Kalbant apie elektromobilį, akumuliatoriaus tarnavimo laikas, be abejo, yra labiausiai aptarinėjama tema. Reikia pasakyti, kad šis kūrinys yra ne tik būtinas, bet ir visų fantazijų objektas.
Jei šis straipsnis nėra skirtas kiekybiškai ir neginčijamai atsakyti, jame pateikiami keli pradiniai elementai, skirti įvertinti teorinę ir tikrąją baterijų naudojimo trukmę. Tai yra esminiai elementai, norint pašalinti elektrines transporto priemones ir tinkamai elgtis.
Kaip veikia elektromobilio akumuliatorius?
Visi kalba apie elektromobilių akumuliatorius. Jie kartais teršia, kiti - nepakankamai galingi. Be šių svarstymų, visų pirma būtina suprasti jų veikimą, kad būtų galima suvokti jų gyvenimo trukmę. Išbandome, stengdamiesi būti kuo pedagogiškesni.»Skaitykite taip pat» Ar tikrai elektrinės transporto priemonės teršia labiau nei benzininės?
Ličio jonų akumuliatoriaus šerdis
Prieš pradedant pažvelgti į elektromobilio akumuliatoriaus tarnavimo laiką, pirmiausia reikia suprasti, kaip jis veikia. Pasikliaudami nikelio kadmio (NiCd) ir nikelio metalo hidrido (Ni-MH) technologijomis, elektrinėse transporto priemonėse dabar dažniausiai yra ličio jonų baterija. Jis parduodamas nuo 1990-ųjų, jis pagrįstas panašia operacija kaip švino rūgšties akumuliatorius, kuris yra pagrindinė degimo transporto priemonių technologija.Jos principas? Cirkuliuokite elektronus, kad būtų sukurtas potencialų skirtumas tarp dviejų elektrodų: teigiamo (katodo) ir neigiamo (anodo), iš kurių pirmasis paprastai susideda iš metalo oksido, antrasis - iš grafito. Ši reakcija įmanoma dėl laidaus skysčio, vadinamo elektrolitu, ir užtikrinančio ličio jonų (Li + jonų) perdavimą, į kurį panardinami elektrodai. Kai baterija veikia, Li + jonai yra atstumiami iš neigiamo elektrodo, su kuriuo jie neturi afiniteto, ir juos traukia teigiamas elektrodas: tai yra iškrovos fazė. Priešingai, Li + joną išleidžia anodas per įkrovimo fazę, prieš jį įterpdamas į katodą.
Keletas ląstelių, kurios yra svarbios
Ličio jonų baterijos yra sudarytos iš daugybės elementų, kurių kiekviena atkuria aukščiau aprašytą reakciją, kad sukurtų potencialų skirtumą. Jie yra tarpusavyje sujungti ir jiems vadovauja elektroninė grandinė, kuri koordinuoja jų elektros energijos gamybą. Baterijos veikimas daugiausia priklausys nuo laive esančių elementų skaičiaus, jų dydžio ir paskirstymo. Šie trys elementai daugiausia nulems:- akumuliatoriaus talpa, išreikšta automobilyje kWh, kuri atitinka jos galimą kaupti elektros energijos kiekį;
- ir jo intensyvumas, išreikštas A simbolio amperais, kuris atitinka elektros krūvį, kurį įmanoma išleisti per vieną sekundę.
