Потеря емкости батареи в ходе эксплуатации – одна из проблем электромобилей, несмотря на то, что этот процесс является нормой для любых устройств, оснащенных литий-ионными аккумуляторами. Однако эксперты организации Plug-in America установили, что электромобиль в этом отношении – исключение.

Так, они провели независимое исследование , которое показало, что потеря мощности батареи Model S даже при длительном пробеге является небольшой. В частности, блок аккумуляторов этого автомобиля в среднем теряет 5% своей мощности после преодоления машиной отметки в 50 тыс. миль (80 тыс. км), а при пробеге более 100 тыс. миль (160 тыс. км) – и вовсе менее 8%. Исследование было проведено на основе данных 500 электрокаров Tesla Model S, суммарный пробег которых составил более 12 млн миль (20 млн км).

Кроме того, Plug-in America провела еще одно исследование, которое показало, что за четыре года (с момента выхода Tesla Model S на рынок) в разы сократилось количество обращений на сервисные станции «Тесла» из-за проблем с аккумулятором, электродвигателем или зарядным устройством.

Емкость батареи может зависеть от нескольких факторов, таких как частота полной зарядки емкости, периоды времени пребывания в незаряженном состоянии и количество быстрых зарядок. Данные Plugin America также показывают, что коэффициенты замещения для основных компонентов значительно улучшились:

Такие данные обнадеживают, но несмотря на это Тесла продолжает работать над улучшением своей аккумуляторной батареи и технологий ячеек. Компания начала научное сотрудничество с исследовательской группой Jeff Dahn университета Далхаузи. Этот отдел специализируется на увеличении срока службы ячеек литий-ионных аккумуляторов, а его целью является максимальное продление пробега на батарее с небольшой потерей мощности.

Отметим, что батарея Tesla Model S, равно как и сам автомобиль с 2014 года имеет гарантию сроком на 8 лет и без ограничений на пробег. Тогда глава Tesla Илон Маск объяснил принятие такого решения так: «Если мы действительно верим, что электромоторы гораздо надежнее двигателей внутреннего сгорания, с меньшим количеством движущихся частей… то наша гарантийная политика должна отражать это».

В конце апреля компания Tesla представила аккумуляторы для дома. Что это: очередная революция от американской корпорации или логичное звено на пути к построению умного и независимого дома? Давайте разберемся вместе.

Илона Маска по-праву можно назвать революционером в мире технологий. Еще 10 лет назад мало кто верил в то, что электромобили попадут на массовый рынок, а уже сегодня Tesla Model S – седан, которым не прочь был бы завладеть каждый автолюбитель. Альтернатива бензиновому двигателю была найдена давно, но вот «ломать целую индустрию» долго никто не решался.

Вопрос добычи и потребления электроэнергии в XXI веке стоит особо остро. Сегодня от нее в буквальном смысле зависит существование человечества. Традиционная классификация добычи энергии имеет два глобальных ответвления:

• добыча с использованием коммерческих источников : уголь, горючие сланцы, нефть, газ (по сути, именно они и являются основой современной энергетики, покрывая 90% суммарных запросов со стороны предприятий и населения), ядерные, гидро, геотермальные, солнечные, волновые и приливные станции.
• добыча с использование некоммерческих источников : сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила, дрова.

Несмотря на кризис топливных ресурсов, которым пестрили заголовки газет в начале 70-х годов, спустя почти 50 лет в принципах добычи электроэнергии мало что изменилось. Растет население, растет потенциальная необходимость в электроэнергии, а как следствие – все больше и больше загрязняется планета. И можно спорить о том, что наступит раньше – энергетический кризис или экологическая катастрофа, но лучшим выходом из данной ситуации является кардинальный пересмотр всей энергодобывающей отрасли и принципов обеспечения населения электроэнергией.

Энергия и инфраструктура Tesla

30 апреля Илон Маск презентует решение, которое должно благоприятно отразиться не только на окружающей среде, но и на кошельках потребителей. Tesla Powerwall заботится об окружающей среде, кардинально снижая выбросы углекислого газа и позволяет забыть о внушительных счетах за электроэнергию. С последним пунктом мы разберемся немного позже, а пока посмотрим на мир, который нам предлагает Tesla.

Идея накопления электроэнергии и автономное обеспечение домов – не новинка. Немало владельцев загородных коттеджей покрыли крыши своего жилья солнечными панелями, обеспечив питание с помощью свинцово-кислотных аккумуляторов . И вот первое преимущество Tesla Powerwall.

