По мере развития автомобильной промышленности ожидается, что внедрение электромобилей (EV) в ближайшее десятилетие ускорится. Основные задачи индустрии электромобилей: улучшение производства, снижение цен и повышение осведомленности общественности. Электромобили предъявляют новые требования к своим батареям, и с этими новыми задачами современный источник энергии работает чрезвычайно эффективно. У вас может возникнуть вопрос: почему срок службы батареи телефона составляет три года, а батареи электромобиля — 10 лет и более? Никто не знает ответа, но в отрасли достигнут прогресс и совершенство в этом отношении. Вопрос экономичного хранения электроэнергии по-прежнему остается нерешенной проблемой в современную эпоху. Вы уже знаете, что батарея является основным компонентом электромобиля. В этой статье вы поймете некоторые основы работы батареи, а также осознаете некоторые факторы, влияющие на ее старение, и некоторые разработки, направленные на улучшение батарей электромобилей.

Электромобили (ЭМ) используют тяговые двигатели для создания движущей силы. Эти транспортные средства могут питаться от внешних батарей или содержать электрическую батарею, топливные элементы или солнечные панели для преобразования топлива в электричество. Эта технология была внедрена в 19 веке.^т На протяжении веков электромобили использовались для питания поездов. В современную эпоху, с повышенным вниманием к возобновляемым источникам энергии и сокращению выбросов углекислого газа, электромобили вышли на первый план. Tesla, Nissan и Chevrolet — ведущие компании в этом новом тренде. Эти три компании продали 601 000 000 полностью электрических автомобилей в США, и ожидается, что эта цифра будет расти, поскольку изменение климата и глобальное потепление стали одной из главных тем. Еще одним большим преимуществом автомобилей, работающих на электробатарее, является низкая стоимость их обслуживания, что обеспечивает повышенную эффективность и производительность.

Различные типы электрических батарей имеют разный запас хода и эффективность. Свинцово-кислотные батареи являются наиболее доступными и недорогими и способны обеспечить запас хода до 130 км на одном заряде. За ними следуют никель-кадмиевые батареи, обладающие более высокой удельной энергией, чем свинцово-кислотные, и способные обеспечить запас хода более 200 км. Поиск экономического баланса между запасом хода, производительностью, емкостью батареи и весом представляет собой сложную задачу для любого производителя электромобилей.

Автомобильный аккумулятор, работающий на бензине, состоит из шести ячеек. В среднем такой аккумулятор весит 41 фунт (около 18 кг). В Tesla Model S литий-ионный аккумуляторный блок емкостью 85 кВт⋅ч состоит из 7104 ячеек и весит примерно 1200 фунтов (около 540 кг). При невероятном запасе хода в 265 миль (около 420 км) для полной зарядки аккумулятора от сети 220 В требуется 3,5 часа. Для автомобиля с двигателем внутреннего сгорания это намного дольше, чем время заправки.

Аккумуляторные батареи электромобилей сложны и значительно различаются у разных компаний-разработчиков. Они объединяют множество отдельных элементов, соединенных последовательно и параллельно для достижения оптимального напряжения. Электробатареи для автомобилей могут содержать несколько сотен элементов, которые сгруппированы в более мелкие блоки, называемые модулями, а затем несколько таких модулей помещаются в один блок. Аккумуляторные батареи также содержат контакторы/реле постоянного тока, которые соединяют блок элементов батареи с основными положительными и отрицательными выходными клеммами блока. Кроме того, они имеют различные датчики температуры, напряжения и тока для регулирования окружающей среды.

Источником подзарядки может служить прямое соединение с автомобилем. Это означает, что электрическая энергия передается посредством физического контакта через проводящую среду. Второй способ подзарядки — индуктивная зарядка, которая использует электромагнитную индукцию для подачи электроэнергии в автомобиль.

Когда вы очень голодны, вы быстро проглатываете пищу — так работает человеческий организм. Механизм зарядки электромобиля работает аналогично. Процесс зарядки наиболее эффективен для электромобиля, когда уровень заряда очень низкий. Способность батареи к приему заряда снижается по мере насыщения. Процесс зарядки происходит таким образом, что литий извлекается и поступает из катода на анод.

Большинство людей также выбирают быструю зарядку. Ускоренная или сверхбыстрая зарядка требует надлежащих условий для процесса зарядки. Эффективность зарядки зависит от температуры батареи и уровня заряда (SoC). Скорость зарядки со временем снижается из-за старения батареи, плохой балансировки элементов и внутреннего сопротивления.

