Аккумулятор электромобиля ( EVB , также известный как тяговый аккумулятор ) — это перезаряжаемая батарея , используемая для питания электродвигателей аккумуляторного электромобиля (BEV) или гибридного электромобиля (HEV).
Аккумуляторы для электромобилей отличаются от аккумуляторов для запуска, освещения и зажигания (SLI), поскольку они обычно представляют собой литий-ионные аккумуляторы , рассчитанные на высокое соотношение мощности к весу и плотности энергии . Желательно использовать батареи меньшего размера и полегче, поскольку они уменьшают вес автомобиля и, следовательно, улучшают его характеристики. По сравнению с жидким топливом, большинство современных аккумуляторных технологий имеют гораздо меньшую удельную энергию, и это часто влияет на максимальный запас хода полностью электрических транспортных средств. В отличие от более ранних химических аккумуляторов, особенно никель-кадмиевых , литий-ионные аккумуляторы можно разряжать и заряжать ежедневно и при любом уровне заряда. Другие типы аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях, включают свинцово-кислотные , никель-кадмиевые , никель-металлогидридные и другие. [1]
Аккумулятор составляет значительную часть стоимости и воздействия электромобиля на окружающую среду. Рост отрасли вызвал интерес к обеспечению этических цепочек поставок аккумуляторов , что представляет собой множество проблем и стало важной геополитической проблемой. По состоянию на декабрь 2019 года [обновлять]стоимость аккумуляторов для электромобилей упала на 87% с 2010 года в пересчете на киловатт-час. [2] По состоянию на 2018 год доступны автомобили с запасом хода на электротяге более 250 миль (400 км), такие как Tesla Model S. [3]
Цена электроэнергии для работы электромобиля составляет небольшую часть стоимости топлива для эквивалентных двигателей внутреннего сгорания, что отражает более высокую энергоэффективность .
Затопленные свинцово-кислотные аккумуляторы являются самыми старыми, дешевыми и в прошлом наиболее распространенными автомобильными аккумуляторами. Существует два основных типа свинцово-кислотных аккумуляторов: стартерные аккумуляторы автомобильных двигателей и аккумуляторы глубокого разряда . Стартерные аккумуляторы автомобильных двигателей рассчитаны на использование небольшого процента своей емкости для обеспечения высокой скорости зарядки для запуска двигателя, в то время как аккумуляторы глубокого цикла используются для обеспечения непрерывной подачи электроэнергии для работы электромобилей, таких как вилочные погрузчики или тележки для гольфа. Аккумуляторы глубокого цикла также используются в качестве вспомогательных аккумуляторов в транспортных средствах для отдыха, но требуют другой, многоступенчатой зарядки. [4] Свинцово-кислотную батарею нельзя разряжать ниже 50 % ее емкости, поскольку это сокращает срок ее службы. [4] Залитые аккумуляторы требуют проверки уровня электролита и периодической замены воды, которая выделяется во время нормального цикла зарядки.
Раньше в большинстве электромобилей использовались свинцово-кислотные аккумуляторы из-за их отработанной технологии, высокой доступности и низкой стоимости, за заметным исключением некоторых ранних электромобилей, таких как Detroit Electric , в которых использовались никель-железные аккумуляторы . Свинцовые аккумуляторы глубокого разряда дороги и имеют более короткий срок службы, чем сам автомобиль, и обычно требуют замены каждые 3 года.
Свинцово-кислотные аккумуляторы в электромобилях в конечном итоге составляют значительную (25–50%) часть конечной массы автомобиля. Как и все батареи, они имеют значительно меньшую удельную энергию, чем нефтяное топливо, в данном случае 30–50 Вт⋅ч/кг. Хотя разница не так велика, как кажется на первый взгляд из-за более легкой трансмиссии электромобиля, даже самые лучшие батареи имеют тенденцию приводить к увеличению массы при использовании в транспортных средствах с нормальным запасом хода. Эффективность (70–75%) и аккумуляторная емкость обычных свинцово-кислотных аккумуляторов глубокого цикла текущего поколения снижаются с понижением температуры, а отвлечение энергии на работу нагревательного змеевика снижает эффективность и дальность действия до 40%. [ нужна цитата ]
Зарядка и эксплуатация аккумуляторов обычно приводят к выбросам водорода , кислорода и серы , которые возникают в природе и обычно безвредны при правильном удалении. Первые владельцы Citicar обнаружили, что при неправильной вентиляции неприятный запах серы будет проникать в салон сразу после зарядки.
Свинцово-кислотные аккумуляторы питали такие ранние современные электромобили, как оригинальные версии EV1 .
Никель-металлогидридные батареи в настоящее время считаются относительно зрелой технологией . [5] Хотя они менее эффективны (60–70%) при зарядке и разрядке, чем даже свинцово-кислотные, они имеют удельную энергию 30–80 Вт⋅ч/кг, что намного выше, чем свинцово-кислотные. При правильном использовании никель-металлогидридные аккумуляторы могут иметь исключительно долгий срок службы, что было продемонстрировано при их использовании в гибридных автомобилях и в сохранившихся NiMH электромобилях Toyota RAV4 первого поколения , которые по-прежнему хорошо работают после 100 000 миль (160 000 км) и более десятилетие службы. К недостаткам можно отнести низкую эффективность, высокий саморазряд, очень привередливые циклы зарядки и плохую работу в холодную погоду.
GM Ovonic произвела NiMH-батарею, используемую во втором поколении EV-1, а Cobasys производит почти идентичную батарею (десять NiMH-ячеек 1,2 В, 85 А⋅ч, соединенных последовательно, в отличие от одиннадцати ячеек для батареи Ovonic). Это очень хорошо сработало в EV-1. [6] Патентное обременение ограничило использование этих батарей в последние годы.
В натрий-никель-хлоридной батарее или аккумуляторе «Зебра» в качестве электролита используется расплавленная соль хлоралюмината натрия (NaAlCl 4 ). Относительно зрелая технология: аккумулятор Zebra имеет удельную энергию 120 Вт⋅ч/кг. Поскольку для использования аккумулятор необходимо нагревать, холодная погода не сильно влияет на его работу, за исключением увеличения затрат на отопление. Они использовались в нескольких электромобилях, таких как коммерческий автомобиль Modec . [7] Батареи Zebra выдерживают несколько тысяч циклов перезарядки и нетоксичны. К недостаткам батареи Zebra относятся низкая удельная мощность (<300 Вт/кг) и необходимость нагрева электролита примерно до 270 °C (518 °F), что приводит к потере некоторого количества энергии и создает трудности при долгосрочном хранении. заряда и представляет собой потенциальную опасность.
