Когда дело доходит до электромобиля, время автономной работы, безусловно, является наиболее обсуждаемой темой - после пробега, конечно. Надо сказать, что это произведение не только важно, но и является объектом всех фантазий.
Если эта статья не предназначена для того, чтобы дать количественный и бесспорный ответ, она предоставляет некоторые начальные элементы для оценки теоретического и реального срока службы батарей. Это важные элементы для демистификации электромобилей и принятия правильных правил использования.
Как работает аккумулятор электромобиля?
Все говорят об аккумуляторах для электромобилей. Иногда они загрязняют окружающую среду, а иногда недостаточно мощны. Помимо этих соображений, прежде всего необходимо понимать их функционирование, чтобы иметь возможность оценить продолжительность их жизни. Мы пробуем это, стараясь быть как можно более педагогом.»Читайте также» Действительно ли электромобили более загрязняют окружающую среду, чем бензиновые?
В основе литий-ионного аккумулятора
Прежде чем рассматривать срок службы аккумулятора электромобиля, первым делом необходимо понять, как он работает. После использования никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металлогидридных (Ni-MH) технологий, электромобили теперь оснащены по большей части литий-ионными батареями. Выпускаемый на рынок с 1990-х годов, он основан на работе, аналогичной работе свинцово-кислотных аккумуляторов, важнейшей технологии двигателей внутреннего сгорания.Его принцип? Циркулируйте электроны, чтобы создать разность потенциалов между двумя электродами: положительным (катод) и отрицательным (анод), первый из которых обычно состоит из оксида металла, а второй - из графита. Эта реакция стала возможной благодаря проводящей жидкости, называемой электролитом, и обеспечивающей перенос ионов лития (ионов Li +), в которые погружены электроды. Когда аккумулятор работает, ионы Li + отталкиваются от отрицательного электрода, с которым они не имеют сродства, и притягиваются положительным электродом: это фаза разряда. И, наоборот, ион Li + высвобождается анодом в фазе перезарядки перед тем, как попасть на катод.
Количество ячеек, что важно
Литий-ионные батареи состоят из нескольких ячеек, каждая из которых воспроизводит описанную выше реакцию, создавая разность потенциалов. Они связаны между собой и возглавляются электронной схемой, которая координирует производство электроэнергии. Производительность батареи в основном будет зависеть от количества ячеек на плате, их размера и того, как они распределены. Эти три элемента в основном определяют:- емкость автомобильной аккумуляторной батареи, выраженная в кВтч, которая соответствует количеству электроэнергии, которое он может хранить;
- и его интенсивность, выраженная в амперах символа A, что соответствует электрическому заряду, который можно доставить в течение одной секунды.
Высокая плотность энергии, низкое сопротивление полному циклу
Если литий-ионные батареи стали стандартом для электромобилей - по крайней мере, в настоящее время, - то в основном потому, что они имеют высокую плотность энергии. Это означает, что соотношение между емкостью хранилища и весом (или занимаемой площадью) очень велико, что важно для бортовых систем. Эта удельная энергия составляет порядка 300-500 Вт · ч / кг для литий-ионного аккумулятора, то есть до 10 раз больше, чем для свинцово-кислотного аккумулятора (1). Другими словами, батарея будет легче или менее громоздкой при эквивалентной емкости. Помимо того, что не требуется техническое обслуживание, эта технология имеет то преимущество, что она имеет низкий уровень саморазряда, а именно постепенное снижение уровня заряда, когда автомобиль не используется.Наконец, следует отметить, что литий-ионные аккумуляторы также отличаются ограниченным эффектом памяти, что позволяет заряжать их - пока разрядка не завершена - без их повреждения.Однако литий-ионные аккумуляторы для электромобилей не лишены вины. Помимо того, что они относительно дороги в производстве, в основном из-за нехватки лития, они не выдерживают полных циклов зарядки и разрядки. Другими словами, глубокая разрядка, соответствующая общей емкости менее примерно 5%, окажется разрушительной и непоправимо ухудшит ее характеристики. Следует отметить и другие недостатки (температурная чувствительность, опасность электролита и т. Д.), Но они, как правило, присущи другим основным технологиям, используемым в автомобильном мире.
