Аккумуляторы электромобилей: емкость, устройство, срок службы

Тяговая батарея — самый тяжелый, сложный и дорогой узел электромобиля. Как правило, она располагается под днищем машины. От емкости аккумулятора (в числе прочих факторов) зависит дальность хода и скорость зарядки электромобиля.
 

Устройство аккумулятора электромобиля

Тяговые аккумуляторные батареи электромобилей состоят из нескольких блоков-модулей, внутри которых находятся ячейки (элементы питания) в виде призм или цилиндров.

Элементы состоят из катода (положительный полюс), электролита, сепаратора и анода (отрицательный полюс). Заряженные частицы (ионы) перемещаются от катода к аноду через сепаратор при зарядке и в обратном направлении — при разрядке.

 

Тяговая батарея электромобиля Zeekr 001 от китайского производителя CATL

Тяговая батарея электромобиля работает под высоким напряжением — минимум 350-450 В. Некоторые марки электромобилей уже перешли на 800-вольтовую архитектуру, среди них Porsche, Audi, Rimac, Kia, Hyundai. А Lucid Air использует уже 900 В. Увеличение вольтажа позволяет заряжать электромобиль быстрее, так как за единицу времени аккумулятор будет получать больше электричества от зарядной станции при той же силе тока. Кроме того, можно использовать провода меньшей толщины без риска их перегрева.

Каждая ячейка оборудована собственными датчиками температуры и контроллером для безопасной зарядки и защиты от перегрева. Если какой-либо элемент выходит из строя, электроника отключает его от зарядки, чтобы минимизировать риск внутреннего повреждения аккумулятора.

Тяговая батарея электромобиля VW ID.3

 

Типы батарей для электромобилей

Для изготовления аккумуляторов электромобилей используются различные химические элементы. В зависимости от этого выделяется два основных типа аккумуляторов — литий-ионные и литий-железо-фосфатные. Литий-ионные, в свою очередь подразделяются на никель-марганец-кобальтовые и никель-кобальт-алюминиевые.
 

Три основных типа литий-ионных аккумуляторов

NMC — никель-марганец-кобальтовые батареи

Преимущества

• Высокая плотность энергии
• Более высокая скорость зарядки, чем у других видов батарей
• Пригодность для вторичной переработки

  Недостатки

• Более короткий жизненный цикл
• Повышенный риск теплового разгона
• Неэкологичные, дорогие материалы

Ключевым преимуществом аккумуляторов NMC является более высокая плотность энергии, достигающая примерно 250 Втч/кг, что означает, что они могут обеспечить большую дальность поездки за счет большего количества энергии в объеме каждого элемента и занимают мало места. Однако из-за этого их элементы обладают меньшей термической стабильностью и склонны раньше достигать точки термического разгона — опасной цепной реакции нагрева, вызывающей пожар.

 

Аккумуляторы NMC используют такие электромобили, как Polestar 2, BMW iX3, Volvo EX30, Tesla Model Y и Model 3 в версиях Long Range и Performance.

 

Volvo EX30

NCA — никель-кобальт-алюминиевые батареи

Преимущества

• Нет марганца, меньше кобальта (экологичность)
• Разделяет преимущества NMC

  Недостатки

• Разделяет недостатки NMC
• Нечасто встречается в электромобилях

Литий-ионные батареи с никель-кобальт-алюминиевым (NCA) катодом в основном похожи на NMC. Однако в NCA марганец заменен на более экологичный алюминий, а в катоде используется меньше кобальта.

Поэтому они по-прежнему имеют схожие с NMC преимущества и недостатки в отношении дальности хода, зарядки, долговечности и термической безопасности.
 

Аккумуляторы NCA установлены на электромобилях Audi Q8 e-Tron и Tesla Model 3 до 2021 года.

 

Audi Q8 e-Tron

 

LFP — литий-железо-фосфатные батареи

Преимущества

• Более длительный срок службы
• Дешевле в производстве, что позволяет создавать более доступные EV
• Более низкий риск теплового разгона

  Недостатки

• Более низкая плотность энергии, более тяжелые
• Более чувствительная к температуре зарядка
• По-прежнему используется литий, менее пригодный для вторичной переработки.