Литий-ионные (и аналогичные по механике литий-полимерные) аккумуляторы изначально были разработаны и коммерциализированы для использования в ноутбуках и бытовой электронике. Благодаря высокой плотности энергии и длительному сроку службы они стали ведущим типом аккумуляторов для использования в электромобилях. Первой коммерциализированной литий-ионной химией был литий-кобальт-оксидный катод и графитовый анод , впервые продемонстрированные Н. Годшаллом в 1979 году, а вскоре после этого - Джоном Гуденафом и Акирой Ёсино . [8] [9] [10] [11] К недостаткам традиционных литий-ионных аккумуляторов относятся чувствительность к температуре, низкотемпературная мощность и ухудшение характеристик с возрастом. [12] Из-за летучести органических электролитов, присутствия сильно окисленных оксидов металлов и термической нестабильности анодного слоя SEI традиционные литий-ионные аккумуляторы представляют угрозу пожарной безопасности в случае их прокола или неправильной зарядки. [13] Эти ранние элементы не принимали и не подавали заряд в очень холодных условиях, поэтому в некоторых климатических условиях для их обогрева могут потребоваться обогреватели. Уровень зрелости этой технологии средний. В Tesla Roadster (2008 г.) и других автомобилях, производимых компанией, использовалась модифицированная форма традиционных литий-ионных элементов «аккумулятора для ноутбука».
В последних электромобилях используются новые вариации литий-ионной химии, которые жертвуют удельной энергией и удельной мощностью ради обеспечения огнестойкости, экологичности, быстрой зарядки (всего за несколько минут) и увеличения срока службы. Было показано, что эти варианты (фосфаты, титанаты, шпинели и т. д.) имеют гораздо более длительный срок службы: в типах A123 используется литий-железо-фосфат, срок службы которого составляет не менее 10 лет и более 7000 циклов зарядки/разрядки [14] и LG. Chem ожидает, что их литий-марганцево-шпинельные батареи прослужат до 40 лет. [ нужна цитата ]
В лаборатории ведется большая работа над литий-ионными батареями. [15] Оксид лития-ванадия уже использовался в прототипе Subaru G4e , удвоив плотность энергии. [16] Кремниевые нанопроволоки, [17] [18] кремниевые наночастицы , [19] и наночастицы олова [20] [21] обещают в несколько раз большую плотность энергии [ необходимы разъяснения ] в аноде, в то время как композитные [22] [23] и катоды со сверхрешеткой [24] также обещают значительное улучшение плотности.
Новые данные показали, что воздействие тепла и использование быстрой зарядки способствуют деградации литий-ионных аккумуляторов больше, чем возраст и фактическое использование, и что средний аккумулятор электромобиля сохранит 90% своей первоначальной емкости через шесть лет и шесть месяцев. обслуживания. Например, аккумулятор Nissan Leaf разряжается в два раза быстрее, чем аккумулятор Tesla, поскольку у Leaf нет активной системы охлаждения аккумулятора. [25]
Гибридные автомобили без подзарядки имеют емкость аккумулятора от 0,65 кВт⋅ч ( Honda Civic Hybrid 2012 года ) до 1,8 кВт⋅ч ( Toyota Prius 2001 года ).
Подключаемые гибридные автомобили имеют емкость аккумулятора от 4,4 кВт⋅ч ( Toyota Prius Plug-in Hybrid 2012 года ) до 40,6 кВт⋅ч ( Li Auto One ).
Полностью электрические автомобили имеют емкость аккумуляторов от 6,0 кВт⋅ч ( Renault Twizy 2012 года ) до 212,7 кВт⋅ч ( GMC Hummer EV 2022 года [26] ).
Цепочка поставок электромобилей включает добычу и переработку сырья, а также производственные процессы, в ходе которых производятся литий-ионные аккумуляторы и другие компоненты для электромобилей . Цепочка поставок литий-ионных аккумуляторов является основным компонентом общей цепочки поставок электромобилей, а на аккумулятор приходится 30–40% стоимости автомобиля. [27] Литий, кобальт , графит , никель и марганец — важные минералы , необходимые для аккумуляторов электромобилей. [28] Спрос на эти материалы быстро растет из-за роста рынка электромобилей, который во многом обусловлен предлагаемым переходом на возобновляемые источники энергии . Обеспечение безопасности цепочки поставок этих материалов является важной проблемой мировой экономики. [29] Переработка и развитие аккумуляторных технологий являются предлагаемыми стратегиями снижения спроса на сырье. Проблемы с цепочкой поставок могут создать узкие места, увеличить стоимость электромобилей и замедлить их внедрение. [27] [30]
Цепочка поставок аккумуляторов сталкивается со многими проблемами. Минералы аккумуляторных батарей обычно преодолевают расстояние 80 000 километров (50 000 миль) от места добычи до последующих производственных предприятий. [ нужна цитация ] Месторождения важнейших полезных ископаемых сосредоточены в небольшом количестве стран, в основном на Глобальном Юге . Добыча этих месторождений представляет опасность для близлежащих населенных пунктов из-за слабого регулирования, коррупции и ухудшения состояния окружающей среды . Эти сообщества сталкиваются с нарушениями прав человека , проблемами экологической справедливости , проблемами детского труда и потенциально наследственным наследием загрязнения в результате горнодобывающей деятельности.
В производстве аккумуляторной техники в основном доминирует Китай.