Каков срок службы аккумулятора электромобиля?
Теперь, когда мы примерно знаем, как работает литий-ионная батарея, пришло время для предмета, который нас действительно интересует, - срока ее службы. Теоретическая долговечность, обратная связь по опыту и факторы деградации: мы даем вам основные ответы на вопрос.От 1000 до 1500 циклов: теоретический срок службы аккумулятора электромобиля
В среднем, срок службы свинцово-кислотной батареи составляет от 4 до 5 лет. Но как насчет литий-ионного аккумулятора в электромобиле? Прежде всего, вы должны знать, что его трудно оценить по годам, что в меньшей степени относится и к тепловизионным транспортным средствам, потому что в игру вступают многие параметры. Поэтому предпочтительно подходить к вопросу с точки зрения количества циклов разряд-подзарядка. Хотя эти цифры спорны и варьируются от модели к модели, считается, что срок службы аккумулятора электромобиля в настоящее время составляет от 1000 до 1500 циклов. Производители считают, что за пределами этого порога емкость хранилища составляет от 70% до 80% от того, что было в моментпроисхождение. Процент, которого уже недостаточно, поскольку он ограничивает автономность транспортного средства, и который затем требует замены аккумулятора.Возникает еще один вопрос: сколько лет нужно, чтобы завершить эти 1000-1500 циклов? По заявлению производителей, средняя продолжительность использования в «классическом» режиме составляет около 10 лет. Чтобы попытаться ответить для себя, давайте возьмем в качестве примера новый Renault Zoé с аккумулятором емкостью 52 кВтч, теоретическое потребление которого составляет около 17 кВтч / 100 км и который не заряжается. только в диапазоне от 20 до 80% емкости аккумулятора, чтобы ограничить полные циклы разряд-перезарядка (которые, как мы уже обсуждали, вредны). Имейте в виду, что Renault даже рекомендует использовать циклы перезарядки-разрядки от 30 до 80%, что позволяет использовать только половину емкости аккумулятора.Возвращаясь к нашему примеру, автомобилист, следовательно, будет использовать 31,2 кВтч (60% от 52 кВтч) ежедневно, что позволяет ему - снова теоретически - проезжать около 184 километров за цикл. Если предположить, что он проезжает 20 000 километров в год, он будет выполнять примерно 109 годовых циклов, чтобы достичь этого расстояния. Например, если срок службы составляет 1250 циклов, аккумулятор может использоваться более 11 лет, прежде чем будет достигнут порог устаревания (от 70 до 80% от первоначальной емкости аккумулятора), т.е. 230 000 километров. Цифра, которая должна успокоить потенциальных покупателей, несмотря на ужесточение условий предоставления экологического бонуса с 2020 года.что позволяет - снова теоретически - преодолевать примерно 184 км за каждый цикл. Если предположить, что он проезжает 20 000 километров в год, он будет выполнять примерно 109 годовых циклов, чтобы достичь этого расстояния. Если срок службы составляет, например, 1250 циклов, аккумулятор можно использовать более 11 лет до превышения порога устаревания (от 70 до 80% от первоначальной емкости аккумулятора), т.е. 230 000 километров. Цифра, которая должна успокоить потенциальных покупателей, несмотря на ужесточение условий предоставления экологического бонуса с 2020 года.что позволяет - опять же теоретически - преодолевать примерно 184 километра за каждый цикл. Если предположить, что он проезжает 20 000 километров в год, он будет выполнять примерно 109 годовых циклов, чтобы достичь этого расстояния. Например, если срок службы составляет 1250 циклов, аккумулятор можно использовать более 11 лет, прежде чем он перейдет за порог устаревания (от 70 до 80% от первоначальной емкости аккумулятора), т.е. 230 000 километров. Цифра, которая должна успокоить потенциальных покупателей, несмотря на ужесточение условий предоставления экологического бонуса с 2020 года.он будет выполнять примерно 109 годовых циклов для достижения этого пробега. Если срок службы составляет, например, 1250 циклов, аккумулятор можно использовать более 11 лет до превышения порога устаревания (от 70 до 80% от первоначальной емкости аккумулятора), т.е. 230 000 километров. Цифра, которая должна успокоить потенциальных покупателей, несмотря на ужесточение условий предоставления экологического бонуса с 2020 года.он будет выполнять примерно 109 годовых циклов для достижения этого пробега. Если срок службы составляет, например, 1250 циклов, аккумулятор можно использовать более 11 лет до превышения порога устаревания (от 70 до 80% от первоначальной емкости аккумулятора), т.е. 230 000 километров. Цифра, которая должна успокоить потенциальных покупателей, несмотря на ужесточение условий предоставления экологического бонуса с 2020 года.более строгое распределение экологических бонусов с 2020 года.более строгое распределение экологических бонусов с 2020 года.
