Типы аккумуляторов для электромобилей

Электромобили становятся все популярнее. По данным Автостат, в России за 2024 год было продано 17 805 экземпляров, что на 26,4% больше, чем в 2023 году. Однако у многих возникают вопросы, насколько выносливыми батареями оснащаются электрические автомобили, надежно ли такое решение, быстро ли начинает деградировать аккумулятор. В статье расскажем о современных батареях и ответим на популярные вопросы.

Содержание

• Почему батареи в электромобилях называют тяговыми

• Виды аккумуляторов в зависимости от используемых материалов и технологий

  • Литий-ионные

  • Литий-полимерные

  • Литий-железо-фосфатные (LFP)

  • Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (Li-NMC)

  • Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (Li-NCA)

  • Металл-воздушные

  • Натрий-ионные

• Корпус батареи: требования и устройство

• Сроки зарядки батарей для электрокаров

• Как долго служит батарея в электромобиле

• Электроника для контроля заряда батареи

• Система защиты батареи

• Старение батареи: можно ли его избежать

• Правильная эксплуатация батареи электромобиля

• Заключение

Почему батареи в электромобилях называют тяговыми

Тяговый аккумулятор — особая батарея, которая состоит из множества частей, соединенных друг с другом. Фактически каждая часть, которую называют «секцией», — это полноценный маленький аккумулятор. Вместе с несколькими другими он создает одну большую емкую батарею. Чтобы обеспечить безопасность и качественную работу, в тяговом аккумуляторе используется специальный корпус, который соответствует конструктивным особенностям конкретного автомобиля. Материалом корпуса может служить керамика, стекло, эбонит — все они очень устойчивы к внешним негативным воздействиям и возможным утечкам кислоты изнутри.

Главное отличие аккумулятора в полностью электрическом автомобиле от АКБ в машине с ДВС — большая разница в рабочем напряжении. Если у привычных АКБ этот показатель находится на уровне 12 Вольт (В), то у электромобилей средний уровень — 350-450 В. Однако напряжение может быть и выше: например, у спортивного легкового автомобиля Porsche Taycan — 800 В. У грузовиков на электротяге это значение может достигать 1600 В.

Высокие показатели напряжения объясняются необходимостью большого количества электроэнергии, чтобы приводить колеса в движение. Высоковольтная система позволяет хранить гораздо больше энергии на единицу массы аккумулятора по сравнению со свинцовыми аналогами. Еще одно преимущество высоковольтной системы — возможность использовать более тонкие провода с меньшей массой.

Виды аккумуляторов в зависимости от используемых материалов и технологий

Если сравнить аккумулятор электромобиля и АКБ из ДВС, можно заметить большую разницу. В тяговых батареях нет свинцовых пластин и электролита, они сухие внутри и состоят из большого количества элементов, как правило напоминающих стандартные батарейки AA или AAA.

Литий-ионные

Это один из самых распространенных вариантов, которые используются во многих электромобилях. Их преимущества: 

• Низкий саморазряд. Обычно он составляет 6% в месяц, если автомобиль стоит на месте и не используется. 

• Отсутствие «эффекта памяти», из-за которого нужно несколько раз полностью разрядить батарею, чтобы потом можно было полностью ее зарядить. 

• Долговечность. Литий-ионные батареи могут прослужить примерно 1000 циклов зарядки-разрядки. 

У таких аккумуляторов есть несколько недостатков. В первую очередь — они достаточно дорогие, что напрямую влияет на цену автомобиля.   Еще один минус — отсутствие устойчивости перед избыточным зарядом. Работать литий-ионные батареи способны в диапазоне температур от -20 до +50 °C. Если условия эксплуатации отличаются от этих показателей, батарея будет работать хуже: быстрее разряжаться, снизится емкость. Следует учитывать, что при механических повреждениях такие аккумуляторы могут быть взрывоопасны, поэтому следует с особой осторожностью подходить к их использованию. 

Литий-полимерные 

Такие батареи представляют собой многослойные конструкции, работающие на основе химической реакции между литием и серой. Особенность таких аккумуляторов — более высокая емкость по сравнению с литий-ионными, а также низкие расходы на производство. Такие батареи можно использовать в широком диапазоне температур. Однако главным недостатком литий-полимерных аккумуляторов является малый ресурс — они выдерживают около 60 циклов. Из-за этой особенности на серийные автомобили такие устройства пока не ставят. 

