Объяснение аккумуляторов EV: как работают аккумуляторы электромобилей, их зарядка и долговечность

От скорости зарядки до срока службы — вот что на самом деле отличает аккумуляторы электромобилей от аккумуляторов вашего телефона.

Как вы, вероятно, уже знаете, электромобиль (EV) получает необходимую энергию от большого встроенного аккумулятора, который питает электрический мотор или моторы EV и другие компоненты. И вместо того чтобы останавливаться на автозаправочной станции для заправки, владельцы электромобилей должны подключаться к электросети для зарядки аккумуляторов электромобилей.

Вы также можете знать, что аналогичный тип аккумулятора питает потребительские электронные устройства, которые мы используем каждый день, включая смартфоны, ноутбуки и другие портативные электроника. Но насколько они действительно похожи? Как быстро они заряжаются? Из чего они сделаны? И как долго они служат? Если вы когда-либо задумывались о том, как работают аккумуляторы EV и чем они отличаются от аккумуляторов вашего телефона, вам больше не придется гадать, прочитав то, что вам нужно знать об аккумуляторах электромобилей.

Одинаковые аккумуляторы, большие различия

На базовом уровне аккумулятор EV, как и аккумуляторы, используемые в различных электронных устройствах, предназначен для питания устройства (в данном случае автомобиля) в течение определенного времени в зависимости от того, сколько энергии может хранить аккумулятор, и множества других факторов, о которых мы поговорим. И, как правило, оба типа аккумуляторов используют какую-либо форму литий-ионной (li-ion) химии.

Они оба также регулярно нуждаются в подзарядке, прежде чем аккумулятор полностью разрядится. Хотя это неприятно, когда ваш смартфон отключается из-за разряженного аккумулятора, это гораздо более серьезная проблема — и может быть очень дорогостоящей и времязатратной — если аккумулятор вашего электромобиля полностью разрядится.

Так что да, они похожи в некоторых аспектах, но в других они очень разные. Например, аккумулятор EV гораздо больше и сложнее, и его зарядка занимает больше времени. Кроме того, аккумуляторы в современных портативных электронных устройствах обычно состоят всего из одного элемента, чтобы оставаться компактными и легкими. Обычно они работают всего на 4 вольта, и если их часто разряжать и заряжать, они служат в среднем всего пару лет, прежде чем начнут серьезно деградировать.

С другой стороны, аккумуляторы EV могут состоять из сотен или, чаще всего, тысяч соединенных элементов, и они работают на 400-800 вольт. Еще одно большое отличие заключается в том, что федеральное правительство требует, чтобы гарантии на аккумуляторы EV покрывали как минимум восемь лет или 160 000 километров, хотя большинство новых электромобилей, продаваемых в США, превышают эти требования, некоторые производители предлагают гарантии до 10 лет или 280 000 километров. Автопроизводители также должны гарантировать, что аккумулятор сохранит как минимум 70 процентов своей первоначальной емкости в течение гарантийного срока, в то время как многие компании, производящие портативную электронику, предлагают только 12-месячную гарантию на аккумуляторы, которая, как правило, защищает только от производственных дефектов, а не от деградации, которая считается нормальным износом.

Торговые компромиссы в технологии аккумуляторов EV

Большинство аккумуляторов EV используют ту же базовую технологию li-ion, что и портативная электроника, и наиболее распространенный тип, встречающийся в автомобилях, продаваемых в США, содержит смесь никеля, марганца и кобальта (NMC), хотя другой тип литий-ионного аккумулятора, известный как литий-железо-фосфат (LFP), стал более популярным. Как и все аккумуляторы, технологии NMC и LFP имеют свои сильные и слабые стороны. Аккумуляторы NMC имеют более высокую плотность энергии и лучше заряжаются при низких температурах, но стоят дороже, так как используют более дорогие материалы (т.е. кобальт, никель и марганец), и их срок службы короче. Аккумуляторы LFP имеют более низкую плотность энергии, но служат дольше, лучше переносят высокие температуры и стоят дешевле, так как содержат железо, которое более доступно, чем другие элементы.

Несколько других технологий аккумуляторов электромобилей находятся на горизонте. Одна из них, которая уже много лет кажется миражом, — это твердотельные батареи, которые заменяют легко воспламеняющиеся жидкие электролиты на твердые материалы, предлагают более высокую энергоемкость в меньшем и легком формате, заряжаются гораздо быстрее (возможно, менее чем за 10 минут до 80 процентов заряда) и обеспечивают больший запас хода.

В прошлом году Mercedes-Benz начала тестирование прототипа электрического седана EQS с полутвердой батареей, разработанной совместно с дочерней компанией по силовым установкам Формулы-1, в то время как группа Volkswagen недавно установила твердотельную батарею на мотоцикл Ducati V21L MotoE в качестве "технического демонстратора". Другие потенциальные химические составы батарей, которые находятся на стадии тестирования, включают литий-серные и натрий-ионные батареи, в то время как исследователи также работают над улучшением материалов электродов для повышения производительности существующих батарей.