Жизненный цикл аккумуляторов для электромобилей на основе лития состоит в основном из четырех этапов: этап сырья, производство аккумулятора, этап эксплуатации и этап управления окончанием срока службы. Как показано на схеме жизненного цикла аккумуляторов электромобилей, на первом этапе редкоземельные материалы добываются в разных частях мира. После того, как они проходят предварительную обработку на заводах, компании-производители аккумуляторов берут на себя эти материалы и начинают производить батареи и собирать их в упаковки. Эти аккумуляторные блоки затем отправляются компаниям-производителям автомобилей для интеграции в электромобили. На последнем этапе, если не будет организовано управление, ценные материалы в батареях могут быть потрачены впустую. Хороший этап управления завершением жизненного цикла попытается замкнуть цикл. Использованные аккумуляторные блоки будут либо повторно использованы для стационарного хранения, либо переработаны в зависимости от состояния аккумулятора (SOH). [31]
Жизненный цикл батареи довольно длительный и требует тесного сотрудничества между компаниями и странами. В настоящее время этап сырья, а также этап производства и эксплуатации аккумуляторов хорошо отлажен. Фаза управления утилизацией с трудом развивается, особенно процесс переработки, главным образом по экономическим соображениям. Например, в Австралии в 2017–2018 годах на переработку было собрано всего 6% литий-ионных аккумуляторов. [32] Однако замыкание петли чрезвычайно важно. Не только из-за прогнозируемого сокращения поставок никеля, кобальта и лития в будущем, переработка аккумуляторов электромобилей может принести максимальную пользу для окружающей среды. Сюй и др. предсказал, что в сценарии устойчивого развития объемы лития, кобальта и никеля достигнут или превысят количество разведанных запасов в будущем, если не будет осуществляться переработка. [33] Сьес и Уитакр обнаружили, что путем внедрения переработки аккумуляторов можно избежать некоторых выбросов парниковых газов (ПГ) в результате добычи полезных ископаемых. [34]
Чтобы глубже понять жизненный цикл аккумуляторов электромобилей, важно проанализировать выбросы, связанные с различными этапами. На примере цилиндрических элементов NMC Сьес и Уитакр обнаружили, что около 9 кг CO 2 e кг батареи выбрасывается в атмосферу во время предварительной обработки сырья и производства батарей в средней электросети США. Большая часть выбросов приходится на процесс подготовки материалов, на долю которого приходится более 50% выбросов. Если используется аккумуляторный элемент NMC, общий выброс увеличивается почти до 10 кг CO 2 на кг батареи − 1 , в то время как производство материалов по-прежнему составляет более 50% выбросов. [34] На этапе управления завершением жизненного цикла процесс восстановления незначительно увеличивает выбросы в течение жизненного цикла. С другой стороны, процесс переработки, как предполагают Сиес и Уитакр, приводит к выбросам значительного количества парниковых газов. Как показано на графиках выбросов при переработке аккумуляторов a и c, выбросы в процессе переработки различаются в зависимости от различных процессов переработки, разного химического состава и разного форм-фактора. Таким образом, чистые выбросы, которых удалось избежать, по сравнению с отсутствием переработки, также варьируются в зависимости от этих факторов. На первый взгляд, как показано на графиках b и d, процесс прямой переработки является наиболее идеальным процессом для переработки аккумуляторных батарей, в то время как гидрометаллургический процесс наиболее подходит для аккумуляторов цилиндрического типа. Однако, учитывая показанные полосы погрешностей, нельзя с уверенностью выбрать лучший подход. Стоит отметить, что для химии литий-железо-фосфатов (LFP) чистая выгода отрицательна. Поскольку в ячейках LFP отсутствуют кобальт и никель, производство которых дорого и энергоемко, добыча полезных ископаемых более энергетически эффективна. В целом, помимо содействия росту отдельного сектора, необходимо предпринять более комплексные усилия по сокращению выбросов в течение жизненного цикла аккумуляторов электромобилей. Ограниченный общий запас редкоземельных материалов, по-видимому, может оправдать необходимость переработки. Но экологическая выгода переработки требует более тщательного изучения. Согласно современной технологии переработки, чистая выгода от переработки зависит от форм-факторов, химического состава и выбранного процесса переработки.
Процесс производства аккумуляторов для электромобилей состоит в основном из трех этапов: производство материалов, производство элементов и интеграция, как показано на графике процесса производства аккумуляторов для электромобилей серым, зеленым и оранжевым цветом соответственно. Показанный процесс не включает изготовление аппаратных средств ячейки, т.е. корпусов и токосъемников. В процессе производства материалов сначала смешиваются активный материал, добавки проводимости, полимерное связующее и растворитель. После этого их наносят на токосъемники, готовые к сушке. На этом этапе методы изготовления активных материалов зависят от электрода и химического состава. Для катода двумя наиболее популярными химическими веществами являются оксиды переходных металлов, т.е. оксиды лития, никеля, марганца, кобальта (Li-NMC) и фосфаты литий-металлических металлов, т.е. фосфаты лития-железа (LFP). Для анода сейчас самая популярная химия — графит. Однако в последнее время многие компании начали производить смешанные кремниевые аноды (Sila Nanotech, ProLogium ) и металлические литиевые аноды (Cuberg, Solid Power). В целом производство активных материалов состоит из трех этапов: подготовка материалов, их обработка и очистка. Шмух и др. более подробно обсудили производство материалов. [35]
На этапе производства элемента подготовленный электрод будет обработан до желаемой формы для упаковки в цилиндрический, прямоугольный формат или в пакет. Затем, после заполнения электролитов и герметизации элементов, элементы батареи тщательно циркулируют, образуя SEI, защищающий анод. Затем эти батареи собираются в блоки, готовые к установке в транспортное средство. Кваде и др. более подробно обсудим весь процесс производства аккумуляторов.
Когда аккумуляторная батарея электромобиля разряжается до 70–80 % от своей первоначальной емкости, считается, что срок ее службы подходит к концу. Одним из методов управления отходами является повторное использование упаковки. Перепрофилировав аккумулятор для стационарного хранения, можно извлечь больше пользы из аккумуляторного блока, одновременно снизив влияние на жизненный цикл на киловатт-час. Однако обеспечить второй срок службы батареи непросто. Развитию отрасли восстановления аккумуляторов препятствует ряд проблем.
