдача составила 25C.

Это стало наилучшим результатом. Но специалисты на этом не остановились и исследования продолжаются. Для повышения эффективности АКБ и уменьшения издержек Tesla возвели в населённом пункте Спаркс (штат Невада) крупный аккумуляторный завод, получивший название Gigafactory 1.

По данным некоторых зарубежных изданий на фабрике Gigafactory 1 запустили сборку АКБ для электромобилей Tesla с использованием элементов форм-фактора 21700. Диаметр этих цилиндрических аккумуляторов 21 мм, а длина 70 мм.

Их сначала применяли в батареях Tesla Powerpack и Powerwall, а затем в новом Model 3. Этот седан уступает по размерам Model S. Сообщается, что энергоэффективность 21700 выше 18650 на 10─15 процентов. При этом объём запасаемой энергии выше на 46 процентов.

На вышеупомянутом предприятии работает больше 6 тысяч человек и планируется значительное расширение штата. Строительство завода обошлось в сумму около 5 млрд долларов США.
Вернуться к содержанию

Что внутри?

Поскольку электромобиль Tesla является весьма дорогим транспортным средством, не каждый владелец может позволить себе распотрошить на камеру его аккумуляторную батарею. Кстати, стоимость аккумулятора составляет 40─50 тысяч $. Но такие энтузиасты нашлись. Несколько лет назад на просторах англоязычного интернета появились фотографии разбора модели 85 кВтч.

Внутри можно обнаружить 16 модулей, соединённых параллельно. От попадания влаги и просто внешнего воздействия сделана защита в виде пластин из металла и пластиковых вставок. На фото можно видеть, как измеряют напряжение.

Сами аккумуляторы находятся близко друг к другу в специальных ячейках. Укладка осуществляется в автоматическом режиме промышленным роботом.

В модулях аккумуляторные элементы также подразделяются на группы по 74 элемента. Их работой управляют электронные платы, которые с натяжкой можно назвать аналогом BMS плат для аккумуляторов ноутбуков. Всего в АКБ 85 кВтч 7104 литий-ионных аккумуляторных элементов. Предусмотрена жидкостная система охлаждения.

Общий вес аккумуляторной батареи 85 кВтч составляет 540 кг. Габариты представлены ниже.

Позднее в общем доступе появились изображения разобранной АКБ, сделанные Джейсоном Хьюзом, одним из владельцев Tesla. На этот раз аккумуляторная батарея заявленная мощность была 100 кВтч.

Как удалось выяснить Хьюзу, реальная ёмкость батареи составила 102,4 кВтч. Чтобы выяснить реальные характеристики этой модели, он получил доступ в систему управлении питанием электромобиля. Он хотел проверить утверждения представителей Tesla о том, что батарея претерпела серьёзную модернизацию. В частности, сообщалось об обновлении архитектуры, системы охлаждения и электронной начинке.

Хьюзу удалось выяснить, что теперь в одном модуле АКБ находится 516 элементов, а суммарное количество составляет 8256 штук. По сравнению с предшествующими моделями 85/90 кВтч увеличение составило около 16 процентов. В модуль, по его словам, добавили несколько рядов для элементов. Контуры охлаждения стали более тонкими и короткими (в модуле два). В результате хладагент забирает тепло от меньшего количества элементов.

Новые аккумуляторы сохранили совместимость с различными модификациями Tesla Model X и Model S. Кроме того, по словам представителей компании, новые решения, реализованные в батарее, позволили им выпустить Model 3. Хьюз показал, что конструкция подключения охлаждающей системы, а также разъёма кабелей высокого и низкого напряжения осталась прежней. Как видно на фотографиях, коннекторы можно без проблем заменить.

Направление развития

Новые электромобили Tesla Model 3 имеют запас хода более 300 км. Информация о развитии будущих аккумуляторных батарей для Тесла в основном непроверенная. Были сообщения, что при сборке будут использовать литиевые элементы стандарта 21700 (диаметр 21 мм, длина 70 мм). Стоимость этих батарей будет немногим более 110$ за 1 кВт. По сравнению с альтернативными решениями это довольно дёшево. В модуль будут входить 4 базовых элемента с охлаждающим контуром, а вокруг них будут располагаться литиевые элементы 21700.

Химический состав: LiNiCoAlO₂ (литий-никель-кобальт-оксид алюминия c 80% никеля, 15% кобальта, 5% алюминия). Представители Tesla называют такой состав главным преимуществом их АКБ по сравнению с другими решениями. В частности, по их утверждению, на Model 3 устанавливаются батареи с наивысшей плотностью энергии из всех возможных.