С возрастом вы сможете пробежать марафон, но, в зависимости от вашей выносливости и контролируемой нагрузки, ситуация с батареей также будет сложной. Трудно оценить оптимальный уровень зарядного тока, а эффективные методы диагностики батарей все еще находятся в стадии разработки. Таким образом, интеллектуальное зарядное устройство должно уметь определять состояние батареи (SoH) и подавать соответствующий ток для процесса зарядки, чтобы батарея могла потреблять разумное количество энергии. У нас есть определенные уровни заряда, которые определяются в зависимости от подаваемого тока в час.

       Причина длительного срока службы батареи электромобиля заключается в её правильном выборе размеров и работе только в среднем диапазоне, в то время как ‘резервная ёмкость» (ёмкость, которая не используется) значительно сохраняется в нижнем и верхнем диапазонах. Частичное использование снижает нагрузку на батарею, но ценная энергия остаётся неиспользованной или растрачивается впустую. Проблема избыточного размера заключается в увеличении веса и стоимости, но неиспользованная ёмкость в конечном итоге будет задействована, когда фактическая ёмкость снизится.

В новой ячейке аккумулятора зарядка и разрядка батареи до 80% и 20% соответственно потребляют всего 60% энергии. Потребляемая мощность снижается с течением времени и использованием, поэтому для достижения необходимого запаса хода бортовой системе управления батареей (BMS) требуется более высокая скорость зарядки и более низкая скорость разрядки. Водитель не замечает этого изменения до тех пор, пока не будет обнаружено уменьшение запаса хода. Это происходит из-за использования “резервной емкости”.”

Теоретически, для удовлетворения энергетических потребностей, истощение требует максимального заряда и максимального разряда. В этот момент напряжение батареи возрастает, и мощность начинает снижаться, что приводит к уменьшению запаса хода. Этот переход предсказуем и требует нескольких лет эксплуатации. Электромобиль также будет использоваться для коротких поездок на работу и по делам, пока уровень заряда батареи не упадет до 70%. Снижение емкости в большинстве случаев уменьшает запас хода только при стабильном уровне мощности.

Для пробега в 160 000 км гарантируется 8 лет работы батареи. Автопроизводители стремятся продлить общий гарантийный срок почти до 10 лет. К 2020 году Американский консорциум передовых батарей (USABC) поставил цель достичь 1000 циклов в течение 15 лет. Для пробега 250 км в день 2000 циклов при общем пробеге 500 000 км считаются хорошим вариантом для батареи электромобиля. В рамках этого исследования было проведено множество экспериментов, и были получены приемлемые результаты. 

       Старение батарей — динамический процесс, не всегда предсказуемый. Расход батареи зависит от возраста, количества циклов зарядки/разрядки, скорости зарядки, уровня нагрузки и температуры. В Мюнхенском университете (TUM) были проведены обширные эксперименты по моделированию батарей в электромобиле. В корпусе типа 18650 находится прототип батареи — литий-ионный элемент NCA, тот же самый, что используется в электромобиле Tesla. Катод этого элемента состоит из никеля, алюминия и кобальта, а анод — из графита; типоразмер 18640 определяет размеры элемента: длина 64 мм, диаметр 16 мм.

В наше время ценность времени настолько высока, что не хочется ждать чего-либо, что занимает больше времени, чем вы можете себе позволить. В случае с электромобилем, вы также захотите использовать быструю зарядку, чтобы сэкономить время. Но у всего есть свои преимущества и недостатки. Если вы чаще выбираете сверхбыструю зарядку своего электромобиля, это позволит системе управления батареей (BMS) снизить ток на несколько кВт. На суперзарядной станции вместо 120 кВт мощность зарядки может снизиться до 90 кВт, что увеличит время зарядки батареи на 5 минут. Эта корректировка производится производителями электромобилей не для того, чтобы отбить желание использовать быструю зарядку, а для обеспечения безопасности и увеличения срока службы батареи путем настройки условий в соответствии с потребностями батареи.

Температура влияет на все вокруг, то же самое относится и к зарядке и разрядке батареи. Температура батареи влияет на скорость зарядки или разрядки. Литий-ионные батареи всегда лучше хранятся при низкой температуре, но зарядка и разрядка достигают наилучших результатов при высокой комнатной температуре. Батарея заряжается при 40 °C (104 °F) за один час, по сравнению с одним часом и тридцатью минутами при 5 °C; однако батареи быстрее деградируют. При очень высокой температуре, например, 50 °C, зарядное устройство переключается на половинную мощность из соображений безопасности. При зарядке при минусовой температуре мощность зарядки также должна быть ограничена, поскольку использование при низкой температуре способствует истощению анода.