Didelis energijos tankis, mažas atsparumas visam ciklui
Jei ličio jonų akumuliatoriai tapo elektromobilių norma - bent jau šiuo metu - tai daugiausia dėl to, kad juose yra didelis energijos tankis. Tai reiškia, kad talpyklos talpos ir svorio (arba dydžio) santykis yra labai didelis, būtinas borto sistemoms. Ši specifinė ličio jonų baterijos energija yra nuo 300 iki 500 Wh / kg, t. Y. Iki 10 kartų daugiau nei naudojant švino rūgšties akumuliatorius (1). Kitaip tariant, akumuliatorius bus lengvesnis arba mažiau talpus, kad jo talpa būtų lygi. Be to, kad nereikalauja priežiūros, šios technologijos pranašumas yra mažas savaiminis išsikrovimas, būtent laipsniškas įkrovimo lygio mažinimas, kai transporto priemonė nenaudojama.Galiausiai reikėtų pažymėti, kad ličio jonų baterijos taip pat skiriasi ribotu atminties efektu, leidžiančiu jas įkrauti, o ne visiškai iškrauti, nepažeidžiant jų.Tačiau elektrinių transporto priemonių ličio jonų baterijos nėra nekaltos. Be to, kad gamyba yra gana brangi, daugiausia dėl ličio trūkumo, jie neatlaiko pilno įkrovimo ir iškrovimo ciklų. Kitaip tariant, gilus išmetimas, kurio bendrasis pajėgumas yra mažesnis nei maždaug 5%, bus žalingas ir nepataisomai pakenks jo veikimui. Taip pat reikėtų atkreipti dėmesį į kitus trūkumus (jautrumą temperatūrai, elektrolito pavojingumą ir kt.), Tačiau jiems paprastai pritaria ir kitos pagrindinės automobilių pasaulyje naudojamos technologijos.
Koks yra elektromobilio akumuliatoriaus tarnavimo laikas?
Dabar, kai maždaug žinome, kaip veikia ličio jonų akumuliatorius, atėjo laikas mums tikrai įdomiam objektui, jo gyvenimo trukmei. Teorinis ilgaamžiškumas, atsiliepimai apie patirtį ir degradacijos veiksniai: mes pateikiame jums pagrindinius atsakymus į klausimą.1 000–1 500 ciklų: teorinis elektromobilio akumuliatoriaus tarnavimo laikas
Apskaičiuota, kad švino rūgšties akumuliatoriaus tarnavimo laikas yra nuo 4 iki 5 metų. Bet ką daryti su ličio jonų baterija elektromobilyje? Visų pirma, turėtumėte žinoti, kad sunku tai įvertinti keleriais metais, o tai šiek tiek taikoma ir šiluminėms transporto priemonėms, nes veikia daugybė parametrų. Todėl geriau prieiti prie klausimo išmetimo-įkrovimo ciklų skaičiaus kampu. Nors šie skaičiai yra ginčytini ir skiriasi pagal modelius, pripažįstama, kad elektromobilio akumuliatoriaus tarnavimo laikas šiuo metu yra nuo 1 000 iki 1 500 ciklų. Viršijus šią ribą, gamintojai mano, kad saugojimo talpa yra tik 70–80% to, kas buvokilmę. Procentas, kurio nebepakanka, jei jis riboja transporto priemonės diapazoną ir kuriam tada reikia pakeisti akumuliatorių.Kyla dar vienas klausimas: per kiek metų reikia atlikti šiuos 1 000–1 500 ciklų? Gamintojų teigimu, vidutinė naudojimo trukmė „klasikinio“ naudojimo sąlygomis pasikeis apie 10 metų. Norėdami pabandyti sau atsakyti, paimkime pavyzdį naujojo „Renault Zoé“ su 52 kWh talpos akumuliatoriumi, kurio teorinės sąnaudos yra apie 17 kWh / 100 km ir kuris nėra įkraunamas. tik nuo 20 iki 80% akumuliatoriaus talpos, kad būtų galima apriboti visus iškrovimo ir įkrovimo ciklus (kurie yra kenksmingi, kaip jau aptarėme). Turėkite omenyje, kad „Renault“ netgi rekomenduoja, kad įkrovimo ir iškrovimo ciklai būtų nuo 30 iki 80%, todėl leidžiama naudoti tik pusę