Acest articol a fost publicat inițial pe 25 septembrie 2019.

știți

Vehiculul electric (EV) ca soluție de energie verde a devenit deja un înlocuitor popular și acceptat pentru vehiculul cu motor cu combustie internă (ICE). Utilizarea lor crește zilnic, din cauza creșterii gradului de conștientizare a emisiilor de carbon, a stimulentelor guvernamentale, cum ar fi furnizarea de vehicule electrice privilegiate și, desigur, a creșterii prețurilor la petrol și a reducerii rezervelor. Potrivit perspectivelor vehiculelor electrice Bloomberg NEF (BNEF) 2019, vehiculele electrice vor reprezenta 55% din toate autoturismele noi din întreaga lume până în 2040. În plus, comparativ cu vehiculele ICE, motoarele EV sunt mai eficiente și reacționează rapid cu un cuplu ridicat. De asemenea, sunt eficiente din punct de vedere al costurilor datorită costurilor mai mici de combustibil și de întreținere. Astăzi, există diferite modele de vehicule electrice de succes, de la modele economice la modelele sportive puternice.

Performanța EV este strâns legată de designul acumulatorului care alimentează motorul vehiculului și trebuie să poată furniza suficient curent pentru motor pe o perioadă mai lungă de timp. Deoarece o celulă a bateriei asigură o tensiune și o capacitate destul de reduse, într-un EV, sute de celule sunt conectate în serie și în paralel pentru a furniza tensiunea și amplificatorul de ore (Ah) necesare. De exemplu, un EV puternic precum Tesla Model S are 7.104 celule de baterie.

Este bine cunoscut faptul că bateriile litiu-ion (Li-Ion) sunt tipul de baterie cel mai frecvent utilizat în vehicule electrice. Cu toate acestea, mai multe tipuri diferite de baterii au fost utilizate și în vehiculele electrice. Acest articol va prezenta diferitele tehnologii ale bateriei utilizate în vehicule electrice și va explora avantajele și dezavantajele acestora.

Parametri importanți ai bateriei

Există informații specifice disponibile despre fiecare baterie, dar două valori comune sunt tensiunea și capacitatea bateriei Ah. Tensiunea nominală a bateriilor plumb-acid este de 2V sau 12V, în timp ce bateriile Li-Ion pot fi cuprinse între 3,3-3,7V. Bateriile cu hidrură de nichel-metal (NiMH) au o tensiune nominală de 1,2V. Capacitatea nominală (Ah) este valoarea curentă care poate fi furnizată de baterie într-o oră. Aceasta indică cantitatea de energie stocată în baterie. Informații suplimentare suplimentare sunt tipul bateriei și numărul de celule din șirul bateriei.

Pentru a selecta cel mai potrivit tip de baterie pentru o aplicație EV, trebuie luați în considerare următorii parametri ai bateriei:

Tipuri de baterii utilizate în vehicule electrice

Vehiculele electrice sunt alimentate de baterii reîncărcabile. Acest tip de baterie oferă o reacție chimică reversibilă, permițând atât descărcarea, cât și procesul de încărcare. În timpul procesului de descărcare a bateriei, curentul electric curge de la catod (+) la anod (-), în timp ce procesul invers are loc în timpul încărcării.

Deoarece nu există o baterie universală ideală, diferite tipuri de baterii sunt potrivite pentru aplicații diferite. Principalele tipuri de baterii reîncărcabile sunt acidul cu plumb, nichelcadmiu (NiCd), hidrură de nichel-metal (NiMH) și Li-Ion. Bateriile NiCd sunt înlocuite de baterii mai eficiente și mai ecologice, cum ar fi NiMH și Li-Ion. Deși bateriile NiCd sunt robuste, mai puțin predispuse la deteriorare și durează mai mult, ele sunt o tehnologie învechită și sunt extrem de toxice.

