Аккумуляторы для морозов, батарея в роли рамы и провода с охлаждением: рассказываем, в каком направлении развивается электротранспорт.
По данным агентства «Автостат», за 2023 год в России продали 14 089 новых электромобилей – в 4,7 раза больше, чем в 2022-м. Если для вас это все еще экзотика, посмотрите вокруг: в любом мегаполисе внимательный наблюдатель за минуту заметит в потоке по меньшей мере парочку электрокаров.
Революция Tesla
Интерес к машинам, не требующим бензина, возник еще в середине прошлого десятилетия и был напрямую связан с деятельностью компании Tesla. Ее основатели Мартин Эберхарт и Марк Тарпеннинг – а также Илон Маск, выкупивший впоследствии стартап, – реализовали идею, которая прежде никому не приходила в голову, – создать первоклассный электромобиль, не обращая внимания на его себестоимость.
Выяснилось, что если не бояться поднять розничную цену такой машины до 40–80 тыс. долларов, то ее запас хода вырастет со 150 до 400 км, а время разгона до 100 км/ч сократится с 12 до 5 с. И внезапно спрос на такую технику оказался во много раз выше, чем можно было ожидать.
Tesla Model Y
Tesla невольно добавила аргументов политикам и общественным деятелям, продвигающим экологическую повестку. Если раньше противники электрокаров утверждали, что такой транспорт слишком дорогой, медленный и не располагает сколько-нибудь приемлемым запасом хода, то с появлением компании Илона Маска единственным возражением против машин на батарейках осталась цена. И тут на помощь пришли дотации на покупку в богатых государствах.
По количеству произведенных электромобилей в четвертом квартале 2023 года Tesla уступила мировое лидерство китайской марке BYD, но на ситуации в целом это никак не отразилось: китайцы повторяют путь Маска, просто их авто дешевле.
Современный массовый электромобиль в зависимости от рынка стоит около 30–45 тыс. долларов. У него, как правило, полный привод и минимум 200 лошадиных сил. Тяговой батареи хватает на то, чтобы проехать на одном заряде до 500 км. Даже в условиях российской зимы, расходуя энергию на обогрев салона, такие модели способны преодолеть не менее 200 км. При этом от мощного зарядного терминала батарея полностью заряжается за 1–1,5 часа.
Машин с такими характеристиками уже сейчас можно насчитать десятки. Tesla Model 3 и Model Y, Volkswagen ID.4, BYD Yuan Plus, Zeekr 007 и Zeekr X, Ford Mustang Mach-E, Hyundai IONIQ 5, Nissan Ariya – список можно продолжать еще долго. И это только в массовом, не премиальном сегменте. Словом, электрическое будущее уже наступило. Вопрос в том, что дальше.
BYD Yuan Plus
Удвоение напряжения
Несколько десятилетий назад в нашей стране изменили напряжение в бытовой электросети – с прежних 127 В перешли на 220. Нечто подобное сейчас происходит в мире электромобилей. В подавляющем большинстве электрокаров используются литиевые источники питания, напряжение которых колеблется в районе 3,6–3,7 В. Разумеется, в машинах стоит не один аккумулятор, а целая батарея из сотен элементов.
Изначально большинство автопроизводителей предпочитали работать с напряжением примерно 400 В. У этого параметра, однако, есть важное ограничение. Из школьного курса физики мы помним, что при передаче электроэнергии сила тока прямо пропорциональна напряжению. Иными словами, чтобы передавать батарее больше энергии, при зарядке надо повысить либо силу тока, либо вольтаж.
Увеличение силы тока приводит к росту сопротивления и необходимости расширять пропускную способность проводов. В крупных зарядных терминалах уже сейчас применяются кабели с жидкостным охлаждением. Альтернатива – повышение напряжения. Сегодня стандартом становятся 800 В – это позволяет добавить мощности, не меняя ни силу тока, ни сечение кабелей.
В результате Porsche Taycan способен заряжаться от терминалов мощностью до 270 кВт, новые корейские электромобили Hyundai IONIQ 5 и Kia EV6 можно подключать к станциям мощностью до 350 кВт, а китайские модели поднимают планку до 450 кВт.
