6 most frequently asked questions about electric vehicle batteries
Знайомимо з акумуляторами і відповідаємо на поширені питання.
Content:
Що всередині акумулятора електромобіля, як довго він заряджається, наскільки швидко втрачає ємність, скільки коштує, як його замінити і що робити зі старим. Відповідаємо на найчастіші запитання власників електромобілів і всіх, хто планує приєднатися до EV клубу.
Трохи загальної інформації
Що це таке
Акумулятор електромобіля — це великий батарейний відсік з розмірами приблизно 200х150х15 см і вагою близько 540 кг. Розташовується в днищі автомобіля і приєднується до кузова кронштейнами. Якщо його розрізати, ви побачите ряд блоків, кожен з яких складається з декількох тисяч компактних літій-іонний елментів. У Tesla ці елементи схожі на звичайні пальчикові батарейки, у Nissan Leaf або Chevrolet Bolt вони мають пакетну форму, а у Audi — призматичну. Такий акумулятор генерує стільки енергії, скільки виробляють більше ніж 1500 батарей від портативних комп’ютерів. Щоб контролювати температуру нагрівання батареї під час експлуатації, вона оснащується системою охолодження.
Типи
Акумулятори бувають різних типів: літій-іонні, алюміній-іонні, літій-сірчані, літій-фосфат залізні, метал-повітряні. Найчастіше в електромобілях використовуються літій-іонні акумулятори. Вони мають високу щільність енергії, велику потужність, низький саморозряд, відсутність ефекту пам’яті і досить великий термін використання (8-10 років). Але при цьому дорого коштують, можуть перегріватися і вибухати.
Незважаючи на високу вартість літій-іонних акумуляторів і сумнівну безпечність, з ними майже ніщо не може конкурувати за потужністю і кількістю циклів заряду-розряду. Розробники постійно ведуть пошук оптимальної за характеристиками формули для виробництва акумулятора: безпечного, з низькою собівартістю виробництва, довгою службою експлуатації, простотою в утилізації, швидким часом зарядки і максимально ефективного (з питомою енергією 400 і більше Wh/кг).
Хто виробляє
Акумулятори для електромобілів виробляють в Азії: Китаї, Південній Кореї, Японії. Це компанії BYD, Panasonic, LG Chem, Samsung SDI, Farais, AESC Automotive Energy Supply Corp., CATL. Лідером серед всіх виробників є китайська фірма CATL — завдяки активному субсидуванню держави. Батареї для автомобілів Tesla виробляє компанія Panasonic, а BYD начиняє акумуляторами електробуси. Багато виробників розміщують виробничі потужності в Європі та Америці.
Перспективи
Найперспективнішими вважаються аккумуляторы на основі графену. За допомогою нього покращують властивості батареї, наприклад, додають його до електродів і збільшують їх провідність. Такі акумулятори виходять набагато легше літій-іонних і не вибухають. Питома ємність в 5 разів перевищує ємність літій-іонного акумулятора (1000 Вт/год проти 200 Вт/год на 1 кг ваги). Tesla Model S з графеновою батареєю може проїхати на одному заряді замість 334 км — 1013 км, а заряджається менш ніж за 10 хвилин.
При всіх своїх чудових характеристиках, графенові акумулятори, та інші сучасні розробки (наприклад, батареї на основі материалів, отриманих з морської води), давно повинні були заповнити ринок. Але виробники продовжують покращувати літій-іонні батареї, створені ще в 70-х роках XX століття, а інвестори не дуже хочуть вкладати гроші в розробку нових технологій. Адже для цього потрібні мільйони доларів, які не окупляться з тих причин, що нові батареї будуть тестувати роками, потім вони почнуть проходити тривалий період адаптації на ринку і дуже повільно підвищувати інтерес покупця. Залишається сподіватися, що графен зможе змінити цю ситуацію на краще, тому що в розробку акумуляторів на його основі вже вкладено величезний капітал.
А поки графенові батареї залишаються проектом майбутнього, пропонуємо дізнатися, що з себе представляє звичайний літій-іонний акумулятор на прикладі домашньої збірки. Майстри з українського YouTube-каналу KREOSAN збирають літій-іонні акумулятори для зварювальних апаратів, електровелосипедів, тощо. В електромобілях застосовують той же принцип, тільки збірка не кустарна, а виробнича.
How soon will I need to replace the battery of my electric vehicle?
The average service life of electric vehicle batteries is 5-8 years (if charged every day). This does not mean that after these years, the battery will lose 100% of capacity and will need to be replaced. In fact, it will retain about 70% and can continue to be used further, but you will have to accept the fact that the driving distance per charge will decrease. For example, after 5 years of operation, the Nissan Leaf can travel 100-130 km on a single charge from the declared 160 km. Keep in mind that not only time, but also operating mode with the number of charge-discharge, heating and overheating cycles, the presence of cooling or its absence (like the Nissan Leaf), depending on the design features of the car.
The rate of capacity decline also depends on the specific model of electric vehicle. Observing the behaviour of the Tesla Model S and Nissan Leaf batteries shows that the capacity is actively decreasing over 5 years of operation: the first 1-2 years, the range decreases by 5-10%, and over the next 3 years - by another 20-30%. After that, the process stops and becomes stable: the decrease is only 0.5% annually.
If you use fast charging technology too often (more often than 4-5 times a week), the battery degrades 1.5-2 times faster, so it is better to charge it fully in a parking lot or at night, not while driving. It is worth using the same principle as when charging gadgets: keep the charge in the range of 20-80%, avoiding complete discharge. The worst thing you can do is regularly discharge the battery to 0% and then leave it in this state for a long time. Otherwise, it will lose its buffer stock and quickly deteriorate.
