0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Из чего состоит аккумулятор теслы. Аккумулятор «Тесла»: устройство, характеристики, применение

Содержание

Аккумулятор «Тесла»: устройство, характеристики, применение

Компания «Тесла» известна, в первую очередь, прорывом в области электрокаров. Концепция экологически чистого транспорта давно осваивается крупнейшими автогигантами, но американским инженерам удалось ближе всех довести идею до реальных интересов потребителя. В немалой степени этому способствовали системы энергоснабжения, которые должны были полностью заменить традиционный двигатель внутреннего сгорания. И линейка батарей для электромобиля Tesla Model S ознаменовала собой новый этап развития сегмента.

Применение аккумуляторов

Основные мотивы разработки принципиально новых элементов питания были вызваны задачами увеличения эксплуатационных качеств электрических автомобилей. Поэтому базовая линейка ориентируется на обеспечение транспорта инновационной системой энергоснабжения. В частности, для моделей Tesla Model S применяются флагманские литий-ионные версии аккумуляторов. Их особенностью является исключение так называемого гибридного принципа работы батарей, в котором допускается попеременное питание машины от аккумуляторного блока и ДВС. Компания стремится сделать энергоснабжение электрокаров полностью независимым от традиционного топлива.

Однако системами питания автотранспорта разработчики не ограничиваются. На сегодняшний день сформировалось несколько серий с аккумуляторами, предназначенными для стационарного бытового и коммерческого использования. И если аккумулятор «Тесла» для автомобиля ориентирован на поддержку функциональности ходовых механизмов и бортовой электроники, то модели батарей-накопителей энергии можно рассматривать как универсальные и автономные источники энергоснабжения. Потенциала данных элементов достаточно для обслуживания, к примеру, домашней бытовой техники. Также развивается концепция аккумуляции солнечной энергии, но пока о широком распространении подобных систем речи не идет.

Устройство аккумулятора

Батареи имеют особую структуру и конфигурацию расположения активных элементов. В первую очередь, блоки питания отличаются базированием на литий-ионной основе. Такие элементы давно используются в качестве источника питания мобильных устройств и электроинструмента, но задачу энергоснабжения транспорта для них впервые открыли разработчики аккумулятора «Тесла». Для автомобиля применяется блок, состоящий из 74 компонентов, которые внешне напоминают пальчиковые батареи. Весь блок разделен на несколько сегментов (от 6 до 16 в зависимости от версии). В качестве положительного электрода выступает графит, а отрицательный заряд дает целая группа химических наполнителей, среди которых оксид алюминия, кобальт и никель.

Что касается интеграции в конструкцию автомобиля, то аккумуляторный блок крепится к днищу. К слову, именно такое размещение обеспечивает электрокарам пониженный центр тяжести и, как следствие, оптимальную управляемость. Непосредственно фиксация осуществляется при помощи комплектных кронштейнов.

Поскольку аналогов подобных решений на сегодняшний день единицы, то, в первую очередь, может прийти мысль о сравнении батареи Tesla с традиционными аккумуляторами. И в этом смысле логично возникает вопрос о безопасности, как минимум, такого способа размещения. Задача обеспечения защиты решается высокопрочным корпусом, в который заключен аккумулятор «Тесла». Устройство каждого блока также предусматривает наличие ограждающих металлических пластин. Причем изолируется не сам внутренний отсек, а каждый сегмент по отдельности. К этому стоит добавить и наличие пластиковой накладки, которая специально предназначена для исключения проникновения воды под корпус.

Технические характеристики

Самая мощная версия аккумулятора для электрокара «Тесла» включает около 7104 мини-батарей, имеет 210 см по длине, 15 см в толщине и 150 см по ширине. Электрическое напряжение в блоке составляет 3,6 В. Для сравнения, объем энергии, вырабатываемой одной секцией батареи, соответствует производимому потенциалу от аккумуляторов сотни портативных компьютеров. Но и вес аккумулятора «Тесла» довольно внушителен – около 540 кг.

Что же дают эти характеристики электрокару? По расчетам специалистов, батарея объемом 85 кВт*ч (средняя в линейке производителя) позволяет на одном заряде проезжать порядка 400 км. Опять же, для сравнения, не так давно крупнейшие автопроизводители в «зеленом» сегменте боролись за показатели 250-300 км пути, который мог преодолеваться без дозарядки. Впечатляет и скоростная динамика – 100 км/ч набираются всего за 4,4 сек.

Разумеется, при таких свойствах возникнет вопрос о долговечности батареи, так как высокая производительность предполагает соответствующую интенсивность износа активных элементов. Сразу надо отметить, что изготовитель дает 8-летнюю гарантию на свои аккумуляторы. Вероятно, и фактический срок службы аккумулятора «Тесла» будет аналогичным, но пока даже первые обладатели электрокаров не могут подтвердить или опровергнуть этот показатель.

С другой стороны, есть исследования, в которых отмечается умеренная потеря мощности батареи. В среднем блок теряет 5% мощностного потенциала на 80 тыс. км. Есть и другой показатель, свидетельствующий о том, что количество обращений пользователей электрокаров «Тесла» по причинам неполадок в аккумуляторном блоке сокращается по мере выхода новых модификаций.