Во-первых, во время работы электромобиля происходит неравномерная и нежелательная деградация батареи. Каждый элемент батареи может деградировать по-разному во время работы. В настоящее время информация о состоянии работоспособности (SOH) из системы управления батареями (BMS) может быть получена на уровне пакета. Для получения информации о состоянии здоровья клеток требуется BMS нового поколения. Кроме того, поскольку на низкий уровень SOH в конце срока службы может влиять множество факторов, таких как температура во время эксплуатации, режим зарядки/разрядки и календарная деградация, механизм деградации может быть другим. Таким образом, одного знания SOH недостаточно, чтобы гарантировать качество отремонтированной упаковки. Чтобы решить эту проблему, инженеры могут смягчить деградацию, разработав систему управления температурным режимом следующего поколения. Чтобы полностью понять деградацию внутри аккумулятора, вычислительные методы, включая метод первых принципов, физическую модель и метод, основанный на машинном обучении, должны работать вместе, чтобы идентифицировать различные режимы деградации и количественно оценить уровень деградации после тяжелых операций. Наконец, для обеспечения качества аккумуляторной батареи следует использовать более эффективные инструменты определения характеристик батареи, например, электрохимическую импедансную спектроскопию (EIS). [36] [37]
Во-вторых, разборка модулей и ячеек обходится дорого и требует много времени. Следуя последнему пункту, первым шагом является тестирование на определение оставшегося SOH аккумуляторных модулей. Эта операция может различаться для каждой устаревшей системы. Далее модуль необходимо полностью разрядить. Затем блок необходимо разобрать и переконфигурировать для удовлетворения требований к мощности и энергии приложения Second Life. Важно отметить, что для демонтажа аккумуляторов электромобиля большого веса и высокого напряжения требуются квалифицированные рабочие и специальные инструменты. Помимо решений, обсуждавшихся в предыдущем разделе, компания, занимающаяся восстановлением, может продавать или повторно использовать энергию, сбрасываемую из модуля, чтобы снизить стоимость этого процесса. Чтобы ускорить процесс разборки, было несколько попыток подключить к этому процессу роботов. В этом случае роботы смогут выполнять более опасные задачи, повышая безопасность процесса демонтажа. [36] [38]
В-третьих, технология производства аккумуляторов непрозрачна и не имеет стандартов. Поскольку разработка аккумуляторов является основной частью электромобилей, производителю сложно указать точный химический состав катода, анода и электролитов на упаковке. Кроме того, ежегодно меняются вместимость и конструкция ячеек и пакетов. Компания, производящая ремонт, должна тесно сотрудничать с производителем, чтобы своевременно обновлять эту информацию. С другой стороны, правительство может установить стандарт маркировки. [36]
Наконец, процесс восстановления увеличивает стоимость использованных батарей. С 2010 года стоимость аккумуляторов снизилась более чем на 85%, что значительно быстрее прогнозов. Из-за дополнительных затрат на ремонт отремонтированное устройство может оказаться менее привлекательным, чем новые батареи, представленные на рынке. [36]
Тем не менее, было достигнуто несколько успехов в применении аккумуляторов для электромобилей второго срока службы, как показано в примерах проектов хранения с использованием аккумуляторов для электромобилей второго срока службы. Они используются в менее требовательных стационарных хранилищах в качестве пиковых нагрузок или дополнительных хранилищ для возобновляемых источников энергии. [36]
Хотя срок службы батареи можно продлить, включив приложение второго срока службы, в конечном итоге батареи электромобилей необходимо перерабатывать. Возможность вторичной переработки в настоящее время не является важным фактором при проектировании для производителей аккумуляторов, и в 2019 году было переработано только 5% аккумуляторов электромобилей. [39] Во многих странах технологиям BEV не хватает установленной системы переработки, что делает использование BEV и другого электрооборудования, работающего от батарей, большими затратами энергии, что в конечном итоге приводит к увеличению выбросов CO 2 - особенно в странах, где отсутствуют возобновляемые источники энергии. [40] В настоящее время существует пять типов процессов переработки: пирометаллургическое восстановление, разделение физических материалов, гидрометаллургическая регенерация металлов, метод прямой переработки и биологическая регенерация металлов. Наиболее широко используемыми процессами являются первые три перечисленных процесса, как показано на примерах существующих предприятий по переработке литий-ионных аккумуляторов. Последние два метода все еще находятся в лабораторных или пилотных масштабах, однако они потенциально могут избежать наибольшего количества выбросов в результате добычи полезных ископаемых.
Пирометаллургический процесс предполагает обжиг материалов батареи со шлаком, известняком, песком и коксом с получением металлического сплава в высокотемпературной печи. Полученные материалы представляют собой металлический сплав, шлак и газы. Газы состоят из молекул, которые испаряются из компонентов электролита и связующего. Металлический сплав можно разделить гидрометаллургическими процессами на составляющие материалы. Шлак, представляющий собой смесь металлов алюминия, марганца и лития, может быть переработан гидрометаллургическими процессами или использован в цементной промышленности. Этот процесс очень универсален и относительно безопасен. Поскольку предварительная сортировка не требуется, он может работать с самыми разными батареями. Кроме того, поскольку сгорает вся ячейка, металл из токосъемников может помочь процессу плавки, а из-за экзотермической реакции горения электролита и пластика также можно снизить потребление энергии. Однако этот процесс по-прежнему требует относительно более высокого энергопотребления, и утилизировать можно только ограниченное количество материалов. Физическое разделение извлеченных материалов путем механического дробления и использования физических свойств различных компонентов, таких как размер частиц, плотность, ферромагнетизм и гидрофобность. Медный, алюминиевый и стальной корпус можно восстановить путем сортировки. Остальные материалы, называемые «черной массой», состоящие из никеля, кобальта, лития и марганца, требуют вторичной обработки для восстановления. Для гидрометаллургического процесса катодные материалы необходимо измельчить, чтобы удалить токосъемник. Затем катодные материалы выщелачивают водными растворами для извлечения нужных металлов из катодных материалов. Прямая переработка катода, как следует из названия, позволяет напрямую извлекать материалы, получая катодную энергию, готовую к использованию в качестве нового чистого катодного материала. Этот процесс включает экстракцию электролита с использованием жидкого или сверхкритического CO 2 . После уменьшения размера восстановленных компонентов катодные материалы можно отделить. Для биологической регенерации металлов или биовыщелачивания в этом процессе используются микроорганизмы для селективного расщепления оксидов металлов. Затем переработчики смогут восстановить эти оксиды для производства наночастиц металлов. Хотя биовыщелачивание успешно применяется в горнодобывающей промышленности, этот процесс все еще находится на стадии зарождения в сфере переработки отходов, и существует множество возможностей для дальнейших исследований. [34] [36] [38]
