Почему вместо тяжелых свинцовых аккумуляторов мы не используем маленькие и легкие литиевые
Батареи на основе лития сегодня повсюду – они практически вытеснили все остальные типы аккумуляторов. Однако традиционный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания упорно сопротивляется «литиевой экспансии», по-прежнему используя для запуска мотора классические свинцово-кислотные батареи, которым, кстати, в этом году исполнилось 160 лет! Почему так происходит?
160 лет назад, благодаря парижскому профессору физики, электротехнику Гастону Планту, появился первый свинцово-кислотный аккумулятор – знакомая каждому в наши дни деталь любого автомобиля. Когда автомобильный век вошел в свои права, «свинец» долгие годы удерживал монополию под капотом, будучи оптимальным типом химического источника тока с величиной, достаточной для вращения стартера ДВС.
Однако литиевые батареи (технологий батарей с катодами на основе соединений лития достаточно много, на мы сейчас не будем углубляться в нюансы и все их поименуем для простоты «литиевыми») превзошли своих свинцовых дедушек, обеспечивая те же параметры емкости и токоотдачи в существенно меньшем весе и объеме. Почему же до сих пор на прилавках магазинов автозапчастей мы не видим литиевых стартерных батарей? Попробуем разобраться!
Для чего вообще нужен аккумулятор в автомобиле?
Этот вопрос может показаться странным – вроде бы тут всё и ежику понятно. Однако значение аккумулятора не всегда было одинаковым…
Возьмем сперва для примера простенький старый автомобиль – типа всем известной «копейки-жигулей». В принципе чтобы поехать на таком авто, 12-вольтовая батарея нужна фактически только для запуска мотора – питания стартера и начального кратковременного питания обмотки возбуждения генератора. После начала устойчивого вращения коленвала стартер выключается, а генератор переходит в режим «самоподхвата» – то есть обмотка возбуждения начинает питаться от того же напряжения, что он сам и вырабатывает. Все энергообеспечение машины, от зажигания до освещения, взял на себя генератор, и аккумулятор больше в процессе не участвует. Если теперь батарею отключить, или даже вообще выкинуть из-под капота, двигатель продолжит стабильную работу и без нее.
При наличии же «кривого стартера» простейшие карбюраторные машины фактически и вовсе могли обходиться без полноценного аккумулятора – для езды было бы достаточно маленькой и маломощной батарейки с напряжением 5-10 вольт, отдающей ток 3-5 ампер и необходимой лишь для того, чтобы кратковременно подать напряжение на обмотку возбуждения генератора во время верчения заводной рукоятки.
Впрочем, подобный пионерский минимализм – езда без аккумулятора – был возможен (да и то с оговорками) лишь на авто с предельно примитивным электрооборудованием без электроники. На машинах, получивших коммутатор в зажигании, транзисторный радиоприемник, и, тем более, на первых инжекторах, аккумулятор после запуска отключать уже стало рискованно. Несмотря на то, что после начала ровной работы мотора батарея по-прежнему выходит из игры, уступая роль источника электричества генератору, на автомобилях с электроникой аккумулятор сохраняет важное значение – фильтрующе-стабилизирующее. Батарея, как огромный конденсатор, помогает током на холостых оборотах, когда отдача генератора слабеет, сглаживает возникающие изредка высоковольтные пики-выбросы напряжения и делает пульсирующий постоянный ток стабильным – «чистым», как говорят электронщики. Для «дубовых» потребителей, типа лампочки или обогрева стекла, это несущественно, но вот для полупроводников – жизненно важно.
Ну а на современных продвинутых авто классом выше среднего значимость аккумулятора и вовсе резко возросла. Тут уже в принципе нереально завестись без батареи с буксира, даже если вдруг попадется модификация машины без АКП. Множество электронных блоков, сидящих на цифровой шине, включаются перед запуском мотора, и еще до начала работы стартера успевают провести мгновенный опрос состояния различных датчиков и систем, дав в итоге одобряющую или запрещающую команду на старт.
В процессе работы мотора многочисленная электроника требует стабильного и чистого питания в бортсети, а после глушения электронные модули продолжают функционировать некоторое время, завершая процессы сохранения разнообразной адаптивной информации. Резкое исчезновение батареи через скидывание клеммы может вогнать электронику продвинутой современной машины в ступор. После возвращения аккумулятора на место (или зарядки разряженного в ноль) двигатель, конечно же, заведется, но наверняка закидает водителя множественными «чеками», некоторые из которых еще и не пропадут сами, а погасятся только с помощью фирменного диагностического софта у официалов…
Существуют ли литиевые стартерные батареи?
Итак, надо признать, что в современном автомобиле на аккумуляторе лежит куда большая ответственность, нежели полвека назад. Но обязательно ли ему, как те же полвека назад, быть таким здоровенным и массивным? Сегодня у многих автовладельцев имеется так называемый «пусковой бустер» или «джамп-стартер» – портативный 12-вольтовый пауэрбанк с литиевой батареей и проводами-«крокодилами», который способен запустить двигатель практически любого автомобиля с напрочь севшим штатным аккумулятором. Эти миниатюрные гаджеты легко заводят не только бензиновые моторы малолитражек, но и многолитровые дизельные двигатели внедорожников и легких грузовиков. Держа такую игрушку в руках, невольно задаешься вопросом: зачем нужны 20 килограмм свинцовой батареи, если вполне достаточно полкило «лития»?
