Ми вже розповідали, як влаштований електрокар та чим він відрізняється від звичної машини з ДВЗ. Тепер докладніше вивчимо батарею електромобіля – головне джерело енергії, що приводить у рух таку машину. І водночас найдорожчий та найскладніший її вузол.
Чому батарея – найдорожчий компонент електромобіля
Підраховано, що у 2010 році, коли електромобілі почали пробивати собі шлях на ринок, кожен «батарейний» кВт*год обходився в $1183, тобто був майже у 100 000 разів дорожчим за енергію, яку він запасав. За десять років розвитку акумуляторних технологій цей параметр знизився до $150, причому ціна зберігання електроенергії й надалі падатиме — за розрахунками, приблизно на 10–15 відсотків на рік. Але все одно в ціні електромобіля саме частка батареї залишається найвищою — паливні баки електрокарів ще довго будуть золотими.
Продиктовано це, по-перше, розмірами самої батареї, здатної зберігати достатньо електроенергії. Повністю складена батарея для легкового BEV, яке може проїхати на одному заряді не менше 350 км, сьогодні важить приблизно 500 кілограмів. По-друге, на 80–90 відсотків цей вузол складається з потужних електропровідних шин та дорогих акумуляторних осередків — у виробництві використовуються рідкісні хімічні елементи, кольорові та навіть дорогоцінні метали.
Нарешті, в кожній батареї електромобіля є безліч електронних блоків і датчиків, кілька ланцюгів захисту та контур терморегулювання. І така складна конструкція їй життєво необхідна, адже високовольтній батареї в електрокарі доводиться працювати з надзвичайно високою циклічністю (розряд при кожному розгоні та заряд при рекуперативному гальмуванні) та з дуже високими струмами. Розглянемо її компоненти по черзі.
Навіщо електромобілю високовольтна батарея
Найбільш помітна відмінність тягової батареї електромобіля (BEV) від рядового автомобільного акумулятора – робоча напруга. Замість 12 (або 24 В у вантажівок), відомих кожному автомобілісту, навіть у перших серійних електромобілів вона вимірювалося сотнями вольт. Зараз вже йде напруга у 350-450 В. Але і це не межа. У Porsche Taycan електрична платформа базується на 800-вольтовій системі, а для перспективного вантажного електротранспорту взагалі розглядаються батареї на 1200-1600 Вольт!
Такі високі цифри продиктовані законами фізики. У високовольтній системі на одиницю маси батареї можна запасти набагато більше електричної енергії. Якщо спробувати скласти батарею Tesla зі звичайних автомобільних свинцевих акумуляторів, для їхнього перевезення знадобиться вантажівка. Та й струми у високовольтній системі при тій самій потужності електродвигуна будуть нижчими, а, отже, можна використовувати більш тонкі дроти, теж заощаджуючи масу.
Звичайно, 400-800 В лякають, адже навіть у рази менша напруга смертельно небезпечна для людини. Проте за належних заходів захисту немає реальної загрози отримати удар струмом в електромобілі.
Які осередки використовують у батареях електромобілів
На відміну від більшості автомобільних акумуляторів, всередині осередків батареї електромобіля немає а ні електроліту, а ні гелю, що замінює його. Вони «сухі» і за своїм наповненням ближчі до побутових батарей для гаджетів.
На перших електромобілях застосовувалися нікель-метал-гідридні (Ni-MH) акумулятори. Вони обіцяли дуже високу енергоємність: в одному кілограмі такої батареї теоретично можна було запасти до 300 Вт*год. Однак на практиці вдавалося використати лише п'яту частину їхніх можливостей. Через кілька років стандартом для електромобілів (і багато іншої техніки) стали літій-іонні елементи — вони довго вважалися невигідними через більш високу ціну. Але лише такі елементи забезпечували реальну питому енергоємність на рівні 100–250 Вт*год/кг.
Компанія Tesla почала використовувати циліндричні Li-Ion акумуляторні елементи формату 18650 (трохи більше та товщі батарейок типу АА), які спочатку призначалися для батарей ноутбуків. У седані Tesla Model S 7104 такі «комірки» зібрані у шістнадцять 25-вольтових модулів.
