Эволюция транспорта: от безлошадного экипажа до электромобиля

Переход от конного экипажа к безлошадному транспорту потребовал определенного времени с появлением новых технологий. Архитектура и расположение сидений некоторое время оставались неизменными на ранних автомобилях; только лошадь заменили двигателем. На рисунке 1 изображены гордые и состоятельные путешественники в безлошадном экипаже, которые хорошо защищены от опасности лошадиных копыт и дорожного песка.

Рисунок 1: Безлошадный экипаж. Для адаптации дизайна изделия к новым технологиям требуется время.

В начале 1900-х годов электромобили были зарезервированы только для высокопоставленных лиц, таких как Томас Эдисон, Джон Д. Рокфеллер-младший и Клара Форд, жена Генри Форда. Они выбрали этот транспорт за его тихую езду, а не за вибрирующий и загрязняющий воздух двигатель внутреннего сгорания. Экологически сознательные водители вновь открывают для себя электромобили, предлагая широкий выбор привлекательных продуктов.

Культура электромобилей развивает отдельные философии, каждая из которых удовлетворяет уникальную группу пользователей. Это видно по размерам автомобилей и соответствующих аккумуляторов. Субкомпактный электромобиль поставляется с аккумулятором емкостью 12–18 кВт·ч, среднеразмерный семейный седан имеет аккумулятор емкостью 22–32 кВт·ч, а роскошные модели Tesla выделяются увеличенным аккумулятором емкостью 60–100 кВт·ч, что обеспечивает увеличенный запас хода и высокую производительность.

Говорят, что электромобили заменят автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) примерно к 2040 году. Чтобы сделать электрический силовой агрегат практичным и экономичным, потребуется несколько технологических усовершенствований. Даже при цене на нефть в 100 долларов за баррель цена на аккумуляторы электромобилей должна упасть втрое, а также предложить сверхбыструю зарядку. Что касается углеродного следа, электроэнергия, используемая для питания электромобилей, должна поступать из возобновляемых источников. Опубликованные отчеты свидетельствуют о том, что выбросы от электромобилей, работающих от американских электросетей, выше, чем от эффективного ДВС. В таблице 2 иллюстрируются распространенные электромобили.

* В 2015/16 годах у Tesla S 85 увеличили емкость аккумулятора с 85 кВт·ч до 90 кВт·ч; у Nissan Leaf — с 25 кВт·ч до 30 кВт·ч.

Производители Nissan Leaf, BMW i3 и других электромобилей используют проверенный литий-марганцевый (LMO) аккумулятор со смесью NMC, упакованный в призматический элемент. (NMC расшифровывается как никель, марганец, кобальт). Tesla использует NCA (никель, кобальт, алюминий) в элементе 18650, который обеспечивает впечатляющую удельную энергию 3,4 А·ч на элемент или 248 Вт·ч/кг. Чтобы защитить чувствительный литий-ионный аккумулятор от перегрузки на скорости на шоссе, Tesla увеличивает размер аккумулятора в три-четыре раза по сравнению с другими электромобилями.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Большой аккумулятор емкостью 90 кВт·ч модели Tesla S (2015) обеспечивает непревзойденный запас хода в 424 км (265 миль), но аккумулятор весит 540 кг (1200 фунтов), что увеличивает потребление энергии до 238 Вт·ч/км (380 Вт·ч/милю), что является одним из самых высоких показателей среди электромобилей.

Для сравнения, BMW i3 является одним из самых легких электромобилей и имеет низкое потребление энергии 160 Вт·ч/км (260 Вт·ч/милю). Автомобиль использует аккумулятор LMO/NMC, который предлагает умеренную удельную энергию 120 Вт·ч/кг, но является очень прочным. Среднеразмерный аккумулятор емкостью 22 кВт·ч обеспечивает запас хода 130–160 км (80–100 миль). Чтобы компенсировать меньший запас хода, i3 предлагает REX, опциональный бензиновый двигатель, установленный сзади. В таблице 3 сравниваются размер аккумулятора и потребление энергии обычных электромобилей. Запас хода указан при нормальных неоптимизированных условиях движения.

Стоимость энергии включает только потребленную электроэнергию по цене $0,20/кВт·ч; услуги не учитываются.
Запас хода ограничен 28 кВт·ч; ручное переключение на 31,5 кВт·ч обеспечивает дополнительные 16 км (10 миль) запаса хода.

