На зарядку становись!

Батареи для электротранспорта в вопросах и ответах

На чем ездили первые электромобили?

Считаете, что автомобили с электродвигателями — это транспорт XXI века? Сложно поверить, но «дедушка» современного электрокара появился раньше, чем машина с двигателем внутреннего сгорания. Еще в 1828 году венгр Аньош Иштван Йедлик изобрел модель тележки с электромотором, в 1830–1840-х электрические коляски появились в Голландии и Шотландии, затем к клубу электромобилистов присоединились жители Бельгии, Франции, Англии, США.

В самых первых электромобилях использовались неперезаряжаемые гальванические батареи. Затем изобрели систему подзарядки, но она была довольно сложной. Преобразователей тока еще не существовало, поэтому батареи подключались к генератору, вал которого вращал электромотор, работающий от переменного тока.

Первый российский электромобиль — детище петербургского инженера Ипполита Романова — появился в 1899 году. Благодаря удачной конструкции масса двухместного электрокэба составляла всего 720 кг, из них 350 кг приходилось на усовершенствованные Романовым свинцовые аккумуляторы (их изобрели в 1860-х годах), которые требовали подзарядки каждые 60 верст, то есть 64 км. Кстати, масса одного из наиболее совершенных электромобилей тех лет, французского «Жанто», развивавшего скорость до 100 км/ч, была 1440 кг, из них 410 кг весили аккумуляторы.

В 1901 году Эдисон изобрел железо-никелевый аккумулятор. Это было время расцвета электродвижения: в США около 40% авто в то время были электрическими (примерно столько же паровыми и лишь немногим более 10% бензиновыми). Однако наступившая нефтяная эра сделала электромобили неконкурентоспособными на целые десятилетия.

На новом витке истории, в конце XX века, электромобили начали оснащать никель-металлгидридными (Ni-MH) аккумуляторами, но они были малоэффективными. Им на смену пришли литийионные (Li-ion) — только они смогли обеспечить удельную энергоемкость на уровне 100–250 Вт·ч/кг. Многие эксперты сходятся во мнении, что в ближайшем будущем именно технология Li-ion будет доминировать на рынке.

Чем отличается батарея электромобиля от аккумулятора машины с ДВС?

В автомобилях с ДВС устанавливаются стартерные аккумуляторы, а электромобили используют тяговые батареи. Стартерные аккумуляторы работают только в момент включения мотора, а тяговые снабжают электродвигатель запасенной энергией в постоянном режиме. Тяговая батарея выступает непосредственным источником питания электродвигателя и обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии — свыше 90%. Кстати, автомобили с ДВС получают от своих двигателей всего 40% полезной энергии.

Еще одно отличие — рабочее напряжение. У стартерных аккумуляторов напряжение составляет 12 В (24 В — у грузовых машин), а у тяговых батарей оно многократно выше — сотни вольт. В среднем — 350–450 В, но это не предел: есть и 800-вольтовые системы (например, в Porsche Taycan), а для грузового электротранспорта разрабатываются батареи на 1200–1600 В. На единицу массы батареи в высоковольтной системе можно запасти намного больше электрической энергии. Если бы в электромобилях использовались обычные свинцовые аккумуляторы, то для их перевозки требовался бы грузовик.

Из чего состоит литийионная батарея?

Внутри батареи электромобиля — несколько модулей, в каждом из которых скомпонованы ячейки небольшого размера, они не содержат жидкий электролит и похожи на обычные батарейки для гаджетов. В каждой ячейке есть анод и катод, атомы лития перемещаются между графитовым анодом и катодным листом, состоящим из оксидов одного или нескольких металлов (классифицировать литийионные батареи принято именно по металлам катода, основные типы — никель-кобальт-алюминий, фосфат железа и никель-марганец-кобальт). У разных производителей конструкция батареи может различаться, но основные составляющие и принцип действия одни и те же.