Японські автовиробники віддали перевагу акумуляторним осередкам, спеціально призначеним для електромобілів, вони плоскої форми, і їх зручно набирати в пакети потрібної ємності. Європейські прагнуть працювати з ще більш технологічними осередками, які виглядають як досить важкі бруски. Технологія виробництва Li-Ion осередків вже досить відпрацьована декількома великими компаніями, переважно з Південно-Східної Азії: Panasonic, Toshiba, LG Chem, Samsung SDI, Automotive Energy Supply Corp, CATL, BYD і т.д. У кожного формату свої переваги та недоліки. Так, батарея з циліндричних осередків виходить більш габаритною, але водночас їх легше охолоджувати.
Але взагалі Li-Ion – загальна назва для групи абсолютно різних за складом акумуляторів. Наприклад, є літій-кобальтові елементи – вони забезпечують найвищу енергоємність, але водночас найкапризніші, мають обмежений ресурс, вибухонебезпечні та токсичні. Менш примхливі та не такі дорогі літій-марганцеві, проте вони запасають менше енергії та практично непрацездатні при -10 градусах. Найбільш стабільні та високоресурні характеристики досягнуті в літій-залізо-фосфатних акумуляторах. Вони мають енергоємність на рівні інших, зате величина саморозряду та поріг робочих температур нижчі (до -30°С). Є акумулятори на основі сумішей різних металів, а є й спеціальні літій-титанатні. Вони поки найдорожчі, але за рахунок вкрай низького внутрішнього опору здатні до надшвидкого заряджання високим струмом.
І за такого широкого вибору не можна сказати, що технологія Li-Ion остаточно перемогла. У цієї розробки є кілька цікавих альтернатив: з алюміній-іонними та металповітряними акумуляторами вчені шукають дешеву альтернативу літію. А у випадку з графен-полімерними та літій-сірчаними — намагаються досягти ще більшої швидкості заряду та енергоємності.
Як електроніка керує батареєю
Тягова батарея є матрицею з певним чином з'єднаних між собою елементарних низьковольтних осередків. Процесом їх заряду-розряду управляє ціла мережа мікропроцесорів, різних рівнях цієї матриці.
Наприклад, кожен акумуляторний елемент має один або два датчики температури та власний контролер. Він забезпечує безпечні струмові режими, захищає від перенапруги, надмірного заряду, надмірного нагріву тощо. Його зона відповідальності — робота одного осередку.
Заряд блоку з декількох десятків або сотень елементів керує контролер BMU. Його функція зводиться до балансування струмів між послідовно та паралельно з'єднаними осередками.
Загальне керування та розподіл енергії, залежно від типу заряджання (повільне, звичайне, прискорене або надшвидке), покладається на центральний контролер BMS. Він же, як правило, відповідає за ресурсні параметри всієї батареї, стежачи за тим, щоб навантаження на всі модулі розподілялося оптимально.
До речі, значення 0 та 100%, яке показує приладова панель електромобіля або зарядна консоль, не більш ніж умовність. Виробник повністю не заряджає батарею, залишаючи певний запас від номінального значення. Він поступово використовується при неминучому віковому старінні батареї та падінні її ємності. Не допускається і повний розряд акумуляторів – навіть коли електромобіль завмирає, не в змозі рухатися далі, батареї залишається трохи енергії. Вона потрібна, щоб запобігти небажаним або необоротним хімічним процесам в осередках.
Від чого електроніка захищає батарею та людей
Вищезгадані блоки керування контролюють не тільки комірки батареї, але й усю електричну мережу, що з'єднує елементи. Якщо будь-яка комірка з будь-якої причини почне відхилятися від номінальних режимів, система управління знизить навантаження на неї або навіть «відправить на пенсію» і перестане заряджати, щоб виключити найменші ризики внутрішнього пошкодження батареї.