Baterii cu plumb-acid

Tehnologia bateriei plumb-acid este matură și fiabilă, dar este considerată învechită. Două tipuri obișnuite de baterii plumb-acid sunt bateriile de pornire a motorului și bateriile cu ciclu adânc utilizate în vehicule electrice (în zilele noastre în lifturi sau în cărucioare de golf). Acest tip de baterie necesită inspecția nivelului de electroliți și are o durată scurtă de viață, la aproximativ trei ani. Aceste baterii au o rată de energie specifică slabă (34 Wh/kg). Deoarece sunt grele (amintiți-vă, este fabricat din plumb) pentru a furniza suficientă energie, într-o aplicație EV aceste baterii ar putea reprezenta 25 până la 50% din masa totală a vehiculului. De asemenea, au un impact negativ asupra mediului, generează gaze dăunătoare, sunt toxice și conțin acid sulfuric concentrat. Acest tip de baterie a fost utilizat la începutul vehiculelor electrice (de exemplu, General Motors EV1). Având în vedere toate dezavantajele menționate și noile dezvoltări disponibile în alte tipuri de baterii, bateriile cu plumb-acid nu sunt utilizate în nici un design nou EV.

Baterii NiMH

Având în vedere energia specifică, bateriile NiMH sunt superioare celor din plumb-acid, deoarece au dublu valoarea de 68 Wh/kg (cu un interval de 60 până la 120 Wh/kg). Această caracteristică permite o greutate mai mică a bateriei și reduce spațiul necesar pentru depozitarea bateriilor. Cu toate acestea, acest lucru este încă semnificativ mai mic în comparație cu bateriile Li-Ion, care au o valoare specifică cu 40% mai mare a energiei specifice. Principalul avantaj al bateriilor NiMH este durabilitatea lor. Bateriile cu nichel sunt bine dovedite pentru utilizare în vehicule electrice. Multe mașini cu aceste baterii sunt pe drum de peste 100.000 de mile și funcționează cu succes de peste 7 ani. Practic, acesta este singurul tip de baterie dovedit a fi de durată (bateriile Li-Ion promit o viață lungă, dar va trebui să vedem dacă este cazul după ce au avut ani de utilizare reală).

În ceea ce privește utilizarea lor cu vehicule electrice, dezavantajele bateriilor NiMH includ o eficiență redusă de încărcare, auto-descărcare (până la 12,5 la sută pe zi la temperatura camerei, cu performanțe deteriorate la temperaturi mai ridicate). Avantajele acestui tip de baterie includ că acestea conțin puțin material toxic, iar B sunt reciclabile. Un alt dezavantaj al bateriilor NiMH este, de asemenea, rata lor de generare a căldurii în timpul încărcării și descărcării rapide. Acest lucru necesită un sistem de răcire care, în consecință, mărește greutatea bateriei, costă și limitează numărul de baterii care pot fi utilizate. O serie de litigii legale (sarcina brevetului) au limitat utilizarea bateriilor NiMH în vehicule electrice, trecând accentul pe tehnologia Li-ion.

Baterii Li-Ion

Astăzi, bateriile Li-Ion sunt cele mai utilizate baterii în vehiculele electrice. Potrivit Financial Times, bateriile Li-Ion vor ocupa până la 20% din piața bateriilor EV până în 2025. Catodul bateriei Li-Ion tradiționale este fabricat din oxid de litiu-cobalt, iar anodul implică grafit. Această tehnologie oferă proprietăți pentru a depăși unele dintre neajunsurile altor tipuri de baterii. Bateriile Li-Ion sunt ușoare, au o rată bună a ciclului de încărcare (ceea ce înseamnă că pot fi reîncărcate de multe ori), o densitate mai mare a energiei, o tensiune mai mare a celulei și o rată de auto-descărcare mai bună (la doar 5% pe lună). O rată de energie specifică uimitoare de peste 140 Wh/kg este cu siguranță principalul avantaj al bateriei Li-Ion. Densitatea ridicată a energiei permite o greutate mai mică a bateriei, ceea ce mărește autonomia și performanța unui EV. Comparativ cu bateriile cu plumb-acid, Li-Ion este o treime din greutate, este de trei ori mai puternic și are de trei ori ciclul de viață.