Это было достигнуто благодаря существенному снижению содержания кобальта в катодной химии и увеличении объёма никеля. Им удалось сохранить отличные показатели температурной стабильности. По непроверенной информации, содержание никеля, марганца и кобальта в катоде будет в соотношении 8:1:1.

Сведения об этом содержались в отчёте компания Тесла за I квартал 2018 года. Илон Маск и технический директор Tesla Дж. Б. Страубель не раз заявляли, что направляют большие усилия для сокращения потребления кобальта. Это необходимо, чтобы сократить суммарные затраты на 1 кВт-ч при производстве батарей. Ведь кобальт является одним из наиболее дорогостоящих компонентов, используемых в производстве аккумуляторов для электромобилей Тесла. Как показывают данные OilPrice, его стоимость превышает 90 тысяч долларов за тонну.

В то же время, конкурирующие с Tesla компании из Японии, Германии, США, Южной Кореи пока отстают по технологии производства аккумуляторных батарей. За счёт них ещё некоторое время поставщики кобальта будут сохранять объёмы сбыта и компенсируют потери закупок со стороны Тесла.

Зарядка и деградация аккумуляторов

Что касается деградации аккумуляторных батарей, то последние модели Тесла демонстрируют потерю ёмкости на 10% после пробега 160 тысяч миль (чуть менее 260 тыс. км). Как показывают исследования, большинство аккумуляторов теряют 5% своей ёмкости за первые 80 тыс. км. После этого ёмкость выравнивается и деградация существенно замедляется.

Одно из ключевых требований к АКБ электромобилей заключается в том, чтобы они могли заряжаться быстро. Особенно это чувствительно, если вы находитесь в пути. Бытовая электросеть переменного тока 240 вольт способна заржать аккумуляторы с помощью ЗУ мощностью 10 кВт. В электромобиле имеется схема, выпрямляющая переменный ток. Благодаря схеме он превращается в постоянный ток. Подобный вариант для полного заряда требует несколько часов и подходит, если электромобиль стоит у вас дома или в гараже ночью.

Чтобы решить проблему зарядки в пути, Tesla установили зарядные станции постоянного тока Supercharger по всему миру. Они обеспечивают мощность до 135 кВт. DC заряжает аккумулятор в обход схемы зарядки. В результате на заряд батареи уходит 20─40 минут.

Из-за этих ограничений возникает верхний предел мощности зарядного устройства, которое можно использовать для зарядки аккумуляторов. Максимальная мощность вычисляется по формуле 4,2 * N * I. Здесь N означает число элементов в блоке, а I — это максимально разрешённый ток на один элемент. Для используемых в Tesla аккумуляторах значения получаются следующие.

• 85/90 кВтч. Мощность = 7104 х 16,8 (4,2*4) = 119,3 кВт.
• 100 кВтч. Мощность 8256 Х 16,8 = 138,7 кВт.

Дальнейшее увеличение мощности зарядки возможно лишь при наращивании зарядного тока. Но это ускорит деградацию литиевых элементов. Гарантию компания Tesla обеспечивает от отказа и поломок, но не от деградации. Но работа элементов обеспечивается таким образом, что деградация идёт всего лишь на 1─2% в год.

Источник

На Токе заряженный портал

Все, что вам нужно знать о литий-ионных батареях Tesla — На токе

• Статьи об электротранспорте
• Технологии
• Аккумуляторы
• Все, что вам нужно знать о литий-ионных батареях Tesla

Все, что вам нужно знать о литий-ионных батареях Tesla

Понимание литий-ионных батарей TESLA

Автомобили Tesla приводятся в действие исключительно электрическим зарядом, хранящимся в батареях, и называются Battery Electric Vehicles или BEV. Причиной существования Tesla как компании является то, что литий-ионные аккумуляторы имеют самую высокую зарядную емкость за достаточно небольшие деньги, и это позволяет BEV быть практичными.

Идея использования литий-ионных аккумуляторных батарей была впервые предложена британским химиком в начале 1970-х годов. В этой статье Википедии содержится подробный обзор разработки литий-ионных аккумуляторных батарей.

Элементы батареи — обманчиво простые устройства, состоящие из трех основных компонентов: двух электродов, отрицательного анода и положительного катода, разделенных химическим «супом», называемым электролитом. Когда литий-ионные аккумуляторы заряжаются, ионы лития вынуждены мигрировать на отрицательный электрод, где они заряжаются. Во время разряда ионы лития меняют направление на катод.

