Состав аккумуляторов для электромобилей
У автолюбителей, которые впервые столкнулись с электротранспортом, возникает немало вопросов по поводу таких батарей – о времени и способах зарядки, обслуживании, покупке и утилизации.
Не лишним будет перед покупкой такой машины узнать и о видах аккумуляторов, сроках службы и преимуществах их использования по сравнению с более привычным бензином и дизтопливом.
Виды аккумуляторов для электромобилей
В большинстве современных электрических машинах используются 4 типа аккумуляторных батарей. Самые распространённые – литий-ионные, алюминий-ионные и литий-серные. Иногда применяют ещё и металл-воздушные, где в качестве металла выступают цинк, литий, натрий, магний или алюминий.
Литий-ионные батареи
Литий-ионные АКБ – самый распространённый вариант для установки на электрических автомобилях. Преимуществами таких источников питания считают:
- высокую плотность накапливаемой энергии;
- более высокое по сравнению с другими видами АКБ напряжение;
- небольшой саморазряд – до 6% в месяц, до 20% в год;
- практически полное отсутствие «эффекта памяти», из-за которого новые батареи требуется «тренировать», используя несколько циклов заряда/разряда;
- сравнительно большой срок эксплуатации – не меньше 1000 циклов или 10 лет.
Не лучшими характеристиками таких батарей можно назвать высокую стоимость, которая влияет и на цену автомобиля, и плохую устойчивость к избыточному заряду.
Минусом является и небольшой температурный диапазон, в котором работают литий-ионные АКБ (от –20 до +50°C). При использовании за пределами этих значений характеристики батареи ухудшаются – на холоде снижается ёмкость, при жаре аккумулятор может работать нестабильно.
Серьёзная проблема Li-Ion источника питания – высокий уровень взрывоопасности при повреждении и нарушении герметичности.
Алюминий-ионные аккумуляторы
Алюминий в составе батареи для электромобиля повышает безопасность её использования.
Кроме того, такой аккумулятор дешевле обходится при производстве. Использованию таких устройств мешает невысокая производительность катодов и меньшее количество циклов заряда/разряда.
В Китае ведутся исследования по поводу улучшения характеристик батарей. Уже разработана новая конструкция катода, увеличившая ёмкость и сроки службы литий-ионной АКБ, а также уменьшившая её цену. Новая версия, ещё не применяемая на серийных авто, выдерживает до 250 тыс. перезарядок.
Литий-серные батареи
Аккумуляторы, принцип действия которых основан на реакции между литием и серой, делаются многослойными. Их ёмкость примерно вдвое выше по сравнению с аналогичными по размеру литий-ионными батареями. Стоимость изготовления таких аккумуляторов ниже, а рабочий диапазон температур выше, чем у большинства других источников питания электромобилей.
Недостатком литий-сернистых АКБ является небольшое количество перезарядок (до 60). Это делает батареи непригодными для установки в серийных автомобилях. Однако над устранением недостатков уже работают специалисты нескольких компаний, включая OXIS Energy. Предполагается, что к 2020 году стоимость поездки на аккумуляторах Li-S будет ниже, чем у современных литий-ионных версий.
Металл-воздушные АКБ
Преимуществами металло-воздушных аккумуляторов являются:
- небольшой вес, благодаря которому снижается и масса автомобиля;
- большой пробег электромобилей, которые комплектуются такой батареей;
- сравнительно доступная стоимость;
- более простая утилизация по сравнению с литиевыми АКБ.
Минусами устройства является снижение производительности батареи при низкой температуре. Кроме того, такой батарее нужна система фильтрации, потребляющая почти треть общей мощности. Ещё один серьёзный минус – внезапный выход из строя металл-воздушных аккумуляторов из-за образовавшейся на их поверхности плёнки из пероксида лития. И, наконец, последний минус, из-за которого такие батареи не пользуются большим спросом – небольшое число циклов заряда/разряда – до 50-60.
Другие варианты
Кроме основных технологий производства аккумуляторов электромобилей, существует несколько видов, которые только находятся в разработке. Предполагается, что такие аккумуляторные батареи для электромобиля получат большую ёмкость и срок службы по сравнению с существующими версиями. Одной из таких разработок является аккумулятор на основе кремния и графита, способный накапливать в 5 раз больше энергии без заметного износа.