Литий-железо-фосфатные (LFP) аккумуляторы лишены недостатков литий-ионных. Они безопаснее, имеют гораздо более длительный срок службы и выдерживают 3000–5000 циклов зарядки до значительной деградации — примерно вдвое больше, чем литий-ионные NMC и NCA.

Зарядка до 100 процентов не оказывает существенного влияния на здоровье батареи LFP, что позволяет смело использовать весь доступный запас хода и реже останавливаться на зарядных станциях. Регулярная полная зарядка даже приветствуется для того, чтобы откалибровать элементы.

Будучи более стабильным, LFP аккумулятор также менее подвержен тепловому разгону в случае короткого замыкания или сильного удара; его безопаснее эксплуатировать в условиях экстремально низких и высоких температур. Однако батареи LFP тяжелее и имеют более низкую плотность энергии — до 150 Втч/кг. Поэтому они обеспечивают меньший запас хода, чем литий-ионные аналогичного размера.

Кроме того, литий-железо-фосфатные аккумуляторы более чувствительны к низким температурам, что приводит к снижению скорости зарядки постоянным током в холодное время года.

 

Батареи LFP можно увидеть на электромобилях BYD Dolphin, Ora Funky Cat, BYD Seal, а также Tesla Model 3 и Model Y в заднеприводных версиях.

 

Ora Good Cat GT

 

Сколько времени заряжается батарея электромобиля

На скорость зарядки аккумулятора электромобиля влияют несколько факторов:

• мощность бортового зарядного устройства электромобиля;
• тип тока (постоянный или переменный) и мощность зарядной станции;
• пропускная способность зарядного кабеля;
• температура окружающей среды;
• емкость и состояние батареи.

Чтобы рассчитать примерное время зарядки, нужно разделить емкость аккумулятора на мощность зарядки. В начале и конце зарядного цикла батарея заряжается медленнее. Для учета этого в расчете применяется множительный коэффициент 1,3. Для примера посчитаем длительность зарядки электромобиля HiPhi Z c емкостью аккумулятора 120 кВтч от трехфазной станции мощностью 22 кВт — такие зарядные станции можно приобрести и установить в гараже загородного дома. (120/22)*1,3=7,09 - то есть на полную зарядку в теории уйдет порядка 7 часов. Но обычно батарею не высаживают до 0 и не заряжают до 100%, поэтому в реальности зарядка пройдет быстрее.

Подробнее о том, как зарядить электромобиль от бытовой электросети или зарядной станции постоянного либо переменного тока, читайте на нашем сайте.

 

HiPhi Z

От чего зависит срок службы батареи электромобиля

Большинство производителей дают гарантию на безотказную работу аккумулятора 8-10 лет или 160 000 километров пробега. Срок службы батареи электромобиля зависит как от химического состава, так и от того, как и при каких условиях ее эксплуатировать. Нужно воздержаться от:

• слишком частых быстрых зарядок постоянным током. Более высокие токи перегружают аккумулятор и могут приводить к его слишком сильному нагреву.
• слишком высоких температур. В движении система охлаждения помогает поддерживать оптимальный температурный режим. Но если машина эксплуатируется в экстремально жарком климате, надолго оставлять ее на парковке под палящим солнцем нежелательно.
• пребывания в полностью заряженном или полностью разряженном состоянии. Именно поэтому производители настраивают электромобили так, чтобы не допускать разряда ниже 10% и автоматически останавливать зарядку до достижения заряда в 100%.

   

Крупнейшие производители литий-ионных аккумуляторов

На рынке литий-ионных батарей для электромобилей с большим отрывом лидируют два китайских производителя — CATL и BYD. CATL (Contemporary Amperex Technology Ltd) занимает 36,9% рынка аккумуляторов. BYD идет на втором месте с долей рынка 15,8%. Третье место и 13,8% у южнокорейской LG Energy Solution. За ними следует японская Panasonic с 6,8% рынка.
 

Крупнейшие производители литий-ионных аккумуляторов для электромобилей

 

Новые перспективные технологии батарей

Развитие технологий батарей идет в нескольких направлениях:

• увеличение плотности заряда (повышение емкости без увеличения габаритов);
• ускорение зарядки;
• удешевление производства;
• улучшение процесса переработки.