Тесла использует 18650 ёмкостные элементы, производства Panasonic в Азии, в автомобилях моделей S и X с 2013 года. Это небольшие аккумуляторные элементы, немного больше, чем стандартные элементы AA. Цилиндрические ячейки Тесла имеют диаметр 18 мм и высоту 65 мм. Продукция Panasonic, возможно, с использованием информации от Tesla, является, одной из самых надежных доступных сегодня, обеспечивающей очень длительный срок службы и надежность в суровых автомобильных условиях.

Tesla Model X на выставочном стенде Panasonic

Самый популярный аккумуляторный блок, поставляемый Tesla, содержит 7 104 элементов 18650 в 16-и 444 элементных модулях, способных хранить до 85 кВт-ч энергии. В 2015 году компания Panasonic изменила конструкцию анода, увеличив емкость батареи примерно на 6%, что позволило аккумуляторным батареям сохранять до 90 кВт-ч энергии. Совсем недавно инженеры Tesla перенастроили внутреннюю часть аккумуляторного блока так, чтобы в каждом модуле было по 516 элементов, в общей сложности 8256 элементов, способных хранить чуть более 100 кВт-ч энергии, что позволяет автомобилям преодолевать расстояние более 480км.

Чтобы еще больше повысить эффективность элементов и снизить затраты, Tesla построила крупный аккумуляторный завод в Спаркс, штат Невада, недалеко от Рино, под названием Gigafactory 1, который в настоящее время производит новую конструкцию элемента под названием 2170, поскольку его диаметр составляет 21 мм, а высота — 70 мм. Первоначально использовался в продуктах Tesla Powerwall и продуктах Powerpack, а также в новом седане Model 3, который был меньше и дешевле, чем модель S. Объем модели 2170 на 46% больше, чем у 18650 и 10-15% энергоэффективнее, чем 18650 ячеек, по словам JB Straubel, технического директора Tesla.

Одно из ключевых требований к аккумуляторным батареям электромобилей, особенно в дорожных поездках, заключается в том, что их необходимо заряжать относительно быстро.

Поскольку аккумуляторы являются устройствами постоянного тока, а домашнее электроснабжение осуществляется от сети переменного тока, при зарядке дома обычно используется цепь на 220 вольт, питающая не более 32 ампер (около 7 кВт мощности). Автомобиль имеет встроенную зарядную схему, которая выпрямляет переменный ток, преобразуя его в постоянный. Зарядка таким способом обычно занимает несколько часов. Tesla установила зарядные станции постоянного тока Supercharger по всему миру(ну кроме России разумеется), которые обеспечивают мощность до 135 кВт. Станция обходит схему зарядки автомобиля и заряжает аккумулятор напрямую.Это намного быстрее, и обычно занимает от 20 до 40 минут.

Аккумуляторы Tesla, использующие аккумуляторы Panasonic 18650, могут заряжаться не быстрее этого. Максимальное зарядное напряжение для элемента Panasonic составляет 4,2 вольт. Panasonic устанавливает максимальный зарядный ток 2 ампер на элемент. Тесла позволяет зарядному току быть до 4 ампер.

Поэтому максимальная мощность, которую аккумуляторная батарея Tesla может использовать для зарядки, составляет 4,2*N*I, где N — это количество элементов в блоке, а I — максимально допустимый ток на элемент. Для блоков мощностью 85/90 кВтч это 7 104 х 16,8 = 119,3 кВт. Для упаковок по 100 кВт-ч это 8 256 Х 16,8 = 138,7 кВт. Нет возможности заряжать быстрее без увеличения максимального зарядного тока на элемент, который может ускорить деградацию элементов, что еще хуже.

Все элементы перезаряжаемых аккумуляторов со временем разлагаются, поскольку в элементах происходят нежелательные побочные реакции, которые вырабатывают побочные продукты, которые блокируют попадание ионов лития на анод во время зарядки. Аккумуляторы Tesla имеют гарантию от отказа, но не от деградации. Деградация элементов 18650 происходит очень медленно, в худшем случае теряет лишь один или два процента емкости в год. По-видимому, элементы очень устойчивы к деградации.

Анализ деградации батареи Тесла

В автомобилях Tesla Model 3 будут использоваться упомянутые выше ячейки производства Gigafactory 2170. Ячейки большего размера могут быть в состоянии использовать более 4 ампер зарядного тока, что ускорит зарядку, но, поскольку 2170 ячеек обладают большей емкостью накопления энергии, чем 18650 ячеек, пропорционально меньше потребуется для создания пакета с заданным значением кВтч.(N становится меньше, I становится больше). Это означает, что зарядка большей мощности для этих аккумуляторов не имеет смысла. Отношение 4.2*N*I все еще применяется. Будет интересно посмотреть, как работают эти новые аккумуляторные батареи.

Источник