Например, компания Tesla использует цилиндрические ячейки, немногим больше обычных батареек размера АА, в электромобиле Tesla Model S они собраны в 16 модулей по 25 В. Японские производители применяют плоские ячейки, а европейцы — в форме брусков, их удобнее компоновать в модули нужной емкости.

Целая сеть микропроцессоров контролирует заряд и разряд каждой ячейки на разных уровнях матрицы. Каждая аккумуляторная ячейка оснащена одним-двумя датчиками температуры и собственным контроллером, они отвечают за защиту от перенапряжения, перегрева и т. д. А центральный контроллер отвечает за общее управление и распределение энергии в зависимости от типа зарядки (медленная или быстрая) и следит за оптимальным распределением нагрузки между всеми модулями.

Почему батареи такие дорогие?

Тяговая батарея для легкового электромобиля, который может проехать на одном заряде не менее 350 км, сегодня весит около 500 кг. Для производства аккумуляторных ячеек требуются дорогостоящие металлы. Кроме того, батарея — это сложное и умное устройство с мощными электропроводящими шинами, множеством электронных блоков и датчиков, несколькими цепями защиты и контуром терморегулирования, которые обеспечивают безопасность высоковольтного устройства, работающего с высокой цикличностью (разряд при каждом разгоне и заряд при рекуперативном торможении).

Доля батареи в цене электромобиля все еще составляет 40–50%. Но есть и повод для оптимизма. Стоимость производства батарей в 2010 году, когда электромобили стали массово выходить на рынок, составляла в среднем $1200 на 1 кВт·ч емкости, а в 2021 году она упала почти в 10 раз — примерно до $130. Предполагается, что благодаря дальнейшему развитию технологий стоимость будет снижаться и в будущем — примерно на 10–15% в год.

Безопасны ли батареи?

Существует миф о возможности самовозгорания литийионных аккумуляторов. Такие инциденты действительно были зафиксированы с батареями первого поколения, основной причиной возгорания было использование металлического лития в качестве материала анода. На таком аноде в процессе зарядки/разрядки возникали пространственные образования, которые «прорастали» от анода к катоду и прокалывали сепаратор, это приводило к замыканию электродов и выходу аккумулятора из строя. В современных моделях материалом анода является графит, который улавливает и удерживает литий благодаря своей пористой структуре.

Кроме того, значительно улучшены системы управления процессами заряда, это не позволяет доводить аккумулятор до опасных состояний. В случае отклонения каких-либо параметров от допустимых аккумулятор отключается либо от зарядного устройства, либо от нагрузки. Блоки управления контролируют не только ячейки батареи, но и всю электрическую сеть, которая соединяет элементы. Если одна ячейка дает сбой, система управления снижает на нее нагрузку или перестает заряжать совсем, чтобы исключить даже минимальный риск внутреннего повреждения батареи. Электроника также контролирует силовые цепи всего автомобиля. От короткого замыкания защищают предохранители, при утечках токов реле разорвут цепи, датчики удара защищают от поражения током при аварии — при их срабатывании с цепей снимается напряжение. Физическое состояние всех соединений отслеживается по сквозной шине контроля разъемов.

Как быстро стареет батарея?

Срок службы батареи зависит от активности эксплуатации и составляет не менее 1000–1500 циклов заряда/разряда (в пересчете на расстояние это 200–500 тыс. км). По дорогам мира сейчас бегают более 20 млн электромобилей. Практикой уже подтверждается, что даже при самом активном режиме с частыми подзарядками батарея обычно без проблем проходит 100–160 тыс. км, определенных гарантийным сроком. А среднестатистическому автовладельцу, проезжающему 20 тыс. км в год, батарея может прослужить 10–15 лет.