 

Твердотельные батареи

Твердотельные батареи — разновидность литий-ионных аккумуляторов, в которых электролит представляет собой твердую субстанцию, а не жидкость как в обычных. Это самая многообещающая технология, которая может кардинально изменить опыт эксплуатации электромобиля. Преимущества таких источников питания для электромобилей:

• Безопасность: менее подвержены перегреву, воспламенению и проблемам с утечкой электролита.
• Плотность заряда: могут обладать более высокой энергетической плотностью, то есть способны хранить больше энергии на единицу объема или массы.
• Эффективность: могут заряжаться и разряжаться быстрее, что способствует более эффективной работе и удобству использования электромобиля.
• Долгий срок службы: могут иметь более длительный срок службы по сравнению с традиционными литий-ионными.
• Температурный диапазон: не так зависимы от колебаний температур и способны эффективно работать в более широком диапазоне климатических условий.

Недостатки — высокие затраты на производство и сложность в его масштабировании на большие объемы.

Элементарная схема обычной и твердотельной батареи

Структурные батареи

Так называемые «структурные батареи» непосредственно встроены в шасси автомобиля. Это избавляет от необходимости использовать занимающие много места и веса модули в корпусе. По такой схеме сделаны, например, аккумуляторы электромобилей BYD Seal и Tesla Model Y. Это позволяет уменьшить полезный объем, занимаемый аккумуляторами, увеличить пространство для пассажиров и улучшить жесткость кузова. Но у этой технологии есть и недостаток. Структурные батареи неремонтопригодны после аварии и их нельзя заменить так же легко, как обычные.
 

Cтруктурная батарея Tesla Model Y

Электроды на основе углеродных нанотрубок

Технология электродов на основе вертикально расположенных углеродных нанотрубок от французского стартапа NAWA Techologies обещает 3х к плотности энергии, 10x к мощности и 5x к сроку службы батарей. Зарядка тоже будет быстрее. Разработчики утверждают, что за пять минут можно будет зарядить аккумулятор от 0 до 80%.

Сверхбыстрая зарядка с помощью кремния

Израильский стартап Storedot собирается запустить в производство аккумуляторы StoreDot XFC, способные полностью зарядиться за 5 минут. Ученые внедрили в литий-ионный аккумулятор наночастицы кремния. Это должно обеспечить быструю зарядку без побочных эффектов в виде перегрева и ускоренной деградации батарей. Обкатывать новые аккумуляторы будут на прототипе нового электромобиля Polestar 5.
 

Электромобиль Polestar 5 – тестовый полигон для кремниевых аккумуляторов StoreDot

Батареи на основе графена

Большие надежды производители батарей связывают с графеном — новым «черным золотом» XXI века. Благодаря сверхпроводимости этого уникального материала на его основе можно делать компактные аккумуляторы с плотностью заряда в пять раз выше, чем у обычных литиевых. Технологию уже тестирует китайская компания GAC на электромобиле Aion V. Как утверждается, батарею этой машины можно зарядить от 0 до 80% за 8 минут — при использовании супербыстрой зарядки с силой тока до 558А.

В 2022 году авторам блога об электромобилях Fully Charged Show удалось протестировать Aion V в Китае и убедиться в том, что он действительно заряжается «молниеносно». Проблема графена в том, что это очень дорогой материал. Чтобы делать на его основе серийные батареи, нужно придумать, как получать его в достаточных количествах по приемлемым ценам. В GAC утверждают, что уже нашли решение.

 

GAC Aion V может зарядиться до 80% за 8 минут

Батареи на морской воде

Компания IBM Research совместно с концерном Mercedes-Benz тестирует новую химическую формулу для аккумуляторов без тяжелых металлов, превосходящую по своим свойствам литий-ионные батареи. Сырьем выступает морская вода. IBM утверждает, что такие аккумуляторы будут дешевле в производстве, смогут быстрее заряжаться и обладать более высокими плотностью энергии и мощностью.
 

У Mercedes-Benz вскоре могут появиться более эффективные аккумуляторы

Остались вопросы? Узнать больше о технологиях батарей, приобрести современный электромобиль или гибрид с гарантией (Lotus Eletre, Lixiang L9, Dongfeng M Hero 917, Byd Yangwang U8, и др.), выбрать и установить под ключ собственную зарядную станцию вы можете, обратившись к нам. Ждем вас в автосалоне EVCARS на Новой Риге ежедневно с 9:00 до 21:00.