Емкость батареи

С оценкой емкостного показателя аккумуляторов не все однозначно. По мере развития линейки эта характеристика проделала путь от 60 до 105 кВт*ч, если брать наиболее заметные версии. Соответственно, по официальным данным на текущий момент пиковая емкость аккумулятора «Тесла» составляет порядка 100 кВт*ч. Однако по результатам проверки первых владельцев электрокаров с таким оснащением выяснилось, что, к примеру, модификация на 85 кВт*ч фактически располагает объемом 77 кВт*ч.

Есть и обратные примеры, в которых обнаруживается превышение объема. Так, модель батареи на 100 кВт*ч при детальном исследовании оказалась наделенной емкостью в 102,4 кВт*ч. Также выявляются и нестыковки в определении количества активных элементов питания. В частности, имеют место расхождения в оценках количества ячеек батареи. Специалисты связывают это с тем, что аккумулятор «Тесла» постоянно модернизируется, вбирает новые улучшения и доработки. В самой компании отмечают, что ежегодно новые версии блока претерпевают изменения в архитектуре, электронных компонентах и системе охлаждения. Но в каждом случае деятельность инженеров ставит целью улучшение эксплуатационных качеств продукта.

Модификация PowerWall

Как уже говорилось, параллельно с линейкой автомобильных аккумуляторов компания «Тесла» развивает и сегмент накопителей энергии, предназначенных для бытовых нужд. Одной из последних и самых ярких разработок в этом сегменте стал тоже литий-ионный блок PowerWall. Его можно использовать и в качестве постоянного источника энергии для покрытия определенных энергетических задач и как резервный блок с функцией автономного генератора. Данный аккумулятор «Тесла» представлен в разных исполнениях, которые отличаются емкостью. Так, наиболее популярны модели на 7 и 10 кВт*ч .

Что касается эксплуатационных качеств, то мощностный потенциал составляет 3,3 кВт при напряжении 350–450 В и силе тока 9 А. Масса блока – 100 кг, поэтому о мобильности аккумулятора можно забыть. Хотя не стоит отметать возможность применения блока на даче в сезонное время. О повреждениях батареи при транспортировке волноваться не стоит, поскольку разработчики особое внимание уделяют физической защите корпуса. Единственное, что может огорчить новоиспеченного пользователя данной продукции «Тесла» — время зарядки аккумулятора, которое составляет порядка 10-18 ч в зависимости от версии накопителя.

Модификация PowerPack

Данная система базируется на элементах PowerWall, но предназначена для обслуживания предприятий. То есть речь идет о коммерческой версии энергетического накопителя, который поддается масштабированию и способен обеспечивать высокую производительность целевого объекта. Достаточно сказать, что объем батареи составляет 100 кВт, хотя и эта емкость не является максимальной. Разработчики предусмотрели гибкую систему объединения нескольких блоков с возможностью обеспечения от 500 кВт до 10 МВт.

Более того, и одиночные аккумуляторы PowerPack совершенствуются в своих эксплуатационных качествах. Не так давно было заявлено о появлении второго поколения коммерческого аккумулятора «Тесла» характеристики в плане мощности достигли уже 200 кВт, а КПД – 99%. Отличается данный резерв хранения энергии и технологическими свойствами.

Инженеры для обеспечения возможности расширения объема применили новый инвертор реверсивного типа. Благодаря этому новшеству увеличилась и мощность, и производительность блока. В ближайшее время компания планирует предложить и концепцию введения ячеек PowerPack в структуру вспомогательных солнечных элементов Solar Roof. Это даст возможность восполнять энергетический потенциал аккумулятора не через магистральные линии электроснабжения, а за счет бесплатной солнечной энергии в непрерывном режиме.

Где производится аккумулятор «Тесла»?

По заявлениям производителя, литий-ионные батареи изготавливает его собственная фабрика Gigafactory. Причем сам процесс сборки реализуется совместно с фирмой Panasonic. К слову, и комплектующие для аккумуляторных сегментов также поставляет японская компания. На мощностях Gigafactory, в частности, выпускается новейшая серия питающих блоков, предназначенных для третьего поколения электрокаров Model. По некоторым расчетам, совокупность объема выпускаемых батарей на максимальном производственном цикле должна составить 35 ГВт*ч в год. Для сравнения, этот объем занимает половину от всех мощностей выпускаемых в мире элементов питания. Обслуживать столь высокий потенциал будут 6500 работников предприятия, хотя в будущем планируется создать еще порядка 20 тыс. рабочих мест.

При этом надо отметить, что аккумулятор «Тесла» модель S имеет высокую степень защиты от взлома, что практически минимизирует риски появления на рынке контрафактных аналогов. К тому же и сам процесс изготовления предполагает участие высокоточных роботизированных агрегатов. Очевидно, что повторить технологию сегодня способны только корпорации такого же уровня, как и «Тесла». Впрочем, заинтересованным фирмам это и не нужно, так как они занимаются собственными разработками в этом направлении.

Читать еще:  Сцепление, стоит ли его менять если оно не проскальзывает

Стоимость аккумуляторов

Цены на аккумуляторы фирмы «Тесла» также регулярно меняются, что связано с удешевлением технологий производства и выходом все новых компонентов с более высокими эксплуатационными характеристиками. Еще несколько лет назад батарею для электрокара Model S можно было приобрести за 45 000$. На данный момент элементы стоят 3 000-5 000$. Аналогичные ценники распространяются на устройства для домашнего использования PowerWall. А вот самым дорогим является коммерческий аккумулятор «Тесла», цена которого составляет 25 000$. Но и это касается лишь версии первого поколения.