Уже сейчас зарядка батареи на 50% (с 30 до 80%: как правило, в этом диапазоне аккумуляторы легче всего принимают мощный заряд) может занимать 10–15 минут – на традиционных АЗС водители тратят примерно столько же времени. Проблема заключается лишь в том, что подобные терминалы пока мало распространены.
Быстрые зарядные станции «Энергия Москвы» пока имеют мощность 50 кВт. Отставание от недружественных стран – в 5–7 раз, от Китая – в 9 раз.
Действующая на сегодня в России концепция развития электротранспорта зарядных терминалов мощнее 150 кВт не предусматривает вовсе. Впрочем, даже более слабые станции позволяют доехать из Москвы до Санкт-Петербурга, лишь единожды остановившись на 45–60 минут для подзарядки.
Новая «химия»
Главный ограничитель для электрокара – тяговая батарея: она должна не только обладать внушительной емкостью, но и быть легкой, дешевой, надежной, долговечной, не бояться ни холода, ни жары.
Надо признать, что таких аккумуляторов еще не изобрели. Однако по мере развития электрического транспорта знания людей о накопителях энергии существенно расширились. В среде автомобилистов даже появилось жаргонное слово «химия», используемое для обозначения состава компонентов батареи. Например, часто можно услышать, что «у нового поколения электрокаров заметно вырос запас хода. Размер батареи при этом остался прежним, а увеличение емкости достигнуто за счет новой "химии"».
Большинство топовых моделей оснащаются литий-никель-марганец-кобальт-оксидными разновидностями литий-ионных элементов питания, из которых получается собрать весьма емкие системы. Так, у новых пикапов и внедорожников GMC Hummer EV емкость тяговой батареи достигает 200 кВт·ч. Правда, существует мнение, что превышать порог в 100 кВт·ч для легковых машин не имеет смысла: увеличение веса автомобиля при этом сведет на нет преимущество большого запаса энергии. Впрочем, 100 кВт·ч, как правило, хватает для того, чтобы уверенно проехать на одном заряде 500 км и более. По крайней мере, летом. Проблема в том, что такие аккумуляторы дороги, а их ресурс при активной эксплуатации составляет всего 200–400 тыс. км пробега.
Намного привлекательнее выглядят литий-железо-фосфатные элементы питания, которые в последние годы становятся все более популярными в Китае. Батареи подобного типа дешевле, а их ресурс заметно выше. Но и они не лишены недостатков. Один из очевидных минусов – низкая плотность накапливаемой энергии, то есть при равной емкости такой аккумулятор будет тяжелее. Поэтому на выпускаемые в Шанхае электромобили Tesla Model 3 и Model Y в топовых версиях ставят литий-никель-марганецкобальт-оксидные системы, а в недорогих модификациях – литий-железо-фосфатные. В обоих случаях масса батареи одинакова, но у дешевых версий блок аккумуляторов не столь емкий, а потому более доступный по цене.
Второй недостаток литий-железо-фосфатных аккумуляторов – слабый ток разрядки. Проще говоря, они одномоментно выдают меньше энергии, чем другие типы литий-ионных батарей, а значит, их нельзя применять на мощных электрокарах.
Литий-серный аккумулятор
Проблему веса позволяют решить литий-серные аккумуляторы, удельная энергоемкость которых может достигать 500 Вт·ч/кг против 200 у литий-ионных элементов питания. Но здесь пока не удалось избавиться от другого изъяна – малого ресурса. Сейчас лучшие литий-серные накопители выдерживают порядка 1000 циклов заряда и разряда, в то время как у литий-железо-фосфатных батарей этот показатель в восемь раз выше. Так что серные аккумуляторы применяют там, где их преимущества наиболее актуальны, – в авиации.
Батареи на соде
Существует еще один вариант накопителей – натрий-ионные, которые начали ставить на электромобили в последние годы. Они хороши в первую очередь низкой ценой. Литий нельзя назвать редким элементом, однако его добыча весьма затратна, натрий же обходится заметно дешевле. Кроме того, аккумуляторы данного типа не требуют использования дорогостоящих кобальта и магния.
