Виклики та реалії акумуляторних технологій в електромобілях

Запас ходу та ефективність

Виробники автомобілів розширюють запас ходу електромобілів, щоб вони стали подібними до автомобілів з бензиновим двигуном. Для цього потрібні більші акумулятори, які експоненціально зростають з пройденою відстанню. Подвоєння розміру акумулятора не збільшує лінійно запас ходу, і транспортний засіб стає неефективним зі збільшенням ваги.

Подвоєння розміру акумулятора не збільшує лінійно запас ходу, і транспортний засіб стає неефективним зі збільшенням ваги. Літій-іонний акумулятор має кращі показники щільності енергії, ніж свинцево-кислотний, але жоден акумулятор не зрівняється з воднем з паливним елементом або викопним паливом, яке живить традиційний двигун внутрішнього згоряння. Збільшення запасу ходу за рахунок більшого бака майже незначне порівняно зі збільшенням розміру акумулятора. Існує поріг щодо розміру та ваги акумулятора в транспортному засобі; перевищення критичної точки має негативну віддачу, а ефективність страждає через збільшення ваги транспортного засобу.

Рисунок 1: Розмір акумулятора як функція запасу ходу.

Обмеження та переваги акумуляторів

Акумулятори мають низьку теплотворну здатність порівняно з викопним паливом, і немає сенсу живити вантажний поїзд, океанське судно чи великий літак акумуляторами. Дослідження показує, що заміна гасу акумуляторами може утримувати літак у повітрі менше 10 хвилин. Вартість – ще одна проблема, а заряджання акумуляторів займає багато часу. Заправка, яка відбувається швидко та зручно, як, наприклад, доливання рідкого або газоподібного палива до бака, неможлива за допомогою електрохімічного пристрою. Заряджання також вимагає високої потужності. Надзвичайно швидка зарядка електромобіля споживає еквівалент електроенергії п'яти домогосподарств. Заряджання парку електромобілів може затемнити місто.

І навпаки, викопне паливо не може зрівнятися з якостями акумулятора, який є чистим, тихим і миттєво запускається одним натисканням вимикача. Хоча викопне паливо дешеве та легкодоступне, легковажне спалювання цього ресурсу має припинитися, щоб врятувати нашу планету. Пошук альтернатив, які є екологічно чистими, економічними та довговічними, є складним завданням; акумулятор задовольняє цю вимогу лише частково.

Досягнення в технології акумуляторів за останні 20 років недостатні для заміни викопного палива. Розширення меж можливостей акумуляторів нагадує нам про їхні численні обмеження, серед яких низька щільність енергії; тривалий час заряджання, висока вартість та короткий термін служби до розрядки акумуляторів, часто без попередження. У таблиці 2 показано щільність енергії поширених видів палива, включаючи акумулятори.

Порівняння густини енергії

Таблиця 2: Густина енергії викопного палива та батарей.
Викопне паливо містить у багато разів більше енергії на масу порівняно з батареями, але електроенергію можна використовувати ефективніше, ніж спалювання викопного палива.
Зібрано з різних джерел. Значення є приблизними.

Як подовжити термін служби батареї?

Запас ходу є ключовим фактором при купівлі електромобіля. Вартість також відіграє роль, але рідко згадується час роботи від акумулятора. Це може не турбувати покупця, який постійно їздить на шинах, а продавець не хоче тривожити покупця про можливі проблеми з обслуговуванням пізніше. Що продає, так це радість від електричного руху, який є чистим, тихим і захопливим. Субсидії платників податків також допомагають.

Зарядні пристрої для електрокарів

Зарядні пристрої від відомого виробника з гарантією 5 років

Зарядний пристрій для електромобіля Victron EV Charging Station

Забезпечує до 22 кВт потужності в трифазному режимі або до 7,3 кВт в однофазному, підтримує роботу з GX-пристроями та VRM, має вбудований Wi-Fi, Bluetooth, сенсорний дисплей і кільце світлової індикації.