Вопрос, лежащий на поверхности, и вполне закономерный. Польза от замены «свинца» на «литий» была бы очевидна и бесспорна – в автопроме никогда не прекращалась борьба за снижение массы, и любые, даже самые незначительные победы на этом фронте всегда преподносятся производителями как успехи инжиниринга и движение по пути прогресса. Да и чисто практический профит налицо – срок службы «лития» вдвое-втрое должен превышать таковой у «свинца». Но, обойдя все магазины автозапчастей в городе, литиевого аккумулятора вы не найдете… Почему? Их не существует?
Существуют. Однако распространенность настолько невелика, что выпускаются они исключительно самими автомобильными брендами для считанных моделей и не имеют альтернативных аналогов. Имена же машин, на которых устанавливаются литиевые стартерные АКБ, говорят сами за себя, и удивляться отсутствию таких батарей в магазинах не приходится – «литий» крутит стартеры у гражданских моделей McLaren (570S, 650S, MP4-12C), у Porsche Cayman R, 911 GT3, Boxster Spyder, у Mercedes S-klasse W221, W222, CLS-klasse C218 и ряда других, у BMW M3, M4 и тому подобных единичных моделях некоторых иных марок. Серийные штатные литиевые батареи существуют уже около десяти лет, но их по-прежнему весьма немного, и применяются они исключительно в высокотехнологичных премиальных и спортивных машинах.
Особенности конструкции литиевых АКБ и эксплуатации машин с ними
Как правило, корпуса литиевых батарей повторяют геометрию стандартных свинцовых. Идентичны у них и силовые клеммы. Электрические параметры «повседневных» литиевых батарей – те же, что и у свинцовых, подходящих для аналогичных моторов. Например, литиевая батарея Mercedes имеет емкость 78 ампер-часов и максимальный ток холодной прокрутки 550 ампер. Разве что вес существенно ниже – 12 килограммов. Хотя ниже он в лучшем случае вдвое… Не в десять раз, не в пять и даже не в три, как можно было бы ожидать.
«Повседневная» литиевая батарея BMW имеет емкость 69 ампер-часов, ток холодной прокрутки 770 ампер и вес 14 килограммов. А вот «спортивная» литиевая батарея Porsche, способная заменить свинцовый аккумулятор на 60 ампер-часов с пусковым током 480 ампер, имела емкость всего… 18 ампер-часов, но при этом вес 6 килограммов и высоту, как у пачки сигарет!
Литиевую стартерную батарею чаще всего «нельзя просто взять и поменять» (с) на свинцовую, традиционной конструкции. Помимо стандартных силовых контактов у такого аккумулятора имеется дополнительный информационный разъем – с помощью него происходит подключение к цифровой шине данных, которая обеспечивает постоянный диалог аккумулятора с машиной и контроль за батареей. В принципе, переконфигурировать некоторые автомобили с «с лития на свинец» возможно, но эта процедура делается только официалами, и сосед Вася (который уверяет, что он – диагност), тут не поможет. А официалы дешево не перепрограммируют, ибо заинтересованы в первую очередь продать вам новую оригинальную литиевую батарею за $2000, а не свинцовую за $100…
Впрочем, на некоторых машинах «свинец» можно применять временно и без вмешательства в софт и хард. Например, в руководстве пользователя суперкара McLaren MP4-12C сказано, что в экстренной-преэкстренной ситуации (когда литиевый стартерный аккумулятор полностью неисправен или отсутствует) таки можно временно воспользоваться традиционной свинцово-кислотной батареей. Автомобиль отчасти «сойдет с ума»: станет некорректно работать ряд функций – индикация разряженной батареи, поворотники, парктроники, в качестве меры безопасности не поднимутся до конца стекла дверей и т.п. Однако машина все же заведется и поедет.
А вот тот же Porsche, когда в свое время презентовал свою шестикилограммовую «спортивную» батарею, проявил клиентоориентированность, предложив ее в качестве дополнительной совместимой опции к традиционному свинцово-кислотному аккумулятору. И предупредил пользователей своих автомобилей: легкая батарея оптимальна для теплого времени года, и даже при небольшом минусе на улице ее емкость (и без того крошечная!) заметно упадет. А поскольку батареи взаимозаменяемые, ввиду климатической привередливости лития владельцам спорткаров рекомендовалось повседневно ездить на «свинце», а при визите на гоночный трек временно менять аккумулятор на облегченный для улучшения управляемости и динамики.
Собственно, о холоде… Вот мы и подобрались к едва ли не главной проблеме литиевых стартерных батарей – боязни отрицательных температур и сопутствующей ей боязни глубокого разряда. Безусловно, литиевая химия эволюционирует, современные аккумуляторы существенно расширили температурный диапазон своих предшественников десятилетней давности, но все же свинцу (который, к слову, тоже сильно страдает от морозов) литий до сих пор в хладостойкости уступает.
В электромобилях высоковольтные литиевые батареи имеют принудительный подогрев, но если у тяговой батареи емкостью не менее 30 киловатт-часов есть ресурс для самообогрева, то со стартерной 12-вольтовой батареей такое не прокатит. Риск не завестись зимой в ситуации, когда аналогичное авто со «свинцом» успешно прокрутит свой стартер, у «лития» существенно выше, и поделать с этим ничего пока не удается.
