Аккумуляторы электромобилей: особенности применения

Каков срок службы аккумуляторов электромобилей?

Как и аккумулятор сотового телефона или ноутбука, аккумулятор электромобиля со временем теряет заряд. Этот процесс не может быть остановлен, но он может быть отложен. Влияние на емкость имеют такие факторы, как

• количество циклов зарядки,
• тип заряда (быстрая зарядка или нормальная скорость зарядки),
• стиль вождения,
• внешние факторы, такие как температура
• старение.

Как правило, аккумуляторы электронных автомобилей хранятся от восьми до десяти лет. Это происходит постепенно, снижая емкость до 70-80 процентов через несколько лет.

Как долго длится время зарядки аккумуляторов электромобилей?

Время зарядки аккумуляторов электромобилей не может быть определено в целом: оно зависит от емкости аккумулятора, мощности зарядки от розетки и технологии зарядки автомобиля. Однако в руководстве указано, что зарядка от обычной бытовой розетки может занять от восьми до 14 часов. В общественной станции быстрой зарядки от 30 до 60 минут. Однако не каждый электронный автомобиль подходит для этих зарядных станций.

Как можно утилизировать аккумуляторы для электромобилей?

Когда батарея электромобиля устарела, зарядная емкость часто настолько высока, что аккумуляторные батареи можно продолжать использовать. Автомобильная компания BMW сотрудничает, например, с поставщиком Bosch и энергетической компанией Vattenfall, чтобы подключить старые батареи от автомобилей BMW i3 к большому хранилищу. Но это только один вариант с точки зрения утилизации, на рынке уже есть некоторые идеи относительно литий-ионных батарей. Тем не менее, это все еще один из материалов, который не может быть так легко переработан. В настоящее время только пять процентов аккумуляторов фактически утилизируются — обычно получается только продукт разложения лития. Вот почему, например, американская компания EnZinc работает над специальной никель-цинковой батареей. Цинк по-прежнему широко используется в качестве сырья, а также его легче перерабатывать. Однако пройдет два-три года, прежде чем они будут готовы к выходу на рынок.

Принцип работы электромобилей

Внешне электромобиль не отличается от автомобиля. Вся разница в принципе их работы. Автомобили получают энергию от сгорания углеводородного топлива, а электрокары — от электричества. Их предшественниками были троллейбусы. Но они получали питание напрямую с помощью «рогов», подключенных к электрическим проводам. Электрокары же «запасают» энергию в своих батареях. 

Водители беспокоятся о том, безопасен ли электромобиль, не зная о принципе его работы. Двигатели таких моделей преобразовывают электричество в энергию механического вращения. В этом процессе принимают участие статор и ротор.

Когда электромотор включается, его статор активирует магнитное поле, действующее на обмотку ротора. Это создает вращающий момент, который и приводит машину в движение. У этих моделей нет коробки передач. В отличие от автомобилей, энергия поступает к колесам напрямую от мотора, что сокращает скорость изнашивания комплектующих. 

Мотор получает питание от аккумулятора, запасающего энергию. Чтобы восполнять ее, в каждом электромобиле установлено зарядное устройство, которое подключается к обычным розеткам. Аккумулятор и представляет главную опасность для человека. Батарея может воспламениться, что приведет к пожару внутри машины. 

Исправность системы зарядки автомобиля

Здесь хочется выделить два основных аспекта:

Генератор – он прямо влияет на эксплуатацию АКБ. Если он работает в своем штатном режиме, то срок — номинальный. Но вот если он начинает глючить, не давать или недодавать заряд, то батарея начинает больше разряжаться. Это чревато глубокими разрядами и сульфатацией пластин, пару тройку глубоких разрядов и выкидываете свой АКБ.

Реле регулятора – это маленькая, но очень важная микросхема, она уберегает аккумулятор от перезаряда. Ведь генератор не знает меры! Для того чтобы перезаряд не проходил и нужен это маленький элемент, он также продлевает жизнь АКБ (подробнее здесь).

Если все системы работают нормально, вы можете рассчитывать на номинальный срок батареи, то есть, скажем не меньше 5 – 7 лет! А вот если что-то работает не так, это критично снижает срок эксплуатации.

