Электротранспорт (Electric Vehicle - EV)

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям

Опубликовано 21.07.2016 15:47

Автор: Abramova Olesya

В начале 1900-х электромобили считались транспортом представительского класса, рассчитанным на высокопоставленных лиц, таких как Томас Эдисон, Джон Рокфеллер или Клара Форд, жена Генри Форда. Они выбирали этот транспорт из-за возможности спокойного вождения, лишенного вибраций и загрязнений, присущих двигателю внутреннего сгорания. И уже сегодня экологически сознательные водители вновь открывают для себя электромобили, благо сейчас они представлены широким выбором интереснейших моделей.

EV-культура породила даже целую философию жизни, разные оттенки которой удовлетворяют различным группам пользователей. Это можно заметить, обратив внимание на связь размеров электромобилей и аккумуляторных систем. Мини- электромобили поставляются с аккумуляторной системой мощностью 12-18 кВт*ч, среднего размера седан имеет уже 22-32 кВт*ч, а люксовые модели Tesla стоят особняком с аккумуляторной системой большей обычного размера, которая может похвастаться мощностью 60-85 кВт*ч, что обеспечивает повышенную производительность и расширенный диапазон вождения. В таблице 1 приведен список наиболее распространенных электромобилей.

Таблица 1: Электромобили с указанием типа аккумуляторной батареи, дальности пробега и времени зарядки.

* - В 2015/16 для Tesla S85 мощность аккумуляторной батареи была увеличена с 85 кВт*ч до 90 кВт*ч; для Nissan Leaf – с 25 кВт*ч до 30 кВт*ч.

Производители Nissan Leaf, BMW i3 и других электромобилей используют проверенные литий-марганцевую [BU-205] (LMO) электрохимическую систему с NMC примесью, упакованную в призматические элементы (NMC означает никель, марганец, кобальт.) Tesla использует NCA (никель, кобальт, алюминий) элементы типоразмера 18650 [BU-301a], которые обеспечивают впечатляющую удельную энергоемкость 3,4 Вт на элемент или 248 Вт на килограмм. Для защиты хрупких Li-ion элементов от чрезмерных нагрузок на скоростных шоссе, Tesla увеличила размер аккумуляторной батареи в 3-4 раза по сравнению с другими электромобилями.

---

Аккумуляторы EverExceed

 

Standard Range AGM	Deep Cycle Range AGM	Gellyte Range GEL
10 - 12 лет / 600 циклов	10 - 12 лет / 700 циклов	10 - 12 лет / 750 циклов
универсальная серия AGM	для глубоких разрядов AGM	универсальная серия GEL

---

Старшая модель Tesla S 2015 года выпуска с мощностью аккумуляторной батареи 90 кВт*ч обеспечивает беспрецедентную дальность пробега в 424 километра, но весит такая батарея целых 540 килограммов, что увеличивает потребление энергии до 238 Вт на километр, одного из самых высоких показателей среди электромобилей. (Смотрите BU-1005: Автомобили на топливных элементах).

Для сравнения, BMW i3 является одним из самых легких электромобилей и имеет низкое энергопотребление 160 Вт на километр. Эта машина использует LMO/NMC аккумулятор, который имеет умеренную удельную энергоемкость 120 Вт на килограмм, но в то же время является очень выносливым. Среднего размера аккумуляторная батарея мощностью 22 кВт*ч обеспечит дальность пробега 130-160 километров. Для того, чтобы компенсировать этот не очень большой пробег, i3 может опционально комплектоваться REX, дополнительным двухцилиндровым бензиновым двигателем, который устанавливается в задней части электромобиля. В таблице 2 сравниваются размеры аккумуляторных батарей и потребление энергии распространенных электромобилей. Величина пробега указывается для нормальных неоптимизированных условий вождения.

Таблица 2: Предполагаемое потребление энергии и затраты на 1 километр распространенных электромобилей. Стоимость затрат энергии включает в себя только электроэнергию стоимостью $0,20 за один киловатт.