Продолжительные простои на небольшом холодке (а то и в тепле!), кстати, не менее опасны, чем внезапно ударивший сильный мороз. К примеру, владельцы BMW M-линейки с литиевыми аккумуляторами уже жаловались на выход АКБ из строя из-за длительного простоя машины. Батареи уходили в глубокий разряд, электроника в них блокировалась и не реагировала ни на «прикуривание», ни даже на внешние зарядные устройства. С подобным сталкивались даже некоторые американские покупатели новых баварских «Эмок», чьи аккумуляторы успевали умереть, пока заказанная клиентом машина шла 2-3 месяца из Европы к штатовскому дилеру. А тем, кто сам не уследил за уровнем заряда, приходилось покупать новую уже за свой счет…
А если все же… очень хочется?
Приходится признать, что по большому счету литиевые стартерные батареи на сегодняшний день способны принести реальную пользу либо очень искушенному автогонщику, всерьез «отлавливающему» каждый грамм веса, либо самому автопроизводителю, который использует их фактически лишь для подчеркивания собственной инновационности, ощутить которую конечный владелец вряд ли сумеет. А вот геморроя отгрести – это запросто… В общем, никаких объективных доводов для массового автовладельца в пользу приобретения стартерного «лития» нет – и даже срок службы в якобы десять лет не убедит покупателя: редко кто сегодня держит автомобиль столь долго, да и сменить за этот срок 2-3 свинцовых аккумулятора по $100 каждый объективно гораздо дешевле, чем вложиться в «литий» за $1000-2000 с его нюансами и ограничениями.
И тем не менее круг желающих обрести такую батарею существует, и он шире, чем кажется на первый взгляд. Низкий вес и полную герметичность ценят, к примеру, любители бюджетного автоспорта, профессиональные джиперы, готовящие свои машины к суровым соревнованиям, или фанаты спортивного автозвука. А также непоседливые владельцы самых обычных машин, которым просто хочется поставить под капот «что нибудь интересненькое».
На легкие 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы имеется хотя и не слишком большой, но вполне стабильный и даже растущий спрос, и он удовлетворяется небольшими кустарными мастерскими. Заказать литиевую стартерную батарею можно с любыми параметрами – как в стандартном аккумуляторном корпусе, так и в любом по размерам заказчика, с полной защитой от перезаряда, глубокого разряда и короткого замыкания или с более дешевой частичной. Изготовители обычно подчеркивают, что электроника их батарей обеспечивает полную совместимость по режимам работы со свинцовыми – достаточно просто заменить аккумуляторы один на другой и все. Не нужно поднимать напряжение генератора, что-то перепрограммировать и т. п.
Максимальный стартерный ток мелкосерийных литиевых батарей, собираемых на достаточно современных элементах, составляет 530-550 ампер, чего достаточно для большинства автомобилей. Цена же зависит от емкости, и для моторов до двух литров хватает даже… 10 ампер-часов! На такой батарее вполне можно повседневно эксплуатировать машину в качестве транспортного средства, избегая, конечно, ситуаций типа простоя со включенной музычкой на пикнике. Поэтому все же батареи-«десятки» обычно покупают любители недорого погонять на треке – владельцы горячих хетчбеков, типа Opel Astra GTS или Renault Megane RS, которым совсем невредно скинуть килограмм пятнадцать-двадцать с передней оси. Стоимость подобного «спортивного» аккумулятора – около 14-15 тысяч рублей: это вам не коробочка из Porsche за $3000, хотя и машины – далеко не Porsche…
Литиевая же батарея, пользоваться которой можно так же, как и штатной свинцовой на 55-65 ампер-часов, – это уже около 20-25 ампер-часов емкости и полный комплекс защит, включая защиту по нижнему порогу разряда. Стоить такая будет примерно 25-30 тысяч рублей. На фоне штатных батарей, упомянутых выше, цены весьма скромные, хотя и не всех устроит незаводское происхождение аккумуляторов.
Кстати, нельзя под конец не упомянуть сферу транспорта, куда литиевые стартерные батареи успешно проникли и даже закрепились. Это мототехника – скутеры, мотоциклы, квадроциклы. Для них в продаже доступен относительно широкий (хотя и не сопоставимый пока со свинцом) выбор литиевых аккумуляторов промышленного (а не кустарного!) изготовления, которые при емкости 3-7 ампер-часов более-менее недороги, совершенно безразличны к любого рода тряске и кренам, легки и герметичны. Ну а вопрос холодобоязни решился сам собой – мототехника, за исключением снегоходов, эксплуатируется все же в подавляющем большинстве случаев при плюсовых температурах или в крайнем случае при легком минусе, для батарей нестрашном.
Кобальтовый ров и ад раскаленного лития: какие технологии Tesla не по зубам конкурентам
Уоррен Баффет создал концепцию «рвов» (moats) — барьеров, которые должен создавать успешный бизнесмен между собой и конкурентами. «Рвы» — это преимущества, неважно, технологические или маркетинговые. Преимущества, которые будут у вас и которые не будут у соперника. Они не дадут поколебать вашего положения на рынке тем, кто выйдет на него после вас. Илон Маск известен как самый жесткий критик концепции «рвов», он считает, что такие барьеры могут привести только к олигополии.