Стоимость автомобильных литий-ионных аккумуляторов снизилась с примерно $1000/кВт·ч до чуть более $100/кВт·ч сегодня. Это снижение стоимости объясняется постепенным усовершенствованием конструкции аккумуляторов и эффективности производства, но мало что объясняется улучшением химического состава аккумуляторов. для дальнейшего снижения стоимости нужны лучшие химические составы аккумуляторов, но на момент написания этого текста в ближайшем будущем для электромобилей этого еще нет.

Примерно в 2016 году стоимость аккумулятора для электромобиля составляла около $350/кВт·ч. Tesla удалось снизить цену до $250/кВт·ч, используя популярную батарею 18650, 2,5 миллиарда которой было изготовлено в 2013 году. 18650 в современных моделях Tesla является маловероятным выбором, поскольку эта батарея была разработана для портативных устройств, таких как ноутбуки. Доступная с начала 1990-х годов, батарея 18650 легкодоступна по низкой цене. Цилиндрическая конструкция батареи также обеспечивает лучшую стабильность по сравнению с призматическими и пакетными батареями, но это преимущество может не длиться вечно, поскольку призматические и пакетные батареи совершенствуются. Большие литий-ионные батареи являются относительно новыми и имеют потенциал для большей емкости и более низкой стоимости батареи, поскольку требуется меньше батарей.

Цены падают, и Bloomberg (декабрь 2017 года) сообщает, что средняя стоимость аккумулятора электромобиля сейчас составляет $209 за кВт·ч. Это включает корпус, проводку, систему управления зданием (BMS) и сантехнику, а также техническое обслуживание, что добавляет от 20 до 40 процентов к стоимости элементов. Эксперты прогнозируют, что к 2025 году стоимость аккумулятора электромобиля упадет ниже $100 за кВт·ч. Это поставит электромобиль на один уровень с обычным транспортным средством с аналогичными характеристиками. Это снижение цен не касается стационарных аккумуляторных систем, которые, по данным Bloomberg, будут на 51 процент дороже электромобилей из-за меньшего объема продаж.

Все производители электромобилей должны предоставлять 8-летнюю гарантию или ограничение пробега на свои аккумуляторы. Tesla верит в свои аккумуляторы и предлагает 8 лет гарантии без ограничения пробега. На рисунке 4 показан аккумулятор, который образует шасси модели Tesla S. Model S 85 содержит 7616 элементов типа 18650 в последовательной и параллельной конфигурации. Меньшая S-60 имеет 5376 элементов.

Рисунок 4: Аккумулятор в шасси модели Tesla S [1].
Аккумулятор емкостью 85 кВт·ч имеет 7616 элементов 18650 в параллельной/последовательной конфигурации. Стоимость $250 за кВт·ч ниже, чем у других литий-ионных конструкций.

Производители электромобилей рассчитывают запас хода при наилучших условиях, и, согласно отчетам, пройденные расстояния в реальных условиях могут быть на 30–37 процентов меньше, чем заявлено. Это может быть связано с дополнительными электрическими нагрузками, такими как фары, стеклоочистители, а также обогрев и охлаждение салона. Агрессивное вождение в холмистой сельской местности еще больше уменьшает запас хода.

Низкая температура также уменьшает запас хода. Пользователи аккумуляторов также могут не замечать сложности зарядки при низких температурах. Большинство литий-ионных аккумуляторов нельзя заряжать при температуре ниже нуля. Для защиты аккумуляторов электромобилей некоторые аккумуляторы включают нагревательное одеяло для подогрева аккумулятора во время зарядки при низких температурах. Система управления аккумулятором (BMS) также может подавать более низкий ток заряда, когда аккумулятор холодный. Быстрая зарядка при низких температурах способствует росту дендритов в литий-ионных аккумуляторах, что может поставить под угрозу безопасность аккумулятора.

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

Владельцы электромобилей хотят сверхбыстрой зарядки, и такие технологии доступны, но их следует использовать экономно, поскольку быстрая зарядка нагружает аккумулятор. Если возможно, не превышайте скорость зарядки 1C. Избегайте полной зарядки, которая длится менее 90 минут. Сверхбыстрая зарядка идеально подходит для водителей электромобилей в пути, и это нормально для эпизодического использования. Некоторые электромобили ведут учет стрессовых событий аккумулятора, и эти данные могут быть использованы для аннулирования гарантийной претензии.

Оценка SoC всегда была сложной задачей, а точность SoC аккумулятора не такая же, как точность дозирования жидкого топлива. Инженеры электромобилей на встрече SAE в Детройте были удивлены, узнав, что SoC на некоторых новых BMS имел отклонение на 15 процентов. Это скрыто от пользователя; резервная емкость компенсирует дефицит.

