При выборе электромобиля покупатели обращают внимание на стоимость, дизайн и внешний вид. Но одним из главных критериев этого современного транспорта является запас хода, зависящий от типа и характеристик аккумулятора. У автолюбителей, которые впервые столкнулись с электротранспортом, возникает немало вопросов по поводу таких батарей – о времени и способах зарядки, обслуживании, покупке и утилизации.
В большинстве современных электрических машин используются 4 типа аккумуляторных батарей. Самые распространённые – литий-ионные, алюминий-ионные и литий-серные. Иногда применяют ещё и металл-воздушные, где в качестве металла выступают цинк, литий, натрий, магний или алюминий.
Литий-ионные батареи
Самый распространённый вариант для установки на электрических автомобилях. Преимуществами таких источников питания считают:
- высокую плотность накапливаемой энергии;
- более высокое по сравнению с другими видами АКБ напряжение;
- небольшой саморазряд – до 6% в месяц, до 20% в год;
- практически полное отсутствие «эффекта памяти», из-за которого новые батареи требуется «тренировать», используя несколько циклов заряда/разряда;
- сравнительно большой срок эксплуатации – не меньше 1000 циклов или 8-10 лет.
Не лучшими характеристиками таких батарей можно назвать высокую стоимость, которая влияет и на цену автомобиля, и плохую устойчивость к избыточному заряду. Минусом является и небольшой температурный диапазон, в котором работают литий-ионные АКБ (от –20 до +50°C). При использовании за пределами этих значений характеристики батареи ухудшаются – на холоде снижается ёмкость, при жаре аккумулятор может работать нестабильно. Серьёзная проблема Li-Ion источника питания – высокий уровень взрывоопасности при повреждении и нарушении герметичности.
Алюминий-ионные аккумуляторы
Алюминий в составе батареи для электромобиля повышает безопасность её использования. Кроме того, такой аккумулятор дешевле обходится при производстве. Использованию таких устройств мешает невысокая производительность катодов и меньшее количество циклов заряда/разряда.
В Китае ведутся исследования по поводу улучшения характеристик батарей. Уже разработана новая конструкция катода, увеличившая ёмкость и сроки службы литий-ионной АКБ, а также существенно уменьшившая её цену. Новая версия, ещё не применяемая на серийных авто, выдерживает до 250 тыс. перезарядок. Алюминий-ионные аккумуляторы считаются более безопасными и обещают быть более дешевыми.
Литий-серные батареи
Аккумуляторы, принцип действия которых основан на реакции между литием и серой, делаются многослойными. Их ёмкость примерно вдвое выше по сравнению с аналогичными по размеру литий-ионными батареями. Стоимость изготовления таких аккумуляторов ниже, а рабочий диапазон температур выше, чем у большинства других источников питания электромобилей.
Недостатком литий-сернистых АКБ является небольшое количество перезарядок (до 60). Это делает батареи непригодными для установки в серийных автомобилях. Однако над устранением недостатков уже работают специалисты нескольких компаний, и технология считается весьма перспективной.
Металл-воздушные аккумуляторы
Металл-воздушные аккумуляторы появились на рынке не так давно, но уже пользуются неплохим спросом у любителей электрокаров. На данный момент можно утверждать, что такие батареи достаточно износостойки и качественны. Кроме того, они компактны, мало весят, недороги, легко утилизируются, при этом обеспечивают транспортному средству оптимальный пробег. Преимуществами металло-воздушных АКБ являются:
- сравнительно доступная стоимость;
- более простая утилизация по сравнению с литиевыми батареями.
Минусами устройства являются снижение производительности батареи при низкой температуре и внезапный выход из строя из-за образовавшейся на поверхности плёнки из пероксида лития. И, наконец, последний минус, из-за которого такие батареи не пользуются большим спросом – небольшое число циклов заряда/разряда – до 50-60.
Другие варианты
Кроме основных технологий производства аккумуляторов электромобилей, существует несколько видов, которые только находятся в разработке. Предполагается, что такие аккумуляторные батареи для электромобиля получат большую ёмкость и срок службы по сравнению с существующими версиями. Одной из таких разработок является аккумулятор на основе кремния и графита, способный накапливать в 5 раз больше энергии без заметного износа.