Аналоги от конкурентов

Как уже отмечалось, «Тесла» не является монополистом в сегменте. На рынке немало аналогичных предложений, которые могут быть менее известны, но по характеристикам вполне конкурентоспособны. Так, альтернативу системе PowerWall предлагает корейская фирма LG, разработавшая элементы Chem RESU. Блок емкостью 6,5 кВт*ч оценивается в 4 000$. Накопители с диапазоном 6-23 кВт*ч предлагает Sunverge. Этот продукт отличается возможностью мониторинга заряда и подключением к солнечным панелям. Его стоимость варьируется в среднем от 10 000$ до 20 000$. Фирма ElectrIQ предлагает домашние энергетические накопители емкостным потенциалом 10 кВт*ч. Блок стоит 13 000$, однако в эту стоимость входит также инвертор.

Осваивают инновационное направление и другие автомобильные производители, которые еще плотнее теснят на рынке аккумулятор «Тесла» в разных модификациях. Среди конкурентов этого звена особенно отмечаются Nissan и Mercedes. В первом случае предлагается линейка аккумуляторов XStorage емкостью 4,2 кВт*ч. К особенностям этих элементов стоит отнести высокую степень экологической безопасности, что укладывается в требованиях новейших европейских стандартов производства автомобилей. В свою очередь, Mercedes выпускает небольшие элементы по 2,5 кВт*ч, но их можно объединять в более производительные блоки, мощность которых достигает 20 кВт*ч.

В заключение

Производитель «Тесла», безусловно, является самым популярным разработчиком инновационных систем энергоснабжения и экологического автотранспорта. Но, открывая новые горизонты в мире технологий, и эта фирма сталкивается с серьезными препятствиями. В частности электрокары Tesla Model S с литий-ионными батареями регулярно критикуются специалистами за недостаточно высокую безопасность в плане защиты от возгораний элементов питания. Хотя в последних версиях инженеры сделали существенные доработки в этом отношении.

По-прежнему сохраняется и проблема недоступности аккумуляторов для массового потребителя. И если с бытовыми накопителями эта ситуация меняется за счет удешевления элементов, то идея сопряжения блоков с солнечными панелями пока не может быть успешной на рынке из-за высокой стоимости. Возможности аккумуляции бесплатной энергии наиболее перспективны и выгодны для пользователей, но приобретение таких систем не по силам большинству даже заинтересованных потребителей. Это же касается и других направлений, в которых предполагается задействование альтернативных источников энергии. Принцип их работы дает массу преимуществ, но достигаются они только за счет сложного высокотехнологичного оборудования.

Устройство аккумулятора Тесла и его разновидности

Американская компания Tesla Motors некоторое время назад произвела настоящую революцию в сфере производства электромобилей. Им удалось наладить серийное производство экологически чистых транспортных средств. Причём топовые модели Tesla имели динамические характеристики, сравнимые с бензиновыми суперкарами. Электромобили объединили в себе передовые разработки инженеров компании, в числе которых была и технология создания тяговых аккумуляторных батарей. Именно об аккумуляторах для Тесла и пойдёт речь в этой статье. Мы рассмотрим, какие АКБ устанавливались и устанавливаются на американские электромобили, а также их устройство.

Разновидности аккумуляторных батарей на электромобилях Тесла

С момента запуска серийной сборки Model S, а затем и Model X, на эти электромобили устанавливались батареи, ёмкость которых лежала в диапазоне 40─100 кВтч. Они состояли 8, 12, 16 секций. Секция, в свою очередь, состоит из большого количества соединённых между собой литиевых элементов. Сначала использовались аккумуляторные элементы форм-фактора 18650 производства Panasonic. Позднее стали использовать аккумуляторные батареи форм-фактора 21700.

Требования к этим аккумуляторам в Tesla предъявляют довольно жёсткие, и компания Panasonic в качестве поставщика была выбрана не случайно. Японский производитель смог обеспечить выпуск качественных элементов, выдерживающих серьёзные нагрузки.

На изображениях ниже можно посмотреть схематическое устройство силовой части электромобиля Tesla.

Как уже было сказано, аккумуляторная батарея состоит из нескольких блоков, которые в свою очередь делятся на много отдельных аккумуляторных элементов. Это схематично показано на рисунке ниже.

Какие виды аккумуляторов для Tesla выпускались?

40 кВтч. Эти тяговые АКБ были двух типов: из 8 и 12 модулей. Первые были сделаны на базе батареи для модели Тойота RAV4 EV. Аккумулятор из 12 блоков имел номинал 60 кВтч, но программно был ограничен на отметке 40 кВтч. Выпуск этих моделей был довольно быстро прекращён из-за низкого спроса на Tesla Model S 40 кВтч.

60 кВтч. Выпускались модификации с 12 или 16 секциями. Первые использовались на Model S40. Модификация с 16 модулями представляла собой модифицированный вариант, который выпускался с обозначением «New».

70/75 кВтч. Эти модели использовались на Model S60 (S60D), S70 (S70D), S75 (S75D). Для S60 использовались модификации с номиналом 60 кВтч, имеющие на 77 аккумуляторных элементов меньше, чем в моделях S70. В последних все модели были загружены целиком.