Литий-железо-фосфатные (LFP)

Это один из самых распространенных типов аккумуляторов, применяемых при создании электромобилей. Литий-железо-фосфатные устройства стали активно развиваться в 2003 году, когда за технологию взялась компания A123 Systems. В 2010-х годах разработчики начали использовать эти батареи в электромобилях и получили отличные результаты. Сейчас такую АКБ используют, например, в Geely EX5.

В состав аккумулятора входят следующие элементы: 

1. Катод — алюминиевая фольга, на которую тонким слоем нанесен литий-железо-фосфат.

2. Анод — тонкий слой графита, нанесенный на медную фольгу.

3. Сепаратор — разделительная пластина, которая изготавливается из полиэтилена или полипропилена.

4. Электролит — соединения лития, растворенные в органическом составе. Электролит заполняет пространство батареи под корпусом.

5. Корпус — изготавливается из пластика или алюминия.

Перечислим преимущества литий-железо-фосфатных аккумуляторов: 

• Безопасность эксплуатации — использование таких батарей в высоконагруженной системе электромобиля наименее рискованно из-за физической и химической стабильности.  

• Низкая токсичность — это делает процесс утилизации проще. 

• Устойчивость к перегреву — АКБ не разрушается при активной эксплуатации и зарядке, когда значительно повышается ее температура. 

• Устойчивостью к перезаряду — батарея не продолжает заряжаться, когда доходит до 100%.

• Батарея не разрушается под воздействием высокого напряжения, даже если оно длительное. 

• Намного более длительный срок службы по сравнению с другими решениями на литий-ионной основе. 

• Большой срок эксплуатации — возможность заряжать и разряжать от 3000 до 7000 раз. 

• Морозоустойчивость — батарея не теряет своих свойств даже при самых низких температурах (до -55 ℃). 

• Низкая скорость разряда по сравнению с другими литий-ионными и свинцово-кислотными АКБ. 

• Возможность использовать «быструю» зарядку, чтобы всего за 1-2 часа полностью зарядить авто. 

• Батарея медленнее теряет плотность энергии по сравнению с литий-ионными. 

Сейчас это одно из самых перспективных направлений для развития батарей в электромобилях. По сравнению с другими литиевыми аккумуляторами, у LFP более низкие показатели плотности — около 160 Вт⋅ч/кг.

Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (Li-NMC)

В подобных батареях катод состоит из оксидов сразу нескольких элементов: никель, кобальт, марганец, литий. Это сочетание позволяет добиться следующих преимуществ: 

• Очень высокая энергоемкость — потенциально плотность заряда может достигать более 250 Вт⋅ч/кг. Важно, что плотность энергии можно регулировать, увеличивая или снижая содержание никеля. 

• Работа в широком диапазоне температур — от -40 °C до +150 °C.

• Возможность отдавать большие токи.

• Большое количество циклов заряда и разряда — от 1500 до 5000.

• Относительно низкая стоимость по сравнению с конкурентами.

Среди минусов — высокий риск воспламенения из-за нестабильности никеля.

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (Li-NCA)

Эти аккумуляторы очень похожи на предыдущие, но в них вместо марганца используется оксид алюминия. Это позволяет добиться следующих преимуществ:

• Высокая плотность заряда — от 200 до 260 Вт⋅ч/кг.

• Невысокий риск воспламенения в процессе эксплуатации.

Однако есть и недостатки:

• Малое количество циклов заряда-разряда — около 500. 

• Плохая устойчивость к перезаряду, что может вызвать сильный перегрев устройства. 

Эти батареи хорошо проявляют себя в транспортных средствах, где нужна высокая мощность и средняя безопасность за сравнительно небольшие деньги. 

Металл-воздушные

Такой тип батарей отличается тем, что для генерации электроэнергии в нем применяется окисление металлического электрода в воздушной среде. У подобных аккумуляторов высокая энергетическая плотность, поэтому они могут хранить большое количество энергии, превосходящее показатели конкурентов. На рынке представлено 3 типа таких устройств: литий-воздушные, цинк-воздушные и алюминиево-воздушные.

Перечислим другие плюсы таких АКБ: 

• Легкость, которая позволяет решить одну из главных проблем электромобилей — слишком большую массу.

• Медленный саморазряд. При простое они почти не теряют энергию.

• Простота утилизации по сравнению с другими разновидностями батарей. Например, алюминий можно вторично перерабатывать.

Помимо малого ресурса у металл-воздушных батарей есть другие недостатки:

• Необходимость установки дополнительной системы фильтрации, которая питается от аккумулятора и «забирает» часть его мощности.

• Вероятность образования на элементах батареи пленки из пероксида лития, которая может привести к поломке устройства.

• Уязвимость к воздействию влаги и кислорода. Корпус батареи должен быть герметичным. 