Южнокорейскими разработчиками создана технология, вообще не требующая зарядки. Вместо подключения к электросети после у электромобиля заменяется одна алюминиевая пластина, которой хватает на 700 км пробега. Алюминий идёт на переработку и используется повторно.
Ёмкость батареи электромобиля
Практически каждый электрический автомобиль использует свой тип батареи. Аккумуляторы отличаются ёмкостью и обеспечивают разный запас хода. И хотя максимальное расстояние, которое может проехать электромобиль, зависит ещё и от его конструкции и веса, эту цифру можно использовать для сравнения батарей.
Табл. 1. Сравнение аккумуляторов популярных электромобилей по ёмкости и запасу хода.
| Модель | Ёмкость аккумуляторной батареи, кВт-ч | Запас хода, км |
| Audi e-Tron | 95 | 400 |
| BMW i3 | 33 | 200 |
| Chevrolet Bolt EV | 60 | 300 |
| Chevrolet Spark EV | 19 | 132 |
| Detroit Electric | 37 | 280 |
| Hyundai Ioniq Electric | 28 | 200 |
| Hyundai Kona | 64 | 480 |
| 39 | 300 | |
| JAC iEV7S | 39 | 300 |
| Jaguar I-Pace | 90 | 480 |
| KIA Soul EV | 30 | 178 |
| 64 | 391 | |
| Nissan e-NV200 Combi | 40 | 170 |
| Nissan Leaf | 40 | 250 |
| 62 | 385 | |
| Renault Kangoo ZE | 33 | 270 |
| Renault Zoe | 41 | 367 |
| Smart ForTwo Electric Drive | 17,6 | 160 |
| Tesla Model 3 | 75 | 320 |
| Tesla Model S | 60 | 350 |
| 70 | 500 | |
| 100 | 600 | |
| Tesla Model X | 100 | 475 |
| Volkswagen e-Golf | 24,2 | 170 |
| Volkswagen e-Up | 18,7 | 160 |
Ресурс аккумулятора
Ещё один важный вопрос, возникающий у покупателей и владельцев электрического транспорта, касается срока службы аккумулятора. Стоимость этого источника питания достаточно высокая, и, чем реже его придётся менять, тем лучше. Ответить на вопрос можно попробовать, используя уже известную информацию о батареях электромобилей:
- средний срок эксплуатации аккумулятора составляет около 8-10 лет, хотя эти цифры пока не подтверждены из-за отсутствия достаточно количества старого электротранспорта;
- производители дают гарантию на аккумулятор в пределах 5-8 лет, что позволяет владельцу электромобиля рассчитывать на его замену при преждевременном выходе из строя;
- ёмкость большинства батарей постепенно снижается, и через несколько лет запас хода электромобиля окажется равным 70-80% от начального значения.
Характеристики некоторых видов аккумуляторов (например, литий-ионных) ухудшаются, независимо от количества циклов заряда/разряда. Срок службы других батарей зависит от условий использования, включая температуру окружающей среды. Ёмкость третьих АКБ становится меньше с каждым зарядом. Чтобы примерно представить снижение ресурса, следует рассмотреть конкретный электромобиль.
Ухудшение параметров в процессе эксплуатации
Наблюдения за аккумуляторными батареями популярных моделей Tesla Model S и Nissan Leaf показывают, что максимальное снижение ёмкости происходит в течение первых 5 лет. Причём, за первый и второй год мощность аккумулятора, а, значит, и запас хода уменьшаются в пределах 5-10%, а за три следующих года – ещё на 15-20%. После этого параметры АКБ остаются примерно на одном уровне до конца срока службы – ежегодное снижение ресурса не превышает 1-5%.
Такие особенности аккумуляторов электромобилей позволяют выпущенным больше 5 лет назад моделям Nissan Leaf проезжать до 130 км на одном заряде вместо 160 км начального ресурса. Первые Tesla Model S 2013 года до сих пор способны проехать не меньше 200 км – при 335 км в самом начале эксплуатации. Похожие результаты показывают модели других марок.