Однако, как показывает практика, именно Илон Маск роет «рвы» быстрее и успешнее своих коллег по автомобильной индустрии.
На протяжении многих лет наблюдатели (вслед за главой Fiat Chrysler Automobiles) утверждали: у Маска нет ничего такого, что не могли бы скопировать традиционные производители. Значит, когда они решат войти в рынок электромобилей, то сразу окажутся на коне, а Tesla придется бороться за существование. Преимуществами традиционных брендов считались сильная инженерная школа и опыт массового производства. Но у новичка рынка нашлись контраргументы.
Битва за металл
Обычно критики электромобилей говорят, что этой отрасли угрожает дефицит лития для аккумуляторов. Мол, текущее производство этого металла ничтожно, и при резком росте той же Tesla она упрется в его нехватку. Кажется, что на этом направлении у конкурентов компании дела еще хуже: именно Маск законтрактовал больше всего лития с берегов соленых озер от США до Латинской Америки.
На самом деле «дефицит лития» — это миф. На сотню киловатт-часов емкости аккумулятора (что более чем достаточно для электромобиля) нужно всего 10 кг чистого лития. Для миллиона электромобилей в год достаточно 10 000 тонн металла, а для 100 млн (полного замещения производства обычных легковушек) — 1 млн тонн в год. Лития уже сегодня добывается 60 000 тонн в год, и даже легкое увеличение цены заметно расширит объем его коммерчески целесообразных резервов. Так что вопрос о дефиците лития в реальной жизни не стоит.
Куда более острая ситуация сложилась с кобальтом, используемым в электродах той же батареи. Forbes уже писал про дефицит кобальта и проблемы с его добычей и переработкой: он быстро дорожает, добавляются этические и экологические проблемы.
Практически все конкуренты Tesla из классического автомира применяют NMC-батареи (никель-марганец-кобальт), где кобальта всего 15% по весу — около 360 гр на киловатт-час емкости аккумулятора. В итоге Jaugar I-PACE требует почти 33 кг кобальта, а Chevrolet Bolt — 21,6 кг. Это в разы больше массы лития, нужной для производства тех же электромобилей.
А вот Tesla использует никель-кобальт-алюминиевые батареи (NCA), требующие примерно 220 гр кобальта на киловатт-час емкости аккумулятора. Даже самый «дальнобойный» вариант последней Tesla — Model 3 Long Range — в итоге требует менее 17,2 кг кобальта. Базовая версия, которую начнут продавать со следующего года, не потребует и 12 кг кобальта. По пробегу на одной зарядке она близка к Chevrolet Bolt, а разница затрат кобальта — почти в два раза. А значит, «тесл» кобальтовое проклятие коснется куда слабее.
Более того, Илон Маск уже заявил, что со следующего года компания планирует вовсе отказаться от кобальта в катоде. Никто из конкурентов, кроме китайского BYD, пока на такой шаг не пошел. BYD использует литий-железо-фосфатные батареи, у которых куда меньше плотность запасаемой энергии, чем у тесловской NCA.
Аккумуляторный «ров»
На данный момент Model 3 оснащена батареей, содержащей 4416 цилиндрических элементов формата 2170 (21 на 70 миллиметров). Средняя энергетическая плотность на уровне субмодуля батарейного блока — 223 ватт-час на килограмм, на уровне цилиндрического элемента — 270 ватт-час на килограмм. На данный момент эти значения выше, чем у любого другого производителя серийных электромобилей. То есть чтобы иметь батарею той же емкости, Jaguar и Chevrolet Bolt нужны лишние килограммы. А они увеличивают расход энергии электромобиля и снижают его дальность.
Tesla — единственный заметный производитель, использующий цилиндрические элементы, все остальные используют призматические элементы. Логику крупных автопроизводителей понять несложно. Для них меньше мороки собирать крупные призматические элементы, чем много мелких цилиндрических. К тому же такая сборка позволяет иметь больше ватт-часов на единицу объема. Поэтому батарея Chevrolet Bolt состоит всего из 288 элементов и собрана в одном месте, а не разнесена по всему днищу, как у «тесл». Для традиционного автомобилестроения вообще типично выбирать решения, которые выносят «мелкие детали» на откуп поставщикам компонентов и позволяют экономить объем внутри машины.
У Nissan Leaf батарея расположена под полом, как у Tesla, но элементы у нее призматические, а жидкостного охлаждения нет, что вызывает большие проблемы в реальной эксплуатации.
У этой логики есть и крупные недостатки. Много мелких элементов в батареях Tesla расположены с большими зазорами друг относительно друга. Между ними куда больше места, а расстояние от их центра до охлаждающей ленты (окружающей цилиндрический элемент) — всего сантиметр. Это значит, что им проще избегать перегрева, чем более крупным призматическим элементам. Между цилиндрами проще разместить эффективное жидкостное охлаждение, и они менее уязвимы для возгорания всех элементов сразу при аварии. Все это означает, что аккумуляторы можно заряжать и разряжать быстрее, чем аккумуляторы конкурентов, поскольку опасность перегрева меньше.
Да, такие батареи занимают больше места, но это, как ни парадоксально, делает машины Tesla даже более просторными в ширину и длину, чем у конкурентов. «Размазанная» по днищу батарея находится в горизонтальной плоскости, не пересекающейся с салоном, то есть при одинаковой колесной базе расстояние между сиденьями (и/или емкость багажника) получается больше. Заодно полутонная батарея делает центр тяжести машины очень низким, отчего автомобиль устойчивее к переворачиванию.