Напомним еще раз: этот расчет не совсем верен. Это просто дает приблизительное представление о теоретическом сроке службы литий-ионной батареи, в то же время позволяя вам делать вычисления самостоятельно. Мы понимаем, что многие факторы не могут быть учтены в реальности (суточный пробег, процент заряда и разряда и т. Д.), И что определенные элементы будут влиять на производительность аккумулятора (погодные условия, стиль вождения, средняя скорость и т. Д.) так далее.). Однако это упражнение преподает нам урок: время автономной работы обычно больше, чем у электромобиля. Наблюдение, которое должно быстро стать более демократичным,поскольку производители надеются быстро достичь теоретического числа циклов около 2000.
Литий-ионный аккумулятор теряет 2,3% своей емкости каждый год.
Чтобы надеяться на более конкретные результаты с точки зрения времени автономной работы, отправимся в Канаду. Здесь находится компания Geotab, специализирующаяся на управлении автопарком. Почему это нам интересно? Все просто потому, что компания только что разработала инструмент для анализа деградации литий-ионных батарей благодаря информации, собранной о более чем 6300 электромобилей, принадлежащих автопаркам, что эквивалентно 1,8 миллиона дней данных. . В общей сложности была проанализирована 21 отдельная модель разных лет, от Tesla Model S 2017 года до Kia Soul EV 2018 года и Renault Kangoo ZE 2014 года (2).Благодаря этому инструменту, называемому EV Battery Degradation Comparison Tool, можно получить обратную связь о состоянии аккумулятора после определенного периода фактического использования - и уже не теоретически, как раньше. . Урок первый: на разных проанализированных транспортных средствах емкость аккумулятора уменьшается в среднем на 2,3% в год. Однако к этой цифре следует относиться с недоверием, поскольку время анализа никогда не превышало 5 лет. Так что ничто не говорит нам о том, что, например, через 7-8 лет емкость хранилища существенно не уменьшится. С другой стороны, это позволяет оценить, что емкость аккумулятора по-прежнему составляет в среднем около 90% через 5 лет.Так много результатов, которые, кажется, подтверждают, что срок службы аккумулятора электромобиля действительно может составлять в среднем 10 лет, а период, необходимый для того, чтобы емкость составляла всего 70-80% от текущей. она была изначально. Geotab также подтверждает, что большинство аккумуляторов смогут выдержать транспортные средства, которые их перевозят.
Однако было бы слишком легко назвать эту цифру без учета всех исключений, отмеченных Geotab. Например, 5 моделей выделяются очень низким уровнем износа аккумулятора через 2 года:
- Kia Soul EV 2017 года (емкость аккумулятора все еще составляет 99,1% после 2 лет использования);
- Renault Kango ZE с 2014 года (98,3%);
- Volkswagen e-Golf 2017 года (97,7%);
- и Tesla Model X и Model S 2017 года (97,6% и 97,4% соответственно).