Опции зарядки аккумуляторов электромобилей

Но достаточно о химии. Большинство покупателей автомобилей просто хотят знать, как быстро зарядится аккумулятор электромобиля и как долго он будет служить в течение срока службы автомобиля. Оказывается, эти два аспекта взаимосвязаны, но с аккумуляторами электромобилей все сложно.

У вас есть два основных варианта зарядки большинства портативных электронных устройств: быстрая зарядка с использованием сетевого кабеля на 120 вольт и розетки или более медленная зарядка с использованием USB-кабелей и розеток. У электромобилей есть три варианта зарядки. Уровень 1 — самый медленный, от обычной розетки на 120 вольт, и обеспечивает лишь несколько миль заряда каждый час. Зарядка уровня 2 быстрее и обычно происходит, когда автомобиль припаркован дома, на работе или в отеле, используя либо розетку на 240 вольт, как те, что используются для крупных бытовых приборов, таких как электрические сушилки, либо, что более типично, настенный домашний зарядник. Зарядка уровня 2 также доступна на общественных зарядных станциях, работающих на 208 вольт. Уровень 3 — это быстрая зарядка постоянным током, доступная только на общественных зарядных станциях, и скорость зарядки зависит от таких факторов, как мощность зарядного устройства, измеряемая в киловаттах (кВт), и даже от количества электромобилей, заряжающихся одновременно.

Хотя быстрая зарядка постоянным током обеспечивает самые быстрые времена перезарядки для аккумуляторов электромобилей, она также подвержена переменным, которые обычно не являются проблемой для зарядки уровня 1 и уровня 2. Хотя все уровни затрагиваются температурой батареи и состоянием заряда (SOC), уровень 3 более сильно зависит от максимальной скорости приема батареи, общей мощности станции (поскольку многие общественные зарядные станции используют управление нагрузкой для распределения доступной мощности между автомобилями) и других факторов. Короче говоря, реальные времена зарядки уровня 3 могут и будут колебаться, иногда существенно, в зависимости от ситуации. И хотя более крупные аккумуляторные блоки, как правило, принимают более высокую мощность (измеряемую в кВт) в течение более длительных периодов, чем меньшие, из-за их размера они также могут заряжаться дольше. Но более крупная батарея в автомобиле с архитектурой на 800 вольт может заряжаться быстрее, чем меньшая батарея в автомобиле с архитектурой на 400 вольт, если все остальные условия относительно равны.

Цикл жизни батареи

Вы, вероятно, заметили, что когда вы покупаете новый смартфон, он держит заряд гораздо дольше, чем ваш старый телефон. Аккумулятор в смартфоне, как и аккумулятор электромобиля, имеет цикл жизни: количество раз, которое он может пройти от 100 до 0 процентов заряда. Литий-ионные батареи, используемые в портативных потребительских электронных устройствах, обычно могут выдерживать от 300 до 500 полных циклов зарядки/разрядки и в среднем служат около 1–1,5 лет при ежедневном использовании, прежде чем общая емкость батареи упадет до примерно 80 процентов. Важно отметить, что это касается циклов зарядки от 0 до 100 процентов, и "мелкие" разрядки/зарядки в диапазоне, более узком, чем от 0 до 100 процентов, не так сильно влияют на батарею.

Конечно, аккумуляторы электромобилей должны служить значительно дольше, и большинство владельцев не используют их на постоянной основе, как смартфоны. Поэтому электромобили могут проходить значительно меньше циклов разрядки/зарядки. Аккумулятор электромобиля также испытывает больший стресс и нагрев при полной зарядке, что ускоряет деградацию. Вот почему многие автопроизводители рекомендуют или устанавливают стандартную зарядку аккумуляторов электромобилей на уровне 80 процентов, чтобы защитить батарею и максимизировать долговечность, а также discourage частую быструю зарядку электромобилей уровня 3, которая может значительно быстрее ухудшить состояние батареи. Кроме того, зарядка аккумулятора электромобиля с 80 до 100 процентов может занять больше времени, чем зарядка с 20 до 80 процентов, потому что скорость зарядки уменьшается для защиты батареи от повреждений, а также в целом занимает больше времени, поскольку аккумулятор становится все более насыщенным электронами.

Дорогая деталь автомобиля

Аккумуляторный блок обычно составляет около 30-40 процентов от общей стоимости электромобиля на данный момент, что делает его самой дорогой компонентой транспортного средства. Это также самая сложная деталь в электромобиле и включает в себя сложную систему управления батареей (BMS) для мониторинга напряжений ячеек, температур и тока. Ей также нужны современные системы охлаждения и обогрева, чтобы обеспечить оптимальную работу при различных температурах и помочь предотвратить тепловое перегревание и потенциальный пожар.

Скорее всего, если эта дорогая деталь электромобиля выйдет из строя и потребуется замена, она будет покрыта гарантией. Понимая немного о том, как работают аккумуляторы EV — и как они похожи, но и отличаются от батарей, которые питают ваши портативные устройства — можно надеяться, что удастся принять более обоснованное решение о покупке и наслаждаться годами безтопливного и беззаботного электрического вождения.