* - Дальность пробега ограничена до 28 кВт*ч, ручное переключение на 31,5 кВт*ч даст дополнительные 16 км.

Стоимость аккумуляторных батарей для электромобилей доходит до $350/кВт*ч, но компании Tesla удалось снизить цену до $250/кВт*ч благодаря использованию элементов распространенного типоразмера 18650, объемы производства которых в 2013 году составили порядка 2,5 миллиардов штук. Типоразмер 18650 является неожиданным выбором для электромобилей, ведь изначально он разрабатывался для портативных устройств, таких как ноутбуки. Разработанные еще в 1990-х, сейчас такие элементы доступны по сравнительно небольшой цене. Цилиндрическая форма дополнительно обеспечивает превосходную стабильность по сравнению с призматическими или бескорпусными типами элементов, но это преимущество не является вечным, так как и остальные типоразмеры электрических батарей активно развиваются и улучшаются. Большие Li-ion элементы являются относительно новым направлением и обладают неплохим потенциалом в плане увеличения производительности и снижения стоимости аккумуляторной батареи, так как для ее сборки будет требоваться меньшее количество таких элементов.

---

Аккумуляторы EverExceed GEL

 

Marin GEL Range	Deep Cycle GEL Range	Solar GEL Range
10 - 12 лет / 800 циклов	10 - 12 лет / 800 циклов	10 - 12 лет / 800 циклов
для электромоторов лодок и катеров	для глубоких циклических разрядов	для солнечных электростанций

---

Все производители электромобилей должны предоставлять гарантию на 8 лет или на определенное количество пробега. Компания Tesla крайне уверена в себе, поэтому гарантия на их электромобили составляет 8 лет без ограничения пробега. Рисунок 3 иллюстрирует аккумуляторную систему, которая формирует шасси Tesla S Model. Этот электромобиль содержит 7.616 аккумуляторных элементов типоразмера 18650 в последовательной и параллельной конфигурациях [BU-302]. Младшая модель S60 комплектуется уже 5.376 элементами.

Рисунок 3: Аккумуляторная батарея в шасси Tesla S Model включает в себя 7.616 элементов типоразмера 18650 в параллельной/последовательной конфигурациях. При цене в $250 за кВт*ч, ее стоимость получается ниже, чем у других Li-ion аккумуляторов.

Производители электромобилей рассчитывают дальность пробега исходя из наилучших условий, но по определенным сообщениям, пройденное расстояние в реальности может быть на 30-37 процентов меньше афишированного. Такая ситуация может возникнуть из-за дополнительных электрических нагрузок, таких как фары, стеклоочистители, обогрев или охлаждение. Энергичное вождение в холмистой местности также снизит дальность возможного пробега.

Холодная температура также выступает фактором, влияющим на дальность пробега. Важным моментом, связанным с понижением температуры, о котором часто забывают водители, является затруднение зарядного процесса. Большинство литий-ионных аккумуляторов не могут быть заряжены при температуре ниже точки замерзания. В некоторых электромобилях в целях защиты аккумуляторной батареи присутствует система обогрева, активирующаяся во время зарядки. Также в целях защиты может применяться специальный алгоритм, снижающий ток зарядки к безопасному значению. Применение быстрой зарядки к холодному литий-ионному аккумулятору вызовет рост дендритов, что поставит под угрозу безопасность. (Смотрите BU-410: Зарядка аккумуляторных батарей в условиях высоких и низких температур).

Владельцы электромобилей конечно же довольно сильно заинтересованы в возможности ультрабыстрой зарядки, и в принципе такие технологии уже существуют, но их следует использовать с осторожностью, так как быстрая зарядка в любом случае вредит аккумулятору. Если это вообще возможно, не стоит превышать значение зарядной скорости 1С. (Смотрите BU-402: Что такое С-рейтинг). Избегайте полного заряда, если для его достижения требуется менее чем 90 минут. Ультрабыстрая зарядка идеально подходит водителям электротранспорта для применения на ходу, в качестве периодического воздействия. В некоторых электромобилях даже ведется отслеживание стрессовых ситуаций для аккумуляторной батареи, и эти данные могут быть использованы для отказа в гарантийном обслуживании. (Смотрите BU-401a: Быстрые и ультрабыстрые зарядные устройства).