akumuliatoriaus talpos.Grįžtant prie mūsų pavyzdžio, vairuotojas kasdien naudos 31,2 kWh (60% 52 kWh), o tai jam teoriškai dar kartą leidžia nuvažiuoti apie 184 kilometrus per ciklą. Darant prielaidą, kad jis nuvažiuoja 20 000 kilometrų per metus, jis atliks maždaug 109 metinius ciklus, kad pasiektų šią ridą. Pavyzdžiui, jei gyvenimo trukmė yra 1 250 ciklų, baterija gali būti naudojama daugiau nei 11 metų, kol bus peržengta senėjimo riba (nuo 70 iki 80% pradinės baterijos talpos), t. 230 000 kilometrų. Skaičius, kuris turėtų nuraminti potencialius pirkėjus, nepaisant griežtesnių sąlygų skirti ekologinę premiją nuo 2020 m.tai leidžia - teoriškai dar kartą - per kiekvieną ciklą įveikti maždaug 184 kilometrus. Darant prielaidą, kad jis nuvažiuoja 20 000 kilometrų per metus, jis atliks maždaug 109 metinius ciklus, kad pasiektų šią ridą. Pavyzdžiui, jei gyvenimo trukmė yra 1 250 ciklų, baterija gali būti naudojama daugiau nei 11 metų, kol bus peržengta senėjimo riba (nuo 70 iki 80% pradinės baterijos talpos), t. 230 000 kilometrų. Skaičius, kuris turėtų nuraminti potencialius pirkėjus, nepaisant griežtesnių sąlygų skirti ekologinę premiją nuo 2020 m.tai leidžia - teoriškai dar kartą - per kiekvieną ciklą įveikti maždaug 184 kilometrus. Darant prielaidą, kad jis nuvažiuoja 20 000 kilometrų per metus, jis atliks maždaug 109 metinius ciklus, kad pasiektų šią ridą. Pavyzdžiui, jei gyvenimo trukmė yra 1 250 ciklų, baterija gali būti naudojama daugiau nei 11 metų, kol bus peržengta senėjimo riba (nuo 70 iki 80% pradinės baterijos talpos), t. 230 000 kilometrų. Skaičius, kuris turėtų nuraminti potencialius pirkėjus, nepaisant griežtesnių sąlygų skirti ekologinę premiją nuo 2020 m.ji atliks maždaug 109 metinius ciklus šiai ridai pasiekti. Pavyzdžiui, jei gyvenimo trukmė yra 1 250 ciklų, baterija gali būti naudojama daugiau nei 11 metų, kol bus peržengta senėjimo riba (nuo 70 iki 80% pradinės baterijos talpos), t. 230 000 kilometrų. Skaičius, kuris turėtų nuraminti potencialius pirkėjus, nepaisant griežtesnių sąlygų skirti ekologinę premiją nuo 2020 m.ji atliks maždaug 109 metinius ciklus šiai ridai pasiekti. Pavyzdžiui, jei gyvenimo trukmė yra 1 250 ciklų, baterija gali būti naudojama daugiau nei 11 metų, kol bus peržengta senėjimo riba (nuo 70 iki 80% pradinės baterijos talpos), t. 230 000 kilometrų. Skaičius, kuris turėtų nuraminti potencialius pirkėjus, nepaisant griežtesnių sąlygų skirti ekologinę premiją nuo 2020 m.griežtesnis ekologinių premijų skyrimas nuo 2020 m.griežtesnis ekologinių premijų skyrimas nuo 2020 m.
Prisiminkime dar kartą: šis skaičiavimas nėra visiškai teisingas. Tai tiesiog suteikia idėją apie teorinę ličio jonų baterijos naudojimo trukmę, tuo pačiu leidžiant jums savarankiškai atlikti matematiką. Mes žinome, kad iš tikrųjų negalima atsižvelgti į daugelį veiksnių (dienos rida, įkrovimo ir išsikrovimo procentas ir kt.) Ir kad tam tikri elementai turės įtakos akumuliatoriaus veikimui (oro sąlygos, vairavimo stilius, vidutinis greitis, ir pan.). Tačiau šis pratimas išmoko mus: baterijos veikimo laikas paprastai bus ilgesnis nei elektromobilio. Stebėjimas, kuris turėtų greitai tapti demokratiškesnis,tiek, kiek gamintojai tikisi greitai pasiekti teorinį maždaug 2000 ciklų skaičių.