85/90 кВтч. Модификации номиналом 85 и 90 кВтч (и 100 также) состоят из 16 модулей. Каждый из них имеет в своём составе 444 литиевых элемента и плату управления, управляющую их зарядом, разрядом и балансировкой. Наиболее популярным аккумулятором для Tesla стал 85 кВтч, имеющий в своём составе 7104 элементом форм-фактора 18650.

Специалисты Panasonic в 2015 году усовершенствовали конструкцию анода литиевых аккумуляторных элементов, в результате чего ёмкость аккумулятора увеличилась на 6 процентов. Так появились АКБ с номиналом 90 кВтч.

100 кВтч. Это наиболее мощная версия. Инженеры Tesla изменили внутреннюю конфигурацию аккумуляторной батареи и в каждом модуле разместили 516 элементов 18650. В результате всего в АКБ разместились 8256 штук. Запасённая энергия составила более 100 кВтч. Электромобиль на таком аккумуляторе пробегает около 500 км. Токоотдача составила 25C.

Это стало наилучшим результатом. Но специалисты на этом не остановились и исследования продолжаются. Для повышения эффективности АКБ и уменьшения издержек Tesla возвели в населённом пункте Спаркс (штат Невада) крупный аккумуляторный завод, получивший название Gigafactory 1.

По данным некоторых зарубежных изданий на фабрике Gigafactory 1 запустили сборку АКБ для электромобилей Tesla с использованием элементов форм-фактора 21700. Диаметр этих цилиндрических аккумуляторов 21 мм, а длина 70 мм.

Их сначала применяли в батареях Tesla Powerpack и Powerwall, а затем в новом Model 3. Этот седан уступает по размерам Model S. Сообщается, что энергоэффективность 21700 выше 18650 на 10─15 процентов. При этом объём запасаемой энергии выше на 46 процентов.

Предприятие Gigafactory выпускает литий-ионные аккумуляторные батареи на основе сотрудничества Tesla Motors и Panasonic. Японская компания уже длительное время работает с американским производителем электромобилей и вложили в их предприятие Solar Roof миллиард долларов. Около двух лет назад появлялись сообщения о том, что фабрика Gigafactory вышла на ежегодный объём производства аккумуляторных батарей 30─35 ГВтч в год.

На вышеупомянутом предприятии работает больше 6 тысяч человек и планируется значительное расширение штата. Строительство завода обошлось в сумму около 5 млрд долларов США.
Вернуться к содержанию

Что внутри?

Поскольку электромобиль Tesla является весьма дорогим транспортным средством, не каждый владелец может позволить себе распотрошить на камеру его аккумуляторную батарею. Кстати, стоимость аккумулятора составляет 40─50 тысяч $. Но такие энтузиасты нашлись. Несколько лет назад на просторах англоязычного интернета появились фотографии разбора модели 85 кВтч.

Внутри можно обнаружить 16 модулей, соединённых параллельно. От попадания влаги и просто внешнего воздействия сделана защита в виде пластин из металла и пластиковых вставок. На фото можно видеть, как измеряют напряжение.

Сами аккумуляторы находятся близко друг к другу в специальных ячейках. Укладка осуществляется в автоматическом режиме промышленным роботом.

В модулях аккумуляторные элементы также подразделяются на группы по 74 элемента. Их работой управляют электронные платы, которые с натяжкой можно назвать аналогом BMS плат для аккумуляторов ноутбуков. Всего в АКБ 85 кВтч 7104 литий-ионных аккумуляторных элементов. Предусмотрена жидкостная система охлаждения.

Номинальное напряжение одного элемента составляет 3,6 вольта. При производстве отрицательного электрода используется никель, кобальт, оксид алюминия (LiNiCoAlO₂ в процентном отношении никеля ─ 80, кобальта ─ 15, алюминия ─ 5 процентов), а для изготовления положительного электрода применяется графит. Производство самих Panasonic 18650 выполняется в различных странах, среди которых Китай, Индия и др. Однако финальная проверка и сборка выполняется на предприятии Tesla в США.

Общий вес аккумуляторной батареи 85 кВтч составляет 540 кг. Габариты представлены ниже.

Позднее в общем доступе появились изображения разобранной АКБ, сделанные Джейсоном Хьюзом, одним из владельцев Tesla. На этот раз аккумуляторная батарея заявленная мощность была 100 кВтч.

Как удалось выяснить Хьюзу, реальная ёмкость батареи составила 102,4 кВтч. Чтобы выяснить реальные характеристики этой модели, он получил доступ в систему управлении питанием электромобиля. Он хотел проверить утверждения представителей Tesla о том, что батарея претерпела серьёзную модернизацию. В частности, сообщалось об обновлении архитектуры, системы охлаждения и электронной начинке.

Читать еще:  Микроавтобусы «Соболь-Бизнес. Разница между соболем и баргузином

Хьюзу удалось выяснить, что теперь в одном модуле АКБ находится 516 элементов, а суммарное количество составляет 8256 штук. По сравнению с предшествующими моделями 85/90 кВтч увеличение составило около 16 процентов. В модуль, по его словам, добавили несколько рядов для элементов. Контуры охлаждения стали более тонкими и короткими (в модуле два). В результате хладагент забирает тепло от меньшего количества элементов.