Вернемся к перегреву и более быстрой зарядке. Отдельный батарейный элемент у Nissan Leaf в полдюжины раз, а у Chevrolet Bolt на порядок крупнее тесловских, что ведет к тому, что их владельцы будут заряжаться куда медленнее. Электромобили от GM и Nissan за 30 минут зарядки получат достаточно энергии, чтобы проехать 140-144 км. И это заявки производителей: в реальности все куда хуже из-за перегрева слишком плохо охлаждаемой батареи.
Разработчики Jaguar I-PACE утверждают, что в светлом будущем у них будет лучше: на 30-минутной зарядке авто сможет проехать 200 км. Но только когда «общественные заправки получат нужные технические усовершенствования». А до тех пор покупателю машины стоимостью от $68 000 предлагают наслаждаться 135 км пробега за 30 минут зарядки. Тем временем продающаяся сегодня Tesla Model 3 за те же 30 минут набирает энергии на 270 км пробега.
При этом в отличие от других автопроизводителей Tesla имеет сеть собственных суперчарджеров, которые заряжают потребителя уже сегодня, а не предлагают ему ждать прогресса на «общественных зарядках», которых сегодня радикально меньше, чем суперчарджеров.
Так выбор более простого для и более традиционного для автомобильной индустрии решения — призматических крупных аккумуляторных элементов — сделал электромобили традиционных игроков заметно менее практичными в дальних поездках. Потребитель в развитой стране может проехать на машине до тысячи километров в сутки. На Model 3 — c часом остановки в пути (
500 км в час на исходной зарядке, плюс две зарядки по 30 минут на еще 540 км). За этот час он как раз успеет поесть. Лучший (и самый дорогой) электромобиль-конкурент от Jaguar потребует полутора часов зарядки, а более дешевые — двух и более часов.
«Ров» энергоэффективности
Есть еще одна область, где инженеры традиционных игроков поработали спустя рукава, — расход энергии на километр пробега. Для ДВС-машин она не так важна, поскольку меньший пробег на одной заправке можно исправить, просто заехав на бензоколонку. Так сказать, «засыпать деньгами» энергонеэффективность своего авто. У электромобили пока все иначе: большая батарея дорога, и все хотят сделать ее поменьше. Поэтому и важно иметь минимально возможное потребление энергии на километр пройденного пути.
Для этого у Model 3 есть то, чего нет у конкурентов. Во-первых, коэффициент аэродинамического сопротивления 0,23 — самый низкий среди всех серийных машин в мире (у Bolt, например — 0,31). Он обеспечивает очень умеренные затраты энергии на трассе. Во-вторых, основной мотор на задней оси на постоянном токе — его КПД на 5-10% выше, чем у моторов на переменном токе. А ведь именно последние выбрали — в силу их большей распространенности и технической «привычности» — конкуренты Tesla.
В итоге при батарее на 78 киловатт-часов пробег Model 3 на одной зарядке — 537 км по циклу EPA. У Jaguar I-PACE емкость батареи 90 киловатт-часов, а вот пробег на одной зарядке — всего 480 км, Chevrolet Bolt с 60 киловатт-часами — 383 км. Цифры пробега по разным циклам далеко не так важны, как те, что можно получить в реальной жизни. В сущности, пробег на одной зарядке становится важен только на трассе: в городе типичный покупатель вряд ли проедет 537 км в сутки.
На трассе отличная аэродинамика Model 3 дает ей вырваться далеко вперед. При 120 км/ч она проезжает 443 км (480 км на 113 км/ч). Chevrolet Bolt на такой же скорости — только 305 км. Jaguar I-PACE, к сожалению, все еще недоступен для независимых тестировщиков, но его пробег на большой скорости скорее всего будет хуже Tesla — коэффициент аэродинамического сопротивления выше.
#Rapidgate
Вспомним еще раз о преимуществах лучше охлаждаемой батареи. Если Model 3 на обещанной скорости заряжать удается, то ни у Nissan Leaf, ни у Chevrolet Bolt это не выходит. Дело в том, что производители измерили скорость зарядки машины с «пустым» аккумулятором и долгое время стоявшей на месте. Однако реальный пользователь вовсе не заряжает машину на трассе таким образом. Он предварительно на ней едет, отчего батарея с призматическими элементами перегревается. Поэтому контролирующая ее электроника не дает Nissan Leaf заряжаться быстрее — за полчаса добавляет только 50 км пробега вместо обещанных 140 км!
Chevrolet Bolt тут сильно лучше — у него хотя бы есть жидкостное охлаждение. Но и у него призматические большие элементы охладить хорошо не получается. Поэтому реально за 30 минут он заряжается только на 112 км пробега. И это вместо рекламируемых 144 км. Когда Jaguar I-PACE появится в свободной продаже, он тоже вряд ли подтвердит свои рекламируемые возможности по быстрой зарядке на трассе — у него такие же ошибки в архитектуре аккумуляторов, что и у остальных «теслакиллеров».