Первые признаки старения батареи могут проявиться к третьему году эксплуатации (снижение емкости может составить 10–15%), но далее процесс деградации замедляется. Отмечается, что даже на восьмой год эксплуатации в батарее часто остается значительно больше гарантированных 70% емкости. Кстати, тяговая батарея не требует сервисного обслуживания (однако в некоторых случаях может понадобиться обновление прошивки при сбое в электронике).

Как правильно эксплуатировать батарею?

Заряжать батарею электромобиля можно в любой момент. Однако есть некоторые правила, которыми не стоит пренебрегать, чтобы не сократить ресурс аккумулятора. Быстрый заряд (от станций постоянного тока мощностью более 100 кВт) — это удобно: иногда действительно необходимо за 30–40 минут увеличить запас хода машины на 150–200 км. Но для ячеек батареи такая зарядка все-таки является стрессом, поэтому на регулярной основе лучше использовать станции мощностью не более 25–50 кВт.

Еще одна некомфортная для батареи ситуация — регулярный заряд до максимальных 100%. Показания на приборной панели 0% и 100% — это в некотором роде условность, принятая для удобства пользователя: производители закладывают определенный запас емкости, и такие значения на самом деле никогда не достигаются. Тем не менее считается, что для батареи более полезен небольшой недозаряд, это позволяет предотвратить нежелательные химические процессы в ячейках.

Работают ли батареи на холоде?

Не стоит сравнивать батареи автомобилей с аккумуляторами мобильных телефонов, которые быстро разряжаются при сильном морозе. Для гаджетов компактность и легкость — определяющие характеристики, а размеры и масса батарей электротранспорта дают возможность использовать систему термостатирования (нагрев, охлаждение и их комбинацию), которая поддерживает в батарейном отсеке оптимальную температуру — от 0 до 25 °С. В мире ведутся разработки низкотемпературных аккумуляторов, функционирующих при –30 °С и ниже.

Лучшим доказательством эффективности работы современных литийионных батарей вне зависимости от погодных условий служит бурный рост продаж электромобилей в северных странах — Норвегии, Финляндии, Швеции. Так, в Норвегии доля «чистых» электромобилей (без учета гибридов) в 2022 году приблизилась к 80% от всех продаж автомобилей. Ранее планировалось, что продажи машин с ДВС будут запрещены в Норвегии с 2025 года, но судя по таким темпам электромобилизации, этот запрет даже не потребуется.

Что происходит с батареей после окончания срока службы?

У взрывного роста популярности электромобилей есть оборотная сторона. Через 10–15 лет произведенные сегодня батареи исчерпают свой ресурс. Тяговым батареям можно подарить вторую жизнь — например, использовать в стационарных накопителях энергии. Тем не менее не вызывает сомнений, что на горизонте десятилетия в мире должна быть разработана система утилизации батарей и выстроена соответствующая инфраструктура.

Самая ценная часть батареи — катод, который содержит дорогостоящие металлы. Именно на извлечение этих металлов будут направлены основные усилия переработчиков. Для «добычи» металлов из батареи могут применяться пирометаллургические и гидрометаллургические процессы. Пирометаллургия подразумевает, что измельченные батареи подвергают действию высоких температур, а гидрометаллургия — что элементы батарей растворяют в различных веществах (этот метод считается более предпочтительным). Корпуса и шины батареи можно рециклировать как обычный цветмет.

Наиболее привлекательным выглядит разрабатываемый сейчас метод прямой переработки, который заключается в реактивации катодной смеси путем добавления небольшого количества лития.

Кстати, в прошлом году китайская компания Tsinghua объявила о разработке автомобильной батареи на основе твердотельного аккумулятора, который можно заряжать до 20 тыс. раз. Ориентировочный ресурс такой батареи может составить до 10 млн км, то есть использовать ее можно будет не одну сотню лет. Насколько близка к реальности ситуация, при которой батарея сможет передаваться по наследству нескольким поколениям автовладельцев, пока сказать сложно, но очевидно, что усилия разработчиков в ближайшее время будут направлены на увеличение срока службы батареи.