• Низкая эффективность при отрицательных температурах.

Из-за малого количества циклов зарядки-разрядки (50-60) использование в автомобильной промышленности пока что затруднено.

Натрий-ионные

Работа таких аккумуляторов обеспечивается движением через электролит ионов натрия между положительным и отрицательным электродами. Такие батареи по своим характеристикам похожи на литий-ионные, но они дешевле в изготовлении из-за более доступных материалов. 

К преимуществам натрий-ионных устройств можно отнести следующие:

• Доступность благодаря невысокой цене материалов.

• Практически отсутствует вероятность возгорания.

• Большое количество циклов заряда-разряда — до 5000.

Недостатки этой технологии:

• Плотность заряда до 160 Вт⋅ч/кг. 

• Новизна и отсутствие большого количества данных для анализа. 

В связи с исчерпаемостью редких материалов натрий-ионные батареи становятся выгодной альтернативой для использования в электромобилях.

Корпус батареи: требования и устройство

В начале развития индустрии электрокаров в качестве основы использовались переделанные платформы и кузовы автомобилей с ДВС. Для батарей приходилось использовать любые подходящие места: нишу топливного бака, запасного колеса, место под пассажирскими сиденьями. В современных электромобилях батарея выглядит как плоская плита и располагается под полом салона. Благодаря этому производители могут управлять всеми параметрами аккумулятора: настраивать емкость, массу и размер, тем самым адаптироваться под параметры автомобиля. Еще одно преимущество подобной компоновки — возможность достаточно легко заменить ячейки батареи при их выходе из строя. 

Чтобы реализовать описанный выше подход, необходимо поместить все элементы батареи в прочный и долговечный корпус. Конструкция должна соответствовать следующим требованиям: 

• Способность выдержать удары сверху, сбоку и снизу.

• Максимальная прочность днища с целью противостоять точечным ударам.

• Полная герметичность, чтобы ничего не могло попасть внутрь корпуса и навредить элементам внутри батареи.

В каждом корпусе предусмотрены качественные разъемы для высоковольтных проводов, секторы для защищенных датчиков, патрубки для охлаждения и вентиляции батареи. Для производства корпуса используются высококачественные алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь и пластик.

Сроки зарядки батарей для электрокаров

Время зарядки аккумулятора электромобиля напрямую зависит от выбранного способа. Владелец может выбрать один из четырех вариантов в соответствии с европейскими стандартами: 

1. Mode 1. От сети напряжением 230 В. Бытовой источник питания — самый медленный, но один из наиболее популярных способов зарядки электромобиля. Используется переменный ток до 16 Ампер (А). Мощность зарядки 2-4 кВт⋅ч. В среднем для пополнения запаса энергии до 80% нужно будет потратить около 16-24 часов.

2. Mode 2. Зарядка переменным током до 32 А с применением штатного кабеля, входящего в комплект поставки электромобиля. Мощность — до 7-8 кВт⋅ч. Срок зарядки — от 5-8 часов.

3. Mode 3. Зарядка на специальных станциях переменным током до 63 А от сети с напряжением 250 или 480 В. Мощность зарядки у этого способа намного выше, чем у двух предыдущих — до 43 кВт⋅ч. На такой станции потребуется провести от 3 до 5 часов.

4. Mode 4. Питание от одно- или трехфазной сети с применением специального разъема в автомобиле. В аккумулятор подается постоянный ток до 400 А с напряжением до 600 В. Это самая мощная зарядка — до 250 кВт⋅ч. Пополнить энергию можно в среднем за 40 минут.

Как долго служит батарея в электромобиле

На данный момент еще слишком мало данных, чтобы говорить, сколько может фактически прослужить тяговая батарея. Это связано с новизной технологий и очень активным развитием индустрии электрокаров: постоянно улучшаются существующие аккумуляторы и разрабатываются новые, при этом «старым» обычно не больше 5-8 лет. Например, на батарею Geely EX5 гарантия составляет 8 лет или 150 000 км пробега в зависимости от того, что наступит раньше.

Оценочная продолжительность срока работы литий-ионного аккумулятора составляет 8-10 лет, но реальное время ее работы будет зависеть от условий эксплуатации и зарядки. При этом производители АКБ предлагают гарантию 5-8 лет. В течение этого срока при возникновении производственных неисправностей можно будет обратиться к официальному дилеру и заменить батарею. 

Следует упомянуть, что в течение эксплуатации емкость батареи сокращается, и запас хода уменьшается до 80% от изначального. Это можно сравнить с тем, как в автомобилях с ДВС постепенно увеличивается потребление топлива и уменьшается запас хода на одном баке. 