При работе при умеренной температуре срок службы литий-ионного аккумулятора увеличивается. Для зарядки и движения электромобиля аккумулятор следует прогреть до подходящей температуры около 25 °C (77 °F). Это отличается от хранения или стоянки при температуре 10 °C (50 °F). Зарядка и работа литий-ионного аккумулятора при низких температурах вызывают стресс, и этот принцип не применим к другим химическим явлениям.

Таким образом, характеристики старения литий-ионных батарей сложны и включают в себя уровни заряда, глубину заряда, температуру и скорость зарядки. Общий срок службы батареи зависит от сочетания множества факторов, происходящих во время ее использования, включая условия окружающей среды.

Показатель C обозначает скорость зарядки и разрядки аккумулятора. Емкость аккумулятора оценивается в 1C, что соответствует скорости 1 Ач для полностью заряженного аккумулятора, то есть в течение одного часа он будет выдавать ток 1 А. После разрядки скорость зарядки того же аккумулятора составит C/2, то есть в течение 2 часов он должен выдавать 500 мА. Аналогично, при скорости 2C ток составит 2 А в течение получаса. Быстрая разрядка сокращает время разряда, и эти же потери влияют и на время зарядки. 

 Если суммировать показатели скорости разряда и время разряда, то 1C соответствует одному часу разряда; C/2 — двум часам разряда, а C/5 — пяти часам разряда. При умеренной нагрузке некоторые высококачественные батареи могут разряжаться даже при скорости выше 1C.

Зарядку энергетического элемента следует проводить со скоростью ниже 1C. При скорости 1C, в настоящее время равной номинальной емкости батареи в ампер-часах, литий-ионный аккумулятор заряжается примерно на 901 TP3T за один час. При скорости 1C зарядка батареи емкостью 85 кВт⋅ч потребляет 85 кВт мощности, что эквивалентно потреблению энергии пяти типичных домохозяйств. В батарею емкостью 85 кВт⋅ч входит электроэнергия, потребляемая 3-5 домохозяйствами в день.

Есть простые советы, которые помогут продлить срок службы батареи вашего электромобиля. Ограничение использования быстрой зарядки, особенно в холодную погоду, может увеличить срок службы батареи; вместо этого используйте зарядку уровня 2. Лучше заряжать батарею до необходимого уровня для повседневного использования. Одновременная зарядка нескольких батарей не разряжает батарею полностью. Старайтесь использовать и заряжать батарею при комнатной температуре. Работа батареи в холодную погоду снижает её ёмкость.

Нам необходимо преодолеть ряд препятствий, чтобы сделать эту технологию более доступной для обычного человека. Это означает, что следует включить новые функции, чтобы уменьшить влияние существующих проблем. Одним из самых больших недостатков электробатарей является то, что многие из них требуют защиты от зарядки и разрядки и в настоящее время поддерживаются в безопасных пределах. Еще одним недостатком электробатарей является их старение. Их необходимо постоянно заменять, и это становится еще сложнее, когда батарея встроена в систему автомобиля. Кроме того, многие электробатареи, включая самые известные из них, такие как литий-ионные батареи, стареют независимо от того, используются они или нет, что еще больше влияет на эффективность батареи.

Транспортные расходы — ещё один существенный недостаток электробатарей. Их нельзя перевозить в самолётах в связках, поэтому их транспортировка ограничена морскими перевозками. В самолёте любая литиевая батарея должна быть защищена от коротких замыканий, что особенно важно для больших портативных зарядных устройств. Ещё один недостаток электробатарей, препятствующий их приобретению обычным человеком, — это их чрезвычайно высокая стоимость. К этому следует добавить стоимость других компонентов автомобиля, из-за чего обычному человеку приходится пользоваться обычными автомобилями с бензиновыми двигателями вместо того, чтобы переходить на электромобили.

Это лишь некоторые ограничения, которые могут помешать вам приобрести электромобиль. Но есть и хорошие новости: как уже упоминалось, эти ограничения необходимо признать и устранить, и поскольку многие крупные компании заинтересованы в инвестировании в эту технологию, можно надеяться, что в ближайшем будущем эти препятствия будут устранены. Итак, давайте посмотрим, какие новые разработки появились в этой отрасли.