Силові ланцюги електромобіля також контролюються електронікою. Є потужні реле, що розривають їх при позаштатних відхиленнях у приводі або за будь-яких витоків струмів. Є класичні запобіжники, які захищають від короткого замикання. Фізичний стан всіх критично важливих з'єднань відстежується наскрізною шиною контролю роз'ємів. Застосовуються датчики удару, що захищають від ураження струмом при аварії, – при їхньому спрацьовуванні з високовольтних ланцюгів знімається напруга. Останні, нарешті, ще й поміщені в яскраву помаранчеву ізоляцію — вона попереджає про небезпеку некваліфікованого поводження з ними. У сервісах офіційних дилерів допуск до роботи з силовими установками електромобілів мають лише кваліфіковані співробітники.
У сучасних батареях потужних електромобілів застосовується як пасивний моніторинг температури, так і активне терморегулювання — через систему магістралей, заповнених антифризом. В умовах високого навантаження або при надшвидкому зарядженні ця система знімає надлишкове тепло, а при низьких температурах, навпаки, підігріває комірки.
Як влаштований корпус батареї
Коли електромобілі будувалися на основі звичайних машин, їхні батареї мали дуже незвичайні форми – тому що розміщувалися на місці паливних баків, запасних коліс та непотрібних валів. Сьогодні у більшості машин на електротязі батарея розташована під підлогою салону і, завдяки цьому, максимально наближена до плоскої плити. Такими особливо зручно робити модульні батареї — «плити», що відрізняються вагою, розміром, ємністю та ціною, але взаємозамінні в рамках однієї електричної платформи.
Однак таке компонування висуває підвищені вимоги до міцності корпусу батареї. Її силову «клітку» конструюють таким чином, щоб вона витримувала сильні удари з усіх боків (значно потужніші за ті, за яких люди вже не виживають). А днище батареї має забезпечувати її герметичність та протистояти «точковим» пошкодженням – наприклад, від каменів або ударів на бездоріжжі. Так що батарея –найміцніший і практично неруйнівний елемент EV.
До цього додаються гідрозахист, система патрубків для охолодження та вентиляції, набір спеціальних захищених високовольтних роз'ємів та інше, що потрібно для діагностики. Ну і кріплення до кузова, який у деяких електромобілів робить батарею ще й частиною його силової структури. Тому проста за задумом «коробочка для акумуляторів» перетворюється на техношедевр, який не штампується одним ударом преса, а робиться за непростою технологією з високоміцних алюмінієвих сплавів та нержавіючих сталей.
Чому батарея старіє і як швидко це відбувається
Батарея сучасного електромобіля — система, що саморегулюється, з інтелектом, який не допустить будь-яких шкідливих для неї режимів. Батарея не вимагає сервісного обслуговування, крім зчитування можливих помилок електроніки та, при необхідності, оновлення її «прошивки».
Практика підтверджує: навіть за найнапруженішого режиму роботи електромобіля з частими підзарядками батарея без проблем «ходить» 100–160 тисяч кілометрів гарантійного терміну. Теоретично, найкритичніший період — це перший рік експлуатації, коли можуть «вимкнутися» якісь окремі осередки в масиві. Але тут як з «битими пікселями» на екранах: ті, що залишилися, працюватимуть надійно, а загальна ємність батареї зменшиться взагалі непомітно.
Перші ознаки старіння зазвичай виявляються лише третього року експлуатації, коли зниження ємності може становити 10–15 відсотків від початкових резервів. Але далі процес деградації сповільнюється. Навіть на восьмий рік часто в батареї залишається значно більше за гарантовані 70% ємності.
Як правильно експлуатувати батарею
Пам`ятаєте правила поводження з мобільними телефонами у перші роки їх використання? Коли треба було максимально повно розряджати акумулятори, а потім заряджати до 100 відсотків. Інакше виникав ефект пам'яті і батарея швидко втрачала ємність.
Сьогоднішнього власника електромобіля подібна метушня обійшла стороною – заряджати його можна будь-якої миті. У Li-Ion-елементів за оптимальними рівнями розряду по всій матриці осередків стежить ціла процесорна система. Однак є нюанси, які можуть скоротити ресурс акумуляторів або, навпаки, трохи продовжити життя.