Во всем мире было предпринято много усилий по содействию разработке и внедрению технологий переработки. В США офисы Министерства энергетических автомобильных технологий (VTO) предприняли две инициативы, направленные на инновации и практичность процессов переработки. Научно-исследовательский центр ReCell Lithium Recycling объединяет три университета и три национальные лаборатории для разработки инновационных и эффективных технологий переработки. В частности, в центре ReCell был разработан метод прямой переработки катодов. С другой стороны, VTO также учредила премию по переработке аккумуляторов, чтобы стимулировать американских предпринимателей находить инновационные решения для решения текущих проблем. [41]
По оценкам, переход на электромобили потребует к 2060 году увеличения предложения конкретных металлов на 87 000%, которые необходимо добывать на начальном этапе, а переработка (см. выше) покроет часть спроса в будущем. [42] По оценкам, только в Великобритании для перевода 31,5 миллионов бензиновых автомобилей на электрические потребуется «207 900 тонн кобальта, 264 600 тонн карбоната лития, 7 200 тонн неодима и диспрозия и 2 362 500 тонн меди», а во всем мире переход потребует в 40 раз больше суммы. [43] В 2022 году правительство США планировало выделить штатам США 5 миллиардов долларов в течение пяти лет на зарядные устройства для электромобилей. [44] Согласно исследованию МЭА 2021 года, запасы полезных ископаемых должны увеличиться с 400 килотонн в 2020 году до 11 800 килотонн в 2040 году, чтобы покрыть спрос на электромобили. Этот рост создает ряд ключевых проблем: от цепочки поставок (поскольку 60% производства сосредоточено в Китае) до значительного воздействия на климат и окружающую среду в результате такого значительного увеличения объемов горнодобывающей деятельности. [45]
В 2010 году ученые Датского технического университета заплатили 10 000 долларов США за сертифицированную батарею для электромобилей емкостью 25 кВтч (т.е. 400 долларов США/кВтч) без каких-либо скидок или надбавок. [48] Двое из 15 производителей аккумуляторов смогли предоставить необходимую техническую документацию о качестве и пожарной безопасности. [49] В 2010 году было подсчитано, что пройдет не более 10 лет, прежде чем цена на аккумуляторы снизится до одной трети. [48]
Согласно исследованию 2010 года, проведенному Национальным исследовательским советом США , стоимость литий-ионного аккумуляторного блока составляла около 1700 долларов США за кВтч полезной энергии, а учитывая, что PHEV -10 требует около 2,0 кВтч, а PHEV-40 — около 8 кВтч, стоимость аккумуляторной батареи для PHEV-10 составляет около 3000 долларов США , а для PHEV-40 — до 14 000 долларов США . [50] [51] По оценкам MIT Technology Review, к 2020 году стоимость автомобильных аккумуляторных батарей составит от 225 до 500 долларов США за киловатт-час. [52] Исследование, проведенное в 2013 году Американским советом по энергоэффективной экономике, показало, что аккумуляторы затраты снизились с 1300 долларов США /кВтч в 2007 году до 500 долларов США /кВтч в 2012 году. Министерство энергетики США установило целевые показатели затрат на спонсируемые исследования аккумуляторов на уровне 300 долларов США /кВтч в 2015 году и 125 долларов США /кВтч к 2022 году. Снижение затрат за счет Достижения в области аккумуляторных технологий и увеличение объемов производства позволят электромобилям стать более конкурентоспособными по сравнению с обычными автомобилями с двигателями внутреннего сгорания. [53] В 2016 году мировая производственная мощность литий-ионных аккумуляторов составляла 41,57 ГВт⋅ч. [54]
Фактическая стоимость ячеек является предметом многочисленных споров и спекуляций, поскольку большинство производителей электромобилей отказываются обсуждать эту тему подробно. Однако в октябре 2015 года автопроизводитель GM сообщил на своей ежегодной глобальной бизнес-конференции, что они ожидают, что в 2016 году цена на литий-ионные элементы составит 145 долларов США за кВтч, что существенно ниже, чем оценки затрат других аналитиков. GM также ожидает, что к концу 2021 года стоимость составит 100 долларов США за кВтч . [55]
Согласно исследованию, опубликованному в феврале 2016 года агентством Bloomberg New Energy Finance (BNEF), цены на аккумуляторы упали на 65% с 2010 года и на 35% только в 2015 году, достигнув 350 долларов США /кВтч. В исследовании делается вывод, что стоимость аккумуляторов находится на пути к тому, чтобы к 2022 году в большинстве стран электромобили без государственных субсидий стали такими же доступными, как автомобили с двигателями внутреннего сгорания. долларов. BNEF ожидает, что к 2030 году стоимость аккумуляторов для электромобилей будет значительно ниже 120 долларов США за киловатт-час, а затем снизится еще больше по мере появления новых химических веществ. [56] [57]
В 2010 году профессор аккумуляторов Пол Норби заявил, что, по его мнению, литиевым батареям необходимо будет удвоить свою удельную энергию и снизить цену с 500 долларов США (2010 г.) до 100 долларов США за кВтч мощности, чтобы оказать влияние на бензиновые автомобили. [69] Citigroup указывает 230 долларов США за кВтч.
На официальной странице плагина Toyota Prius 2012 заявлен запас хода в 21 километр (13 миль) и емкость аккумулятора 5,2 кВтч с соотношением 4 км (2,5 мили)/кВтч, тогда как внедорожник Addax (модель 2015 года) уже достигает 110 километров. (68,5 миль) или соотношение 7,5 километров (4,6 миль)/кВтч. [70]
Электромобили с аккумуляторной батареей потребляют энергию от 2,5 миль (4,0 км)/кВтч (85 миль на галлон ) до 5,0 миль (8,0 км)/кВтч (135 миль на галлон).
Министр энергетики США Стивен Чу предсказал, что стоимость батареи с запасом хода в 40 миль снизится с цены в 12 000 долларов США в 2008 году до 3 600 долларов США в 2015 году и далее до 1 500 долларов США к 2020 году. [71] [72] Литий-ионные, Li -поли-, алюминиево-воздушные и цинк-воздушные батареи продемонстрировали достаточно высокую удельную энергию, чтобы обеспечить запас хода и время перезарядки, сравнимое с обычными транспортными средствами, работающими на ископаемом топливе.