Факторы, влияющие на срок службы аккумулятора электромобиля

У литий-ионных аккумуляторов есть свои пределы; со временем количество энергии, которое они могут хранить, уменьшается. При средней скорости деградации аккумулятора в 2,3% в год «подавляющее большинство аккумуляторов прослужат дольше, чем автомобиль». ()

Проблема оценок

Проблема с оценкой фактического срока службы аккумулятора электромобиля, а не его гарантированного срока службы, заключается в том, что доступные данные ограничены количеством времени, в течение которого электромобили находятся в дороге. Из 1,4 миллиона электромобилей, проданных в США с момента их появления в 2010 году, только 400 000 старше пяти лет (). Nissan Leaf был представлен в США в конце 2010 года. Chevy Bolt вышел на рынок США в конце 2016 года, самая продаваемая Tesla Model 3 была представлена ​​в середине 2017 года, а первый владелец Model 3, который проехал 160 000 километров, сделал это только в 2019 году (). Эффективность аккумулятора и плотность энергии также продолжают регулярно улучшаться. Когда Национальная лаборатория по изучению возобновляемой энергии в 2014 году оценила, что аккумуляторы электромобилей могут прослужить от 12 до 15 лет в умеренном климате (от 8 до 12 лет в экстремальных климатах), она точно отметила, что «все еще необходима долгосрочная проверка.» ()

Однако оценить реальный срок службы двигателя автомобиля, работающего на бензине, не легче. Средний срок службы легкового автомобиля с бензиновым двигателем составляет 215 000 километров (), но автомобили ломаются по многим причинам, кроме отказа двигателя. Если вы спросите эксперта о том, как долго работает бензиновый двигатель, вы, вероятно, получите расплывчатый ответ: все зависит от того, насколько хорошо двигатель сделан и обслуживается. Обычная оценка 240 000 километров.

Затраты на замену аккумулятора

Хотя с 1991 года цены на литий-ионные аккумуляторы упали на 97% и продолжают снижаться, замена аккумулятора электромобиля по-прежнему обходится дороже, чем замена двигателя бензинового автомобиля. Без учета затрат на рабочую силу новый двигатель может стоить от 4000 до 7000 долларов, в зависимости от количества цилиндров, в то время как подержанный двигатель составляет десятую часть этой цены (). Замена аккумулятора на 24 кВтч на Nissan Leaf может стоить от 5500 долларов для новой батареи, и примерно вдвое меньше для отремонтированной опять же без учета затрат на оплату труда (). Замена аккумулятора Tesla Model 3 может стоить вам 13 500 долларов (). Однако, поскольку аккумуляторы электромобилей состоят из множества отдельных модулей, и эти модули состоят из отдельных элементов, возможно, нет необходимости в замене всей аккумуляторной батареи. Эксперты Current Automotive отмечают, что они столкнулись только с одним случаем, когда требовалась замена всего аккумулятора Tesla.

Факторы, сокращающие срок службы АКБ

Для того чтобы аккумулятор смог работать долгое время, важно обнаруживать и предотвращать влияние различных факторов на агрегат. Важно не только правильно использовать и заряжать батарею, но и регулярно следить за ее состоянием и процессом работы.

Важно не только правильно использовать и заряжать батарею, но и регулярно следить за ее состоянием и процессом работы.

Короткие замыкания, коррозия, заряд и разряд аккумулятора – важно устранять все проблемы, тогда агрегат в автомобиле прослужит долго и не нужно будет менять АКБ через пару лет работы

Короткое замыкание

При возникновении короткого замыкания в аккумуляторе, он становится непригодным для дальнейшего использования. Если проблемная ситуация возникла на новом АКБ, значит это производственный брак и батарея должна быть заменена по гарантийному талону.

Возникновение короткого замыкания на активно используемом аккумуляторе — показатель того, что внутри устройства повреждены пластины.

Чтобы предотвратить это –аккуратно эксплуатируйте изделие в транспортном средстве, не совершайте езду по бездорожью и ямам, не повреждайте конструкцию.

