Мы уже рассказывали, как устроены электромобили и чем они отличаются от привычных машин с ДВС. Теперь подробнее изучим его батарею — главный источник энергии, приводящей электромобиль в движение. И одновременно, самый дорогой и самый сложный его узел.

Почему батарея — самый дорогой компонент электромобиля

Подсчитано, что в 2010 году, когда электро­мобили начали пробивать себе путь на рынок, каждый «батарейный» кВт·ч обходился в $1183, то есть был почти в 100 000 раз дороже энергии, которую он запасал. За десять лет развития аккумуляторных технологий этот параметр снизился до $150, причём цена хранения электро­энергии будет и дальше падать — по расчётам, примерно на 10–15 процентов в год. Но всё равно в цене электромобиля именно доля батареи остаётся самой высокой — «топливные баки» электрокаров ещё долго будут «золотыми».

Продиктовано это, во-первых, размерами самой батареи, способной хранить достаточное количество электро­энергии. Аккумуляторная сборка для легкового BEV, который может проехать на одном заряде не менее 350 км, сегодня весит примерно 500 килограммов. Во-вторых, на 80–90 процентов этот узел состоит из мощных электро­проводящих шин и дорого­стоящих аккумуляторных ячеек — в их производстве используются редкие химические элементы, цветные и даже драгоценные металлы.

Наконец, в каждой батарее электромобиля есть уйма электронных блоков и датчиков, несколько цепей защиты и контур термо­регулиро­вания. И столь сложное устройство ей жизненно необходимо, ведь высоко­вольтной батарее в электрокаре приходится работать с чрезвычайно высокой цикличностью (разряд при каждом разгоне и заряд при рекупера­тивном торможении) и с очень высокими токами. Рассмотрим все её компоненты по порядку.

Зачем электромобилю высоковольтная батарея

Самое заметное отличие тяговой батареи электро­мобиля (BEV) от рядового авто­мобиль­ного аккумулятора — рабочее напряжение. Вместо 12 В (или 24 В у грузовиков), известных каждому авто­мобилисту, даже у первых серийных электро­мобилей оно измерялось сотнями вольт. Сейчас обычным считается напряжение в 350–450 В. Но и это не предел. У Porsche Taycan электрическая платформа базируется на 800-вольтовой системе, а для перс­пективного грузового электро­транспорта вообще рассматриваются батареи на 1200–1600 вольт.

Столь высокие цифры продиктованы законами физики. В высоко­вольтной системе на единицу массы батареи можно запасти намного больше электрической энергии. Если попытаться сложить батарею Tesla из обычных свинцовых авто­мобильных аккумуляторов, для их перевозки понадобится грузовик. Да и токи в высоко­вольтной системе при той же мощности электро­двигателя будут ниже — а значит, можно использовать более тонкие провода, тоже экономя массу.

Конечно, 400–800 В пугают, ведь даже куда меньшее напряжение смертельно опасно для человека. Однако при должных мерах защиты нет реальной угрозы получить удар током в электромобиле.

Какие ячейки используют в батареях электромобилей

В отличие от большинства автомобильных аккуму­ляторов, внутри ячеек батареи электро­мобиля нет ни электролита, ни заменяющего его геля. Они «сухие» и по своему наполне­нию ближе к бытовым батарейкам для гаджетов.

На первых электромобилях применялись никель-металл­гидридные (Ni-MH) аккумуляторы. Они сулили очень высокую энерго­ёмкость: в одном килограмме такой батареи теоретически можно было запасти до 300 Вт·ч. Однако на практике удавалось использовать лишь пятую часть их возможностей. Спустя несколько лет стандартом для электро­мобилей (и многой другой техники) стали литий-ионные элементы — они долго считались невыгодными из-за более высокой цены. Но только такие элементы обеспечивали реальную удельную энерго­ёмкость на уровне 100–250 Вт·ч/кг.

Компания Tesla начала использовать цилиндрические Li-Ion аккуму­ляторные элементы формата 18650 (чуть больше и толще батареек типа АА), которые изначально предназ­начались для батарей ноутбуков. В седане Tesla Model S 7104 такие «ячейки» собраны в шестнадцать 25-вольтовых модулей.

Японские автопроизводители отдали предпочтение аккумуляторным ячейкам, специально предназна­ченным для электро­мобилей, — они плоской формы, и их удобно набирать в пакеты нужной ёмкости. Европейские стремятся работать с ещё более техно­логичными ячейками, которые выглядят как довольно увесистые бруски. Техно­логия производства Li-Ion ячеек уже достаточно отработана несколькими крупными компаниями, в основном из Юго-Восточной Азии: Panasonic, Toshiba, LG Chem, Samsung SDI, Automotive Energy Supply Corp, CATL, BYD и т.д. У каждого формата свои достоин­ства и недостатки. Так, батарея из цилиндри­ческих ячеек получается более габаритной, но при этом их легче охлаждать.