Важны разные затраты. Один вопрос — цена покупки, другой — общая стоимость владения. По состоянию на 2015 год электромобили на начальном этапе стоят дороже, но дешевле в эксплуатации, и, по крайней мере, в некоторых случаях общая стоимость владения может быть ниже. [ нужна цитата ]
По мнению Каммена и др., 2008 г. , новые электромобили станут экономически эффективными для потребителей, если цены на батареи снизятся с 1300 долларов США за кВтч до примерно 500 долларов США за кВтч (чтобы батарея могла окупить себя). [73]
Сообщается , что в 2010 году аккумуляторная батарея Nissan Leaf стоила 18 000 долларов США. [74] Таким образом, первоначальные производственные затраты Nissan при запуске Leaf составляли около 750 долларов США за киловатт-час (для аккумулятора емкостью 24 кВтч). [74]
В 2012 году McKinsey Quarterly связал цены на аккумуляторы с ценами на бензин на основе общей стоимости владения автомобилем за 5 лет, подсчитав, что 3,50 доллара США за галлон равняются 250 долларам США за кВтч. [75] В 2017 году McKinsey подсчитала, что электромобили будут конкурентоспособными при стоимости аккумуляторной батареи в 100 долларов США за кВтч (ожидается примерно в 2030 году), и ожидает, что к 2020 году стоимость аккумуляторной батареи составит 190 долларов США за кВтч. [76]
В октябре 2015 года автопроизводитель GM объявил на своей ежегодной Глобальной бизнес-конференции, что они ожидают, что в 2016 году цена на литий-ионные элементы составит 145 долларов США за киловатт-час. [55]
Паритет запаса хода означает, что электромобиль имеет тот же запас хода, что и средний автомобиль с двигателем внутреннего сгорания (500 километров или 310 миль), с батареями с удельной энергией более 1 кВтч/кг . [77] Более высокий запас хода означает, что электромобили смогут проехать больше километров без подзарядки. В настоящее время продажи электромобилей ниже, чем ожидалось, из-за беспокойства о запасе хода - даже при том же запасе хода, что и у среднего автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, покупатели должны быть уверены, что для их автомобилей существуют широко доступные и совместимые зарядные станции, которые в настоящее время не так распространены, как автозаправки. [78]
Чиновники Японии и Европейского Союза ведут переговоры о совместной разработке современных аккумуляторных батарей для электромобилей, чтобы помочь странам сократить выбросы парниковых газов. Разработка аккумулятора, способного проехать 500 километров (310 миль) на одной зарядке электромобиля, вполне осуществима, заявил японский производитель аккумуляторов GS Yuasa Corp. Sharp Corp и GS Yuasa входят в число японских производителей солнечных батарей и аккумуляторов, которые могут получить выгоду от сотрудничества. . [79]
Конструкции аккумуляторных батарей для электромобилей (EV) сложны и сильно различаются в зависимости от производителя и конкретного применения. Однако все они включают в себя комбинацию нескольких простых систем механических и электрических компонентов, которые выполняют основные необходимые функции блока.
Фактические элементы аккумуляторной батареи могут иметь различный химический состав, физическую форму и размеры в зависимости от предпочтений различных производителей аккумуляторов. Аккумуляторные блоки всегда будут включать в себя множество отдельных ячеек, соединенных последовательно и параллельно для достижения общего напряжения и тока, требуемого аккумулятором. Аккумуляторные батареи для всех электромобилей с электроприводом могут содержать несколько сотен отдельных ячеек. Каждая ячейка имеет номинальное напряжение 3-4 вольта , в зависимости от ее химического состава.
Чтобы облегчить производство и сборку, большая стопка ячеек обычно группируется в более мелкие стопки, называемые модулями. Несколько таких модулей помещены в одну упаковку. Внутри каждого модуля ячейки сварены вместе, образуя электрический путь для прохождения тока. Модули также могут включать в себя механизмы охлаждения, датчики температуры и другие устройства. Для обеспечения оптимальной производительности модули должны оставаться в пределах определенного температурного диапазона. [84] В большинстве случаев модули также позволяют контролировать напряжение, создаваемое каждым аккумуляторным элементом в стеке, с помощью системы управления аккумулятором (BMS). [85]
Блок аккумуляторных элементов имеет главный предохранитель, который ограничивает ток аккумулятора при коротком замыкании. «Сервисную вилку» или «сервисный разъединитель» можно снять, чтобы разделить аккумуляторную батарею на две электрически изолированные половины. При снятой сервисной вилке открытые основные клеммы аккумулятора не представляют высокой потенциальной опасности поражения электрическим током для специалистов по техническому обслуживанию. [85] [86]
Аккумуляторный блок также содержит реле или контакторы, которые контролируют распределение электрической энергии аккумуляторного блока на выходные клеммы. В большинстве случаев имеется как минимум два главных реле, которые соединяют блок аккумуляторных элементов с основными положительными и отрицательными выходными клеммами блока, которые затем подают высокий ток на электрический приводной двигатель. Некоторые конструкции блоков включают альтернативные пути тока для предварительной зарядки системы привода через резистор предварительного заряда или для питания вспомогательной шины, которая также будет иметь свои собственные соответствующие реле управления. По соображениям безопасности все эти реле нормально разомкнуты. [85] [86]
Аккумуляторный блок также содержит различные датчики температуры, напряжения и тока. Сбор данных от датчиков вьюка и активация реле вьюка осуществляется блоком контроля аккумуляторной батареи (BMU) или BMS. BMS также отвечает за связь с автомобилем за пределами аккумуляторной батареи. [85]
Аккумуляторы в электромобилях необходимо периодически подзаряжать. Электромобили чаще всего заряжаются от электросети (дома или от уличной или магазинной точки подзарядки ), которая, в свою очередь, вырабатывается из различных внутренних ресурсов, таких как уголь , гидроэлектроэнергия , атомная энергия , природный газ и другие. Домашняя или сетевая энергия, такая как фотоэлектрические солнечные панели, ветер или микрогидроэлектростанции , также может использоваться и поощряется из-за опасений, связанных с глобальным потеплением .