Купити

Зарядна станція для електромобілів Victron EV Charging Station NS

Це ідеальне рішення для тих, хто хоче заряджати електромобіль від сонця, керувати процесом з телефону або GX-пристрою, контролювати статистику через VRM-портал, та водночас мати надійний і стильний пристрій.

Купити

Чорна передня частина для EV Charging Station NS

 Змінна лицьова частина корпусу для зарядної станції Victron Energy EV Charging Station NS.Також передбачена версія білого кольору.

Купити

Подивитися більше

Батареї мають певний термін служби, і це очевидно зі зменшенням часу роботи наших мобільних телефонів. Прихильники електромобілів можуть стверджувати, що акумулятор смартфона не можна порівнювати з акумулятором електромобіля; ці продукти абсолютно різні. Це правда, але, як не дивно, обидва використовують літій-іонні системи. У цій статті розглядається акумулятор в електромобілі та мобільному телефоні з точки зору часу роботи та довговічності.

Акумулятор мобільного телефону споживчого класу, оптимізований для максимального часу роботи за низькою ціною. Акумулятор електромобіля, навпаки, виготовлений за галузевими стандартами з урахуванням довговічності. Відмінності на цьому не закінчуються, і ключова різниця полягає в тому, як енергія розподіляється.

Мобільний телефон заряджається в кінці дня, і накопичена енергія може бути повністю використана, доки акумулятор не розрядиться. Іншими словами, користувач має повний доступ до накопиченої енергії. Коли акумулятор новий, телефон забезпечує хороший час роботи, але він зменшується з використанням. У цьому режимі повного циклу літій-іонний акумулятор забезпечує близько 500 циклів зарядки/розрядки. Користувач адаптується до зменшення часу роботи, і, оскільки це споживчий продукт, кінець терміну служби акумулятора часто збігається з поломкою екрану або появою нової моделі. Вбудоване старіння добре служить виробникам пристроїв та роздрібним торговцям.

Акумулятор електромобіля також старіє, і його ємність зменшується, але виробник електромобілів повинен гарантувати на акумулятор вісім років. Це досягається шляхом збільшення його розміру. Коли акумулятор новий, використовується лише близько половини доступної енергії. Це досягається шляхом заряджання акумулятора лише до 80% замість повного заряду та розряджання до 30%, коли витрачається доступний запас ходу. У міру того, як акумулятор розряджається, потрібен більший запас ходу. Запас ходу залишається постійним, але водієві це невідомо, акумулятор поступово заряджається до вищого рівня та розряджається глибше, щоб компенсувати зменшення заряду.

Як тільки ємність акумулятора падає до 80%, спрацьовує захист від перевантаження, і система обслуговування акумулятора (BMS) застосовує повний заряд і розряд. Це піддає акумулятор електромобіля такому ж рівню навантаження, як і мобільний телефон, і водій починає помічати зменшення запасу ходу. Заміна акумулятора може стати необхідною, але вартість буде високою та вищою, ніж у випадку з двигуном внутрішнього згоряння.

Електромобіль починає імітувати мобільний телефон з точки зору застарівання, коли акумулятор розряджається. Можливо, саме в цей час покупця завалять швидші та яскравіші моделі, те з чим користувачі смартфонів вже добре знайомі, але ціна буде шокуючим фактором. Ще зарано говорити, як довго прослужить акумулятор електромобіля. Дехто каже, що акумулятор переживе автомобіль і знайде вторинне застосування в системах накопичення енергії.

Звички водіння та температура також впливають на старіння, характеристику, яка виявилася, коли акумулятори електромобілів, що працюють у теплому кліматі, передчасно виснажувалися. Було виявлено, що зберігання акумулятора при підвищеній температурі та високому рівні заряду викликає більше стресу, ніж агресивне водіння. Іншими словами, зберігання повністю зарядженого літій-іонного акумулятора при температурі 30°C (86°F) і вище прискорює процес старіння більше, ніж водіння при помірній температурі. Багато акумуляторів для електромобілів оснащені рідинним охолодженням для зменшення виснаження акумулятора, пов'язаного з нагріванням.