Оценка уровня заряда аккумуляторной батареи всегда была проблемой, и ее точность несравнима с, например, определением уровня жидкого топлива. EV-инженеры на встрече Сообщества автомобильных инженеров в Детройте были удивлены, узнав, что функция определения уровня заряда в некоторых новых BMS (системах управления аккумуляторами) отключалась при падении реальной емкости аккумулятора всего лишь на 15 %. Причем для пользователя это остается скрытым, а оставшаяся емкость попросту не используется.

---

Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Trojan Marine RV	AGM Deep Cycle	Trojan GEL Deep Cycle
10 - 12 лет / 700 циклов	10 - 12 лет / 600 циклов	10 - 12 лет / 800 циклов
для речного и морского траспорта	для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок

---

Производители электромобилей все же должны управлять падением емкости интеллектуальным и не утруждающем автомобилиста путем. Это решается увеличением аккумулятора и допуском к эксплуатации только определенного диапазона емкости. Новые аккумуляторы, как правило, заряжаются до 80 %, а разряжаются до 30 %. Со снижением общей емкости используемый диапазон может расширяться, сохраняя стабильное значение именно эксплуатируемой емкости. После того, как уже будет использоваться вся доступная емкость, деградационные процессы будут прямо затрагивать дальность пробега. На рисунке 4 показаны три состояния емкости аккумуляторной батареи электромобиля.

Рисунок 4: Используемая емкость аккумуляторной батареи электромобиля в зависимости от ее состояния. Новый EV-аккумулятор заряжается до 80 %, а разряжается до 30 %. По мере износа аккумулятора, используется все больший диапазон емкости, что приводит к усилению износа и ускорению старения.

Экономическая составляющая

На первый взгляд, вождение на электричестве выглядит дешевле сжигания ископаемого топлива, однако низкие цены на это самое топливо, неопределенность относительно продолжительности жизни аккумуляторов, незнание правил корректной эксплуатации и конечно же высокая стоимость являются факторами, которые снижают стимул покупателя менять проверенный двигатель внутреннего сгорания на электрический силовой агрегат. Электромобили всегда будут иметь меньшую дальность пробега, так как увеличение емкости аккумуляторной батареи прямо на дальность не влияет. С увеличением емкости увеличивается и вес, что негативно сказывается на экономичности вождения и дальности пробега. (Смотрите BU-1005: Автомобили на топливных элементах, рисунок 1).

Международное энергетическое агентство в одном из своих проектов, Technology Roadmaps, сравнивает потребление и стоимость бензина в сравнении с электричеством.

Электрическое транспортное средство требует от 150 до 250 Вт на километр в зависимости от своего веса, скорости и местности. При предполагаемом потреблении в 200 Вт и цене на электроэнергию в размере $0,20 за киловатт-час, стоимость энергии для электромобиля составит $0,04 за километр. Это сопоставимо с $0,06 за километр для бензинового двигателя аналогичного размера и $0,05 для дизеля. В указанную стоимость не входят затраты на оборудование, обслуживание или в конечном итоге замену.

Долговечность аккумуляторной батареи и ее цена будут в конечном итоге определять успешность электротранспорта. Потребительский рынок, скорее всего, будет развиваться в направлении небольших электромобилей с аккумуляторной батареей, обеспечивающей пробег 160 или менее километров. По сути, это будет мини-автомобиль для передвижения на небольшие расстояния, водитель которого будет строго придерживаться регламентированной манеры вождения и также строго соблюдать режимы зарядки. К слову, согласно исследованиям, дальность 90 % поездок на работу не превышает 30 километров. Рынок электромобилей также будет включать в себя представительские модели для более состоятельных слоев населения, которым в то же время не безразлична проблема сокращения выбросов парниковых газов.