Bateriile Li-Ion au un preț ridicat, care este cel mai mare dezavantaj al acestora. Costurile lor de producție pot fi cu 40% mai mari decât bateriile cu nichel. Cu toate acestea, cercetarea intensivă asupra tehnologiei Li-ion a dus la reducerea costurilor de producție. Potrivit lui McKinsey, din 2010 până în 2016, costul bateriilor Li-Ion a scăzut cu 80%. Siguranța rămâne o preocupare majoră cu aceste baterii, cu toate acestea, deoarece funcționarea termică poate provoca incendierea sau explozia vehiculelor electrice dacă bateria este supraîncărcată și căldura nu este disipată. De asemenea, încărcarea fluctuantă a bateriei poate fi periculoasă. Din acest motiv, este necesar un sistem avansat de gestionare a bateriei (BMS), care monitorizează tensiunea și temperatura fiecărei celule, starea de încărcare (SoC) și starea de sănătate (SoH), contribuind la asigurarea unei funcționări sigure și fiabile, a celulelor echilibrate pentru durată lungă de viață a bateriei și performanțe EV optimizate.

Sunt disponibile multe tipuri de baterii Li, cum ar fi oxid de aluminiu litiu-nichel-cobalt (NCA), oxid de litiu-mangan (LMO), litiu-nichel-mangan-cobalt (NMC), titanat de litiu (LTO) și fosfat de litiu-fier (LFP). Popularitatea crescândă a vehiculelor electrice a adus în centrul atenției tehnologia bateriilor. Studiile privind noile tipuri avansate de baterii abundă. Designerii recenți ai bateriilor EV se concentrează pe furnizarea de caracteristici precum rezistența la foc, respectarea mediului, încărcarea rapidă și durata de viață lungă. Uneori, cerințele concurente au sacrificat proprietăți specifice de energie și putere.

În ciuda percepției publice, metalele din bateriile Li-Ion: cobalt, cupru, nichel și fier sunt considerate sigure pentru depozitele de deșeuri sau incineratoare. Materialele din baterii sunt netoxice, inclusiv carbonat de litiu (de exemplu, utilizat în cuptor), oxid de cobalt (de exemplu, utilizat în glazură de ceramică), grafit netoxic (utilizat în creioane) și o membrană din polimer (plastic). Părțile toxice ale bateriei sunt electrolitul și oxidul de litiu-cobalt, care sunt înlocuite cu compuși mai benigne. Potrivit Kate Krebs din SUA Coaliția Națională de Reciclare, bateriile litiu-ion sunt clasificate de guvernul federal (SUA) drept deșeuri nepericuloase și sunt sigure pentru eliminare în fluxul normal de deșeuri municipale. Tehnologia de reciclare a bateriilor Li-Ion este în continuă dezvoltare. Deoarece disponibilitatea materialului bateriei este limitată, reciclarea nu are sens doar din punct de vedere ecologic, ci și economic.

Așa cum am menționat anterior, vehiculele electrice utilizează în principal baterii Li-Ion, dar sunt utilizate și alte tipuri de baterii. Tipurile de baterii ale unor modele EV populare sunt prezentate aici:

  • Bateriile unui vehicul electric hibrid plug-in (PHEV) pot fi încărcate utilizând o sursă externă de energie electrică, precum și de motorul de la bordul vehiculului:
    • PHEV Toyota Prius folosește baterii Li-Ion de 4,4 kWh, care asigură o deplasare de 11 mile cu un timp de încărcare de 3 ore (115VAC 15A) și 1,5 ore (230VAC 15A).
    • Chevy Volt folosește baterii Li-mangan/NMC de 16 kWh, care cântăresc 400 lb și oferă 40 de mile de condus cu un timp de încărcare de 10 ore (115VAC 15A) și 4 ore (230VAC 15A).
  • Vehiculele electrice pure includ:
    • Nissan Leaf are baterii Li-Mangan de 30 kWh cu 192 de celule și cântăresc 600 lb, cu o autonomie de mers de 156 mile și un timp de încărcare de 8 ore la 230VAC, 15A și 4h 30A.
    • BMW i3 folosește baterii LMO/NMC de 42 kWh care cântăresc 595 lb, cu o autonomie de conducere de până la 215 mile și un timp de încărcare de 4 ore cu un încărcător AC de 11kW la bord și 30 de minute cu un încărcător DC de 50kW.
    • Tesla Model S folosește o baterie de 75kWh, are o autonomie de conducere de 310 mile, cu un timp de încărcare de 9 ore cu un încărcător de 10kW și 30 de minute cu un supraîncărcător de 120kW.

Specificațiile tipurilor populare de baterii utilizate în vehicule electrice