LiFePO4 — самый известный представитель семейства литиевых металлов оливинового типа и один из перспективных кандидатов на роль катода литий-ионных батарей. Он обладает более низкой плотностью энергии, чем распространенный оксид лития-кобальта, а также более низким рабочим напряжением. В качестве катода в электробатареях он был разработан в 1996 году благодаря обратимому извлечению и внедрению лития из основания. Благодаря низкой токсичности, низкой стоимости, природному содержанию железа, безопасности и высокой термической стабильности, он стал более популярным на рынке. В нем отсутствуют никель и кобальт, которые связаны с высоким риском и неблагоприятными условиями добычи, а также высокими затратами на производство и транспортировку. Одной из проблем была низкая электропроводность, и многие ученые пытаются преодолеть эту проблему, используя более эффективные проводящие материалы, такие как углеродные нанотрубки. Плотность энергии LFP-батареи значительно ниже, чем у свинцовых батарей. Это делает ее подходящей для погрузчиков, мотоциклов и электромобилей благодаря более высоким скоростям разряда, меньшему весу и более длительному сроку службы.

Группа ученых во главе с лауреатом Нобелевской премии Джоном Гуденафом подала патент на новую батарею, в которой в качестве ключевого компонента используется стекло. Принцип работы заключается в добавлении натрия или лития в стекло для образования электрода, что обеспечивает в три раза большую емкость хранения энергии, чем у литий-ионных батарей. Главное преимущество этой батареи заключается в том, что она не взрывоопасна, не нестабильна и не вызывает проблем с ростом литиевых дендритов, приводящих к коротким замыканиям. Наиболее перспективным аспектом этого изобретения является преодоление ценового барьера, препятствующего распространению электромобилей. Кроме того, её можно использовать для хранения энергии солнечных и ветровых электростанций с переменной выработкой. Наиболее обнадеживающая новость заключается в том, что она может выдерживать более 1000 циклов разряда, что характерно для литийсодержащих батарей. Конечно, эта новая технология кажется слишком хорошей, чтобы быть правдой, но такой ученый, как Джон Гуденаф, пользуется большим авторитетом в области электрических батарей, поэтому можно с уверенностью предположить и надеяться, что стеклянные батареи станут значительным прорывом в будущем.

Помимо литий-фосфатных батарей, всё большую популярность приобретают литий-ионные батареи, поскольку они заменяют тяжёлые металлы, считающиеся опасными для окружающей среды. Низкий атомный вес лития и серы делает их относительно лёгкими. Это было использовано в самом длительном полёте на самолёте, работающем на солнечной энергии. Эти батареи могут заменить литий-ионные батареи благодаря более высокой плотности энергии и сниженной стоимости. Кроме того, они обладают значительно большей удельной энергией, чем литий-ионные батареи. Однако у литий-ионных батарей есть много проблем, которые препятствуют их появлению на рынке. Самая большая проблема заключается в том, что они вызывают постепенную утечку активного материала из катода, что приводит к короткому сроку службы батареи.

Американская компания, занимающаяся бизнес-аналитикой, утверждает, что базовый сценарий внедрения электромобилей предполагает, что к 2030 году на долю полностью электрических автомобилей придется 141 тыс. тонн продаж. Другой аналитик заявил, что эта цифра может вырасти до 70-80 тыс. тонн, если в течение следующего десятилетия будет решена проблема зарядки в движении. Ожидается, что плотность литий-ионных батарей может возрасти до 30 тыс. тонн благодаря развитию вышеупомянутых технологий, что, в свою очередь, обеспечит дальнейший прогресс. Кроме того, появляется новый компонент — динамическая зарядка электромобилей. Это означает, что автомобиль работает на солнечных батареях и получает энергию непосредственно от солнца для питания батареи. Эту технологию разрабатывает стартап в Нидерландах, и ожидается, что она будет развиваться в ближайшие годы. Эта технология обеспечит работу автомобиля на 100 тыс. тонн чистой энергии.

В разработку твердотельных технологий было вложено много средств и проведено множество исследований со стороны известных технологических компаний, таких как Volkswagen, BMW Group, Tesla и Daimler. Эти инвестиции подчеркивают важность данных технологий. Помимо упомянутых выше технологий, на рынке также появляются кремниевые батареи, поскольку они обещают снизить уровень беспокойства по поводу запаса хода.

Будущее рынка электромобилей и скорость, с которой потребители переходят от автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями к более экологичным аналогам, будут зависеть от стоимости, безопасности, ходовых качеств и времени, необходимого для зарядки аккумулятора.

Многое еще предстоит сделать. Необходимо добиться многих успехов, и некоторые аспекты успеха этой технологии до сих пор не применяются на практике. Но, учитывая энтузиазм и энергию, с которыми ученые работают над этой технологией, и инвестиции, вкладываемые в нее, можно с уверенностью сказать, что потенциал для будущих достижений безграничен.