Эксплуатация электромобиля обеспечит оптимальную экологическую выгоду только при зарядке от возобновляемых источников энергии. Сжигание угля или ископаемого топлива для выработки электроэнергии, как это делается во многих странах, не сокращает выбросы парниковых газов. В США 50% электроэнергии вырабатывается за счет сжигания угля, 20% - природного газа, и еще 20% дает атомная энергетика. Возобновляемые источники энергии занимают оставшиеся 10%, из них гидроэнергетика - 8%, а ветроэнергетика и солнечные электростанции дают всего 2%.

---

Контроль и защита аккумуляторов

 

Батарейный монитор	Защита от глубокого разряда	Батарейный балансир
контроль более 25 параметров, история и синхронизация	защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки	для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения

---

Также у интересующихся электротранспортом может возникнуть вопрос: «А кто же будет платить за дороги при отсутствии налога на топливо?». Правительства тратят миллиарды на содержание и расширение дорожной сети, электромобили же, а отчасти и гибридные автомобили, используют инфраструктуру бесплатно. Это несправедливо в отношении людей, пользующихся общественным транспортом, так как выходит, что они платят дважды - сначала за содержание дорожной инфраструктуры, а следом – и за саму стоимость проезда.

Высокая стоимость электромобилей в противостоянии с недорогим и легкодоступным ископаемым топливом приводит к замедлению перехода к экологически чистому вождению. Необходимо государственное субсидирование, чтобы сделать “зеленые” автомобили доступными для масс; но в то же время многие утверждают, что такие усилия лучше прилагать для улучшения сферы общественного транспорта, которой в многих странах долгое время не уделяется должное внимание.

Руководство по аккумуляторным батареям, использующимся в электротранспорте

• Продолжительность срока службы. Большинство аккумуляторных батарей электромобилей имеет гарантию 8 лет или на 160 000 км пробега. Жаркий климат ускоряет потерю емкости, к тому же в данный момент отсутствует убедительная информация о влиянии различных климатических условий и нюансов использования на процессы износа аккумулятора.

• Безопасность. Опасения возникают при неправильном обращении с аккумулятором и при его хранении сверх назначенного срока. Подобные опасения были и 150 лет назад, когда взрывались паровые котлы и резервуары с топливом. Тщательно продуманная система мониторинга аккумуляторов будет гарантировать, что эксплуатация проходит в безопасном рабочем диапазоне.

• Стоимость. Этот аспект представляет собой существенный недостаток, так как стоимость аккумуляторной системы может достигать стоимости небольшого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Система мониторинга, охлаждение, обогрев и восьмилетняя гарантия только увеличивают стоимость.

• Производительность. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, которые могут работать в широком диапазоне температур, аккумуляторные батареи чувствительны и требуют климат-контроля. Тепло уменьшает срок службы, а холод снижает производительность. Аккумулятор также может влиять на нагрев или охлаждение салона.

• Удельная энергоемкость. С точки зрения соотношения теплотворной способности и веса, электрическая батарея генерирует только 1 процент от того, что производит тот же вес ископаемого топлива. Один килограмм (1,4 литра) бензина дает примерно 12 кВт*ч энергии, в то время как один килограмм батареи предоставит только 150 Вт*ч. Тем не менее, КПД электродвигателя составляет 90%, а самого совершенного двигателя внутреннего сгорания - около 25%.

• Удельная мощность. Электрическая силовая установка имеет лучший крутящий момент в сравнении с двигателем внутреннего сгорания с той же мощностью в лошадиных силах. Это выражается в отличнейшем ускорении электромобилей.

Последнее обновление 2016-05-30

---

Зарядные устройства Victron Energy (Голландия)

 

Phoenix Charger	Skylla-i	Skylla-TG
12/24В, 16-200А	24В, 80-500А	24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

---