Хотя вышеприведенные цифры приведены по одному тестированию на ресурсе Evobsession, но остальные данные, включая блоги и форумы, еще хуже. Пользователи жалуются, что «скоростная зарядка» предлагает подождать пару часов уже при плюс 18 градусах по Цельсию. Сколько же покупатель «теслакиллера» будет заряжаться жарким днем? Вся эта некрасивая история с откровенно разочаровывающей скоростью перезарядки уже получила в соцсетях собственный хештег — #Rapidgate.
Когда обанкротится Tesla
Вышеописанные проблемы показывают, что на данный момент практически пригодных к дальним поездкам электромобилей, кроме Tesla, никто не производит. Основные страхи потребителей в отношении электромобилей относятся именно к дальним поездкам. Так что Leaf и Bolt, как скорее всего и I-PACE текущих версий, рискуют остаться нишевыми машинами для города.
Илон Маск «не любит» олигополию, зато не против монополии — пока она принадлежит ему. Он так успешно копал технологические «рвы» (батарейный, аэродинамические, «ров» из сети суперчарджеров), что конкуренты еще долго их не одолеют. И не факт, что к тому времени Tesla не выкопает новых. В ее случае «рвы» привели даже не к олигополии, а к фактической монополии на практичный электромобиль. Чтобы нарушить эту монополию, классическим автопроизводителям надо сдать в утиль созданные ими электромобили, отказаться от призматических батарей, собранных в одном месте, перейти к более мелким элементам, «размазанным» по днищу машин.
Но в платформы уже вложены большие деньги, возьмут ли производители на себя смелость сказать руководству: «Вы знаете, наш традиционный подход к компоновке авто сделал эти платформы неконкурентоспособными. Давайте просто забудем о них и о том, сколько они нам стоили, начнем с чистого листа».
По-видимому, такая ситуация в ближайшие годы не позволит появиться реальным конкурентам машинам Маска как минимум в сегменте Model 3 и Model Y.
Между тем во время звонка по итогам второго финквартала 2018 года основатель Tesla заявил, что компания разрабатывает свои чипы Hardware 3 для управления беспилотными машинами. Это пробивает брешь в монополии nVidia на чипы. Пожалуй, Маск и самому Баффету может рассказать, как именно надо копать «рвы» в высокотехнологичном секторе.
Литиевый аккумулятор для автомобиля: плюсы и минусы
Литиевый аккумулятор для автомобиля — классика или современность?
Поразительно, но тот тип батарей, которые повсеместно устанавливается в автомобили, был изобретён более века назад.
Конечно же, его внешний вид и конструктив постоянно совершенствовались, и сейчас это надёжные устройства, которые при должном внимании не подведут, но… Но они громоздкие, тяжёлые и зачастую требую внимания.
Почему же не использовать литий-ионный аккумулятор для автомобиля? Это современный тип батарей, они компактные, лёгкие и достаточно долговечные. На самом деле их можно встретить в автопроме, правда, не в массовом.
Такие АКБ штатно устанавливаются на транспортные средства, укомплектованные гибридными силовыми установками, и электромобили. Почему же их практически не встретить на обычных авто с двигателями внутреннего сгорания?
Может литиевый аккумулятор 12 вольт для автомобиля сложно сделать или они не выдерживают высоких токов, которые требуются для запуска мотора? Давайте это выясним.
Недостатки литий-ионных батарей
- Чувствительность к глубокой разрядке, перегрузка и слишком высокая температура. Но на практике это редко является проблемой. Аккумуляторы уже имеют встроенную электронику, которая защищает от негативных влияний. При использовании LIB без встроенной электроники рекомендуется использовать зарядное устройство, которое для нее предназначено.
- Повышенная чувствительность к высоким и низким температурам. Оптимальная рабочая температура в пределах 10–35 градусов. При низких температурах мощность батареи падает. Также существуют специально предназначенные ионные источники питания для низких температур, которые поддерживают заряд при температуре -40 градусов, только с ограниченными разрядными потоками.
Литиевые аккумуляторы: что это?
А начнём с конструкции литий-ионных АКБ. Состоит такая батарея из катода и анода, имеющих выводы на контакты и разделённых пористым сепаратором. Все эти элементы находятся в герметичном корпусе.
Кстати, корпус, как правило, имеет предохранительный клапан, который нужен, чтобы предотвратить резкое повышение давления внутри аккумулятора. Но самое главное не в этом, а в материалах катода и анода, именно они и химические реакции между ними определяют суть устройства.
Литиевыми такие батареи именуются из-за иона лития, который и является переносчиком электрического заряда. Этот ион способен взаимодействовать с кристаллическими решётками различных материалов, образовывая новые соединения.
Углубляясь в химию, можно увидеть, что и у этого вида аккумуляторов бывают разновидности. Как правило, отличается катодная часть, и у неё могут быть следующие варианты:
- LiCoO2 (кобальт лития);
- LiMn2O4 (литий-марганцевая шпинель);
- LiFePO4 (литий-феррофосфат).
Сами по себе эти формулы для людей, не являющихся химиками, мало что говорят, но нужно отметить, что свойства батарей, изготовленных из разных материалов, немного отличаются. Наиболее интересными являются АКБ с литий-феррофосфатной катодной частью.
Из всей троицы они самые долговечные и меньше теряют ёмкость со временем, их напряжение практически не меняется в процессе разряда, а учитывая тот факт, что одна ячейка такого «аккума» выдаёт около 3,2 В, то, соединив четыре штуки, получим практически стандартное напряжение бортовой сети большинства автомобилей — 12,8 В. Помимо этого, они выдают хорошие пиковые токи.
