Вызовы и реалии аккумуляторных технологий в электромобилях

Запас хода и эффективность

Производители автомобилей увеличивают запас хода электромобилей, чтобы они стали сопоставимы с автомобилями с бензиновым двигателем. Для этого требуются более крупные аккумуляторы, размер которых экспоненциально растет с увеличением пройденного расстояния. Удвоение размера аккумулятора не увеличивает линейно запас хода, и транспортное средство становится неэффективным с увеличением веса.

Удвоение размера аккумулятора не увеличивает линейно запас хода, и транспортное средство становится неэффективным с увеличением веса. Литий-ионный аккумулятор имеет лучшие показатели плотности энергии, чем свинцово-кислотный, но ни один аккумулятор не сравнится с водородом на топливных элементах или ископаемым топливом, питающим традиционный двигатель внутреннего сгорания. Увеличение запаса хода за счет большего бака почти незначительно по сравнению с увеличением размера аккумулятора. Существует порог размера и веса аккумулятора в транспортном средстве; превышение критической точки дает отрицательную отдачу, а эффективность страдает из-за увеличения веса транспортного средства.

Рисунок 1: Размер аккумулятора как функция запаса хода.

Ограничения и преимущества аккумуляторов

Аккумуляторы имеют низкую теплотворную способность по сравнению с ископаемым топливом, и нет смысла питать грузовой поезд, океанское судно или большой самолет аккумуляторами. Исследование показывает, что замена керосина аккумуляторами может удерживать самолет в воздухе менее 10 минут. Стоимость – еще одна проблема, а зарядка аккумуляторов занимает много времени. Заправка, которая происходит быстро и удобно, как, например, доливка жидкого или газообразного топлива в бак, невозможна с помощью электрохимического устройства. Зарядка также требует высокой мощности. Сверхбыстрая зарядка электромобиля потребляет эквивалент электроэнергии пяти домохозяйств. Зарядка парка электромобилей может "потушить" город.

И наоборот, ископаемое топливо не может сравниться с качествами аккумулятора, который является чистым, тихим и мгновенно запускается одним нажатием переключателя. Хотя ископаемое топливо дешево и легкодоступно, легкомысленное сжигание этого ресурса должно прекратиться, чтобы спасти нашу планету. Поиск альтернатив, которые являются экологически чистыми, экономичными и долговечными, является сложной задачей; аккумулятор удовлетворяет это требование лишь частично.

Достижения в технологии аккумуляторов за последние 20 лет недостаточны для замены ископаемого топлива. Расширение границ возможностей аккумуляторов напоминает нам об их многочисленных ограничениях, среди которых низкая плотность энергии; длительное время зарядки, высокая стоимость и короткий срок службы до разрядки аккумуляторов, часто без предупреждения. В таблице 2 показана плотность энергии распространенных видов топлива, включая аккумуляторы.

Сравнение плотности энергии

Таблица 2: Плотность энергии ископаемого топлива и батарей.
Ископаемое топливо содержит во много раз больше энергии на массу по сравнению с батареями, но электроэнергию можно использовать эффективнее, чем сжигание ископаемого топлива.
Собрано из разных источников. Значения являются приблизительными.

Как продлить срок службы батареи?

Запас хода является ключевым фактором при покупке электромобиля. Стоимость также играет роль, но редко упоминается время работы от аккумулятора. Это может не беспокоить покупателя, который постоянно ездит на шинах, а продавец не хочет тревожить покупателя о возможных проблемах с обслуживанием позже. Что продает, так это радость от электрического движения, которое является чистым, тихим и захватывающим. Субсидии налогоплательщиков также помогают.

Зарядные устройства для электрокаров

Зарядные устройства от известного производителя с гарантией 5 лет

Зарядное устройство для электромобиля Victron EV Charging Station

Обеспечивает до 22 кВт мощности в трехфазном режиме или до 7,3 кВт в однофазном, поддерживает работу с GX-устройствами и VRM, имеет встроенный Wi-Fi, Bluetooth, сенсорный дисплей и кольцо световой индикации.