Но вообще Li-Ion — общее название для группы совершенно разных по составу аккумуляторов. Например, есть литий-кобальтовые элементы — они обеспечивают самую высокую энерго­ёмкость, но при этом самые капризные, имеют ограни­ченный ресурс, взрыво­опасны и токсичны. Менее прихотливы и не так дороги литий-марганцевые, однако они запасают меньше энергии и практически неработо­способны при -10 градусах. Наиболее стабильные и высоко­ресурные характери­стики достигнуты в литий-железо-фосфатных аккумуляторах. У них энерго­ёмкость на уровне остальных, зато величина само­разряда и порог рабочих температур ниже (до -30°С). Есть аккумуляторы на основе смесей разных металлов, а есть и особые литий-титанатные. Они пока самые дорогие, но за счёт крайне низкого внутреннего сопротив­ления способны к сверх­быстрой зарядке высоким током.

И при таком широком выборе нельзя сказать, что технология Li-Ion окончательно победила. В разработке есть несколько интересных альтернатив: с алюминий-ионными и металл-воздушными аккуму­ляторами учёные ищут дешёвую альтернативу литию. А в случае с графен-полимерными и литий-серными — пытаются достичь ещё большей скорости заряда и энергоёмкости.

Кстати, батареи для гибридных автомобилей часто отличаются от «электро­мобильных» не только размером, но и составом. Связано это с иной спецификой работы: в гибриде важно быстро и максимально эффективно заряжать батарею при замедле­ниях, а при зарядке от розетки большее значение имеет ёмкость.

Как электроника управляет батареей

Тяговая батарея представляет собой матрицу из определённым образом соединённых между собой элементарных низко­вольтовых ячеек. Процессом их заряда-разряда управляет целая сеть микро­процессоров, на разных уровнях этой матрицы.

Например, в каждый аккумуляторный элемент встроен один или два датчика температуры и собственный контроллер. Он обеспечи­вает безопасные токовые режимы, защищает от пере­напряжения, чрезмерного заряда, избыточного нагрева и т. д. Его зона ответ­ственности — работа одной ячейки.

Зарядом блока из нескольких десятков или сотен элементов управляет контроллер BMU. Его функция сводится к балансировке токов между последовательно и параллельно соединёнными ячейками.

Общее управление и распределение энергии, в зави­симости от типа зарядки (медленная, обычная, ускоренная или сверх­быстрая), возлагается на центральный контроллер BMS. Он же, как правило, несёт ответ­ственность и за ресурсные параметры всей батареи, следя за тем, чтобы нагрузка на все модули распре­делялась оптимально.

Кстати, значения в 0 и 100%, которое показывает приборная панель электро­мобиля или зарядная консоль, не более чем условность. Произво­дитель не заряжает батарею полностью, оставляя некоторый запас от номиналь­ного значения. Он постепенно используется при неизбежном возрастном старении батареи и падении её ёмкости. Не допускается и полный разряд аккуму­ляторов — даже когда электро­мобиль замирает, не в силах двигаться дальше, в батарее остаётся немного энергии. Она нужна, чтобы предотвратить нежелатель­ные или необратимые химические процессы в ячейках.

От чего электроника защищает батарею и людей

Вышеупомянутые блоки управления контролируют не только ячейки батареи, но и всю электрическую сеть, соединяющую элементы. Если какая-то из ячеек по любой причине начнёт отклоняться от номинальных режимов, система управления снизит нагрузку на неё или даже «отправит на пенсию» и перестанет заряжать, чтобы исключить малейшие риски внутреннего повреждения батареи.

Силовые цепи электромобиля тоже контролируются электроникой. Есть мощные реле, разрывающие их при внештатных отклонениях в приводе или при каких-либо утечках токов. Есть классические предохрани­тели, защищающие от короткого замыкания. Физическое состояние всех критически важных соединений отслеживается по сквозной шине контроля разъёмов. Применяются датчики удара, защищающие от поражения током при аварии, — при их срабаты­вании с высоко­вольтных цепей снимается напряжение. Последние, наконец, ещё и заключены в яркую оранжевую изоляцию — она предупреждает об опасности неквалифи­цированного обращения с ними. В сервисах официальных дилеров допуск к работе с силовыми установками электро­мобилей имеют только специально обученные сотрудники.

В современных батареях мощных электро­мобилей применяется не только пассивный мониторинг температуры, но и активное термо­регулиро­вание — через систему магистралей, заполненных антифризом. В условиях высокой нагрузки или при сверх­быстрой зарядке эта система снимает избыточное тепло, а при низких температурах, наоборот, подогревает ячейки.

Как устроен корпус батареи

Когда электромобили строились на основе обычных машин, их батареи имели весьма затейливые формы — потому что размещались на месте топливных баков, запасных колёс и ненужных валов. Сегодня у большинства машин на электротяге батарея расположена под полом салона и, благодаря этому, максимально приближена по виду к плоской плите. Такими особенно удобно делать модельные батареи — «плиты», отличающиеся весом, размером, ёмкостью и ценой, но взаимо­заменяемые в рамках одной электрической платформы.