До перших відноситься часте застосування швидкісних зарядок від станцій постійного струму потужністю понад 100 кВт. У дальній дорозі, десь на автомагістралі це справжнісінький порятунок: за 30-40 хвилин від такого терміналу можна поповнити запас ходу електрокара на 150-200 км, а самому ще й відпочити та підкріпитися. Але для осередків батареї заряджання надінтенсивними струмами – це стрес. Для регулярного підживлення краще використовувати станції потужністю трохи 25–50 кВт. В нашому додатку GO TO-U, до речі, при бронюванні зарядки відображається потужність останньої, тож ви можете орієнтуватися ще й на цей показник при заряджанні.
Другий потенційний стрес – робота при дуже негативних температурах. Звичайно, просунутий контролер батареї зробить все можливе, щоб обмежити струм на холодних елементах та якнайшвидше прогріти їх (а заодно – і салон) за допомогою штатного кондиціонера інверторного типу. Але буде набагато краще і вам, і для батареї, якщо при зимовій експлуатації залишати електромобіль на зарядному кабелі до самого виїзду, а напередодні включати через таймер підігрів від електромережі.
Третій потенційний стрес — регулярний заряд до максимальних 100%, при якому осередок зазнає вже близьких до надмірних змін у хімічному балансі. Так що невеликий «комфортний» недозаряд для Li-Ion-елементів вашого електромобіля буде корисним.
Як утилізувати батарею
Цією проблемою перейнялися давно, оскільки технологій дешевого, глибокого та безпечного для довкілля перероблення дуже токсичних Li-Ion елементів спочатку взагалі не було. Зараз вони вже створені: корпуси і мідні шини утилізуються як звичайний кольоровий метал, а осередки розмиваються спеціальними засобами, що дозволяє знову використовувати літій, котрий міститься в отриманому розчині, та інші елементи.
Але таких підприємств у світі ще мало, тому ефективним, нехай і тимчасовим, рішенням стало повторне використання осередків або батарей електромобілів у різних стаціонарних джерелах зберігання або резервування енергії. Вони потрібні станціям генерації електроенергії від сонячних панелей або вітряків. Їх можуть використовувати у приватних домогосподарствах чи структурі міських енергомереж. Наприклад, в Японії «списані» батареї електрокарів вже працюють для вуличного освітлення, у столиці Франції –надають руху ліфтам, а в Амстердамі живлять цілий стадіон.
Отже, можна зробити такі висновки
– Батареї все ще дорогі, хоч і подешевшали приблизно втричі за останні 10 років. Приблизно у стільки разів зросла їхня ємність.
– Усі тягові батареї електромобілів працюють при високих напругах (від 350 до 800 вольт), але багатоконтурна система захисту практично виключає ризик ураження електричним струмом.
– Li-Ion – лише назва для групи абсолютно різних за складом акумуляторів. Вони бувають літій-кобальтовими, літій-марганцевими, літій-залізо-фосфатними, літій-титанатними, тощо. У всіх — різний набір переваг та недоліків.
– За розподілом енергопотоків усередині батареї відповідає складна багаторівнева система з великою кількістю температурних датчиків. Контролюються кожен осередок, кожен модуль, кожна ділянка ланцюга та вся батарея в цілому.
– Чимала частка у загальній вартості батареї припадає не лише на комірки, а й на корпус. Це надзвичайно міцна деталь, складна у виготовленні.
– Старіє батарея електромобіля при регулярній експлуатації специфічно. Ємність може швидко «деградувати» на кілька відсотків через дефектні осередки, потім вона плавно знижується на 15-20 відсотків протягом декількох років, а далі процес уповільнюється, дозволяючи використовувати батарею, наприклад, у стаціонарних системах.
– Вже розроблені технології для повної утилізації батарей, але поки що такі послуги надають вкрай обмежене коло компаній та далеко не у всіх країнах.