Новые аккумуляторы сохранили совместимость с различными модификациями Tesla Model X и Model S. Кроме того, по словам представителей компании, новые решения, реализованные в батарее, позволили им выпустить Model 3. Хьюз показал, что конструкция подключения охлаждающей системы, а также разъёма кабелей высокого и низкого напряжения осталась прежней. Как видно на фотографиях, коннекторы можно без проблем заменить.
Вернуться к содержанию

Направление развития

Новые электромобили Tesla Model 3 имеют запас хода более 300 км. Информация о развитии будущих аккумуляторных батарей для Тесла в основном непроверенная. Были сообщения, что при сборке будут использовать литиевые элементы стандарта 21700 (диаметр 21 мм, длина 70 мм). Стоимость этих батарей будет немногим более 110$ за 1 кВт. По сравнению с альтернативными решениями это довольно дёшево. В модуль будут входить 4 базовых элемента с охлаждающим контуром, а вокруг них будут располагаться литиевые элементы 21700.

Химический состав: LiNiCoAlO2 (литий-никель-кобальт-оксид алюминия c 80% никеля, 15% кобальта, 5% алюминия). Представители Tesla называют такой состав главным преимуществом их АКБ по сравнению с другими решениями. В частности, по их утверждению, на Model 3 устанавливаются батареи с наивысшей плотностью энергии из всех возможных.

Это было достигнуто благодаря существенному снижению содержания кобальта в катодной химии и увеличении объёма никеля. Им удалось сохранить отличные показатели температурной стабильности. По непроверенной информации, содержание никеля, марганца и кобальта в катоде будет в соотношении 8:1:1.

Сведения об этом содержались в отчёте компания Тесла за I квартал 2018 года. Илон Маск и технический директор Tesla Дж. Б. Страубель не раз заявляли, что направляют большие усилия для сокращения потребления кобальта. Это необходимо, чтобы сократить суммарные затраты на 1 кВт-ч при производстве батарей. Ведь кобальт является одним из наиболее дорогостоящих компонентов, используемых в производстве аккумуляторов для электромобилей Тесла. Как показывают данные OilPrice, его стоимость превышает 90 тысяч долларов за тонну.

В то же время, конкурирующие с Tesla компании из Японии, Германии, США, Южной Кореи пока отстают по технологии производства аккумуляторных батарей. За счёт них ещё некоторое время поставщики кобальта будут сохранять объёмы сбыта и компенсируют потери закупок со стороны Тесла.
Вернуться к содержанию

Зарядка и деградация аккумуляторов

Что касается деградации аккумуляторных батарей, то последние модели Тесла демонстрируют потерю ёмкости на 10% после пробега 160 тысяч миль (чуть менее 260 тыс. км). Как показывают исследования, большинство аккумуляторов теряют 5% своей ёмкости за первые 80 тыс. км. После этого ёмкость выравнивается и деградация существенно замедляется.

Одно из ключевых требований к АКБ электромобилей заключается в том, чтобы они могли заряжаться быстро. Особенно это чувствительно, если вы находитесь в пути. Бытовая электросеть переменного тока 240 вольт способна заржать аккумуляторы с помощью ЗУ мощностью 10 кВт. В электромобиле имеется схема, выпрямляющая переменный ток. Благодаря схеме он превращается в постоянный ток. Подобный вариант для полного заряда требует несколько часов и подходит, если электромобиль стоит у вас дома или в гараже ночью.

Чтобы решить проблему зарядки в пути, Tesla установили зарядные станции постоянного тока Supercharger по всему миру. Они обеспечивают мощность до 135 кВт. DC заряжает аккумулятор в обход схемы зарядки. В результате на заряд батареи уходит 20─40 минут.

Из-за этих ограничений возникает верхний предел мощности зарядного устройства, которое можно использовать для зарядки аккумуляторов. Максимальная мощность вычисляется по формуле 4,2 * N * I. Здесь N означает число элементов в блоке, а I — это максимально разрешённый ток на один элемент. Для используемых в Tesla аккумуляторах значения получаются следующие.

  • 85/90 кВтч. Мощность = 7104 х 16,8 (4,2*4) = 119,3 кВт.
  • 100 кВтч. Мощность 8256 Х 16,8 = 138,7 кВт.

Дальнейшее увеличение мощности зарядки возможно лишь при наращивании зарядного тока. Но это ускорит деградацию литиевых элементов. Гарантию компания Tesla обеспечивает от отказа и поломок, но не от деградации. Но работа элементов обеспечивается таким образом, что деградация идёт всего лишь на 1─2% в год.
Вернуться к содержанию

Автономный электротранспорт

Научно-популярный журнал

Устройство аккумуляторной батареи Tesla Model S

В нашей недавней статье мы частично рассмотрели конфигурацию аккумуляторной батареи Tesla Model S емкостью 85 кВт*ч. Напомним, основным элементом батареи является литий-ионная аккумуляторная ячейка компании Panasonic, 3400 mAh, 3,7 V.

Ячейка Panasonic, типоразмер 18650

На рисунке показана типовая ячейка. Реально в Тесле ячейки немного модифицированы.

Данные ячейки параллельно соединяются в группы по 74 шт. При параллельном соединении напряжение группы равно напряжению каждого из элементов (4,2 В), а емкость группы равна сумме емкостей элементов (250 Ач).

Далее шесть групп соединяются последовательно в модуль. При этом напряжение модуля суммируется из напряжений групп и равняется примерно 25 В (4,2 В*6 групп). Емкость остается 250 Ач. Наконец, модули соединяются последовательно в батарею. Всего батарея содержит 16 модулей (итого 96 групп). Напряжение всех модулей при этом суммируется и составляет в итоге 400 В (16 модулей * 25 В).