Жорстке навантаження також скорочує термін служби акумулятора. Через великий розмір акумулятор електромобіля навантажується лише помірно, навіть під час розгону. Для порівняння, мобільний телефон споживає постійний високий струм від невеликого акумулятора під час передачі та обробки даних. Це створює більше навантаження на акумулятор мобільного телефону, ніж під час керування електромобілем. На акумулятор також негативно впливає імпульсне навантаження мобільного телефону, а не постійне навантаження електромобіля.

Електромобіль не повідомляє водієві ємність акумулятора, а показує лише стан заряду (SoC) у вигляді запасу ходу. Це робиться частково через побоювання скарг клієнтів, якщо ємність впаде нижче встановленого рівня наприкінці гарантійного терміну. ​​Менше знань часто краще. Таке ж обмеження стосується акумулятора мобільного телефону, хоча коди доступу для обслуговуючого персоналу часто доступні. Новий акумулятор має (повинен мати) ємність 100%; 80% – це типовий кінець терміну служби акумулятора.

Динамічні стрес-тести (DST) на літій-іонних акумуляторах

Усі літій-іонні акумулятори з часом та використанням зношуються, незалежно від того, чи це споживчі товари, чи тривале промислове використання. На рисунку 3 показано довговічність літій-іонних акумуляторів з різними кінцевими точками заряду та розряду.

Рисунок 3: Втрата ємності літій-іонного акумулятора як функція точок відсікання заряду та розряду.

Літій-іонні акумулятори у таблиці вище працюють добре, але найбільша втрата ємності відбувається з акумулятором, зарядженим на 100% та розрядженим до 25% (чорні зірочки). Циклічна зарядка від 85% до 25% (зелений колір) забезпечує довший термін служби, ніж зарядка до 100% та розрядка до 50% (темно-синій колір).

Найменша втрата ємності спостерігається під час заряджання літій-іонного акумулятора до 75% та розряджання до 65%. Однак це призводить до надмірного використання, і акумулятор використовується недостатньо. Така практика застосовується в супутниках для досягнення високого циклічного терміну служби та меншого – для наземних застосувань, оскільки це збільшує вартість, розмір та вагу понад розумну точку повернення. Динамічний стрес-тест не включає акумулятор, заряджений на 100% та розряджений до нуля, як у випадку з мобільним телефоном. Повний цикл забезпечує найкраще використання акумулятора, але зменшує термін служби.

Акумулятори, випробувані в лабораторії, не завжди відтворюють реальні умови експлуатації, і результати, як правило, кращі, ніж ті, що отримуються в польових умовах. У лабораторних умовах акумулятори циклічно заряджаються та розряджаються протягом кількох місяців, часто за контрольованої температури та з ідеальним режимом заряджання та розряджання. Випадкове використання в реальних умовах додає впливу тепла, вібрації та агресивних методів заряджання.

Акумулятори, випробувані в лабораторії, не завжди відтворюють реальні умови експлуатації. В реальних умовах на них додатково впливають тепло, вібрації та агресивні методи заряджання.

Короткий зміст

Акумулятори не мають фіксованого терміну служби, і вони не розряджаються раптово, а поступово розряджаються. Умови навколишнього середовища, а не лише циклічні перезарядки, визначають довговічність. Користувач має певний контроль над подовженням терміну служби акумулятора, уникаючи надшвидкої зарядки, роботи за помірної температури та уникаючи повної зарядки. Уникнення різких навантажень та повних розрядок також допомагає. Тепло є ворогом більшості акумуляторів, і найгіршим станом є зберігання повністю зарядженого літій-іонного акумулятора за підвищених температур. Навіть за найкращого догляду акумулятор служить лише один сезон, і зрештою він зіткнеться з виходом на пенсію, коли заряд зникає.