Всё о зарядке электромобилей: от скорости до долговечности
Потребители требуют более быстрого времени зарядки. Лидером в этом направлении является индустрия электромобилей (EV), которая стремится достичь времени зарядки, сопоставимого с заправкой автомобиля. Заливка 50 литров (13 галлонов) топлива в бак имеет теплотворную способность 600 кВт·ч. Заправка происходит быстро. Аккумулятор электромобиля, для сравнения, хранит лишь от 50 до 100 кВт·ч энергии, а зарядка занимает много времени.
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.
КупитьЗарядка электромобиля всегда занимает больше времени, чем заправка топливом; аккумулятор всегда обеспечивает меньше энергии на единицу веса, чем ископаемое топливо. Современный литий-ионный аккумулятор для электромобилей производит до 250 Вт·ч на кг, энергия из ископаемого топлива составляет 13 000 Вт·ч/кг, что в 50 раз больше. Преимуществами электропривода являются высокая энергоэффективность и чистая энергия. Это веские причины для перехода на электрический двигатель.
Три уровня зарядки электромобилей
Сверхбыстрая зарядка необходима для междугородних поездок, но имеет два недостатка. Первый – дорогостоящий источник питания мощностью до 120 кВт на станцию, что соответствует потребностям пяти домохозяйств в электроэнергии. Менее упоминаемым недостатком является нагрузка на аккумулятор во время сверхбыстрой зарядки. Большинство электромобилей можно заряжать с помощью трёх систем зарядки.
| Уровень | Описание | Мощность | Время зарядки |
|---|---|---|---|
| 🏠 Уровень 1 | Комплект кабелей, подключаемый к обычной бытовой розетке 115 В переменного тока, 15 А (230 В переменного тока, ~6 А в Европе). Однофазное подключение производит около 1,5–3 кВт; время зарядки от 7 до 30 часов в зависимости от размера аккумулятора. Уровень 1 подходит для ночной зарядки электровелосипедов, самокатов, электрических инвалидных колясок и PHEV с батареями до 12 кВт·ч. | 1.5–3 кВт | 7–30 часов |
| 🏢 Уровень 2 | Двухполюсное подключение 230 В переменного тока, 30 А, напоминающее бытовую сушилку, для зарядки электромобиля среднего размера за 4–5 часов. Это самая распространённая зарядная станция для электромобилей, производящая около 7 кВт для питания бортового зарядного устройства мощностью 6,6 кВт. Стоимость установки около 5000 долларов США. | ~7 кВт | 4–5 часов |
| 🚀 Уровень 3 | Быстрое зарядное устройство постоянного тока с напряжением 400–600 В постоянного тока, до 300 А. Оно обходит бортовое зарядное устройство и подаёт питание напрямую на аккумулятор. Зарядные устройства уровня 3 обеспечивают мощность до 120 кВт, чтобы зарядить литий-ионный аккумулятор до 80% примерно за 30 минут. Стоимость установки от 35 000 долларов США и выше за станцию. | до 120 кВт | ~30 мин (до 80%) |
Наука и риски быстрой зарядки
Аккумулятор – это электрохимическое устройство, которое может поглощать только определённое количество энергии. Зарядка литий-ионного аккумулятора происходит путём интеркаляции ионов лития и электронов на электродах. Попытка ввести больше энергии, чем аккумулятор может эффективно принять, создаёт перенапряжение. Металлический литий оседает на аноде, образуя литиевые покрытия и дендриты, что снижает безопасность и сокращает срок службы аккумулятора. Те же эффекты происходят при зарядке литий-ионного аккумулятора при низких температурах, когда интеркаляция замедляется.
Приём заряда определяется конструкцией элемента, и литий-ионный аккумулятор выпускается в двух версиях. Power Cells с большой площадью поверхности выдерживают высокие токи и быстро заряжаются. Более распространённая Energy Cell имеет высокую удельную энергию (ёмкость), но ограничена по выдерживаемому току. Аккумулятор для электромобиля — гибрид, склонный к Energy Cell из-за высокой ёмкости и большого запаса хода.
Исключением является литий-титанатный аккумулятор, который можно быстро заряжать. Это стало возможным благодаря замене угольного анода нанокристаллами литий-титаната с большой площадью поверхности. Литий-титанат используется в некоторых японских электромобилях, но такая система дорога и имеет меньшую ёмкость, чем обычный литий-ионный.
Почему сверхбыстрая зарядка останавливается на 80%?
Люди спрашивают: «Почему сверхбыстрая зарядка заряжает аккумулятор только до 70–80%?» Простая причина в том, что заряд лучше воспринимается в среднем диапазоне, а нагрузка на аккумулятор также уменьшается в этом диапазоне.
Во время зарядки напряжение резко возрастает. Это похоже на подъём тяжестей резинкой — вес, или заряд, отстаёт. Литий-ионный аккумулятор заряжается примерно до 70% при достижении 4,20 В/элемент. На этом этапе ток начинает уменьшаться, и процесс зарядки замедляется, чтобы избежать повреждения.
Условия для безопасной сверхбыстрой зарядки:
- ✅ Специальная конструкция: Аккумулятор должен быть разработан для таких нагрузок.