Купить

Зарядная станция для электромобилей Victron EV Charging Station NS

Это идеальное решение для тех, кто хочет заряжать электромобиль от солнца, управлять процессом с телефона или GX-устройства, контролировать статистику через VRM-портал, и при этом иметь надежное и стильное устройство.

Купить

Черная передняя часть для EV Charging Station NS

 Сменная лицевая часть корпуса для зарядной станции Victron Energy EV Charging Station NS. Также предусмотрена версия белого цвета.

Купить

Посмотреть больше

Батареи имеют определенный срок службы, и это очевидно по уменьшению времени работы наших мобильных телефонов. Сторонники электромобилей могут утверждать, что аккумулятор смартфона нельзя сравнивать с аккумулятором электромобиля; эти продукты абсолютно разные. Это правда, но, как ни странно, оба используют литий-ионные системы. В этой статье рассматривается аккумулятор в электромобиле и мобильном телефоне с точки зрения времени работы и долговечности.

Аккумулятор мобильного телефона потребительского класса оптимизирован для максимального времени работы по низкой цене. Аккумулятор электромобиля, напротив, изготовлен по отраслевым стандартам с учетом долговечности. Различия на этом не заканчиваются, и ключевая разница заключается в том, как распределяется энергия.

Мобильный телефон заряжается в конце дня, и накопленная энергия может быть полностью использована, пока аккумулятор не разрядится. Другими словами, пользователь имеет полный доступ к накопленной энергии. Когда аккумулятор новый, телефон обеспечивает хорошее время работы, но оно уменьшается с использованием. В этом режиме полного цикла литий-ионный аккумулятор обеспечивает около 500 циклов зарядки/разрядки. Пользователь адаптируется к уменьшению времени работы, и, поскольку это потребительский продукт, конец срока службы аккумулятора часто совпадает с поломкой экрана или появлением новой модели. Встроенное устаревание хорошо служит производителям устройств и розничным торговцам.

Аккумулятор электромобиля также стареет, и его емкость уменьшается, но производитель электромобилей должен гарантировать на аккумулятор восемь лет. Это достигается путем увеличения его размера. Когда аккумулятор новый, используется лишь около половины доступной энергии. Это достигается путем зарядки аккумулятора только до 80% вместо полной зарядки и разрядки до 30%, когда расходуется доступный запас хода. По мере того, как аккумулятор разряжается, требуется больший запас хода. Запас хода остается постоянным, но водителю это неизвестно, аккумулятор постепенно заряжается до более высокого уровня и разряжается глубже, чтобы компенсировать уменьшение заряда.

Как только емкость аккумулятора падает до 80%, срабатывает защита от перегрузки, и система управления аккумулятором (BMS) применяет полный заряд и разряд. Это подвергает аккумулятор электромобиля такому же уровню нагрузки, как и мобильный телефон, и водитель начинает замечать уменьшение запаса хода. Замена аккумулятора может стать необходимой, но стоимость будет высокой и выше, чем в случае с двигателем внутреннего сгорания.

Электромобиль начинает имитировать мобильный телефон с точки зрения устаревания, когда аккумулятор разряжается. Возможно, именно в это время покупателя завалят более быстрые и яркие модели, то, с чем пользователи смартфонов уже хорошо знакомы, но цена будет шокирующим фактором. Еще слишком рано говорить, как долго прослужит аккумулятор электромобиля. Некоторые говорят, что аккумулятор переживет автомобиль и найдет вторичное применение в системах накопления энергии.

Привычки вождения и температура также влияют на старение, характеристику, которая проявилась, когда аккумуляторы электромобилей, работающих в теплом климате, преждевременно изнашивались. Было обнаружено, что хранение аккумулятора при повышенной температуре и высоком уровне заряда вызывает больше стресса, чем агрессивное вождение. Другими словами, хранение полностью заряженного литий-ионного аккумулятора при температуре 30°C (86°F) и выше ускоряет процесс старения больше, чем вождение при умеренной температуре. Многие аккумуляторы для электромобилей оснащены жидкостным охлаждением для уменьшения износа аккумулятора, связанного с нагревом.