В качестве нагрузки для данной батареи выступает асинхронный электропривод максимальной мощностью 310 кВт. Поскольку P=U*I, в номинальном режиме при напряжении 400 В в цепи протекает ток I=P/U=310000/400=775 А. На первый взгляд может показаться, что это сумасшедший ток для такой «батарейки». Однако, не стоит забывать, что при параллельном соединении по первому закону Кирхгофа I=I1+I2+…In, где n — число параллельных ветвей. В нашем случае n=74. Поскольку внутри группы внутренние сопротивления ячеек мы считаем условно равными, то и токи в них будут одинаковыми. Соответственно, непосредственно через ячейку протекает ток In=I/n=775/74=10,5 А.

Много это или мало? Хорошо или плохо? Для того чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к разрядной характеристике литий-ионного аккумулятора. Американские народные умельцы, разобрав батарею, провели ряд испытаний. В частности, на рисунке приведены осциллограммы напряжений при разряде ячейки, взятой из реальной Tesla Model S, токами: 1А, 3А, 10А.

Разрядная характеристика аккумуляторной ячейки Tesla Model S

Всплеск на кривой 10 А обусловлен ручным переключением нагрузки на 3А. Автор эксперимента решал параллельно еще одну задачу, мы на ней останавливаться не будем.

Как видно из рисунка, разряд током в 10 А вполне удовлетворяет требованиям по напряжению ячейки. Этот режим соответствует разряду по кривой 3C. Следует отметить, что мы взяли самый критичный случай, когда мощность двигателя максимальна. Реально, с учетом очень грамотной организации механической части, использования двухмоторного привода с оптимальным передаточным числом редукторов, автомобиль будет работать с разрядом 2…4 А (1С). Лишь в моменты очень резкого разгона, при езде в гору на высокой скорости, ток ячейки может достигать в пике 12…14 А.

Какие еще преимущества это дает? Для данной нагрузки в случае постоянного тока сечение медного проводника можно выбрать 2 мм.кв. Tesla Motors убивает здесь двух зайцев. Все соединительные проводники выполняют еще и функцию предохранителей. Соответственно, нет необходимости использовать дорогую систему защиты, дополнительно использовать плавкие предохранители. Сами соединительные проводники в случае перегрузки по току за счет малого сечения плавятся и предотвращают аварийную ситуацию. Подробнее об этом мы писали здесь.

На рисунке проводники 507 и есть те самые соединители.

Наконец, рассмотрим последний вопрос, волнующий умы современности, и вызывающий волну споров. Почему Тесла использует именно литий-ионные аккумуляторы?

Сразу оговорюсь, что конкретно в этом вопросе я выскажу своё, субъективное мнение. С ним можно не соглашаться)

Проведем сравнительный анализ разных типов аккумуляторов.

Батарея “Теслы”: устройство, характеристики, применение

Батарея “Теслы” известна всему миру, благодаря прорыву компании в сфере электромобилей. Идея не нова и осваивается много лет ведущими автомобильными фирмами. Однако американские конструкторы смогли оптимизировать данное направление, принимая во внимание интересы потребителя. В большой степени это стало возможным за счет инновационных систем энергоснабжения, ориентированных на полную замену привычных моторов внутреннего сгорания. Рассмотрим особенности и разновидности данного накопителя.

Применение

Разработка принципиально новых видов аккумуляторов типа li-ion обусловлена задачами повышения эксплуатационных показателей электрокаров. В связи с этим базовая линейка модели Tesla S ориентирована на обеспечение транспортного средства инновационными источниками питания. Особенностью литиево-ионных батарей стало внедрение комбинированного режима работы, в котором допускается чередование подачи энергии от двигателя внутреннего сгорания и АБ. При этом инженеры компании продолжают разработку машин, полностью независимых от привычного вида горючего.

Стоит отметить, что инженеры не ограничиваются исключительно созданием питающих элементов для автомобильного транспорта. Уже выпущено несколько версия аккумуляторных батарей “Теслы” для бытовой и коммерческой эксплуатации. Если вариант для электрокара нацелен на поддерживание работы ходовых приспособлений и бортовой электроники, то стационарные накопительные модификации позиционируются, как автономные источники электроэнергии. Возможности указанных элементов позволяют использовать их для обслуживания домашней техники. Дополнительно ведутся исследования по аккумуляции солнечной энергии. Работы пока находятся на этапе разработки.

Устройство

Аккумуляторные батареи “Теслы” обладают уникальной структурой и способом размещения активных компонентов. Основным отличием от аналогом является литиево-ионная конфигурация. Подобные элементы применяются в конструкции мобильных приборов и электрического инструмента. В качестве АБ для автомобилей их впервые использовали инженеры фирмы “Тесла”. Весь блок делится на 74 отсека, внешне напоминающие пальчиковые батарейки. В зависимости от конфигурации аккумулятора, он включает в конструкцию от 6 до 16 сегментов. Положительный заряд поступает от графитового электрода, отрицательный момент создают несколько химических компонентов, включая никель, кобальт и оксид алюминия.