Ličio jonų baterija kasmet prarastų 2,3% savo talpos
Norėdami tikėtis gauti konkretesnių rezultatų, susijusių su akumuliatoriaus tarnavimo laiku, eikime į Kanadą. Čia yra „Geotab“ įmonė, kuri specializuojasi automobilių parkų valdyme. Kodėl mes tuo domimės? Paprasčiausiai todėl, kad ką tik sukūrė įrankį, analizuojantį ličio jonų baterijų skilimą, dėka informacijos, surinktos daugiau nei 6300 parkams priklausančių elektromobilių, t. Y. 1,8 milijono dienų duomenų. . Iš viso buvo išanalizuota 21 atskiras skirtingų metų modelis, pradedant 2017 m. „Tesla“ modeliu S, baigiant 2018 m. „Kia Soul EV“ ir baigiant 2014 m.Dėl šio įrankio, vadinamo „EV Battery Degradation Comparison Tool“, galima gauti atsiliepimą apie akumuliatoriaus būseną po tam tikro faktinio naudojimo laikotarpio - ir nebe teoriškai, kaip anksčiau. . Pirma pamoka: naudojant skirtingas analizuojamas transporto priemones, akumuliatoriaus talpa vidutiniškai sumažėja 2,3% per metus. Tačiau šis skaičius turėtų būti vertinamas su druskos grūdeliu, nes analizės laikas niekada nebuvo ilgesnis nei 5 metai. Taigi niekas mums nepasako, kad, pavyzdžiui, po 7–8 metų, saugyklos talpa dramatiškai nesumažėja. Kita vertus, tai leidžia įvertinti, kad po 5 metų akumuliatoriaus talpa vis dar vidutiniškai pasikeičia apie 90%.Tiek daug rezultatų, kurie, atrodo, patvirtina, kad elektromobilio akumuliatoriaus tarnavimo laikas iš tikrųjų gali būti vidutiniškai 10 metų, laikotarpis, kurio reikia, kad galia būtų tik 70–80% to, kas yra. iš pradžių ji buvo. „Geotab“ taip pat patvirtina, kad dauguma baterijų galės išgyventi jas gabenančiose transporto priemonėse.
Tačiau būtų per lengva pateikti šį skaičių, neatsižvelgiant į visas „Geotab“ pastebėtas išimtis. Pavyzdžiui, 5 modeliai išsiskiria dėl labai mažo akumuliatoriaus sunykimo po 2 metų:
- 2017 m. „Kia Soul EV“ (jo akumuliatoriaus talpa po 2 metų naudojimo vis dar yra 99,1 proc.);
- „Renault Kango ZE“ nuo 2014 m. (98,3%);
- 2017 m. „Volkswagen e-Golf“ (97,7 proc.);
- ir 2017 m. „Tesla Model X“ ir „Model S“ (atitinkamai 97,6% ir 97,4%).
Kita vertus, kitos transporto priemonės toli gražu nėra pavyzdinės, pavyzdžiui, 2017 m. „BMW i3“, kuri vos po vienerių metų praranda 5,9% saugojimo talpos. Tačiau 2018 m. Versijai sekasi geriau, o per tą patį laikotarpį sumažėjo tik 1,6% (3). Kitas įrodymas, kad šioje srityje ne visos baterijos atrodo lygios.
Temperatūra ir darbo ciklas: du svarbūs skilimo veiksniai
Dabar turime du elementus, kurie leidžia mums geriau įvertinti ličio jonų baterijos tarnavimo laiką: ją galima naudoti 1 000–1 500 ciklų ir kiekvienais metais vidutiniškai prarandama 2,3% savo talpos. Bet kur batas suspausta, daugelis faktorių paveiks šias dvi figūras. Kai kuriuos, kuriuos mes jau įtarėme, „Geotab“ taip pat patvirtino atlikdama tyrimą.- Veikimo temperatūra : kaip ir naudojant rūgštines švino baterijas, šiluma visam laikui sumažins ličio jonų baterijų talpą. Todėl svarbu nestatyti transporto priemonės tiesioginių saulės spindulių pavidalu. Be to, kad patvirtino šį pastebėjimą, „Geotab“ mums sako, kad baterijos, kuriose įdiegta efektyvi terminio reguliavimo sistema, skaidosi lėčiau. Kita vertus, šaltis tiesiog paveiks tiesioginę autonomiją, tačiau nedarys jokios įtakos akumuliatoriaus tarnavimo laikui.
