Еволюція транспорту: від безкінного екіпажу до електромобіля

Перехід від кінного екіпажу до безкінного транспорту вимагав певного часу з появою нових технологій. Архітектура та розташування сидінь деякий час залишалися незмінними на ранніх автомобілях; лише коня замінили двигуном. На рисунку 1 зображено гордих і заможних мандрівників у безкінному екіпажі, які добре захищені від небезпеки кінських копит та дорожнього піску.

Рисунок 1: Безкінний екіпаж. Для адаптації дизайну виробу до нових технологій потрібен час.

На початку 1900-х років електромобілі були зарезервовані лише для високопосадовців, таких як Томас Едісон, Джон Д. Рокфеллер-молодший та Клара Форд, дружина Генрі Форда. Вони обрали цей транспорт за його тиху їзду, а не за вібруючий та забруднюючий повітря двигун внутрішнього згоряння. Екологічно свідомі водії знову відкривають для себе електромобілі, пропонуючи широкий вибір привабливих продуктів.

Культура електромобілів розвиває окремі філософії, кожна з яких задовольняє унікальну групу користувачів. Це видно з розмірів автомобілів та відповідних акумуляторів. Субкомпактний електромобіль постачається з акумулятором ємністю 12–18 кВт·год, середньорозмірний сімейний седан має акумулятор ємністю 22–32 кВт·год, а розкішні моделі Tesla виділяються збільшеним акумулятором ємністю 60–100 кВт·год, що забезпечує збільшений запас ходу та високу продуктивність.

Кажуть, що електромобілі замінять автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння (ДВЗ) приблизно до 2040 року. Щоб зробити електричний силовий агрегат практичним та економічним, знадобиться кілька технологічних удосконалень. Навіть за ціни на нафту в 100 доларів за барель ціна на акумулятори електромобілів має впасти втричі, а також запропонувати надшвидку зарядку. Що стосується вуглецевого сліду, електроенергія, яка використовується для живлення електромобілів, повинна надходити з відновлюваних джерел. Опубліковані звіти свідчать, що викиди від електромобілів, що працюють від американських електромереж, вищі, ніж від ефективного ДВЗ. У таблиці 2 ілюструються поширені електромобілі.

* У 2015/16 роках у Tesla S 85 збільшили ємність акумулятора з 85 кВт·год до 90 кВт·год; у Nissan Leaf — з 25 кВт·год до 30 кВт·год.

Виробники Nissan Leaf, BMW i3 та інших електромобілів використовують перевірений літій-марганцевий (LMO) акумулятор із сумішшю NMC, упакований у призматичний елемент. (NMC розшифровується як нікель, марганець, кобальт). Tesla використовує NCA (нікель, кобальт, алюміній) у елементі 18650, який забезпечує вражаючу питому енергію 3,4 А·год на елемент або 248 Вт·год/кг. Щоб захистити чутливий літій-іонний акумулятор від перевантаження на швидкості на шосе, Tesla збільшує розмір акумулятора в три-чотири рази порівняно з іншими електромобілями.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Великий акумулятор ємністю 90 кВт·год моделі Tesla S (2015) забезпечує неперевершений запас ходу в 424 км (265 миль), але акумулятор важить 540 кг (1200 фунтів), що збільшує споживання енергії до 238 Вт·год/км (380 Вт·год/милю), що є одним із найвищих показників серед електромобілів 

Для порівняння, BMW i3 є одним із найлегших електромобілів і має низьке споживання енергії 160 Вт·год/км (260 Вт·год/милю). Автомобіль використовує акумулятор LMO/NMC, який пропонує помірну питому енергію 120 Вт·год/кг, але є дуже міцним. Середньорозмірний акумулятор ємністю 22 кВт·год забезпечує запас ходу 130–160 км (80–100 миль). Щоб компенсувати менший запас ходу, i3 пропонує REX, опціональний бензиновий двигун, встановлений ззаду. У таблиці 3 порівнюються розмір акумулятора та споживання енергії звичайних електромобілів. Запас ходу вказано за нормальних неоптимізованих умов руху.

Вартість енергії включає лише спожиту електроенергію за ціною $0,20/кВт·год; послуги не враховуються.
* Запас ходу обмежений 28 кВт·год; ручне перемикання на 31,5 кВт·год забезпечує додаткові 16 км (10 миль) запасу ходу.