Главный минус здесь – малая плотность энергии: при равном весе натрий-ионная батарея будет примерно вдвое менее емкой, чем литий-ионная.
Тем не менее машины с такими аккумуляторами уже есть. Например, BYD Seagull, один из самых дешевых электрокаров на российском рынке. И максимальный запас хода у него не так уж мал – 405 км.
Натрий-ионная батарея
Твердотельная надежда
Скорое пришествие твердотельных аккумуляторов нам обещают уже несколько лет.
Пожалуй, мечтой всех поклонников электротранспорта можно назвать серийные твердотельные аккумуляторы. В отличие от обычных литий-ионных элементов питания, где электролит представляет собой жидкий гель, в батареях такого типа «начинка» твердая. Почему это важно? Потому что гель любит такой же температурный режим, что и люди, – примерно +25 °С. В сильную жару эти накопители выходят из строя, а на морозе временно теряют значительную часть емкости. Твердым же элементам нагрев или охлаждение практически не страшны. Из сказанного ясно, что подобные батареи обладают еще одним важным для потребителей достоинством: их можно быстро заряжать более мощным током.
Увы, пока никаких достоверных прогнозов относительно появления серийных образцов таких элементов питания нет. Каждый производитель хочет выпустить долгожданную новинку первым, так что все разработки держатся в секрете. В целом считается, что твердотельные аккумуляторы станут реальностью к концу нынешнего десятилетия.
Hyundai IONIQ 5
Рама? Нет, батарея!
В мире автомобилей с ДВС роль несущей конструкции играет либо кузов, либо рама. У электрокаров долгое время было так же, поскольку кузова им доставались от стандартных моделей. Однако сейчас появляется все больше машин, которые не просто разработаны с нуля, но и выпускаются на новых, построенных специально для них заводах. Это дает конструкторам дополнительные возможности.
Главный тренд – превращение батареи в элемент несущей конструкции, что позволяет значительно снизить общий вес машины. Зачем делать жесткий кузов и на его пол класть батарею, если она сама может стать прочным полом?
Современные электромобили, такие как Tesla, BYD или Zeekr, изготовлены как раз по такой технологии. А если добавить набирающий популярность метод объемного литья под давлением, то кузов превращается в набор из нескольких элементов и батареи, которые быстро соединяются друг с другом. Это удешевляет и ускоряет производство, а машины получаются легче и прочнее.
Zeekr X
Наконец, инженеры научились придавать кузову максимально обтекаемую форму, которая помогает снизить расход энергии и увеличить запас хода. Большинство новых машин могут похвастаться коэффициентом лобового сопротивления Cx не более 0,25, а порой даже меньше 0,2. В мире автомобилей с ДВС первая цифра считалась выдающейся, а вторая – просто недостижимой.
Главное – изменить поведение
Интеграция батарей в структуру кузова позволяет сделать автомобиль легче и дешевле в производстве.
Несмотря на развитие технологий и перспективу появления твердотельных аккумуляторов, эффективность электрокаров в ближайшие годы кратно не повысится. Моторы уже достигли совершенства: их КПД превышает 95%, а диапазон рабочих оборотов таков, что позволяет обойтись простыми редукторами и не требует сложных трансмиссий.
Новые типы батарей увеличат запас хода примерно на четверть, не более. Ждать заметного удешевления накопителей тоже не стоит: для этого необходимо резко нарастить добычу лития. Однако ни одна компания не станет сейчас вкладывать средства в разработку месторождений, поскольку понимает, что в скором времени этот металл начнут извлекать не из земли, а из старых аккумуляторов.
Словом, машины с реальным запасом хода в 500 км останутся данностью и через десяток лет. Тупик? Вовсе нет. Просто нужно изменить схему потребления. В долгие поездки вовсе не обязательно отправляться на личном транспорте – каршеринг уже сейчас работает в 32 городах России. Конечно, для многих автолюбителей такой подход все еще выглядит непривычно, но ведь и электромобили совсем недавно были экзотикой.
Сергей Иванов, Techinsider