Производители электромобилей должны также учитывать снижение емкости разумным и нетревожным для водителя способом. Это решается путем увеличения размера аккумулятора и отображения только запаса хода. Новый аккумулятор обычно заряжается до 80 процентов и разряжается до 30 процентов. По мере того, как аккумулятор разряжается, пропускная способность может расширяться, чтобы сохранить тот же запас хода. Как только требуется полный диапазон емкости, применяется весь цикл. Это приведет к нагрузке на стареющий аккумулятор и заметно сократит запас хода. На рисунке 5 показаны три диапазона уровня топлива для индикатора уровня топлива электромобиля.

Рисунок 5: Запас хода как функция производительности аккумулятора.
Новый аккумулятор электромобиля заряжается лишь примерно до 80% и разряжается до 30%. Со старением аккумулятора требуется больший запас полезной пропускной способности, что приводит к увеличению нагрузки и ускоренному старению.

Экономика

На первый взгляд, езда на электроэнергии дешевле, чем сжигание ископаемого топлива; однако низкие цены на топливо, неопределенность относительно срока службы аккумулятора, незнакомство с допустимыми допустимыми нагрузками на аккумулятор и высокие затраты на замену являются факторами, которые уменьшают стимулы покупателей переходить с проверенной системы движения на электрический привод. Электромобиль всегда будет иметь меньший запас хода, чем транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания, поскольку увеличение размера аккумулятора имеет уменьшение полезности. Когда размер увеличивается, аккумуляторы просто становятся слишком тяжелыми, что отрицательно влияет на экономику путешествия и запас хода.

Технологические дорожные карты в рамках Международного энергетического агентства (МЭА) сравнивают потребление энергии и стоимость бензина по сравнению с электрическим двигателем.
Электромобиль требует от 150 до 250 Вт·ч на километр в зависимости от веса транспортного средства, скорости и рельефа местности. При предполагаемом потреблении 200 Вт·ч/км и цене на электроэнергию $0,20 за кВт·ч, стоимость энергии для управления электромобилем составит $0,04 за км. для сравнения, для автомобиля аналогичного размера с бензиновым двигателем это стоит $0,06 за км, а для дизельного двигателя — $0,05 за км. Оценка цен не включает стоимость оборудования, обслуживания и последующую замену продукта.

Выносливость аккумулятора и его стоимость будут определять успех электромобиля. Потребительский рынок, вероятно, разовьется для легкого электромобиля с аккумулятором, обеспечивающим запас хода 160 км (100 миль) или меньше. Это будет субкомпактный автомобиль для ежедневных поездок, владельцем которого будет водитель, придерживающийся четко определенного режима вождения и дисциплинированного режима подзарядки. Согласно исследованиям, 90 процентов поездок на работу состоят из менее чем 30 км. Рынок электромобилей также будет включать модели высокого класса для экологически сознательных богачей, желающих уменьшить выбросы парниковых газов.

Управление электромобилем обеспечивает оптимальную экологическую пользу только во время зарядки из возобновляемых ресурсов. Сжигание угля и ископаемого топлива для производства электроэнергии, как это делается во многих странах, не уменьшает выбросы парниковых газов. В США 50 процентов электроэнергии производится путем сжигания угля, 20 процентов — из природного газа и 20 процентов — из ядерной энергии. Возобновляемая энергия за счет гидроэнергетики составляет 8 процентов, а солнечная/ветровая энергия — всего 2 процента.

Переход на электромобили также вызывает вопрос: «Кто будет платить за дороги в отсутствие налога на топливо?» Правительства тратят миллиарды на содержание и расширение дорог; электромобили, а частично и гибриды с подзаряженным двигателем, могут пользоваться инфраструктурой бесплатно. Это несправедливо для людей, которые пользуются общественным транспортом, поскольку они платят дважды: во-первых, уплачивая налог на прибыль для поддержки дорожной инфраструктуры, а во-вторых, покупая билет на поезд.

Высокая стоимость электромобилей на фоне привлекательности дешевого и легкодоступного ископаемого топлива замедлит переход к чистому вождению. Возможно, понадобятся государственные субсидии, чтобы сделать «зеленые» автомобили доступными для широких масс, но многие утверждают, что такие выплаты следует направлять на улучшение общественного транспорта, системы, которые игнорировались в Северной Америке с 1950-х годов.

Рекомендации по аккумуляторам для электромобилей