Коррозия

Основной причиной окончания срока годности АКБ – коррозия внутренних элементов, которую невозможно избежать. Некоторые компании пытаются увеличить длительность службы батареи легированием пластин. Начало коррозии показывает себя в виде снижения заряда и длительности работы устройства.

Глубокий разряд АКБ

Влияние на длительность службы аккумулятора оказывает разряженное состояние АКБ. При глубоком разряде, начинает активизироваться процесс, при котором быстро проходит сульфатация пластин.

Если всё же АКБ сильно разрядился, немедленно прекратите использование и установите устройство на зарядку, в противном случае емкость аккумулятора снизится, а впоследствии агрегат перестанет работать.

Менее критичен глубокий разряд для гибридных моделей, но также опасен для конструкции.

Чрезмерный заряд аккумулятора

Показатель выше 14.4 Вольт считается выше допустимого заряда

При завышенном напряжении, подаваемом на выводы аккумуляторы при подзарядке, возникает чрезмерный заряд аккумулятора, который наносит ему ущерб. Возникает подобная ситуация по причине неисправной работы бортовой системы машины, чаще всего генератора.

При этом если напряжение будет выше 14.4 Вольт, то в батарее начнется гидролиз воды. Это впоследствии приведет к потере эффективности АКБ, окислению составляющих, а затем к выходу аккумулятора из строя.

Чтобы избежать возникновения этой ситуации – важно проводить техническое обслуживание автомобиля и регулярно проверять регулятор напряжения, генератор и другие бортовые системы

Прочее

Качество и длительность работы батареи зависит от: тип дорог, температурный режим, качество езды и другие особенности эксплуатации авто. Например, устройство перестает нормально функционировать при постоянном использовании транспортного средства в условиях экстремально низких температур.

При минусовых значениях температуры, для продления реального срока службы аккумулятора, его лучше извлекать из автомобиля и заряжать в домашних условиях. Существуют и другие способы увеличить средний срок работы АКБ.

Важно: Если появилось окисление клейм, нужно обнаружить в чем причина. Клеммы периодически чистите, обрабатывайте специальными составами

Обновляйте детали и крепления на устройстве.

От чего электроника защищает аккумулятор и пользователей

Обсуждаемые выше блоки управления осуществляют контроль не только ячеек ВВБ, но и всей электросети соединяющей элементы. В том случае, если какая-то из ячеек по какой-то причине начнет демонстрировать отклонения от номинальных режимов, BMS понизит нагрузку на нее или даже прекратит подзаряжать, дабы свести на нет малейшие риски внутреннего повреждения электронакопителя.

Силовые цепи транспортного средства на электротяге также находятся под контролем электроники. Имеют место мощные реле, которые разъединяют их при возникновении внештатных отклонений в приводе либо при каких-нибудь утечках токов. Присутствуют традиционные предохранители, которые защищают от короткого замыкания. Физические кондиции всех критически важных соединений отслеживаются по сквозной шине контроля разъемов.

Используются датчики удара, обеспечивающие защиту от поражения электричеством при ДТП. При их срабатывании снимается напряжение с высоко­вольтных цепей, покрытых яркой оранжевой изоляцией, предупреждающей об опасности непрофессионального обращения с ними.

В современных аккумах мощных EV помимо пассивного мониторинга температуры используется активное терморегулирование, посредством системы магистралей, которые заполнены антифризом. При высокой нагрузке либо при сверхбыстрой подзарядке, данная система убирает излишки тепла, а при пониженных температурных режимах, наоборот, осуществляется подогрев ячеек.

Обслуживание и замена батарей электромобиля

Электромобили неприхотливы в обслуживании. Новой батареи хватает на длительное время эксплуатации. Достаточный аккумуляторный заряд обеспечивает максимальный пробег. Со временем приходится сталкиваться с такой проблемой, как замена аккумулятора.

Сделать это непросто, поскольку стоит учитывать следующее:

Подбор происходит в индивидуальном порядке, поскольку все модели разные.
Каждая переустановка аккумулятора должна параллельно программироваться с бортовым компьютером, иначе работать автомобиль не будет. Делает это исключительно профильный специалист.
Модульная конструкция сегодня позволяет ремонтировать блок, если повредился определённый отсек. Полное истощение батареи свидетельствует о необходимости её замены.