Зарядка LiFePO4 аккумулятора
Электрическую энергию можно «накачать» в аккумулятор быстро. Однако химические реакции не протекают мгновенно, поэтому состояние электролита между электродами окажется разным. Ближайшие к электродам слои «зарядятся», а расположенные дальше нет. Разница будет особенно заметна в ячейках с большой емкостью и объемом электролита.
Графики тока и напряжения во время зарядки LiFePO4 аккумулятора
Высокий зарядный ток не сильно ускоряет полную зарядку аккумулятора. Хотя заданное напряжение достигается быстрее, этап насыщения занимает больше времени. При высоком токе первая стадия оказывается короче, но зато вторая длиннее.
Максимально допустимый зарядный ток для аккумуляторов принято выражать в долях емкости. Например, если для литиевого аккумулятора емкостью 100 Ач указан ток 0,5C (где C — емкость аккумулятора), то его непрерывной ток зарядки не должен превышать 50 А. Как правило для литий-железо фосфатных (LiFePO4) аккумуляторов максимальный ток равен 0,5-1С
Повышенная температура сигнализирует о неправильном алгоритме зарядки или о внутренних проблемах аккумулятора
Как выбрать литиевый АКБ в автомобиль
Чтобы полностью использовать в автомобиле возможности LiFePO4 аккумулятора, нужно хорошо понимать как он будет эксплуатироваться и с какой нагрузкой ему предстоит работать. При создании электрической системы, работающей от дополнительного аккумулятора необходимо обращать внимание на следующее
Аккумуляторная батарея большей емкости работает дольше, а время ее зарядки меньше. C DC-DС зарядным устройством переносной бензиновый генератор становится не нужен. Ведь под капотом уже имеется автомобильный генератор мощностью 1500-3000 Вт. Все что необходимо – это организовать доступ к такому мощному источнику энергии. Правильно подобранное зарядное устройство не только передает сервисным аккумуляторам большую мощность, но и представляет доступ к энергии генератора вспомогательным устройствам, например инвертору. Пусть в автомобиле установлен дополнительный литиевый аккумулятор емкостью 100 Ач, DC-DС зарядное устройство номиналом 30А и инвертор мощностью 2000 Вт. Суммарная мощность устройств переменного тока, подключенных к инвертору, 1,5 кВт. Когда все они работают одновременно, инвертор потребляет 150 А, и заряда аккумулятора хватает на 45 минут. Если завести двигатель, то через зарядное устройство от генератора потребителям поступит 25 А, а 125 А отдаст в цепь аккумулятор. В результате аккумуляторная батарея разрядится за 48 минут. Предположим зарядное устройство на 30А заменили максимально допустимой для этого аккумулятора моделью на 60А. Если нагрузка не изменилась, то от генератора через зарядное устройство будет поступать уже 50 А, а 100 А предоставит аккумуляторная батарея. Время работы аккумуляторов увеличится до 60 мин. В дополнение к уже имеющемуся литиевому аккумулятору можно установить точно такой же второй, увеличив тем самым емкость батареи до 200 Ач. Большая емкость позволит использовать зарядное устройство номиналом 120 А. При такой установке 100 А поступит потребителям от генератора, а 50 А даст аккумуляторная батарея и время ее непрерывной работы возрастет до 4 часов
BMS, рассчитанная на высокий ток. Непрерывный ток разряда и заряда аккумулятора должен быть 0,5 — 1C . Необходимо смотреть именно на непрерывный, а не максимальный рейтинг аккумулятора. Максимальное значение бессмысленно, если не указывается время в течении которого проводилось испытание. Хорошая BMS должна отключать аккумулятор при перегрузке, перезарядке, перегреве и слишком высоком напряжении. Для аккумулятора это жизненно важно
Стоимость. Один литиевый аккумулятор может быть почти в два раза дороже другого. Если это так, то очевидно, что в технологии изготовления и в способах использования аккумуляторов существуют различия. Однако нет смысла устанавливать дорогую модель, если более дешевая справится со своими задачами. Важно понять, что для вашей системы имеет решающее значение.
Максимальная скорость зарядки — одна из важных характеристик литиевого аккумулятора. У дешевых моделей ток зарядки может составлять всего 0,3C (30 А для аккумулятора емкостью 100 Aч). У дорогих — 1С или 100 А для аккумулятора той же емкости. Если необходимо максимально быстро заряжать единственный аккумулятор, потребуется модель рассчитанная на высокий ток. Но если в автомобиле есть место, то два менее дорогих аккумулятора так же дадут возможность использовать ток силой 100 А, скорость зарядки снизится, но зато емкость батареи увеличится до 200 Ач.