Жесткая нагрузка также сокращает срок службы аккумулятора. Из-за большого размера аккумулятор электромобиля нагружается лишь умеренно, даже во время разгона. Для сравнения, мобильный телефон потребляет постоянный высокий ток от небольшого аккумулятора во время передачи и обработки данных. Это создает большую нагрузку на аккумулятор мобильного телефона, чем во время управления электромобилем. На аккумулятор также негативно влияет импульсная нагрузка мобильного телефона, а не постоянная нагрузка электромобиля.

Электромобиль не сообщает водителю емкость аккумулятора, а показывает только состояние заряда (SoC) в виде запаса хода. Это делается отчасти из-за опасений жалоб клиентов, если емкость упадет ниже установленного уровня в конце гарантийного срока. Меньше знаний часто лучше. Такое же ограничение касается аккумулятора мобильного телефона, хотя коды доступа для обслуживающего персонала часто доступны. Новый аккумулятор имеет (должен иметь) емкость 100%; 80% – это типичный конец срока службы аккумулятора.

Динамические стресс-тесты (DST) на литий-ионных аккумуляторах

Все литий-ионные аккумуляторы со временем и использованием изнашиваются, независимо от того, являются ли они потребительскими товарами или используются в промышленности длительное время. На рисунке 3 показана долговечность литий-ионных аккумуляторов с различными конечными точками заряда и разряда.

Рисунок 3: Потеря ёмкости литий-ионного аккумулятора как функция точек отсечки заряда и разряда.

Литий-ионные аккумуляторы в таблице выше работают хорошо, но наибольшая потеря ёмкости происходит с аккумулятором, заряженным на 100% и разряженным до 25% (черные звездочки). Циклическая зарядка от 85% до 25% (зеленый цвет) обеспечивает более долгий срок службы, чем зарядка до 100% и разрядка до 50% (темно-синий цвет).

Наименьшая потеря ёмкости наблюдается при зарядке литий-ионного аккумулятора до 75% и разрядке до 65%. Однако это приводит к избыточному использованию, и аккумулятор используется недостаточно. Такая практика применяется в спутниках для достижения высокого циклического срока службы и реже – для наземных применений, поскольку это увеличивает стоимость, размер и вес сверх разумной точки возврата. Динамический стресс-тест не включает аккумулятор, заряженный на 100% и разряженный до нуля, как в случае с мобильным телефоном. Полный цикл обеспечивает наилучшее использование аккумулятора, но уменьшает срок службы.

Аккумуляторы, испытанные в лаборатории, не всегда воспроизводят реальные условия эксплуатации, и результаты, как правило, лучше, чем те, что получаются в полевых условиях. В лабораторных условиях аккумуляторы циклически заряжаются и разряжаются в течение нескольких месяцев, часто при контролируемой температуре и с идеальным режимом зарядки и разрядки. Случайное использование в реальных условиях добавляет влияние тепла, вибрации и агрессивных методов зарядки.

Аккумуляторы, испытанные в лаборатории, не всегда воспроизводят реальные условия эксплуатации. В реальных условиях на них дополнительно влияют тепло, вибрации и агрессивные методы зарядки.

Краткое содержание

Аккумуляторы не имеют фиксированного срока службы, и они не разряжаются внезапно, а постепенно. Условия окружающей среды, а не только циклические перезарядки, определяют долговечность. Пользователь имеет определенный контроль над продлением срока службы аккумулятора, избегая сверхбыстрой зарядки, работы при умеренной температуре и избегая полной зарядки. Избегание резких нагрузок и полных разрядок также помогает. Тепло является врагом большинства аккумуляторов, и наихудшим состоянием является хранение полностью заряженного литий-ионного аккумулятора при повышенных температурах. Даже при наилучшем уходе аккумулятор служит лишь один сезон, и в конечном итоге он столкнется с выходом на пенсию, когда заряд исчезает.