Системы хранения энергии с литий-ионными аккумуляторами нам знакомы не только как элементы, поддерживающие надежную и устойчивую сеть. В наши дни типы Li-ion батарей широко используются в электромобилях. Каждый экземпляр имеет свои параметры, плюсы и минусы, что делает правильное использование АКБ одним из важных моментов эксплуатации авто.
Какие аккумуляторы установлены на электрокарах
Чаще всего сегодня можно встретить два типа АКБ, основанных на определенных химических составах:
- Li-NMC – литий-никель-марганец-кобальт.
- LiFePO4 он же Li-LFP – литий-железо-фосфат.
В аккумуляторах NMC плотность энергии и мощность сбалансированы, поэтому их можно встретить в качестве сетевых накопителей. Однако их цена выше, чем у LFP, потому что химические компоненты более ценные. Тем не менее, у каждой технологии есть свои достоинства и недочеты.
Простое сравнение двух типов АКБ по плотности энергии
По открытой информации от производителей из Китая, плотность энергии таких АКБ составляет:
- У NMC плотность составляет в среднем 200 Вт‧ч/кг, а у топовых экземпляров в массовом производстве, таких как батареи Qilin от CATL доходит до 255 Вт‧ч/кг.
- У LFP этот показатель в среднем 150 Вт‧ч/кг, а аккумуляторные батареи от CATL для электромобилей показывают 205 Вт‧ч/кг и от BYD – около 190 Вт‧ч/кг.
Различие в цифрах составляет около 30%. Что получаем в итоге? Допустим, конструкторы проектируют электричку с АКБ NMC на 100 кВт‧ч. В этом случае вес батареи будет около 400 кг. Если же они передумают и поставят LFP той же ёмкости, то вес увеличится до 520 кг.
Из-за дополнительной массы в 120 кг, дальность хода электрокара на LFP будет меньше. Чтобы компенсировать эту неприятность, потребуется АКБ увеличенной мощности, примерно 115 кВт‧ч. В итоге общий вес увеличится почти на 200 кг, а это вызовет ряд мероприятий по усилению других элементов. Это значит, что разговоры о более низкой стоимости окажутся ни о чем.
Что имеем в замен?
- LFP не подвержены возгоранию при повреждениях и обладают продолжительным сроком службы. Его рабочая стабильность сохраняется до 500°C, опасность теплового разгона возможна только при 800°C.
- NMC имеет жидкий элетролит, который взрывоопасен и легко воспламеняется, а рост литиевых отложений при заряде-разряде способен пробить диафрагму, вызвав КЗ.
- Владельцы электромобилей с NMC часто ограничивают заряд до 80% для увеличения срока службы.
- Батареи LFP обычно заряжаются до 100%. Поэтому даже при одинаковой емкости АКБ запас хода, кроме дальних маршрутов, будет сопоставим.
Какой срок службы аккумулятора электромобиля?
Это в значительной степени определяется вашими методами зарядки. Рассмотрим анализ, проведенный в 2020 году американской национальной лабораторией Sandia. Был взят ряд аккумуляторных элементов разных типов, которые подвергались заряду и разряду с интенсивностью 0,5с от 0 до 100%.
В этот раз тяговая батарея для электромобиля типа NCA не представляет для нас никакого интереса, сосредоточимся только на NMC и LFP. Из таблицы исследований видно, что в процессе разрядов до 0% и зарядов до 100%, аккумулятор LFP деградируя до 80% от своей максимальной емкости, выдерживает минимум в два раза больше таких циклов.
Интенсивность деградации в зависимости от зарядного процесса
Ознакомимся с еще одним анализом, демонстрирующем зависимость темпа деградации от уровня заряда. В этом эксперименте, как и в других, под зарядным циклом имеется ввиду полный заряд – EFC (эквивалентный полный цикл).