При использовании подходящих источников питания хороший срок службы батареи обычно достигается при скорости зарядки, не превышающей половины емкости батареи в час («0,5C»), [87] таким образом, для полной зарядки требуется два или более часа, но более быстрая зарядка возможна. доступно даже для аккумуляторов большой емкости. [88]
Время зарядки в домашних условиях ограничено мощностью бытовой электросети , если не проводятся специализированные электромонтажные работы. В США, Канаде, Японии и других странах с напряжением 120 В обычная бытовая розетка выдает мощность 1,5 киловатта . В другие страны с напряжением 230 В можно поставлять электричество мощностью от 7 до 14 киловатт ( однофазное напряжение 230 В и трехфазное напряжение 400 В соответственно). В Европе подключение к сети 400 В (трехфазное напряжение 230 В) становится все более популярным, поскольку в новых домах нет подключения к природному газу из-за правил безопасности Европейского Союза.
Электромобили, такие как Tesla Model S , Renault Zoe , BMW i3 и др., могут заряжать свои аккумуляторы до 80 процентов на станциях быстрой зарядки за 30 минут. [89] [90] [91] [92] Например, зарядка Tesla Model 3 Long Range на нагнетателе Tesla версии 3 мощностью 250 кВт перешла с уровня заряда 2% на расстояние 6 миль (9,7 км) до состояния 80%. заряда с запасом хода 240 миль (390 км) за 27 минут, что соответствует 520 милям (840 км) в час. [93]
Зарядное устройство можно подключить к автомобилю двумя способами. Первым является прямое электрическое соединение, известное как проводящая связь . Это может быть так же просто, как подключение сетевого шнура к защищенной от атмосферных воздействий розетке с помощью специальных кабелей большой емкости с разъемами для защиты пользователя от высокого напряжения . Современным стандартом для автомобильной зарядки является проводящий разъем SAE 1772 (IEC 62196, тип 1) в США. ACEA выбрала VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196, тип 2) для развертывания в Европе, что без защелки означает ненужные дополнительные требования к питанию для запирающего механизма. [ нужна цитата ]
Второй подход известен как индуктивная зарядка . В прорезь на автомобиле вставляется специальная «лопатка». Весло — это одна обмотка трансформатора , а другая встроена в автомобиль. Когда лопасть вставлена, она замыкает магнитную цепь, которая обеспечивает питание аккумуляторной батареи. В одной системе индуктивной зарядки [94] одна обмотка крепится к нижней части автомобиля, а другая остается на полу гаража. Преимущество индуктивного подхода заключается в том, что исключается возможность поражения электрическим током , поскольку отсутствуют открытые проводники, хотя блокировки, специальные разъемы и детекторы замыкания на землю могут сделать проводящее соединение почти таким же безопасным. Индуктивная зарядка также может снизить вес автомобиля за счет перемещения большего количества зарядных компонентов за пределы борта. [95] Сторонник индуктивной зарядки из Toyota в 1998 году утверждал, что общая разница в стоимости минимальна, в то время как сторонник проводящей зарядки из Ford утверждал, что проводящая зарядка более экономична. [95]
По состоянию на апрель 2020 года [обновлять]по всему миру насчитывается 93 439 точек и 178 381 зарядная станция для электромобилей. [96]
Хотя в мире существует множество зарядных станций, и их число только растет, проблема заключается в том, что водитель электромобиля может оказаться на удаленной зарядной станции, когда другой автомобиль подключен к единственному зарядному устройству, или он может обнаружить другой припаркованный автомобиль. в единственном месте EV. В настоящее время никакие законы не запрещают отключать чужой автомобиль от сети, это просто регламентируется этикетом. [78]
Запас хода BEV зависит от количества и типа используемых батарей. Вес и тип транспортного средства, а также местность, погода и работоспособность водителя также оказывают влияние, как и на пробег традиционных транспортных средств . Эффективность преобразования электромобиля зависит от ряда факторов, включая химический состав аккумулятора:
Внутреннее сопротивление некоторых аккумуляторов может значительно увеличиться при низкой температуре [100] , что может привести к заметному сокращению запаса хода автомобиля и срока службы аккумулятора.
Нахождение экономического баланса между запасом хода и производительностью, емкостью аккумулятора и весом, типом аккумулятора и стоимостью является непростой задачей для каждого производителя электромобилей.
Благодаря системе переменного тока или усовершенствованной системе постоянного тока рекуперативное торможение может увеличить запас хода до 50% в экстремальных условиях движения без полной остановки. В противном случае запас хода увеличивается примерно на 10–15% при движении по городу и лишь незначительно при движении по шоссе, в зависимости от местности. [ нужна цитата ]
BEV (включая автобусы и грузовики) также могут использовать прицепы с генераторными установками и прицепы-толкатели, чтобы при желании увеличить запас хода без дополнительного веса при обычном использовании на коротких дистанциях. Разряженные прицепы-корзины можно заменять в пути на заряженные. В случае сдачи в аренду расходы на техническое обслуживание могут быть перенесены на агентство.
Некоторые BEV могут стать гибридными транспортными средствами в зависимости от типа энергии и трансмиссии прицепа и автомобиля.
Емкость вспомогательной батареи, перевозимой в прицепах, может увеличить общий запас хода транспортного средства, но также увеличивает потери мощности из-за аэродинамического сопротивления , увеличивает эффект переноса веса и снижает тяговую способность.
Альтернативой подзарядке является замена разряженных или почти разряженных аккумуляторов (или модулей увеличения запаса хода ) на полностью заряженные аккумуляторы. Это называется заменой аккумуляторов и осуществляется на обменных станциях . [101]
Особенности сменных станций включают в себя: [102]
Опасения по поводу сменных станций включают в себя:
Цинк-бромные проточные батареи можно перезаправлять жидкостью, а не заряжать через разъемы, что экономит время.