С другой стороны, другие автомобили далеки от образцовых, например BMW i3 2017 года, который теряет 5,9% емкости для хранения всего за один год. Однако версия 2018 года работает лучше: за тот же период она упала всего на 1,6% (3). Еще одно доказательство того, что не все батареи кажутся одинаковыми в этой области.
Температура и рабочий цикл: два важных фактора деградации
Теперь у нас есть два элемента, которые позволяют нам лучше оценить срок службы литий-ионной батареи: она может использоваться от 1000 до 1500 циклов и теряет в среднем 2,3% своей емкости каждый год. Но где проблема заключается в том, что многие факторы будут влиять на эти две цифры. Некоторые из них, о которых мы уже подозревали, также были подтверждены Geotab в ходе исследования.- Рабочая температура : как и в случае со свинцово-кислотными аккумуляторами, тепло приводит к необратимому падению емкости литий-ионного аккумулятора. Следовательно, важно не парковать свой автомобиль под прямыми солнечными лучами. Geotab не только подтверждает это наблюдение, но и сообщает нам, что батареи с эффективной системой терморегулирования демонстрируют более медленную деградацию. С другой стороны, холод просто повлияет на немедленную автономность, но не повлияет на срок службы батареи.
- Зарядка и разрядка: Как мы уже говорили, полные циклы зарядки и разрядки значительно ускоряют износ литий-ионного аккумулятора. Помимо рекомендаций не превышать определенные пороговые значения (как правило, от 20 до 80%), производители часто склонны оставлять определенный процент неиспользуемым, чтобы избежать экстремальных нагрузок. Например, Tesla Model S имеет аккумулятор на 102 кВтч, емкость которого ограничена 98 кВтч. Также рекомендуется избегать быстрой зарядки, что подтверждает Geotab, поскольку они имеют тенденцию ускорять разрушение аккумулятора, как и немедленная зарядка после интенсивного использования автомобиля. Поэтому при выборе способа зарядки электромобиля лучше всеговыберите усиленную розетку для дома.
- Возраст транспортного средства : хотя в некоторых случаях снижение мощности может быть линейным, обычно оно происходит по другой схеме. Очень часто, прежде чем темп замедлится, происходит значительное начальное падение. Наконец, к концу его жизненного цикла отмечается дальнейшее значительное снижение. С другой стороны, интенсивное использование электромобиля не влияет на время автономной работы. Согласно Geotab, разница в деградации будет минимальной между транспортным средством, используемым менее 8000 км в год, и другим более 20000 км в год (4). При условии, что диапазон заряда-разряда в среднем составляет от 20 до 80%.
Вот почему покупка подержанного электромобиля остается такой неопределенной, так как невозможно узнать, как предыдущий владелец использовал свой автомобиль. К счастью, SOH (State of Health) может показывать состояние здоровья батареи.
Какое будущее у аккумулятора электромобиля?
Однако срок службы литий-ионной батареи не заканчивается после этих 1000-1500 циклов зарядки-разрядки. Если переработка является предметом споров, то это прежде всего повторное использование, которое, похоже, может дать вторую жизнь литий-ионным батареям. Вторая жизнь, которой они должны наслаждаться, поскольку их можно быстро подтолкнуть к выходу.Эти инициативы, продлевающие срок службы батарей
Как только его емкости больше не хватает для нужд электромобиля, литий-ионный аккумулятор теперь имеет все больше и больше вторую жизнь. Если рециркуляция для повторного использования материалов является возможным решением, она еще не так демократизирована из-за ее стоимости. Вот почему производители сначала превращают аккумуляторы в решения для хранения электроэнергии по принципу циркулярной экономики. В этой области несколько инициатив, если не филантропических, заслуживают внимания своей изобретательностью.- UEX236 : за этим кодовым названием скрывается промышленный демонстратор, управляемый SNAM (Société Nouvelle d'Affinage des Métaux), который может диагностировать состояние батарей, чтобы повторно использовать лучшие для второй жизни.
- Renault : французский производитель повторно использует определенные блоки ячеек для хранения возобновляемой энергии, особенно ветряных турбин и фотоэлектрических панелей. Цель? Увеличьте срок службы батареи еще на 5-10 лет. Другие варианты использования также находятся в стадии разработки, в частности, для замены генераторов или для компенсации отключений электроэнергии.