Читать еще:  У кого есть размеры трубчатого съемника шестерни на 157qmj

В машину АКБ Tesla интегрируются посредством фиксации на донной части транспортного средства. Подобное расположение обеспечивает заниженный центр тяжести электромобиля, повышая управляемость. В качестве крепежа используются специальные кронштейны. В настоящее время подобных решений не так много, поэтому часто сравнивают указанную деталь с традиционной аккумуляторной батареей.

Важные моменты касаются безопасности и способа размещения. Первый фактор гарантируется за счет высокопрочного корпуса, в котором монтируется батарея. Кроме того, каждый блок оснащается ограждением в виде металлических пластин. При этом выполняется изоляция не всей внутренней части, а каждого элемента отдельно. Также нужно отметить наличие накладки из пластика, предотвращающей попадание внутрь воды.

  1. АБ.
  2. Преобразователь.
  3. Высоковольтная проводка.
  4. Основное зарядное приспособление.
  5. Дополнительная “зарядка”.
  6. Разъем.
  7. Модуль.

Характеристики батареи “Тесла”

Самая мощная вариация АБ для электрического автомобиля состоит из 7104 маленьких батарей. Ниже приведены параметры указанного элемента:

  • Длина/толщина/ширина – 2100/150/1500 мм.
  • Показатель электрического напряжения – 3,6 В.
  • Объем питания, вырабатываемый одной секцией, идентичен потенциальным показателям ста персональных компьютеров.
  • Вес батарей “Теслы” – 540 кг.
  • Время проезда на одном заряде на среднем элементе силой 85 кВт/ч – около 400 км.
  • Набор скорости до 100 км/час – 4,4 секунды.

При указанных характеристиках возникает резонный вопрос, насколько долговечны указанные конструкции, ведь высокая производительность предполагает интенсивный износ активных деталей. Следует отметить, что производитель на свою продукцию дает восемь лет гарантии. Скорее всего, рабочий ресурс рассматриваемых АБ будет таким же.

Пока владельцы электрических машин не могут подтвердить либо опровергнуть данный факт. Кроме того, имеются результаты исследований, которые гласят о том, что параметр мощности аккумулятора отличается ее умеренной потерей. В среднем этот показатель составляет порядка 5 % на 80 тысяч километров. Имеются и другие факты, свидетельствующие о том, что владельцы указанного транспортного средства по поводу неполадок в батарейном отсеке обращаются все реже, по мере выхода новых моделей.

Емкость батареи “Теслы” (модель S)

Оценивать емкостную характеристику аккумуляторов необходимо с учетом развития производства. На протяжении совершенствования линейки показатель варьировался от 60 до 105 кВт/ч. Официальная информация свидетельствует о том, что пиковая емкость аккумулятора составляет около 100 кВт/ч. Как свидетельствуют отзывы владельцев, реальный параметр будет несколько ниже. Например, батарея “Теслы” на 85 кВт, фактически выдает не более 77 кВт.

В истории приводятся и обратные примеры, подтверждающие превышение объема. Известны случаи, когда 100-киловаттная АБ наделялись емкостью порядка 102 кВт. Время от времени обнаруживаются противоречия в определении активных питающих компонентов. Преимущественно, расхождения наблюдаются в оценках числа ячеек блока. Связано это с тем, что аккумулятор постоянно модернизируется и дорабатывается, оснащаясь инновационными элементами.

Компания–изготовитель утверждает, что каждый год обновленные модификации претерпевают трансформации в электронных деталях, охладительной системе, архитектуре. Конечная задача конструкторов – достижение максимально возможных качественных характеристик изделия.

Версия «Пауэр Волл» (Power Wall)

Как уже упоминалось ранее, наряду с выпуском аккумуляторов автомобиля “Тесла”, компания производит бытовые версии накопителей энергии. Одной из продуктивных и последних модификаций стал литиево-ионный вариант Power Wall. Он предназначен для выработки энергии в качестве постоянного источника либо эксплуатируется, как резервная конструкция по типу автономного генератора. Модель представлена в нескольких вариациях, отличающихся емкостью и служащих для выполнения определенных энергетических задач. Самыми популярными версиями являются установки на 7 и 10 кВт/ч.

Касательно эксплуатационных параметров, можно отметить, что «Пауэр Волл» обладает мощностью 3,3 кВт с рабочим напряжением 350-450 ватт, сила тока – 9 А. Вес конструкции составляет 100 килограмм, следовательно, о ее мобильности речи не идет. Однако в качестве варианта, например, для дачи в летнее время блок вполне подходит. Транспортируется узел без проблем, поскольку конструкторы большое внимание уделяют механической защите корпусной части. К определенным недостаткам можно отнести длительный период зарядки аккумулятора (12-18 часов), в зависимости от модификации накопителя.

Модель «Пауэр Пак» (Power Pack)

Указанная система основана на предыдущей версии, однако ориентирована на коммерческое предназначение. Это означает, что такая батарея “Теслы” используется для обслуживания предприятий. Она представляет собой энергетический накопитель, поддающийся масштабированию и обеспечивающий повышенную производительность системы на целевом объекте. Следует отметить, что объем аккумулятора составляет 100 кВт, при этом указанная емкость не относится к максимальному показателю. Инженеры предусмотрели гибкую конструкцию агрегации нескольких установок с возможностью получения значения от 500 кВт до 10 МВт.