Почему аккумулятор стареет и с какой скоростью это происходит

Высоковольтная батарея современного электрокара — это саморегулиру­ющаяся система с «мозгами», которые исключат все вредные для нее режимы. Аккумулятор не нуждается в сервисном обслуживании, кроме считывания возможных ошибок электроники, а также, при надобности, обновлениях ее прошивки.

Практический опыт подтверждает, что даже при самом жестком режиме эксплуатации с частыми зарядками, аккум без особого напряга способен выдержать 100–160 тыс. км пробега. Теоретически, самым критичным периодом является первый год эксплуатации, когда отдельные ячейки могут отказаться работать надлежащим образом. Но, здесь, как и в случае с битыми пикселями на мониторах: оставшиеся в строю с большой вероятностью будут функционировать надежно, а падение общей энергоемкости АКБ будет еле заметным.

Первые признаки старения, как правило, начинают давать о себе знать только к третьему году эксплуатации, когда падение энергоемкости ВВБ может дойти до показателя 10–15% от исходного значения. А далее процесс деградации будет замедляться. Даже на восьмой год функционирования в аккумуляторе часто остается намного больше гарантированных производителями 70% емкости.

Обслуживание и замена аккумуляторных батарей электромобиля

Разумеется, заменить аккумуляторную батарею можно на любом электромобиле. Однако, это далеко не так просто, как сменить батарейки в пульте ДУ. Замена аккумуляторной батареи в электрокаре скорее напоминает установку компьютерного оборудования, когда кроме подключения «девайса» по разъемам и шлейфам, необходимо установить еще и различные драйвера. Тоже происходит и здесь, после установки аккумуляторной батареи она должна пройти согласование и регистрацию с помощью программы бортового компьютера. Поэтому быстро снять аккумулятор с одного авто и установить на другой не выйдет. Процедура требует определенного обслуживания.
Замена аккумулятора электрокара производится в случае падения его емкости, из-за чего существенно сокращается запас хода и как результат эффективность использования электромобиля.

Аккумуляторная батарея самого популярного электромобиля в Украине Nissan Leaf newsroom.nissan-europe.com

Механические повреждения АКБ электромобилей, если не учитывать ДТП, довольно редкое явление, которое требует индивидуального решения от замены аккумулятора до полной реорганизации системы.

Что касается расчета емкости аккумуляторных батарей, то серьезно задумываться над их заменой нужно только после 8 лет эксплуатации, когда запас хода начинает уменьшаться на 20-30% ежегодно. До этого процесс «старения» и уменьшения емкости батарей меняется в зависимости от индивидуальных особенностей модели, а также придерживания правил корректной эксплуатации. Таким образом, даже с б/у аккумулятором, самый популярный в Украине электрокар Nissan Leaf способен проезжать 100-120 километров от начальных 160.

Ячейки аккумуляторных батарей BMW press.bmwgroup.com

Как падает емкость аккумулятора электромобиля спустя несколько лет?

В большинстве своем в батареях используется литий-марганцевый катод, который собственно и обеспечивает весь функционал батареи, однако он является чувствительным к теплу и отличается ускоренным разрушением и потерей мощности при увеличивающейся температуре.

Существует два источника 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.

Согласно этим критериям кривая потери емкости аккумуляторных батарей с течением времени выглядит следующим образом:

Кривая потери емкости аккумуляторных батарей с течением времени electricvehiclewiki.com

Если объяснять более доступным языком на конкретном примере, то наиболее оптимальным режимом зарядки батареи Nissan Leaf, в соответствии указанных переменных будет: первые 150 циклов — 6 кВт, последующие циклы 10-12 кВт. Это лучший из вариантов, который минимизирует прежде всего эксплуатационные потери мощности.