Количество рабочих циклов заряда-разряда у свинцово-кислотного аккумулятора едва достигает 800, в то время как литий-ионный может похвастать 1000-1200 циклами. По соотношению «вес-емкость» литий-ионный аккумулятор почти в 5 раз превосходит свинцово-кислотный. Именно это и позволило компании Tesla создать броский дизайн своей новой линейки продукции.

Дизайн и формфактор . Да, мнение о любом продукте у человека складывается от его внешнего вида. Скругленные края, минимальная толщина (по меркам конкурирующих продуктов) корпуса, наличие ассортимента цветовых решений. Даже не вникая в принципы работы Tesla Powerwall, начинаешь думать о том, как бы она дополнила ваш гараж. Tesla Powerwall крепится на стену и занимает минимум пространства.

Целостная экосистема . Представленные аккумуляторы Tesla Powerwall поставляются в двух модификациях емкостью 7 и 10 кВт*ч по цене в $3000 и $3500 соответственно. В случае, если потребитель ощущает явный недостаток емкости, он всегда может дополнить арсенал батарей покупкой еще одной, тем самым наращивая суммарную емкость вплоть до 90 кВт*ч (допускается подключение до 9 батарей). Подключение не требует досконального изучения принципов построения электросетей: один кабель решает все проблемы.

Решение для предприятий и бизнеса . Вместе с Powerwall был представлен и продукт, способный решить проблему обеспечения фабрик, заводов и целой промышленности – аккумуляторы Tesla Powerpack . Их особенность – способность бесконечного наращивания потенциальной емкости вплоть до нескольких Гигаватт*ч.

Планы по полной альтернативной электрификации. Илон Маск – человек, который привык мыслить глобально. Именно поэтому презентация аккумуляторов Tesla не преследует единственную цель по реализации продукта ограниченному кругу заинтересовавшихся пользователей. Речь идет о масштабной и тотальной электрификации всей планеты Земля с помощью аккумуляторов. Для обеспечения всей планеты энергией Tesla достаточной 900 миллионов батарей Powerpack.

Забота об экологии, полный отказ от производства электроэнергии, источником которой будут служить исчерпаемые природные ресурсы приводящие к выбросу вредных веществ в атмосферу и полная автономность любого, даже самого отдаленного уголка планеты – все это реалии уже сегодняшнего дня. Но до того момента, пока наступит (если наступит вообще) глобальный переход на электроэнергию, черпаемую от солнца, ветра, приливов и накапливаемую в аккумуляторы, потенциального покупателя интересует вопрос: выгодно ли приобретение Tesla Powerwall сегодня?

Сухие цифры

Итак, давайте посчитаем экономическую целесообразность приобретения инновационного продукта от Tesla. Стоит ли «овчинка выделки» и как поведет себя окупаемость в условиях России и США.

Условия рассчетов:

• примем ежесуточное потребление электроэнергии владельцем Tesla Powerwall равным 10 кВт , т.е. полной емкости батареи хватает на сутки потребления;
• стоимость Tesla Powerwall – $3 500 , что по курсу, актуальному на момент публикации данных расчетов составляет 175 000 рублей (с учетом округления и по курсу 50,01 руб за $1);
• к стоимости Tesla Powerwall прибавим необходимость покупки инвертора, стоимость которого составляет около $1500 – 75 000 руб;
• учтем потери при подключении Tesla Powerwall в цепочке аккумулятор – преобразователь тока – инвертор . Общий КПД системы составит 87% . Т.е. изначально потребителю доступны не 10 кВт*ч, а лишь 8,7.
• при двухзонной тарификации (тарифы «день/ночь») примем дневное потребление энергии на уровне 5 кВт*ч (57,5% от максимального ресурса Tesla Powerwall), а вечернее – на уровне 3,7 кВт*ч (42,5%).

Ситуация в США:

На территории США действует двухзонный тариф по оплате электроэнергии:

С 14:00 до 19:00 стоимость 1 кВт*ч электроэнергии составляет $0,2032 (10,16 руб).
C 19:00 до 14:00 стоимость резко падает до $0,0463 (2,31 руб) за 1 кВт*ч.

При потреблении 5 кВт*ч в дневное и 3,7 кВт*ч в «ночное» время ежесуточные расходы при использовании стандартной электросети составят:

5кВт*ч * 10,16 руб + 3,7кВт*ч * 2,31 руб = 50,82 руб + 8,54 руб = 59,36 руб/сутки.
59,34 руб * 365 дней = 21 659 руб в год.