To extend the battery life, make sure that it does not overheat (a comfortable temperature is 21°C). Do not leave the electric vehicle in the open sun and look for shade for it.
Is it possible to repair or replace the battery of an electric vehicle?
It is possible and necessary if the battery has lost most of its capacity. But it's not as easy as replacing a smartphone or laptop battery, for example. You can't just take it out and replace it with a new one:
It is necessary to make sure that the connectors and fasteners of the new battery are suitable for a specific model of electric vehicle - that is why the battery is selected individually;
After installation, the electronic systems need to be reprogrammed - to "introduce" the battery control unit to the car's on-board computer;
If the battery is damaged (for example, by a protrusion or flood on the road surface), it does not require a complete replacement. Due to the fact that this is not a monolithic structure, but interconnected blocks (their number varies from 16 to 48 pieces), only damaged areas can be replaced, provided that moisture does not get inside the structure, which will destroy the battery.
How much does a new battery for an electric car cost?
Battery prices are getting lower every year. According to Energy Trend's forecasts the cost of the battery in 2020 will be less than $150 /kWh. For comparison, in 2016, the price of lithium-ion batteries was $300-300/kWh, and in 2018 it was already $180-200/kWh. The cost of one kilowatt-hour is planned to be reduced through new packaging designs, changes in supply chains and reduced production costs.
In Ukraine, you can buy a new unit for the Nissan Leaf at a price of about $100 and, accordingly, for $4-5 thousand the whole battery. Tesla is much more expensive and more blocks need to be assembled: 1 block costs $1000, and a whole battery of 16 blocks costs $16000. Owners of electric vehicles save money by buying second-hand units. They are cheaper, but it should be borne in mind that their capacity will be 5-15% less than originally stated.
Where should I take my used battery?
There are no electric vehicle battery recycling plants in Ukraine. At the same time, it is also impossible to simply take the battery to a landfill, as it contains dangerous toxic substances that pose a great threat to the environment. Ukrainian owners of electric vehicles can take advantage of a win-win situation: reuse the battery as a source of stationary energy storage.
For example, if you have solar panels installed on your roof, you can connect used batteries to them, charge them and use them as a backup in the autonomous power supply system of the house. In some countries, this issue has been approached on a large scale: in Japan, such batteries power streetlights, in Paris they support the operation of elevators, and in Amsterdam they illuminate an entire stadium.
In Germany and Finland, there are companies that are engaged in mass and safe battery recycling, but they do not have direct cooperation with Ukraine. Therefore, you cannot just call and hand over your battery. All that remains is to wait until these companies' representative offices or recycling funds appear in Ukraine, and now try to make the most of the batteries for your own needs. In the future, as the number of electric vehicles and batteries for them grows, reuse will become the norm.
The German waste management company Duesenfeld has invented a technology for the safe disposal of used batteries. It differs from other methods in that the battery components are not incinerated but crushed using nitrogen gas, which eliminates all reactions in the battery. After recycling, only ferrous and non-ferrous metals and cathode residues with manganese, cobalt, and nickel remain in the battery. All of this can be reused.
How long does it take to charge the battery?
In Ukraine, there are charging stations in almost all cities. Their capacity is 2-23 kW. There are also fast ones: up to 50 kW, which charge the battery in 30-40 minutes (the charge is enough for 80-100 km of run). Fast stations are suitable for electric vehicles that are adapted to three-phase networks and can receive 22 kW and above. AC charging stations are now actively spreading across Ukraine because they are cheaper than DC fast stations and easier to put into operation.
It is beneficial to charge your car at home from an outlet at night. From 23:00 to 7:00, all consumed electricity is estimated at only 0.5 of the tariff. These 8 hours are enough to charge an electric car from a home outlet (Tesla takes longer to charge: a full charge with a 75 kWh battery and 3 kW charging power takes more than a day).
To charge at home, you need a three-phase socket with a current of 16 A and a power of 11 kW. A typical 220 V outlet has a power rating of no more than 3 kW, which is why charging can take about 33 hours. To charge an electric vehicle from a household outlet, you must install a ground connection and protect the wiring from voltage surges.
Is charging cheaper than filling up with petrol?
The more expensive electricity is, the more expensive it is to charge an electric vehicle. If you charge it from a home outlet, you pay utility tariffs, and if you use a network of charging stations, you pay prices that are individual to each company.
The cost of recharging from the mains charger depends on the power of the station and the charging speed. The approximate price per 1 kW is UAH 5, if charging is fast - UAH 7-9. For example, to charge a Nissan Leaf with a 24 kWh battery for a run of more than 100 km, you can spend about UAH 150, and if you charge it at home at the night rate, you will only spend UAH 15-20. There are free charging stations, but they take longer to charge an electric car and you still have to find them in the city.
For comparison, a conventional car with an internal combustion engine costs about UAH 240-300 per 100 km to charge.
Підсумки
Поки що немає таких старих електромобілів, щоб користувачі могли точно дізнатися, на який термін вистачає акумулятора і коли його потрібно міняти. Тому протягом кількох років можна не думати про утилізацію АКБ і його заміну (у 2020 році це торкнеться тільки власників моделей Nissan Leaf 2010 року). До того моменту, як знадобиться масова заміна і переробка батарей, з’являться більш досконалі механізми утилізації/повторного застосування і знизяться ціни. Але навіть без цього електромобіль з кожним роком стає все більш зручним і економічним видом транспорту, ніж автомобіль в ДВЗ.