Иными словами, две зарядки по 50%, начиная с 30% и заканчивая на 80% – это и есть один цикл EFC. Из графика видно, что LFP демонстрирует меньшую зависимость от способа зарядки, в отличие от NMC. Отсюда делаем выводы:
- Использование NMC в диапазоне заряда 20-80% дает нам возможность втрое увеличить срок службы батареи до границы деградации в 80% от обычной емкости. Это составляет по итогам различных исследований примерно 1500-2000 EFC, то есть 2500-3400 зарядок от 20% до 80%, что при ежедневной зарядке составляет 6,5 лет и то, при плохих раскладах.
- LFP не деградируют до 80% от ёмкости даже за 3000 циклов, для этого потребуется не менее 4000 EFC, или около 18 лет ежедневной зарядки. Но есть один минус – некоторое различие напряжения на компонентах с учетом уровня заряда. Из-за этого все изготовители LFP говорят о необходимости проводить заряд литий ионных батарей до 100% минимум 1 раз 7 дней, чтобы контроллер правильно установил уровень заряда.
Рассмотрим еще один график деградации, касающийся именно LFP. На нем видны стадии падения заряда у этого типа АКБ при различной глубине разряда DOD. Видно, что 80% DOD – это разряд о 20% и заряд обратно до 100%.
В результате делаем заключение, что идеальным решением будет заряжать электрокар при первом удобном случае. Нет резона доводить процент заряда до 20%, потому что своевременная зарядка еще больше продлит ресурс АКБ.
На сколько хватает батареи в электромобиле в наших условиях?
Прикинем потенциал полной элекрички и гибридного Voyah Free, у которого батареи хватает примерно на 200 км летнего хода. Полный электрокар пусть будет с запасом хода 500 км при благоприятных условиях.
Берем в расчет, что у нас, считай, зима длится полгода. Значит, расход в этот период повышается в 2 раза, то есть в среднем берем 370 км хода для электромобиля и 150 км для гибрида.
NMC
Примем для NMC заряд 100% и разряд до 20%. Это даст деградацию за 1000 EFC до 80% емкости. Получается, если не иметь ввиду постепенное деградирование, то:
- Полный электромобиль будет готов проехать 370 тыс. км до деградации 80% емкости.
- При таких же условиях гибрид проедет около 150 тыс. км.
На практике цифры будут процентов на десять меньше по причине неспешного деградирования и уменьшения пробега. Когда аккумуляторные батареи для электромобилей NMC будем заряжать до 80% и разряжать до 20%, то приблизимся к деградации на 80% при самом плохом раскладе за 1500 EFC. В результате пробег будет:
- Для электрички – 560 тыс. км.
- Для гибрида Voyah Free – 225 тыс. км.
Учтите, что это не тот потенциал, когда АКБ сдохнет и не говорит о том, что ее нужно определять на свалку. Она просто «сядет» до 80% от начальной емкости и эксплуатировать ее удастся еще столько же.
LFP
На этих АКБ собирают авто BYD и Lixiang Li6 тоже, поэтому прикинем с теми же цифрами: для электромобиля пробег будет 370 км, а для гибридной Lixiang Li6 – 150 км. Отсюда при разряде до 20% и зарядке до 100% LFP до деградации в 80% АКБ преодолеет 4000 EFC, а это для электрокара пробег почти в полтора миллиона км и для Li6 – 600 тыс. км.
Если заряжать до 80%, а раз в 3-4 цикла до 100%, то число этапов будет увеличиваться, но есть где смысл? За 1 500 000 км уже и железо развалится, а аккумулятор останется с остаточным ресурсом 80% и автомобиль еще можно продать. Вывод: больше емкость – больше и ресурса.
Электромобили с удлинителем хода существенно увеличивают ресурс АКБ, поэтому наши примеры условны. Есть вероятность, что деградация батареи до 80% наступит гораздо позднее, и получится проехать в 2-3 раза больше, потому что при работе двигателя заряд поддерживается на одном уровне.