Одиночные модификации также модернизируются в плане качества эксплуатации. Уже поступила официальная информация о появлении второй генерации коммерческих АБ, у которых параметр мощности составил 200 кВт, а коэффициент полезного действия приблизился к 99 %. Указанный накопитель энергии отличается технологическими показателями. Чтобы расширить объем, разработчики использовали реверсивный инвертор.

Указанное новшество дало возможность повысить одновременно мощность и производительность системы. В планах компании разработка и внедрение ячеек «Пауэр Пак» в конструкцию дополнительных солнечных компонентов типа Solar Roof. Такой подход позволяет возобновлять энергетический потенциал батареи не через специальные магистрали, а посредством бесплатного солнечного потока в непрерывном режиме.

Производственные мощности

Как утверждает сам производитель, инновационные аккумуляторы изготавливаются на собственном комбинате Tesla Gigafactory. Сборочная процедура организована при участии представителей фирмы «Панасоник» (поставка комплектующих элементов для сегментов блоков). На указанном предприятии производятся новейшие конструкции питающих систем, ориентированных на третью генерацию электрических автомобилей Model.

Предполагается, что совокупность числа выпускаемых изделий на предельном производственном цикле составит до 35 ГВт/ч. Стоит подчеркнуть, что указанный объем являет половину от всех параметров элементов питания, выпускаемых в мире. Текущее обслуживание осуществляется коллективом из 6,5 тысяч человек. В дальнейшем планируется дополнительно создать еще 20 тысяч рабочих мест.

Среди особенностей отмечают высокую степень защиты от взлома аккумуляторной батареи. Это нивелирует возможные риски наполнения рынка контрафактными вариациями. Кроме того, сама процедура производства предполагает участие в процессе высокоточной роботизированной техники. Нет сомнений, что отобразить все технологические производственные нюансы в нынешнее время способны только корпорации уровня “Теслы”. Большинство заинтересованных организаций не нуждаются в плагиате, поскольку интенсивно ведут собственные разработки.

Ценовая политика

Стоимость батареи “Теслы” также постоянно варьируется по причине удешевления производственных технологий и в связи с выходом обновленных комплектующих элементов с повышенными эксплуатационными параметрами. Два-три года назад рассматриваемый тип накопительного приспособления продавался в пределах 45 тысяч долларов (около 3 млн рублей). Сейчас блоки имеют цену порядка пяти тысяч долларов (330 000 рублей).

Примерно такая же стоимость у домашних аналогов конфигурации «Пауэр Волл». К самым дорогим версиям причисляют коммерческую аккумуляторную батарею. Например, первое поколение указанного прибора можно приобрести за 20-25000 $ (примерно 1 327 000 – 1 650 000 рублей).

Конкурирующие модификации

Компания “Тесла” не является монополистом по выпуску li-ion аккумуляторов. Несмотря на то, что на рынке другие марки не так известны, их параметры вполне конкурентноспособны. Среди популярных представителей:

  • Корейская корпорация LG производит накопители Chem Resu, являющиеся аналогами тесловских PowerWall (система объемом 6,5 кВт/ч стоит около 4 тысяч долларов или 265 000 рублей).
  • Продукт от Sunverge обладает диапазоном мощности от 6 до 23 кВт/ч, отличается возможностью мониторинга заряда и подсоединения к солнечным панелям (цена составляет 10-20 тысяч долларов или 665 000 – 1 327 000 рублей).
  • компания ElectrIQ реализует бытовые накопительные аккумуляторы емкостью 10 кВт/ч (вместе с инвертором изделие обойдется в 13000 долларов или в 865 000 рублей).
  • Среди автомобильных конкурентов выделяются такие фирмы, как «Ниссан», «Мерседес».

У первого автогиганта изготавливается серия аккумуляторных батарей типа XStorage (рабочий объем – 4,2 кВт/ч). К нюансам указанной модификации причисляют высокий уровень экологической безопасности, полностью соответствующий мировым стандартам по выпуску легковых машин. У «Мерседеса» изготавливаются компактные версии по 2,5 кВт/ч. При этом их можно объединять в увеличенные производительные системы емкостью 20 кВт/ч.

Особенности

Батареи электромобиля “Тесла” и их бытовые аналоги для массового потребителя не очень доступны. С системами «Пауэр Волл» ситуация несколько меняется за счет удешевления компонентов. А вот идея агрегации с блоками солнечных панелей пока успешно не может быть реализована по причине высокой стоимости. Бесспорно, возможность аккумуляции бесплатного источника энергии выгодна для потребителей, однако покупка подобных конструкций не по карману большинству заинтересованных пользователей.

Похожая история и с другими альтернативными накопителями, принцип работы и использование которых дает массу плюсов, но требует применения высокотехнологичных приспособлений и устройств.

На рынке аккумуляторов для электрокаров, “Тесла” является безусловным лидером. Во многом это связано с использованием в производстве экологически чистого транспорта инновационного оборудования. При этом инженеры ведущей компании сталкиваются с определенными препятствиями. Например, серию Model S с литиево-ионными элементами критикуют за слабую защиту, касательно возгорания питающих элементов.

Однако конструкторы постоянно усовершенствуют свои модели и конструктивно относятся к критике. Например, после единственного за всю историю эксплуатации электромобилей возгорания АБ на машины стали устанавливать полый алюминиевый брус (для защиты от препятствий на дорожном покрытии), щит из прессованного алюминия и титановую плиту. Все, кто купил машины до этого усовершенствования, предложено бесплатно их доукомплектовать на станциях ТО.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector