Литий-ионные батареи для электромобилей

• Какие батареи используются в электромобилях?
• Емкость и запас хода
• Ресурс Li-ion батарей в электромобилях
• Зарядка АКБ электромобилей
• Снижение емкости АКБ
• Замена аккумуляторных модулей

Основой конструкции электромобиля является силовая установка. В ее состав входит несколько электродвигателей и аккумуляторных батарей. В отличие от автомобилей с ДВС, работающих на стартерных аккумуляторах, электромобили используют тяговые АКБ. Их главное отличие заключается в постоянном снабжении работающих двигателей запасенной электроэнергией.

Стартерные аккумуляторы работают только в момент включения мотора, а тяговые выдают меньшие токи, но работают в постоянном режиме. Они выступают непосредственными источниками питания электродвигателей и обеспечивают высокую эффективность преобразования полезной энергии – свыше 90%. Для сравнения, автомобили на ДВС получают от своих двигателей всего 40% полезной энергии.

Какие батареи используются в электромобилях?

Преимущественно современные электромобили ездят на Li-ion батареях. По прогнозам экспертов эта технология будет доминировать еще несколько лет, что подтверждают и инвестиции ведущих производителей экомобилей. Технологии развиваются, и весь мир ожидает революции в производстве аккумуляторных батарей. Но пока Li-ion аккумуляторы остаются вне конкуренции.

Некоторые изменения коснулись только химического состава катода. В частности, компания Tesla сейчас использует никель-кобальт-алюминиевые (NCA) аккумуляторы Panasonic и никель-марганцево-кобальтовые (NMC) ячейки LG Chem со сниженным содержанием кобальта. Использование катода с 80% Ni, 15% Co и 5% Al позволило повысить емкость элементов без ущерба для их температурной стабильности. Иногда применяется соотношение компонентов Ni:Mn:Co=8:1:1. Компания CATL производит NMC-аккумуляторы с 20% кобальта.

Особого внимания заслуживают литий-железо-фосфатные АКБ — LiFePO4. Эта разновидность Li-ion аккумуляторов минимум вдвое превосходит аналоги по циклическому ресурсу, имеет расширенный диапазон рабочих температур и максимально безопасна в эксплуатации. Такие батареи используются, например, в китайском электроседане BYD Han и обеспечивают ему пробег на 1 заряде до 605 км.

АКБ 60 Вольт 100 Ампер*час LiFePO4 для гольфкара

Артикул:1498

В наличии

219 536

В корзину

АКБ 48 Вольт 100 Ампер-часов LiFePo4 тип 1

Артикул:1650

В наличии

359 340

В корзину

АКБ 48 Вольт 100 Ампер-часов LiFePo4 тип 2

Артикул:1651

В наличии

218 337

В корзину

АКБ 48 Вольт 60 Ампер-часов LiFePo4

Артикул:1652

В наличии

252 931

В корзину

Емкость и запас хода

Пробег на 1 заряде зависит от энергоемкости используемых в электромобиле литиевых батарей и других факторов: силы и направления ветра, рельефа местности, загруженности автомобиля и т.д. В таблице приведены ориентировочные характеристики самых дальнобойных электромобилей:

Многие модели электромобилей поставляются в разных вариантах комплектации – с АКБ различной емкости. Поэтому и дальность пробега на 1 заряде даже у автомобилей одной марки отличается.

Ресурс Li-ion батарей в электромобилях

Срок службы литий-ионных батарей для электромобилей составляет 1000–1500 циклов заряд-разряд, что в среднем соответствует 8–10 годам эксплуатации. Вдвое больший ресурс имеют АКБ типа LiFePO4. Производители электромобилей дают на свою продукцию гарантию 5–8 лет. Поэтому если при эксплуатации экомобиля какой-либо модуль батареи преждевременно выйдет из строя, покупатель может рассчитывать на его замену.

Срок службы литиевых АКБ сокращается при частом использовании технологии быстрой зарядки. Этот способ удобен, т.к. позволяет за полчаса или час восполнить 80% заряда, но он в 1,5–2 раза ускоряет естественную деградацию Li-ion аккумуляторов. Поэтому чтобы продлить срок службы батареи, ее нужно заряжать меньшими токами.

Стоит отметить, что батареи типа LiFePO4 менее чувствительны к быстрому заряду и более устойчивы к деградации, чем Li-ion АКБ остальных видов.

Зарядка АКБ электромобилей

Заряжать аккумуляторные батареи электромобилей можно на специальных зарядных станциях или в домашних условиях от сети 220 В. Встроенные зарядные устройства преобразуют переменный ток сети в подходящий для АКБ переменный ток нужного напряжения. Для зарядки от обычной розетки используются ЗУ мощностью от 3,6 кВт. Они обязательно имеют защиту от короткого замыкания, перезаряда и перегрева.

Зарядка от обычной электросети длится дольше, чем от специальной станции. Например, батарея емкостью 70 кВт·ч может заряжаться от обычной розетки 15–18 часов, а на зарядной станции – не более 5 часов. В режиме быстрой зарядки запас энергии восполняется всего за полчаса или час, но часто использовать этот способ не рекомендуется.

Снижение емкости АКБ

Емкость Li-ion батарей постепенно снижается, даже если они просто лежат на складе. Через несколько лет номинальная емкость АКБ уменьшается на 20–30%. Например, батареи популярных электромобилей Tesla Model S и Nissan Leaf на практике теряют 5–10% емкости за первые 2 года эксплуатации и еще 15–20% за следующие 3 года. В дальнейшем ежегодное снижение емкости у них составляет 1–5%.

В связи с этим сокращается и расстояние пробега на 1 заряде. Так, приобретенный более 5 лет назад Nissan Leaf может преодолевать без подзарядки до 130 км пути, хотя изначально проезжал 160 км. Выпущенные в 2013 году электромобили Tesla Model S и сейчас преодолевают на 1 заряде не менее 200 км, но изначально проезжали 335 км. Похожие тенденции наблюдаются и у экомобилей других марок.

Замена аккумуляторных модулей

Батарея электромобиля состоит из последовательно соединенных модулей, каждый из которых собирается по определенной схеме для получения необходимых значений напряжения и емкости. Если какой-либо модуль поврежден или преждевременно вышел из строя по другой причине, он подлежит замене. Модульная конструкция батарей электромобилей позволяет менять аккумуляторные блоки выборочно.

Но для эффективного применения Li-ion батарей в электромобилях и других видах техники важно, чтобы характеристики всех модулей были максимально идентичными. Если же использовать вместе с новыми модулями старые блоки со значительно меньшей емкостью, они быстрее выйдут из строя.

Утилизация и переработка литиевых АКБ

Для полноценного развития электротранспорта важно организовать безопасную утилизацию и эффективную переработку литиевых батарей. С одной стороны, это важно для экономного расходования природных ресурсов: лития, кобальта, никеля, алюминия и других минералов. С другой стороны, нельзя допустить загрязнения планеты опасными химическими отходами.

Батареи электромобилей подлежат замене в среднем через 8–10 лет эксплуатации, когда их начальная энергоемкость снижается на 30%. Такими аккумуляторами можно оснащать солнечные электростанции и другие системы.

Батареи, полностью отработавшие свой ресурс, подлежат переработке с извлечением и повторным использованием содержащихся в них компонентов. В дальнейшем их можно использовать не только для производства батарей, но и для других целей.

Важный плюс переработки литиевых батарей – возможность сократить добычу минералов, а также снизить стоимость химических элементов и самих аккумуляторов. Ожидается, что именно переработка отходов позволит минимизировать затраты и повысить доступность электромобилей. Пока еще мало батарей электромобилей отработали свой ресурс. Но постепенно их количество будет расти, поэтому переработка аккумуляторных отходов считается очень перспективным и необходимым направлением.

Ранее в блоге VirtusTec вышла статья о том, откуда берется литий для батарей, и почему он дорожает.