Вартість автомобільних літій-іонних акумуляторів знизилася з приблизно $1000/кВт·год до трохи більше $100/кВт·год сьогодні. Це зниження вартості пояснюється поступовим удосконаленням конструкції акумуляторів та ефективності виробництва, але мало що пояснюється покращенням хімічного складу акумуляторів. Для подальшого зниження вартості потрібні кращі хімічні склади акумуляторів, але на момент написання цього тексту в найближчому майбутньому для електромобілів цього ще немає.

Приблизно у 2016 році вартість акумулятора для електромобіля становила близько $350/кВт·год. Tesla вдалося знизити ціну до $250/кВт·год, використовуючи популярну батарею 18650, 2,5 мільярда якої було виготовлено у 2013 році. 18650 у сучасних моделях Tesla є малоймовірним вибором, оскільки ця батарея була розроблена для портативних пристроїв, таких як ноутбуки. Доступна з початку 1990-х років, батарея 18650 легкодоступна за низькою ціною. Циліндрична конструкція батареї також забезпечує кращу стабільність порівняно з призматичними та пакетними батареями, але ця перевага може не тривати вічно, оскільки призматичні та пакетні батареї вдосконалюються. Великі літій-іонні батареї є відносно новими та мають потенціал для більшої ємності та нижчої вартості батареї, оскільки потрібно менше батарей.

Ціни падають, і Bloomberg (грудень 2017 року) повідомляє, що середня вартість акумулятора електромобіля зараз становить $209 за кВт⋅год. Це включає корпус, проводку, систему управління будівництвом (BMS) та сантехніку, а також технічне обслуговування, що додає від 20 до 40 відсотків до вартості елементів. Експерти прогнозують, що до 2025 року вартість акумулятора електромобіля впаде нижче $100 за кВт⋅год. Це поставить електромобіль на один рівень зі звичайним транспортним засобом з аналогічними характеристиками. Це зниження цін не стосується стаціонарних акумуляторних систем, які, за даними Bloomberg, будуть на 51 відсоток дорожчими за електромобілі через менший обсяг продажів.

Усі виробники електромобілів повинні надавати 8-річну гарантію або обмеження пробігу на свої акумулятори. Tesla вірить у свої акумулятори та пропонує 8 років гарантії без обмеження пробігу. На рисунку 4 показано акумулятор, який утворює шасі моделі Tesla S. Model S 85 містить 7616 елементів типу 18650 у послідовній та паралельній конфігурації. Менша S-60 має 5376 елементів.

Рисунок 4: Акумулятор у шасі моделі Tesla S [1].
Акумулятор ємністю 85 кВт·год має 7616 елементів 18650 у паралельній/послідовній конфігурації. Вартість $250 за кВт·год нижча, ніж у інших літій-іонних конструкцій.

Виробники електромобілів розраховують запас ходу за найкращих умов, і, згідно зі звітами, пройдені відстані в реальних умовах можуть бути на 30–37 відсотків меншими, ніж заявлено. Це може бути пов'язано з додатковими електричними навантаженнями, такими як фари, склоочисники, а також обігрів та охолодження салону. Агресивне водіння в горбистій сільській місцевості ще більше зменшує запас ходу.

Низька температура також зменшує запас ходу. Користувачі акумуляторів також можуть не помічати складності заряджання за низьких температур. Більшість літій-іонних акумуляторів не можна заряджати за температури нижче нуля. Для захисту акумуляторів електромобілів деякі акумулятори включають нагрівальну ковдру для підігріву акумулятора під час заряджання за низьких температур. Система управління акумулятором (BMS) також може подавати нижчий струм заряду, коли акумулятор холодний. Швидке заряджання за низьких температур сприяє росту дендритів у літій-іонних акумуляторах, що може поставити під загрозу безпеку акумулятора.

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

Власники електромобілів хочуть надшвидкої зарядки, і такі технології доступні, але їх слід використовувати економно, оскільки швидка зарядка навантажує акумулятор. Якщо можливо, не перевищуйте швидкість зарядки 1C. Уникайте повної зарядки, яка триває менше 90 хвилин. Надшвидка зарядка ідеально підходить для водіїв електромобілів у дорозі, і це нормально для епізодичного використання. Деякі електромобілі ведуть облік стресових подій акумулятора, і ці дані можуть бути використані для анулювання гарантійної претензії.

Оцінка SoC завжди була складною задачею, а точність SoC акумулятора не така ж, як точність дозування рідкого палива. Інженери електромобілів на зустрічі SAE в Детройті були здивовані, дізнавшись, що SoC на деяких нових BMS мав відхилення на 15 відсотків. Це приховано від користувача; резервна ємність компенсує дефіцит.

Виробники електромобілів повинні також враховувати зниження ємності розумним та нетривожним для водія способом. Це вирішується шляхом збільшення розміру акумулятора та відображення лише запасу ходу. Новий акумулятор зазвичай заряджається до 80 відсотків і розряджається до 30 відсотків. У міру того, як акумулятор розряджається, пропускна здатність може розширюватися, щоб зберегти той самий запас ходу. Як тільки потрібен повний діапазон ємності, застосовується весь цикл. Це призведе до навантаження на старіючий акумулятор і помітно скоротить запас ходу. На рисунку 5 показано три діапазони рівня палива для індикатора рівня палива електромобіля.

Рисунок 5: Запас ходу як функція продуктивності акумулятора.
Новий акумулятор електромобіля заряджається лише приблизно до 80% і розряджається до 30%. Зі старінням акумулятора потрібен більший запас корисної пропускної здатності, що призводить до збільшення навантаження та прискореного старіння.

Економіка

На перший погляд, їзда на електроенергії дешевша, ніж спалювання викопного палива; однак низькі ціни на паливо, невизначеність щодо терміну служби акумулятора, незнайомство з допустимими допустимими навантаженнями на акумулятор та високі витрати на заміну є факторами, які зменшують стимули покупців переходити з перевіреної системи руху на електричний привід. Електромобіль завжди матиме менший запас ходу, ніж транспортні засоби з двигунами внутрішнього згоряння, оскільки збільшення розміру акумулятора має зменшення корисності. Коли розмір збільшується, акумулятори просто стають занадто важкими, що негативно впливає на економіку подорожі та запас ходу.

Технологічні дорожні карти в рамках Міжнародного енергетичного агентства (МЕА) порівнюють споживання енергії та вартість бензину в порівнянні з електричним двигуном.
Електромобіль потребує від 150 до 250 Вт·год на кілометр залежно від ваги транспортного засобу, швидкості та рельєфу місцевості. За передбачуваного споживання 200 Вт·год/км та ціни на електроенергію $0,20 за кВт·год, вартість енергії для керування електромобілем становитиме $0,04 за км. Для порівняння, для автомобіля аналогічного розміру з бензиновим двигуном це коштує $0,06 за км, а для дизельного двигуна — $0,05 за км. Оцінка цін не включає вартість обладнання, обслуговування та подальшу заміну продукту.

Витривалість акумулятора та його вартість визначатимуть успіх електромобіля. Споживчий ринок, ймовірно, розвинеться для легкого електромобіля з акумулятором, що забезпечує запас ходу 160 км (100 миль) або менше. Це буде субкомпактний автомобіль для щоденних поїздок, власником якого буде водій, який дотримується чітко визначеного режиму водіння та дисциплінованого режиму підзарядки. Згідно з дослідженнями, 90 відсотків поїздок на роботу складаються з менше ніж 30 км. Ринок електромобілів також включатиме моделі високого класу для екологічно свідомих багатіїв, які бажають зменшити викиди парникових газів.

Керування електромобілем забезпечує оптимальну екологічну користь лише під час заряджання з відновлюваних ресурсів. Спалювання вугілля та викопного палива для виробництва електроенергії, як це робиться в багатьох країнах, не зменшує викиди парникових газів. У США 50 відсотків електроенергії виробляється шляхом спалювання вугілля, 20 відсотків — з природного газу та 20 відсотків — з ядерної енергії. Відновлювана енергія за рахунок гідроенергетики становить 8 відсотків, а сонячна/вітрова енергія — лише 2 відсотки.

Перехід на електромобілі також викликає питання: «Хто платитиме за дороги за відсутності податку на пальне?» Уряди витрачають мільярди на утримання та розширення доріг; електромобілі, а частково і гібриди з підзарядженим двигуном, можуть користуватися інфраструктурою безкоштовно. Це несправедливо для людей, які користуються громадським транспортом, оскільки вони платять подвійно: по-перше, сплачуючи податок на прибуток для підтримки дорожньої інфраструктури, а по-друге, купуючи квиток на поїзд.

Висока вартість електромобілів на тлі привабливості дешевого та легкодоступного викопного палива уповільнить перехід до чистого водіння. Можливо, знадобляться державні субсидії, щоб зробити «зелені» автомобілі доступними для широких мас, але багато хто стверджує, що такі виплати слід спрямовувати на покращення громадського транспорту, системи, які ігнорувалися в Північній Америці з 1950-х років.

Рекомендації щодо акумуляторів для електромобілів