- xStorage Home : управляемое компанией Nissan устройство также обеспечивает хранение солнечной энергии. Но аккумуляторы бренда с истекшим сроком службы также используются для хранения электроэнергии в непиковые часы, прежде чем высвобождать ее в часы пик.
Несмотря на эти различные инициативы, ситуация далеко не безоблачная. Зачем ? После их второй жизни наступает время утилизации. Однако действующие правила требуют утилизации только 50% веса батареи. Остальные ? Он разрушен, сожжен или даже захоронен. Эта ситуация тем более тревожна, что, по словам Кристеля Бориса, президента Стратегического комитета горнодобывающего и металлургического сектора, тоннаж аккумуляторов, подлежащих переработке в Европе, должен быть увеличен в три раза к 2027 году (5).
Что делать, если литий-ионный аккумулятор уже разряжен?
Чем больше времени проходит, тем больше снижается цена на литий-ионные батареи благодаря эффекту масштаба. В то же время их мощность продолжает расти, и Tesla Model S потребляет даже 100 кВтч. И все же эта технология никогда не казалась такой близкой к концу. Надо сказать, что начинают появляться несколько альтернатив, и производители верят в них как железо, как, например, BMW, которая инвестировала 200 миллионов евро, чтобы открыть свой новый центр, посвященный батареям группы (6 ). В частности, это три технологии, которые могут олицетворять будущее.- Полностью твердый аккумулятор : в отличие от традиционных свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов, электролит представляет собой не жидкий раствор, а, скорее, пластину из стекла или геля. Помимо отказа от дорогих металлов, в том числе кобальта, эта технология может предложить гораздо лучшую плотность энергии и диапазон рабочих температур, увеличенный до 6 раз (от -20 до 100 ° C). Но, прежде всего, полностью твердотельная батарея снизит вес и цену электромобилей (потому что их дешевле производить), при этом значительно увеличив запас хода. Toyota и Volkswagen уже заявили, что намерены использовать аккумулятор этого типа к 2025 году.
- Натрий-ионная батарея : как следует из названия, эта батарея предназначена для замены лития на натрий в электродах. Его главное преимущество? Уменьшите стоимость производства до 30%, поскольку натрия на Земле гораздо больше. С другой стороны, натрий-ионный аккумулятор не сможет предложить такую же плотность энергии. Другими словами, он должен быть намного больше или тяжелее, чем литий-ионный аккумулятор, чтобы иметь такую же емкость. Вот почему, по всей вероятности, эту технологию следует использовать больше для стационарных приложений или хранения энергии.
- Литий-серная батарея : схематически такая батарея растворяет литий при контакте с отрицательным электродом во время разряда, при этом сера превращается в различные материалы. Его главное преимущество в том, что в нем используются очень легкие активные ингредиенты. Последствия? Плотность энергии литий-серной батареи до 4 раз выше, чем у литий-ионной батареи. Таким образом, можно было бы значительно уменьшить объем или вес батареи при увеличении ее емкости. Тем не менее, эта технология является наиболее ненадежной, потому что производители не вкладывают в нее больше всего средств, в частности, потому, что скорость снижения ее мощности кажется очень важной.
(1) Электромобиль: как работает литий-ионный аккумулятор? - Easy Electric Life - 2019
(2) Geotab представляет инструмент разрушения батареи электромобилей, обеспечивающий оценку и сравнение срока службы батареи электромобилей - Geotab - 2020
(3) Инструмент сравнения разрушения батареи электромобилей - Geotab - 2020
(4) Что могут сказать 6000 электромобилей нам о состоянии аккумулятора электромобиля? - Geotab - 2019
(5) Электромобили: 700000 тонн аккумуляторов будут переработаны в 2035 году - Le Parisien - 2019
(6) В Мюнхене BMW готовит аккумуляторы будущего - Чистый автомобиль - 2019