Стандартная литий-ионная батарея теряет около 6% (0,6 кВт) своей первоначальной емкости (т.е. 10 кВт) в год. С каждым годом ее емкость будет сокращаться и уже спустя 3-4 года лишь одной Tesla Powerwall будет недостаточно. Вот примерные расчеты того, как поведет себя батарея с течением времени.

Годы эксплуатации: максимальный срок службы батареи составляет 15 лет.
Максимальная емкость: уменьшается на 6% (0,6 кВт) от первоначальной емкости каждый год.
Стоимость электроэнергии: рассчитана из соотношения дневных/ночных тарифов по указанным выше ценах.
Экономия: какую сумму позволяет сэкономить Tesla Powerwall в год.
Растраты на доп. энергию: мы условились, что ежесуточно потребляем 8,7 кВт. Недостающую электроэнергию (вызванную деградацией аккумулятора) компенсируем электросетью общего пользования.

За 15 лет использования, даже без учета растрат на дополнительную энергию, Tesla Powerwall не окупается . Если учесть, что стоимость кВт*часа электроэнергии на территории России ниже примерно на 60%, говорить о целесообразности такого приобретения вряд ли стоит. Напомню, что покупка комплекта Tesla Powerwall обошлась в 250 000 руб и это без учета солнечных панелей.

Размышления

Предложенное компанией Tesla энергонезависимое решение – это правильный взгляд в будущее без выбросов и беспощадного использования природных ресурсов. Увы, для конечного потребителя заявленная на Tesla Powerwall стоимость не станет экономически выгодным приобретением. К покупке аккумулятора потребуется прибавить «цену ладана и свечей» в виде солнечных панелей, преобразователя и инвертора, а деградация литий-ионных аккумуляторов попросту не позволит покрыть изначальные расходы . Но если вы готовы инвестировать в будущее, готовы сделать шаг навстречу «зеленой планете» и цена вопроса не является определяющей – время Tesla Powerwall для вас уже настало.

И не забываем, что утилизация любого аккумулятора тоже стоит денег. Порой немалых.

Новое поколение аккумуляторов Tesla разрабатывается в секретной зоне

Александр Климнов, фото Tesla и Teslarati.com

Сегодня компания Tesla Inc. весьма усердно работает над следующим поколением уже своих собственных аккумуляторных батарей. Они должны хранить значительно большее количество энергии и одновременно стать намного дешевле.

Новые аккумуляторные батареи могут начать применяться на перспективном пикапе Tesla (рисунок возможного облика пикапа, который по другим данным может стать и более брутальным, так как должен будет смести с рынка нынешний бестселлер Америки Ford F-series)

Калифорнийцы были теми, кто создал первые пригодные для серийного производства электромобилей энергоемкие литий-ионные аккумуляторные батареи, таким образом, кардинально нарастив их запас хода. В то время аккумуляторы модели Roadster – первенца марки Tesla, состояли из тысяч обычных пальчиковых аккумуляторов для ноутбуков, сейчас же для электромобилей литий-ионные аккумуляторы создаются специально. Сейчас их выпускают множество производителей, но передовая технология Tesla по-прежнему позволяет ей оставаться лидером в сегменте энергоемких АКБ. Однако в мировые СМИ начала просачиваться первая информация о следующем еще более мощном поколении батарей Tesla.

Технологический прорыв через поглощение бизнеса
Революционный скачок, с точки зрения развития конструкции аккумуляторов Tesla, вероятно произойдет благодаря приобретению Tesla Inc. фирмы Maxwell Technologies из Сан-Диего. Компания Maxwell производит суперконденсаторы (ионистеры) и активно исследует технологию твердотельных (сухих) электродов. По заявлению Maxwell при использовании данной технологии уже на прототипах батарей достигнута энергоемкость на уровне 300 Вт ч/кг. Задача на будущее – прорыв на уровень энергоемкости более 500 Вт ч/кг. Кроме того, себестоимость производства твердотельных аккумуляторов должна стать на 10-20% ниже, чем на используемые ныне компанией Tesla с жидким электролитом. Калифорнийская компания сообщила также еще об одном бонусе – прогнозируемом удвоении срока службы батареи. Таким образом, Tesla сможет достигнуть заветного 400-мильного (643,6 км) пробега своих электромобилей и достигнуть полной конкурентоспособности с обычными автомобилями по цене.