- Įkrovimas ir iškrovimas: Kaip jau minėjome, visi įkrovimo ir iškrovimo ciklai žymiai pagreitina ličio jonų baterijos susidėvėjimą. Statybininkai, rekomenduodami neviršyti tam tikrų ribų (paprastai nuo 20 iki 80%), dažniausiai siekia išlaikyti tam tikrą procentą, kurio negalima naudoti, kad būtų išvengta ekstremalių apkrovų. Pavyzdžiui, „Tesla Model S“ turi 102 kWh akumuliatorių, kurio galia ribojama iki 98 kWh. Taip pat rekomenduojama vengti greito įkrovimo, ką patvirtina „Geotab“, nes jie linkę paspartinti akumuliatoriaus skilimą, kaip ir nedelsiant įkraunami intensyviai naudojant transporto priemonę. Todėl geriausia rinktis, kaip įkrauti elektromobilįrinkitės sustiprintą namų lizdą.
- Transporto priemonės amžius : nors tam tikrais atvejais talpos sumažėjimas gali būti linijinis, jis paprastai atitinka kitą modelį. Labai dažnai būna didelis pradinis kritimas, kol tempas sulėtėja. Pagaliau pastebimas tolesnis reikšmingas nuosmukis artėjant prie gyvenimo pabaigos. Kita vertus, neatrodo, kad intensyvus elektromobilio naudojimas turi įtakos akumuliatoriaus veikimo laikui. „Geotab“ teigimu, transporto priemonės, kuri naudojama mažiau nei 8000 km per metus, ir kitos, daugiau nei 20 000 km per metus, skilimo skirtumas būtų minimalus (4). Dar kartą su sąlyga, kad bus laikomasi vidutiniškai 20–80% įkrovimo ir iškrovimo diapazono.
Štai kodėl nusipirkti naudotą elektromobilį lieka taip neaišku, nes neįmanoma žinoti, kaip ankstesnis savininkas naudojo jų transporto priemonę. Laimei, SOH (sveikatos būklė) gali nurodyti akumuliatoriaus sveikatos būklę.
Kokia elektromobilio akumuliatoriaus ateitis?
Tačiau po šių 1 000–1 500 įkrovimo ir iškrovimo ciklų ličio jonų akumuliatoriaus tarnavimo laikas nesibaigia. Jei diskutuojama apie perdirbimą, visų pirma atrodo, kad ličio jonų baterijoms gali būti suteiktas antras gyvenimas. Antras gyvenimas, kuriuo jie turėtų džiaugtis, nes juos galima greitai nustumti link išėjimo.Šios iniciatyvos prailgina baterijų veikimo laiką
Kai jo talpos nebepakanka elektromobilio poreikiams, ličio jonų akumuliatorius dabar turi vis daugiau ir daugiau laiko. Jei perdirbimas siekiant pakartotinio medžiagų panaudojimo yra galimas sprendimas, jis dar nėra taip demokratizuotas dėl savo išlaidų. Štai kodėl žiedinės ekonomikos principu gamintojai iš pradžių akumuliatorius labiau paverčia elektros energijos kaupimo sprendimais. Šioje srityje verta paminėti keletą iniciatyvų - jei ne filantropinių - dėl jų išradingumo.- UEX236 : už šio kodinio vardo slepiasi pramoninis demonstratorius, kuriam vadovauja SNAM (Société Nouvelle d'Affinage des Métaux), kuris sugeba diagnozuoti baterijų būklę, kad antrą gyvenimą galėtų pakartotinai naudoti geriausias.
- „Renault“ : Prancūzijos gamintojas pakartotinai naudoja tam tikrus elementų paketus atsinaujinančiai energijai kaupti, ypač iš vėjo jėgainių ir fotovoltinių plokščių. Tikslas? Pratęskite baterijos veikimo laiką dar 5–10 metų. Taip pat ruošiamasi kitais būdais, ypač generatorių keitimui arba elektros energijos tiekimo nutraukimui kompensuoti.
- „xStorage Home“ : „Nissan“ valdomas šis įrenginys taip pat numato saulės energijos kaupimą. Tačiau prekės ženklo nebenaudojamos baterijos taip pat naudojamos elektros energijai kaupti ne piko metu, o vėliau - grąžinant piko metu.
Nepaisant šių įvairių iniciatyvų, padėtis toli gražu nėra rožinė. Kodėl? Po antrojo gyvenimo ateina laikas perdirbti. Tačiau pagal dabartinius reikalavimus perdirbti reikia tik 50% akumuliatoriaus svorio. Likusi dalis? Jis sunaikinamas, sudeginamas ir netgi palaidojamas. Ši padėtis kelia dar didesnę nerimą, nes, pasak kalnakasybos ir metalurgijos sektoriaus strateginio komiteto pirmininko Christelio Borieso, Europoje perdirbamų baterijų kiekis iki 2027 m. Turėtų būti padaugintas iš trijų (5).