Однако такая компоновка предъявляет повышенные требования к прочности корпуса батареи. Её cиловую «клетку» конструируют таким образом, чтобы она выдер­живала сильные удары со всех сторон (значительно выше тех, при которых люди уже не выживают). А днище батареи должно обеспечивать её герметичность и противо­стоять «точечным» повреждениям — например, от летящих камней или ударов на бездорожье. Так что батарея — самый прочный и практически неразруша­емый элемент EV.

К этому добавляются гидрозащита, система патрубков для охлаждения и вентиляции, набор специальных защищённых высоко­вольтных разъёмов и всё прочее, что нужно для диагностики. Ну и крепёж к кузову, который у некоторых электро­мобилей делает батарею и частью его силовой структуры. Поэтому простая по замыслу «коробочка для аккумуляторов» превращается в техношедевр, который не штампуется одним ударом пресса, а делается по непростой технологии из высоко­прочных алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей.

Почему батарея стареет и как быстро это происходит

Батарея современного электромобиля — саморегулиру­ющаяся система с интеллектом, который не допустит каких-либо вредных для неё режимов. Батарея не требует сервисного обслужи­вания, кроме считывания возможных ошибок электроники и, при необходимости, обновления её «прошивки».

Практика подтверждает: даже при самом напряжённом режиме работы электро­мобиля с частыми подзарядками батарея без проблем «ходит» 100–160 тысяч километров гарантий­ного срока. В теории, самый критичный период — это первый год эксплуатации, когда могут «выключиться» какие-то отдельные ячейки в массиве. Но тут как с «битыми пикселями» на экранах: оставшиеся будут наверняка работать надёжно, а общая ёмкость батареи уменьшится совсем незначительно.

Первые признаки старения обычно проявляются только к третьему году эксплуатации, когда снижение ёмкости может составить 10–15% от перво­начальных резервов. Но далее процесс деградации замедляется. Даже на восьмой год часто в батарее остаётся значительно больше гаранти­рованных 70% ёмкости.

Как правильно эксплуатировать батарею

Помните правила обращения с мобильными телефонами на заре их использования? Когда надо было максимально полно разряжать их аккумуляторы, а потом заряжать до 100 процентов. Иначе возникал эффект «памяти» и батарея быстро теряла ёмкость.

Сегодняшнего владельца электромобиля подобная суета обошла стороной — заряжать его можно в любой момент. У Li-Ion-элементов за оптималь­ными уровнями разряда по всей матрице ячеек следит целая процессорная система. Однако есть нюансы, которые могут сократить ресурс аккумуляторов или, наоборот, немного продлить им жизнь.

К первым относится частое применение скоростных зарядок от станций постоянного тока мощностью более 100 кВт. В дальней дороге, где-то на авто­магистрали это буквально спасение: за 30–40 минут от такого терминала можно пополнить запас хода электрокара на 150–200 км, а заодно самому отдохнуть и подкрепиться. Но для ячеек батареи зарядка сверх­интенсивными токами всё-таки стресс. Для регулярной подпитки лучше использовать станции мощностью не более 25–50 кВт.

Второй потенциальный стресс — работа при сильно отрицатель­ных температурах. Конечно, продвинутый контроллер батареи сделает всё возможное, чтобы ограничить ток на холодных элементах и как можно скорее прогреть их (а заодно — и салон) при помощи штатного кондиционера инверторного типа. Но будет куда лучше и для вас, и для батареи, если при зимней эксплуатации оставлять электро­мобиль на зарядном кабеле до самого выезда, а накануне включать по таймеру подогрев от электросети.

Третий потенциальный стресс — регулярный заряд до максимальных 100%, при котором ячейка испытывает уже близкие к чрезмерным изменения в химическом балансе. Так что небольшой «комфортный» недозаряд для Li-Ion-элементов вашего электромобиля будет точно полезен.

Как утилизировать батарею

Этой проблемой озаботились давно, так как технологий дешёвой, глубокой и безопасной для окружающей среды переработки весьма токсичных Li-Ion элементов поначалу вообще не было. Сейчас они уже созданы: корпуса и медные шины утилизируются как обычный цветмет, а ячейки размываются специальным составом, что позволяет вновь использовать содержащийся в полученном растворе литий и прочие элементы.

Но таких предприятий по миру ещё очень мало, поэтому эффективным, пусть и временным, решением стало повторное использо­вание ячеек или батарей электро­мобилей целиком в различных стационарных источниках хранения или резерви­рования энергии. Они необходимы станциям генерации электро­энергии от солнечных панелей или ветряков. Их могут использовать в частных домо­хозяйствах или в структуре городских энерго­сетей. Например, в Японии отслужившие батареи электрокаров уже работают для уличного освещения, в столице Франции приводят в движение лифты, а в Амстердаме питают целый стадион.