Новый суперкар Tesla Roadster 2020 года, сможет достигнуть заявленного запаса хода в 640 км только на принципиально новых аккумуляторах

Tesla запланировала собственное производство АКБ?
Немецкий сайт журнала Auto motor und sport сообщает об упорных слухах о развертывании Tesla собственного производства аккумуляторных батарей. До сих пор аккумуляторные элементы (ячейки) калифорнийцам поставлял японский производитель Panasonic – для Model S и Model X они импортируются напрямую из Японии, а для Model 3 ячейки производятся на предприятии Gigafactory 1 в американском штате Невада. Производством на Gigafactory 1 совместно управляют Panasonic и Tesla. Однако в последнее время это привело к огромным разногласиям, так как Panasonic, очевидно, был разочарован показателями продаж Tesla, а также опасался, что калифорнийцы не будут расширять данное производство аккумуляторов в будущем.

Интригой запуска компактной Tesla Model Y в 2020 году стал источник поступления аккумуляторов

В частности, ритмичная поставка аккумуляторов для анонсированной уже на осень 2020 года Model Y поставлена под сомнение генеральным директором Panasonic Казухиро Цуга. В настоящее время Panasonic вообще прекратила свои инвестиции в Gigafactory 1. Возможно, Tesla хочет стать независимой от японцев за счет освоения собственного производства аккумуляторных элементов.
Tesla на сегодня выступает лидером в области технологий аккумуляторов высокой емкости для электромобилей и калифорнийцы твердо намерены отстоять это свое принципиальное конкурентное преимущество. Решающим шагом может стать как раз покупка компании Maxwell Technologies, но это зависит от того, насколько специалистам по из Сан-Диего реально удалось продвинуться к выводу на рынок революционной технологии твердотельных аккумуляторов.

Если революционная технология твердотельных АКБ действительно состоится, то возможно, что и электротягач Tesla Semi станет бестселлером на грузовом рынке, как Model 3 на легковом

Пока что многие автопроизводители настраиваются на собственное производства аккумуляторных элементов. Похоже, что и Tesla хочет стать более независимой от своего поставщика Panasonic и поэтому также проводит исследования в данной области.
С появлением в достаточном количестве революционных высокоэнергоемких твердотельных аккумуляторов Tesla получит решительное преимущество на рынке и, наконец, выпустит давно обещанные ее владельцем Илоном Масков реально дешевые и «дальнобойные» электромобили, что вызовет лавинообразный рост рынка BEV.
По данным источников CNBC, секретная лаборатория Tesla размещена в отдельном здании неподалеку от завода Tesla во Фримонте (фото за заставке). Ранее проходили сообщения о закрытой «зоне-лаборатории», находившейся на втором этаже предприятия. Вероятно, нынешнее аккумуляторное подразделение – преемник той прежней лаборатории, но еще более засекреченное.

Действительного прорыва на автомобильном рынке Tesla сможет достигнуть только, если, ее линейка моделей станет еще более «дальнобойной» при значительном снижении цены

По данным аналитиков IHS Markit – самый дорогостоящий элемент современного электромобиля – аккумуляторная батарея, но большую часть денег за них получает не Tesla, а Panasonic.
Инсайдеры пока не в состоянии сообщить о реальных достижениях секретной лаборатории Tesla. Предполагается, что Илон Маск поделится ей в конце года во время традиционного сеанса конференц-связи с инвесторами.
Ранее сообщалось, что Tesla планирует продавать по 1000 электромобилей Tesla Model 3 в сутки. Нынешний месячный рекорд Tesla по поставкам Model 3 составляет 90 700 электромобилей. Если компании удастся поставить в июне запланированное количество электромобилей, то этот рекорд может быть побит.

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.

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 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 .

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.

Очевидно, литий-ионная батарея имеет на сегодня самые высокие удельные показатели. Лучшей батареи по плотности энергии и соотношению масса/габарит пока, увы, в массовом производстве не существует. Именно поэтому в Tesle получилось сделать столь сбалансированную батарею, обеспечивающую запас хода до 500 км.

Вторая причина, на мой взгляд, маркетинговая. Все таки в среднем ресурс таких ячеек составляет порядка 500 циклов заряд-разряд. А это означает, что при активном использовании автомобиля, Вам придется заменить батарею максимум через два года. Хотя, компания действительно .

Эмуляторы