Интеллектуальная сеть позволяет BEV подавать электроэнергию в сеть в любое время, особенно:
Вопросы безопасности аккумуляторных электромобилей во многом регулируются международным стандартом ISO 6469. Этот стандарт разделен на три части:
Пожарные и спасатели проходят специальную подготовку по работе с более высоким напряжением и химическими веществами, возникающими при авариях на электромобилях и гибридных электромобилях. Хотя аварии с BEV могут создавать необычные проблемы, такие как пожары и дымы в результате быстрого разряда аккумулятора, многие эксперты сходятся во мнении, что аккумуляторы BEV безопасны в коммерческих транспортных средствах и при столкновениях сзади, а также безопаснее, чем автомобили с бензиновым двигателем с задними бензобаками. . [105]
Обычно тестирование производительности аккумулятора включает в себя определение:
Тестирование производительности моделирует циклы привода трансмиссий аккумуляторных электромобилей (BEV), гибридных электромобилей (HEV) и гибридных электромобилей с подключаемым модулем (PHEV) в соответствии с требуемыми спецификациями производителей автомобилей ( OEM ). Во время этих циклов движения можно осуществлять контролируемое охлаждение аккумулятора, имитируя температурный режим в автомобиле.
Кроме того, климатические камеры контролируют условия окружающей среды во время испытаний и позволяют моделировать полный диапазон температур и климатических условий автомобиля. [ нужна цитата ]
Патенты могут использоваться для пресечения разработки или внедрения аккумуляторных технологий. Например, патенты, относящиеся к использованию никель-металлогидридных элементов в автомобилях, принадлежали филиалу нефтяной компании Chevron Corporation , которая сохраняла право вето на любую продажу или лицензирование технологии NiMH. [106] [107]
По состоянию на декабрь 2019 года по всему миру планируется инвестировать миллиарды евро в исследования по улучшению аккумуляторов. [108] [109]
Исследователи придумали некоторые соображения по поводу конструкции бесконтактных зарядных устройств BEV. Системы индуктивно связанной передачи энергии (ICPT) предназначены для эффективной передачи энергии от первичного источника (зарядной станции) к одному или нескольким вторичным источникам (BEV) бесконтактным способом через магнитную связь. [110]
Европа планирует крупные инвестиции в разработку и производство аккумуляторов для электромобилей, а Индонезия также намерена производить аккумуляторы для электромобилей в 2023 году, пригласив китайскую компанию по производству аккумуляторов GEM и Contemporary Amperex Technology Ltd инвестировать в Индонезию. [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118]
Электрические двухслойные конденсаторы (или «ультраконденсаторы») используются в некоторых электромобилях, таких как концептуальный прототип AFS Trinity, для хранения быстро доступной энергии благодаря их высокой удельной мощности, чтобы поддерживать батареи в безопасных пределах резистивного нагрева и продлить срок службы батареи. . [119] [120]
Поскольку коммерчески доступные ультраконденсаторы имеют низкую удельную энергию, ни в одном серийном электромобиле не используются исключительно ультраконденсаторы.
В январе 2020 года Илон Маск , генеральный директор Tesla , заявил, что достижения в технологии литий-ионных аккумуляторов сделали ненужными ультраконденсаторы для электромобилей. [121]
Существует несколько видов политических мер, которые сделают BEV более желательными. Стимулы, основанные на покупке, включают налоговые скидки или субсидии при покупке или регистрации современного BEV. Политические меры, основанные на использовании, включают освобождение от платы за пробки для пользователей BEV, разрешение пользователям BEV использовать автобусные полосы или предоставление бесплатной парковки для BEV. Их можно разделить на местные и глобальные политические стимулы. Местные стимулы, включая освобождение от платы за пробки или бесплатную парковку BEV в городе, влияют только на те, которые расположены в этом конкретном районе. Глобальные политические стимулы, включая субсидии или национальные налоговые скидки, применяются к любому жителю страны. [122]
В 2009 году президент Барак Обама объявил о 48 новых передовых проектах по производству аккумуляторов и электроприводов, которые получат финансирование в размере 2,4 миллиарда долларов США в соответствии с Законом о восстановлении и реинвестировании Америки . Правительство заявило, что эти проекты ускорят развитие производственных мощностей США по производству аккумуляторов и компонентов электропривода, а также внедрение транспортных средств с электроприводом, помогая установить лидерство Америки в создании следующего поколения современных транспортных средств. [123] Это объявление ознаменовало собой крупнейшую инвестицию в передовые аккумуляторные технологии для гибридных и электромобилей, когда-либо сделанную. Должностные лица отрасли ожидали, что эта инвестиция в размере 2,4 миллиарда долларов США в сочетании с еще одной долей затрат в размере 2,4 миллиарда долларов США от лауреатов премии приведет непосредственно к созданию десятков тысяч рабочих мест в аккумуляторной и автомобильной промышленности США. Награды покрывают гранты на сумму 1,5 миллиарда долларов США производителям в США для производства аккумуляторов и их компонентов, а также для расширения возможностей по переработке аккумуляторов.
2 мая 2022 года президент Байден объявил, что администрация приступит к осуществлению плана стоимостью 3,16 миллиарда долларов по увеличению внутреннего производства и переработки аккумуляторов в рамках более масштабных усилий по переводу страны с автомобилей, работающих на бензине, на электромобили. Цель администрации Байдена — к 2030 году сделать половину производства автомобилей в США электрическими. [131]
Закон о снижении инфляции , принятый 16 августа 2022 года, был направлен на стимулирование производства экологически чистой энергии посредством потребительского налогового кредита в размере 7500 долларов США для электромобилей с батареями, произведенными в США, а также субсидий для заводов по производству электромобилей. К октябрю 2022 года было объявлено об инвестициях в миллиарды долларов в более чем два десятка заводов по производству аккумуляторов в США, из-за чего некоторые комментаторы прозвали Средний Запад «Аккумуляторным поясом». [132] [133]
Норвегия стала ярким примером продвижения BEV. Доля рынка BEV является самой высокой в мире в Норвегии, основная причина в сильных стимулах для поощрения покупки и владения BEV. В Норвегии существует пакет стимулов для BEV, который часто приравнивает или даже делает покупку BEV дешевле, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания (ICEV). Помимо льгот по закупочной цене, существуют также стимулы, которые делают BEV более экономичными и удобными в повседневном использовании. Политика стимулирования имеет явный успех в увеличении продаж электромобилей в Норвегии, что делает ее отличным примером для других стран, желающих двигаться в том же направлении. [134]
{{cite journal}}: |last=имеет общее имя ( помощь ) ; Цитировать журнал требует |journal=( помощь )Нынешние батареи Tesla стоят 200-300 долларов за киловатт-час.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