Электроника для контроля заряда батареи 

Один аккумулятор может содержать сотни небольших элементов (ячеек), соединенных параллельно или последовательно и находящихся под контролем блока управления батареей BMU/BMS. Это устройство балансирует токи между ячейками, чтобы энергия распределялась равномерно. BMU учитывает, какой тип зарядки сейчас используется, и оптимизирует свою работу. 

Устройство отслеживает напряжение, ток и температуру батареи, анализирует здоровье аккумулятора, обнаруживает проблемы. На основе этих данных формируются алгоритмы зарядки и разрядки ячеек, а также происходит информирование водителя о неисправностях.

Система защиты батареи

Блок управления батареей BMU/BMS соединяет все элементы и контролирует всю электрическую сеть, чтобы оперативно реагировать на изменения. Например, если система обнаружит, что работа одной из ячеек отклоняется от нормы, она снизит нагрузку на нее или даже отключит ее от зарядки (если есть риск для батареи целиком). 

Перечислим устройства, которые используются для защиты батареи и людей:

• Мощные реле способны разорвать силовые цепи электромобиля при обнаружении нештатных ситуаций, например, при утечке тока.

• Предохранители, которые защищают системы от короткого замыкания.

• Сквозная шина, которая контролирует все разъемы и отслеживает все критически важные соединения.

• Датчики удара, которые снимают напряжение с высоковольтных цепей, чтобы избежать поражения током при тяжелых ДТП.

В электромобилях также организована система терморегулирования с помощью заполненных антифризом магистралей. Во время зарядки или повышенных нагрузок она отводит лишнее тепло, а в мороз используется для подогрева батареи. 

Старение батареи: можно ли его избежать

С течением времени любое устройство изнашивается, батарея электромобиля не исключение. Однако в отличие от двигателя и топливной системы машины с ДВС аккумулятор не требует регулярного сервисного обслуживания. Это достигается за счет интеллектуальных систем, которые управляют элементом питания и предотвращают потенциально опасные для него ситуации и режимы эксплуатации. 

Однако даже при самом щадящем вождении ячейки внутри батареи деградируют: емкость уменьшается, заряжать АКБ приходится чаще, может периодически снижаться мощность, появляется риск перегрева при зарядке и т. д. Модульная структура батарей позволяет максимально отсрочить момент полного выхода батареи из строя. Достигается это за счет следующих факторов: 

• Функция отключения отдельных некорректно работающих ячеек, чтобы система не тратила на них энергию. При этом общая емкость уменьшается незначительно.

• Возможность замены ячеек и целых блоков, вышедших из строя. 

В среднем аккумулятор электромобиля должен прослужить не меньше гарантийного срока, что обычно составляет около 100 000 — 150 000 км. В первые три года может наблюдаться снижение емкости батареи на 10-15% от максимума, однако потом процесс замедляется. К 8 году запас емкости обычно составляет 70-75%.

Правильная эксплуатация батареи электромобиля 

Аккумуляторы в современных электрокарах не боятся так называемого «эффекта памяти». Их не нужно полностью разряжать и полностью заряжать в начале эксплуатации, чтобы они не теряли емкость. Предлагаем несколько советов, как правильно пользоваться батареей.

• Заряжать аккумулятор можно в любой момент. Система контроля распределит энергию и не допустит перезаряда.

• Не рекомендуется заряжать батарею от станций постоянного тока мощностью более 100 кВт⋅ч слишком часто. Это вызывает сильный стресс для батареи. Их можно использовать по необходимости, например, в длительной поездке по трассе. В других ситуациях лучше выбирать станции 25-50 кВт⋅ч.

• Постоянная эксплуатация при очень низких температурах создает высокую нагрузку на батарею. Желательно избегать поездок, когда на улице холоднее -30 °C.

Заключение

• Батареи для электромобилей эволюционируют и становятся доступнее. За последние 10 лет их емкость стала выше, а цена — ниже.

• Тяговые батареи электрокаров работают при высоком напряжении от 350 В, но система безопасности предотвращает вероятность поражения током. 

• Литий-ионные аккумуляторы — это группа устройств с разным составом. Они могут быть литий-полимерными, литий-железо-фосфатными, литий-никель-марганец-кобальт-оксидными или литий-никель-кобальт- алюминий-оксидными.

• Зарядкой и эксплуатацией батарей управляет специальная система BMU/BMS. Например, она может отключить неисправные ячейки.

• Корпус батареи должен быть очень надежным и выносливым, чтобы сохранять герметичность и исключать повреждение ячеек и силовых цепей.