- 👍 Хорошее состояние: Старение замедляет процесс и увеличивает риски.
- 🔋 Уровень заряда до 70–80%: Дальнейшая зарядка проходит медленнее.
- ⚖️ Баланс элементов: Все ячейки должны иметь низкое сопротивление и быть сбалансированы.
- 🌡️ Умеренная температура: Заряжайте при комнатной температуре, избегая жары и холода.
Увеличить ток зарядки просто — оценить, сколько энергии может принять аккумулятор, сложнее. Аналогия с высокоскоростным поездом: он едет со скоростью 300 км/ч по хорошей колее. Мощные двигатели легко построить, но скорость определяется состоянием колеи. Так же состояние аккумулятора диктует время зарядки.
Хорошо разработанное сверхбыстрое зарядное устройство оценивает состояние аккумулятора, чтобы сопоставить ток с коэффициентом разрядки. Зарядное устройство также должно подстраиваться под температуру и контролировать баланс элементов. Кроме того, рекомендуемое зарядное устройство имеет три режима: ночная зарядка (0,5 °C); быстрая зарядка (0,8–1 °C) и сверхбыстрая зарядка (выше 1 °C). Это позволяет пользователю ограничивать сверхбыструю зарядку только при необходимости и при подходящей температуре.
Лучше не заряжать литий-ионный аккумулятор полностью. Считается, что каждое снижение пикового напряжения на 0,10 В/элемент удваивает срок службы. Поэтому электромобили работают с аккумулятором только от 30 до 80% SoC, когда они новые. Система управления аккумулятором (BMS) расширяет диапазон SoC с возрастом, чтобы поддерживать запас хода. Важны также низкие температуры и умеренная скорость зарядки.
Переход от ДВС к электромобилям: вызовы и реальность
Европейские правительства установили конечный срок для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в автомобилях. Потребовалось 100 лет, чтобы построить инфраструктуру для ископаемого топлива, и столько же времени может потребоваться для перехода на электрический двигатель. Частные компании строили заправочные станции; во многих регионах сегодня налогоплательщики субсидируют зарядные станции и покупку электромобилей. Пассажиры, которые ездят на работу на велосипедах или пользуются общественным транспортом, воспринимают эту помощь как разочарование, так как они платят двойную цену.
Важный вопрос, который игнорируют законодатели, — обеспечение надёжности аккумулятора в электромобиле. Аккумулятор Tesla S 85 весит 540 кг (1200 фунтов). Для сравнения, бензиновый двигатель весит от 130 до 350 кг (от 300 до 800 фунтов). Кроме того, аккумулятор является самым слабым компонентом большинства устройств; его срок службы часто ниже, чем у устройства, которое он питает. Возьмём, например, аккумуляторную дрель: она отличная, когда новая, но аккумулятор выходит из строя первым. Запасные комплекты, если они есть, дорогие, а хороший инструмент часто выбрасывают преждевременно.
Поскольку электромобили заменяют автомобили с двигателями внутреннего сгорания, мы спрашиваем: «Сохранит ли электромобиль свою стоимость? В конце концов, сравняется ли электромобиль по цене и запасу хода с обычным автомобилем? Как будет работать аккумулятор после окончания 8-летней гарантии? Будет ли замена аккумулятора экономичной или автомобиль утилизируют, как старый мобильный телефон или электрическую зубную щётку, когда разрядится аккумулятор? Какие экологические проблемы возникнут из-за утилизации больших аккумуляторов для электромобилей?»
Аккумуляторы для электромобилей имеют более высокое качество, чем те, что используются в потребительских товарах, и эксперты утверждают, что аккумулятор электромобиля продержится дольше, чем сам автомобиль. Лабораторные испытания это доказали, но настоящее испытание наступает, когда новые блестящие электромобили стареют. Цивилизованная эксплуатация, умеренные температуры и правильные методы зарядки помогают продлить срок службы аккумулятора.
Однако покупатели электромобилей удивятся, узнав, что замена аккумулятора стоит как компактный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Регуляторы должны обеспечить наличие запасных аккумуляторов по разумной цене, чтобы электромобиль не стал одноразовым предметом, как беспроводная дрель или смартфон, когда аккумулятор разрядится.
Появились компании, которые тестируют аккумуляторы для электромобилей после выхода из эксплуатации на предмет повторного использования во вторичных сферах (см. «Дарение аккумуляторов второму кругу жизни»). Типовое применение — накопление энергии для солнечных панелей в жилых домах. Недостаточно информации о жизнеспособности и безопасности этих аккумуляторов во втором жизненном цикле.
Краткий вывод и рекомендации
Пользователи аккумуляторов стремятся продлить срок службы аккумулятора, и вот рекомендации по уходу за аккумуляторами:
- 🐢 Заряжайте с умеренной скоростью. Сверхбыстрая зарядка создаёт нагрузку.
- 🎯 Не заряжайте до 100% без необходимости. Оптимальный диапазон для Li-ion – 20–80%.
- ☀️ Избегайте повышенных температур. Жара — главный враг аккумулятора.
- ❄️ Не используйте быструю зарядку, когда аккумулятор горячий, холодный, имеет неподходящие элементы или старый.