Сравнивая пробег электромобилей, можно получить примерно те же цифры – максимальное снижение ёмкости наблюдается в течение первых 70-80 тыс. км. Для обычного автовладельца, проезжающего не больше 15-20 тыс. км ежегодно, эти цифры будут примерно соответствовать 5 годам эксплуатации.
Срок службы батареи уменьшается, если автомобилист постоянно использует технологию быстрой зарядки. Заряжая аккумулятор с помощью устройств, которые восстанавливают до 80% заряда за 30-60 минут, можно в 1,5-2 раза ускорить процесс деградации источника питания. Для того чтобы батарея прослужила дольше, её рекомендуется оставлять подключенной к зарядному устройству на несколько часов – например, на ночь.
Замена аккумулятора
Вышедший из строя или использовавший большую часть своего ресурса аккумулятор следует заменить. И, если владельцы новых электромобилей практически не сталкиваются с необходимостью покупки новой батареи, покупателям первых электрических авто уже приходится задумываться об этом. При замене аккумулятора следует учитывать такие особенности:
- аккумуляторы автомобилей одной модели не всегда подходят друг другу – подбирать АКБ придётся практически индивидуально;
- после установки новой батареи требуется перепрограммирование электронных систем – «прописка» с помощью специальных программаторов;
- если аккумулятор не полностью вышел из строя, а только повреждён, можно выполнить его ремонт – модульная конструкция батарей позволяет заменить всего несколько блоков.
Покупать аккумуляторные батареи можно у официальных дилеров или у частных лиц. В первом случае меньше риск купить подделку или некачественный товар, но увеличивается цена. Если нужно сэкономить, батарею покупают по объявлению, однако качество и надёжность такого аккумулятора остаются под вопросом.
Утилизация отработанных АКБ
Старые батареи содержат большое количество опасных для окружающей среды элементов, поэтому выбрасывать их как обычные отходы не рекомендуется. Обычно производители принимают подержанные аккумуляторы у покупателей своих электромобилей и занимаются утилизацией самостоятельно. Одним из самых выгодных способов утилизировать старых АКБ считается создание с их помощью систем автономного электропитания для частного жилья.
Батареи используют для накопления электроэнергии, полученной от установленных на крыше солнечных батарей. Заряд расходуется на работу домашней техники – телевизоров, холодильников, насосов системы отопления и водоснабжения. Такие варианты «второй жизни» для отработанных аккумуляторов уже разработаны компаниями Tesla и BMW.
Зарядка батареи
Разобравшись с видами, характеристиками и ресурсами аккумуляторов, стоит перейти к вопросу их зарядки. Большинство производителей рекомендует использовать зарядные станции, которые работают уже по всей Европе, в Соединённых Штатах и других странах, где официально продаются электромобили. С другой стороны, владельцу электрокара приходится рассчитывать, хватит ли ресурса аккумулятора не только для поездки, но и для посещения электрозаправки.
В домашних условиях большинство электромобилей можно заряжать от встроенных зарядных устройств, преобразующих переменный ток сети 220В в постоянный, подходящий для батареи. Для использования обычной электрической розетки следует использовать «зарядки» мощностью от 3,6 кВт. Для защиты от перегрева и короткого замыкания зарядное устройство комплектуется специальным блоком, контролирующим напряжение и температуру.
Время зарядки
Главным недостатком зарядки аккумуляторной батареи от обычной электросети является увеличивающееся время зарядки. Так, электромобили Tesla Model S с ёмкостью АКБ 70 кВт-ч заряжаются на 80-100% в течение 15-18 часов. На зарядку батареи Nissan Leaf уходит до 7-8 часов.
При использовании официальных зарядных станций владелец Tesla потратит не больше 5 часов, а, если автомобиль используется не меньше 2-3 лет, достаточно всего 3 часов. Для нового Nissan Leaf среднее время составит около 2,5 часов, для подержанного – до 1,5-2 ч. При использовании режима быстрой зарядки батарея «Ниссан Лиф» заряжается на 80% всего за полчаса, «Теслы» – в течение 40 минут.