Ką daryti, jei ličio jonų baterija jau buvo pasibaigusi?
Kuo daugiau laiko praeina, tuo labiau sumažėja ličio jonų baterijų kaina dėl masto efekto. Tuo pačiu metu jų pajėgumas ir toliau auga, o „Tesla Model S“ reikalauja net 100 kWh. Ir vis dėlto ši technologija dar niekada neatrodė taip arti pabaigos. Reikia pasakyti, kad pradeda pasirodyti kelios alternatyvos ir kad gamintojai jomis tiki kaip geležis, pavyzdžiui, BMW, investavęs 200 milijonų eurų, kad atidarytų savo naują grupės akumuliatoriams skirtą centrą (6). ). Tai ypač trys technologijos, kurios galėtų įkūnyti ateitį.- Visiškai kietas akumuliatorius : skirtingai nuo tradicinių akumuliatorių, tiek švino rūgšties, tiek ličio jonų, elektrolitas nėra skystas tirpalas, veikiau stiklo ar gelio plokštelė. Be to, kad apsieisite be brangių metalų, įskaitant kobaltą, ši technologija pasiūlytų daug geresnį energijos tankį ir veikimo temperatūros diapazoną, padaugintą iki 6 kartų (nuo -20 iki 100 ° C). Tačiau visų pirma visiškai kietas akumuliatorius sumažintų elektrinių transporto priemonių svorį ir kainą (nes jas gaminti yra pigiau), tuo pačiu žymiai padidindamas autonomiją. „Toyota“ ir „Volkswagen“ jau paskelbė ketinantys naudoti tokio tipo akumuliatorius iki 2025 m.
- Natrio jonų baterija : kaip rodo jos pavadinimas, šia baterija siekiama ličį pakeisti natrais elektroduose. Pagrindinis jo pranašumas? Sumažinkite gamybos išlaidas iki 30%, nes natrio yra daug daugiau Žemėje. Kita vertus, natrio jonų baterija negalės pasiūlyti tokio paties energijos tankio. Kitaip tariant, norint pasiūlyti tokią pačią atminties talpą, ji turės būti daug didesnė arba sunkesnė už ličio jonų bateriją. Štai kodėl, greičiausiai, ši technologija turėtų būti labiau naudojama stacionarioms reikmėms ar energijos kaupimui.
- Ličio-sieros akumuliatorius : schema, tokia baterija ištirpina ličio, kontaktuodama su neigiamu elektrodu iškrovos metu, siera virsta skirtingomis medžiagomis. Pagrindinis jo pranašumas yra tai, kad jame naudojamos labai lengvos veikliosios medžiagos. Pasekmės? Ličio sieros baterijų energijos tankis yra iki 4 kartų didesnis nei ličio jonų akumuliatorių. Taigi būtų galima žymiai sumažinti akumuliatoriaus tūrį ar svorį, tuo pačiu padidinant jo talpą. Nepaisant to, ši technologija yra labiausiai neapibrėžta, nes į ją daugiausia investuoja ne gamintojai, visų pirma todėl, kad atrodo labai svarbus jos pajėgumų mažėjimo greitis.
(1) Elektrinis automobilis: kaip veikia ličio jonų akumuliatorius? - „Easy Electric Life“ - 2019 m.
(2) „Geotab“ pristato EV akumuliatorių degradavimo įrankį, kuriame galima įvertinti ir palyginti elektrinių transporto priemonių akumuliatorių veikimo laiką - „Geotab“ - 2020 m.
(3) „EV Battery Begradation Comparison Tool“ - „Geotab“ - 2020
(4) mums apie EV baterijos būklę? - „Geotab“ - 2019 m.
(5) Elektromobiliai: 700 000 tonų baterijų, kurios bus perdirbtos 2035 m. - „Le Parisien“ - 2019 m.
(6) Miunchene BMW ruošia ateities akumuliatorius - „Clean Automobile“ - 2019
