Системы батарей электромобилей: проектирование, развитие и новые тренды

Введение:

Батареи ЭВ (EV batteries) или батареи электромобилей — батарейные системы, созданные для электрических транспортных средств. Электромобили не новинка: электродвигатели и инфраструктура давно существуют, чего не хватает? Почему они не захватили мир? Причина — батарея. Точнее — система батареи ЭВ. В статье обсудим основы систем батарей ЭВ и их требования.

Требования к мощности батарей ЭВ:

Для движения среднего авто нужно много энергии. Гораздо больше, чем для мощного процессора или монитора. Оценка требуемой мощности для разгона типичного авто на ровной дороге без встречного ветра — около 61 кВт. Много энергии на авто, и не хочется «провисать» в подъеме или при ветре. Плюс баланс внутреннего сопротивления — достаточно низкий для макс. мощности.

Энергетическая плотность систем ЭВ:

Важный термин для систем батарей ЭВ — «энергетическая плотность». Энергия на единицу объема. (Удельная энергия — энергия на единицу массы).

Частые топливные источники — бензин и уголь vs батареи. Батареи удобнее, но их энергоплотность и удельная энергия ниже угля и бензина. В перспективе: удельная энергия бензина в 100 раз выше литий-ионной батареи. Бензин в 300 раз выше свинцово-кислотных батарей.

Электрические батарейные системы vs ДВС (ICE)

Но по КПД электродвигатель лучше ДВС (внутреннего сгорания). Снова: сложно достичь пробега на электрике vs ДВС. Пример: бензиновый авто с малым баком — ~400 миль, средний пробег электромобиля — ~180 миль.

Есть предложения с большим пробегом, но есть и минусы. Обсудим перед продолжением.

• Производство таких батарей очень дорого — большая часть цены ЭВ.
• Заряд/разряд деградирует батареи со временем, нет твердых данных о долгосрочной работе. ДВС при уходе ездит 100 000+ миль.
• Зарядка занимает время. Даже лучшие суперзарядки Tesla — 30+ минут ожидания.

ЭВ и химия:

Поиск лучшей батарейной технологии не нов. Документ Аргонна (1994) перечислил «кандидатские системы батарей ЭВ»: свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, никель-железные, никель-металлгидридные, натрий-сера, цинк-бром, цинк-воздух, натрий-никель-хлорид, литий-железо-сульфид, литий-полимер. По удельной энергии: от свинцово-кислотных (25–40 Вт·ч/кг) до литий-полимер (100–200 Вт·ч/кг).

Сегодня фаворит — литий-ион. К 2012 доминировал никель-металлгидрид (NiMH), теперь литий-ион доминирует. Со временем выяснилось: литий-ион дает большую мощность, высокую удельную энергию, меньше проблем. Анимация работы литий-ионной батареи — здесь.

Влияние электромобилей:

Как сказано, ЭВ не «захватили мир». Бензин/дизель всё еще доминируют. Для дальних поездок клиенты предпочитают нефтепродукты. Рынок ЭВ в США невелик. (Норвегия — доля ЭВ в 32 раза больше США). Китай — рынок ЭВ растет в 2 раза быстрее США.

Заключение:

Индустрия ЭВ всё еще эволюционирует. Много необходимых разработок перед тем, как системы батарей ЭВ захватят мир. Их использование будет очень полезным, если преодолят главные препятствия — цену и практичность — в ближайшие годы.