На автомобиле может быть установлено две сервисных аккумуляторных батареи, одна 12, а другая 24-вольтовая. Для их зарядки потребуется два устройства: 12-12 и 12-24 с суммарным номиналом не превышающим возможности генератора. В противном случае для эффективной работы у генератора не останется избыточной мощности. Это не создаст технических проблем, но расчеты придется скорректировать соответствующим образом
Время работы аккумулятора без подзарядки. В отличии от свинцово-кислотного у литиевого аккумулятора доступно 100% емкости. Параллельно можно соединять любое количество аккумуляторов. При последовательном соединении менее дорогие модели часто имеют ограничение в 48 В
Мощность получаемая от генератора. Эта характеристика влияет как на емкость литиевой батареи, так и на выбор зарядного устройства. Современные автомобильные генераторы имеют мощность около 2000 Вт. Если в автомобиле есть место только для одного дополнительного аккумулятора емкостью 100 Ач, то для его зарядки подойдет устройство номиналом 30 А. С его помощью генератор сможет заряжать дополнительный аккумулятор током примерно 25 А и будет передавать аккумуляторам 350 Вт. Модель, номиналом 60 А, увеличит передаваемую мощность до 800 Вт. Для аккумулятора емкостью 100 Ач с максимальным током 0,5С этого окажется достаточно
Использовать в автомобиле дорогой LiFePO4 аккумулятор выгодно, когда все три параметра — мощность генератора, номинал зарядного устройства и допустимый ток зарядки аккумуляторов соответствуют друг другу. Например, если мощность автомобильного генератора 1400 Вт, а номинал зарядного устройства 120 А, то для аккумуляторной батареи емкостью 100 Ач с рейтингом 0,5С зарядный ток окажется недопустимо высоким. Но для аккумулятора с рейтингом 1С выбранное оборудование вполне подойдет.
Преимущества литиевых аккумуляторов
- Очень высокая плотность энергии. Превосходит в четыре раза свинцово-кислотные источники питания.
- Высокое напряжение клеток. Литий-ионная ячейка заменяет три ячейки NiCd или NiMH, которые обеспечивают только 1,2 вольта. Ученые в настоящее время работают над обеспечением более высокого напряжения в клетках. Чем больше напряжение в клетках, тем меньше клеток требуется. Это дает возможность сделать батарею легче и вместительнее.
- Переносят высокие токи разряда. Это позволяет работать автомобильным приборам, таким как холодный стартер или приводы для гибридных автомобилей с маленькой емкостью АКБ.
- Увеличивают мощность и производительность, в зависимости от требований.
- Имеют возможность быстрой зарядки.
- Отсутствует эффект памяти – полная разрядка не влияет на продолжительность срока службы.
- Низкая скорость саморазряда (от трех до пяти процентов в месяц, сохранят работоспособность до десяти лет).
- При заряде батареи на 100 % способна отдать энергию тока без технических повреждений.
Вариации базового химического состава (например, различные анодные и катодные материалы) позволяют разнообразить характеристики производительности для конкретных применений.
Также доступны батареи маленького размера. Материал электрода и керамические электролиты могут быть разделены на твердые (оксид алюминия/силикагель) или гибкие (акриловые волокна) подложки для производства энергии высокой плотности для тонких и плоских батарей.
Какие бывают типы литий-ионных батарей и где используются
В настоящее время используются три вида LIB, которые отличаются материалами катода.
Катоды лития, содержащие кобальт (Limo2).
Этот тип особенно эффективен. Кобальтовый ион Со3+ маленький, поэтому катод построен таким образом, что литий-ионные катоды легко перемещаются. Это важно для высокой плотности энергии и емкости, чтобы выпускать маленькие и легкие батареи. Используется в портативной электронике и электромобилях.
Литий-кобальтовый оксид LiCoO2 (LCO) – это тонкое устройство чувствительно к повреждениям, поэтому используется лишь в электроприборах.
Литий-Никель-Кобальт-Оксид Алюминия (LiNiO.8Co0.15Alo.05 или NCA) является надежным соединением. Обеспечивая хорошую плотность энергии и высокую мощность, эти материалы используются как литиевые аккумуляторы 12 вольт для автомобиля.
Литий-Никель-Марганец-Кобальт-Оксиды (NMC) – прочнее и долговечнее, чем тип NCA. Большинство производителей электромобилей используют этот катодный материал. При этом существует несколько вариантов, в которых металлы содержат никель, марганец и кобальт в различных соотношениях. Чем больше доля никеля – тем выше содержание энергии.
Катоды из оксида фосфора-железа-лития (LiFePO4 или LFP).
Этот вид также прочен, но имеет низшую плотность энергии, чем катоды LiMО2. Китайские производители используют для электромобилей городского цикла. Заряда хватает на короткие расстояния.
Катоды из оксида марганца-лития (LiMn2O4 или LMO).
Этот вид раньше использовался в электромобилях, но катоды, содержащие кобальт, превосходят их по стабильности и плотности энергии.
В этом видео описаны подробные характеристики ионных аккумуляторов, размеры, состав и расшифровки маркировок.
Сколько лития в батарее электромобиля?
Потенциальный рост спроса на литий-карбонат и оценка расхода на одно изделие.
Презентация для инвесторов, компания добывает литий, в общем, даже не буду проверять оценку на предмет занижения, она может быть завышена, но занижена при таких вводных — никогда :). Итак, для 25 кВтч батареи необходимо 44 фунта LCE, или 20 кг, то есть 800 грамм на кВтч.
Текущая стоимость LCE (литий-карбоната).
Цена литий-карбоната подбирается к $6 000 за тонну.То есть, для самой крупной батареи из автомобилей, представленных на рынке, Model S, литий-карбоната нужно на 0.8 * 85 * $6 = $408. Вот и вся история.