Расходы на зарядку аккумулятора
Стоимость обслуживания электромобиля, в основном, связана с расходами на электричество. Для современных моделей Nissan Leaf на зарядку одного аккумулятора требуется не меньше 24 кВт-ч. С учётом запаса хода батареи около 160 км, получается, что на 100 км пробега уходит около 15 кВт-ч или сумма, сравнимая с ценой 1 литра бензина.
Расходы на использование других автомобилей могут заметно отличаться. Тем более что заряд уменьшается быстрее, если ехать на большой скорости (примерно вдвое, если сравнивать показатели для 70 км/ч и 140 км/ч). Однако в среднем затраты на зарядку аккумуляторов получаются в несколько раз ниже по сравнению с заправкой топливного бака обычного автомобиля.
Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber
Источник
Материалы для аккумуляторов электромобилей
В мире растет выпуск машин на электротяге. Сегодня аналитики задают вопрос — в достаточном ли количестве имеются материалы для аккумуляторов электромобилей.
Борьба за чистоту окружающей среды привела к существенному ограничению норм выбросов отработавших газов. Во многих городах уже частично ограничено движение машин с ДВС. Целый ряд стран через десяток лет запретят их использование вообще.
Выход из такой ситуации многие видят в применении электромобилей. На первый взгляд это должно решать проблему. С другой стороны, их количество вырастет многократно. В ближайшие пять лет продажи электрокаров возрастут до 7% от общего числа реализуемых авто.
К 2030 году эта цифра удвоится. К 2040 году прогнозируется рост продаж экологически чистых машин на уровне 38%. Когда эти проценты пересчитываются на реальное количество транспортных средств, возникает ряд вопросов.
Один из них — материалы для аккумуляторов электромобилей. Хватит ли их на всех автопроизводителей, ведь многие из них намерены существенно нарастить объемы выпуска.
Материалы для аккумуляторов электромобилей
Для производства литий-ионных источников питания основными составляющими являются литий, никель и кобальт. Геология утверждает, что их количество в природе ограничено. Если это так, то проблемы с их дефицитом могут возникнуть.
Какая ситуация сейчас
По данным исследовательской компании Wood Mackenzie сегодняшнее производство аккумуляторных батарей электромобилей обеспечивается материалами полностью. Особенностью ситуации является падение краткосрочных рыночных цен на литий, никель и кобальт.
Такой факт служит тормозом для их производителей увеличивать предложения на рынке. Развитие добычи задерживается, а ведь спрос на материалы для аккумуляторов электромобилей будет расти. Поэтому дефицит может возникнуть уже к 2025 году. В первую очередь это коснется кобальта и лития.
Что в перспективе
Литий является основной составляющей литий-ионного источника питания. Потребность в нем вырастет в пределах двузначного числа. К 2030 году этот элемент будет потребляться в основном на аккумуляторы для электромобилей. Цифра будет находиться в пределах 80% от общей добычи.
Кобальт не менее важен для изготовления батарей. По прогнозам Joint Research Centre проблемы с его наличием могут возникнуть уже через два года. С учетом такой ситуации автопроизводители пытаются создать аккумулятор без применения кобальта. Работы идут, но пока реальный результат не достигнут. Поэтому спрос на него, как и на другие материалы для аккумуляторов электромобилей, не снижается.
Никель
Количество этого материала по сравнению с другими в составе аккумуляторной батареи не так велико. Тем не менее, получение нужного его количества через пять лет может стать проблематичным.
Дело в том, что цены на никель низкие, что не позволяет достаточно развивать добычу. Инвестиции в развитие реализуются медленно. Иногда это строк составляет до десяти лет. Поэтому, вкладывать деньги для развития отрасли желательно уже сейчас.
Материалы для аккумуляторов электромобилей — графит и марганец
Эти материалы не станут дефицитными при любой потребности в аккумуляторных батареях для электрокаров. Страны восточной Африки в состоянии обеспечивать графитом всех потребителей с учетом перспективы их развития. Такая же ситуация в мире и с марганцем.
Автор: Сергей Морозов
Внимание! Эта статья защищается законом об авторском праве в цифровую эпоху (DMCA). Запрещается любое копирование без моего разрешения.
Источник