Время и способ зарядки аккумуляторных батарей электромобилей

Зарядка электромобиля

На сегодняшний день существует 4 способа зарядки электрокаров:

1. Использование бытовых электросетей в 220 В. Самый популярный способ зарядки, который согласно статистике использует 90% владельцев электромобилей.
2. Зарядка с использованием переменного тока с защитой внутри кабеля для подзарядки, входящего в комплектацию автомобиля.
3. Зарядка от однофазной или трехфазной электросети АЗС с применением специального разъема кабеля.
4. Зарядка электромобиля от специальных электрических заправочных станций быстрым током.

Несмотря на то, что большинство владельцев электромобилей в Украине хотели бы иметь собственный гараж и зарядную станцию, электрокары это преимущественно городские авто чьи владельцы зачастую ограничены лишь парковочным местом на стоянке или во дворе. Это не слишком большой недостаток, поскольку крупные города уже обладают достаточно разветвленной инфраструктурой электрических АЗС, тем не менее, на зарядку АКБ до 80% показателей, придется потратить от 30 минут до одного часа.

Виды аккумуляторов для электромобилей

В большинстве современных электрических машинах 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 

Литий-ионные АКБ – 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 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 уменьшившая её цену. Новая версия, ещё не применяемая на серийных авто, выдерживает до 250 тыс. перезарядок. 

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, включая OXIS Energy. Предполагается, что к 2020 году стоимость поездки на аккумуляторах Li-S будет ниже, чем у современных литий-ионных версий. 

Металл-воздушные АКБ 

Преимуществами металло-воздушных аккумуляторов являются: 

• небольшой вес, благодаря которому снижается и масса автомобиля; 
• большой пробег электромобилей, которые комплектуются такой батареей; 
• сравнительно доступная стоимость; 
• более простая утилизация по сравнению с литиевыми АКБ. 

Минусами устройства является снижение производительности батареи при низкой температуре. Кроме того, такой батарее нужна система фильтрации, потребляющая почти треть общей мощности. Ещё один серьёзный минус – внезапный выход из строя металл-воздушных аккумуляторов из-за образовавшейся на их 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 у электромобиля заменяется одна алюминиевая пластина, которой хватает на 700 км пробега. Алюминий идёт на переработку и используется повторно. 

Как правильно эксплуатировать аккумуляторную батарею электрокара

Помните, как раньше нужно было правильно пользоваться мобильниками? Их требовалось разряжать в полный ноль, а затем заряжать до 100%. В противном случае образовывался «эффект памяти» и емкость аккумулятора таяла просто на глазах.

Современного обладателя электрического автомобиля подобная возня обошла стороной — заряжать девайс можно когда душа пожелает. У литий-ионных элементов оптимальный уровень разряда по всей матрице ячеек отслеживается целой процессорной системой. Однако имеют место нюансы, могущие оказывать влияние на ресурс батарей — сокращать его либо немного продлевать.

К моментам оказывающим негативное влияние на срок службы АКБ относится частая скоростная подзарядка от ЭЗС с постоянным током мощностью более 100 кВт. Никто спорить не будет, в дальнем пути, где-то на загородном шоссе, скоростная зарядка — это просто спасение. За каких-то 30–40 минут, воспользовавшись данным терминалом, можно пополнить запас хода электромобиля на 150–200 километров. Однако для ячеек аккумулятора подзарядка сверх­интенсивными токами все-таки стрессом является. Для регулярного восполнения энергетических запасов электронакопителя лучшим выбором будут ЭЗС мощностью не выше 25–50 кВт.

Следующий потенциальный стресс для аккумулятора — функционирование при очень низких температурах. В принципе, высокотехнологичный контроллер электронакопителя сделает все возможное, дабы ограничить ток на холодных элементах и как можно быстрее прогреть их, а заодно и салон авто, посредством штатного кондиционера инверторного типа. Но будет куда лучше и для вас, и для аккумулятора, если во время зимней эксплуатации оставлять электрокар на зарядном кабеле до самого начала поездки, а накануне включать по таймеру подогрев от электрической сети.

Третья неприятность — регулярная зарядка АКБ до 100%. При подобном раскладе ячейка будет испытывать уже приближенные к критическим изменения в химическом балансе. А из этого в свою очередь следует, что небольшой недозаряд литий-ионных элементов вашей электрической машины точно пойдет им на пользу.