Южнокорейскими разработчиками создана технология, вообще не требующая зарядки. Вместо подключения к электросети после эксплуатации у электромобиля просто заменяется одна алюминиевая пластина, которой хватает на 700 км пробега. Алюминий идёт на переработку и используется повторно.
Как выглядит аккумулятор?
Аккумуляторы любого типа набираются в виде ячеек, соединяемых параллельно и последовательно в огромные блоки требуемой емкости. Поскольку электрокары различаются между собой по мощности, то и батареи у них не одинаковы, то есть состоят из разного количества ячеек. У некоторых моделей напряжение тягового аккумулятора составляет менее 400 вольт, у других — 800.
Новая батарея рассчитана на продолжительный период эксплуатации, и ее полного заряда хватает на максимальный пробег, но со временем аккумулятор изнашивается и нуждается в замене. А в случае повреждения части ячеек модульная конструкция аккумулятора позволяет его ремонтировать.
Подбор новой батареи, в случае истощения имеющийся, производится индивидуально, соответствующим образом программируется и бортовой компьютер. Причем и ремонтом, и заменой батареи занимается мастер, имеющий профильное образование. Современные АКБ электромобилей можно менять блоками, то есть только «битые» ячейки, которые перестали работать. Это существенно удешевляет эксплуатацию электромобилей и упрощает ремонт системы.
Изначально ресурс тяговой батареи электрокара ограничен заявленным производителем сроком ее эксплуатации, это обычно от 5 до 10 лет, в зависимости от модели изделия. Со временем емкость среднестатистической батареи снижается: в первые пару лет она теряет до 10% емкости, далее — до 20% за три года, а потом — по 1% в год. Так или иначе, в определенный момент батарею неизбежно придется менять. Но иметь запасной аккумулятор под рукой на протяжении многих лет не нужно.
От чего падает емкость аккумулятора электромобиля?
Существует две причины потери емкости аккумулятора: календарная и эксплуатационная.
Календарная потеря емкости — это потеря с течением времени, а эксплуатационная связана с зарядкой и разрядкой аккумулятора. Эксплуатационные потери зависят от максимального уровня заряда и от глубины разряда, разница между которыми представляет собой процент от общего диапазона мощности, который используется во время цикла.
Технически срок службы батареи состоит их четырех переменных:
- средняя температура;
- стандартное отклонение температуры;
- среднее состояние заряда;
- стандартное отклонение заряда.
Время и способ зарядки аккумуляторных батарей электромобилей
На сегодняшний день существует 4 способа зарядки электрокаров:
- Использование бытовых электросетей в 220 В. Самый популярный способ зарядки, который согласно статистике использует 90% владельцев электромобилей.
- Зарядка с использованием переменного тока с защитой внутри кабеля для подзарядки, входящего в комплектацию автомобиля.
- Зарядка от однофазной или трехфазной электросети АЗС с применением специального разъема кабеля.
- Зарядка электромобиля от специальных электрических заправочных станций быстрым током.
Главным недостатком зарядки аккумуляторной батареи от обычной электросети является увеличивающееся время зарядки. Так, электромобили Tesla Model S с ёмкостью АКБ 70 кВт/ч заряжаются на 80-100% в течение 15-18 часов. На зарядку батареи Nissan Leaf уходит до 7-8 часов. Это в три раза больше, чем зарядка от электросети АЗС.
Утилизация отработанных АКБ
Старые батареи содержат большое количество опасных для окружающей среды элементов, поэтому выбрасывать их, как обычные отходы, не рекомендуется. Производители принимают подержанные аккумуляторы у покупателей своих электромобилей и занимаются утилизацией самостоятельно. Одним из самых выгодных способов утилизировать старые АКБ считается создание с их помощью систем автономного электропитания для частного жилья.
Батареи используют для накопления электроэнергии, полученной от установленных на крыше солнечных батарей. Заряд расходуется на работу домашней техники – телевизоров, холодильников, насосов системы отопления и водоснабжения. Такие варианты «второй жизни» для отработанных аккумуляторов уже разработаны компаниями Tesla и BMW.