Baterije su najskuplji, najvažniji i najkontroverzniji deo celog automobila. Protivnici električnih automobila obično kao glavni problem navode baterije – pored visokih cena, spominju kratak vek trajanja, potrebu za ranom zamenom i nedovoljan domet.
U ovom članku, istražićemo kako su baterije dizajnirane, koji su najvažniji parametri, fokusiraćemo se na njihov kapacitet, domet i vek trajanja, ali i na to kako se brinuti o bateriji i šta se sa njom dešava nakon 15 godina kada prestane da služi svojoj prvobitnoj nameni.
Dizajn baterije –
Baterije za električne automobile razlikuju se od proizvođača do proizvođača, od kojih svaka proizvodi malo drugačije baterije u kojima se hemijska reakcija odvija malo drugačije, ali u osnovi su sve napravljene na isti način od osnovnih baterijskih ćelija i modula.
Sastoje se od stotina (ponekad i hiljada) malih ćelija baterija, koje su povezane serijski ili paralelno kako bi se postigao potreban napon i struja. Svaka ćelija baterije ima napon od 3-4V. Trenutno se koriste tri vrste: cilindrične, prizmatične i vrećaste, od kojih svaka ima svoje prednosti i nedostatke.
Tesla koristi cilindrične ćelije, njihova glavna prednost je zrelost i velika optimizacija u proizvodnji. To je takođe najjeftinija opcija sa najvećom efikasnošću.
BMW i Volkswagen koriste prizmatične ćelije koje su kompaktnije, lakše se hlade i jeftine su za proizvodnju, ali imaju nisku gustoću energije i probleme sa brojem ciklusa punjenja i pražnjenja. Nissan, Renault i Chevrolet koriste vrećaste baterije koje su najfleksibilnije u pogledu individualnog dizajna i kapaciteta modula, ali i temperaturu i pritisak treba pažljivo kontrolisati.
Baterijske ćelije čine bateriske module koje su gradivni blokovi svake baterije. Ovaj aranžman omogućava lakšu proizvodnju, instalaciju, upravljanje ali i održavanje. Ako je potrebno, pojedinačni moduli se mogu zameniti, pa čak i u slučaju požara, ovaj raspored pomaže u smanjenju brzine njegovog širenja.
Baterijski moduli sadrže rashladnu jedinicu, monitor temperature i obično monitor napona koji oba šalju informacije sistemu za upravljanje baterijom, koji se zatim brine za održavanje optimalnog okruženja. Moduli takođe sadrže i druge komponente koje osiguravaju pravilnu distribuciju električne energije i napona. Zahvaljujući tome, moguće je osigurati da se sve ćelije ravnomerno napune i isprazne, što ima veoma pozitivan efekat na trajanje baterije električnog automobila.
Važni parametri baterije –
Proizvođači baterije za električna vozila moraju uravnotežiti mnoge važne zahteve. Pošto je reč o mobilnom automobilu, težina i veličina baterije su apsolutno presudni. Iz tog razloga, istraživačima i proizvođačima je stalo do specifične energije ili gustine energije – to je energija po jedinici težine ili zapremini.
Dok se neki fokusiraju na gustoću energije pojedinih ćelija baterija, drugi se, s druge strane, više fokusiraju na gustoću čitavog modula, pri čemu oblik igranja baterije i njihov raspored takođe dolaze u obzir.
Broj ciklusa punjenja i pražnjenja tokom kojih baterija može zadržati svoja svojstva takođe je vađan jer ukazuje na ukupan vek trajanja baterije. Obično baterije traju 1000-1500 ciklusa, ali već postoje neke baterije koje izdrže čak 7000 punjenja.
I na kraju, ali ne i manje važna, cena, koju do sada čini oko 30% ukupne cene električnog automobila. Obično nailazimo na cenu po jedinici energije – obično USD/kWh. U 2010. godini bilo je 1100 USD/kWh, dok je u 2019. bilo samo 156 USD/kWh. Očekivano ograničenje od 100 USD/kWh mogli bismo premašiti 2024. godine. To je rezultat veće efikasnosti baterije, veće gustoće energije i bolje automatizacije proizvodnih procesa.
Kapacitet i domet baterije –
Na osnovu raspoložive tehnologije daje se maksimalna specifična energija pojedinih tipova baterija i napor ide ka balansiranju težine, cene i dometa. Baterije na tržištu danas imaju kapacitet od 16 kWh (Mitsubishi i MiEV) do 90 kWh (Tesla S).
Olovne baterije imaju domet od 30-80 km, Nickel baterije do 200 km, a litijumske od 320-480 km. Regenerativno kočenje, koje može preneti energiju od kočenja nazad u bateriju i zatim je ponovo koristiti, može povećati opseg za 10-15% u normalnom gradskom saobraćaju i u ekstremnim uslovima do 50%.
Štaviše, domet baterije zavisi od mnogo različitih faktora, kao što su npr. vremenske prilike. Dok se kod automobila sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem automobil zagreva toplotom koju generiše motor, kod električnih automobila potrebno je žrtvovati deo kapaciteta baterije da bi se zagrejao. U eksternim uslovima uključivanje klima uređaja smanjilo je domet do 95 km. Naravno, domet zavisi od terena, vozačkih veština, težine i tipa vozila – na potpuno isti način kao i kod automobila sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem.
Vek trajanja baterije –
Jedna od najčešćih briga je rani gubitak kapaciteta baterije i potreba za zamenom. Međutim, iskustvo većine vozača je pokazalo da je ovaj strah neosnovan za baterije sa naprednim sistemima upravljanja baterijama (BMS).
Pored BMS-a, u punjenju učestvuju i ugrađeni punjači i stanice za punjenje, koji stalno međusobno komuniciraju kako punjenje ne bi ugrozilo životni vek baterije.
Nissan LEAF, koji je prodai više od 250.000 automobila između 2010. i 2016. godine, morao je da zameni samo 0,01% baterija zbog unutrašnjih kvarova. Mnogi automobili su prešli više od 200.000 km i za to vreme zadržali 90% kapaciteta baterije. Tesla Roadsteri su zadržali između 80-85% kapaciteta, bez obzira na klimatsku zonu u kojoj su korišćeni.
Razvoj baterije i njihova budućnost –
Prvi električni automobili, koji su se pojavili još početkom 20. veka, za pogon su koristili olovne baterije. To su bile lako dostupne i pre svega jeftine baterije, koje su u to vreme već bile veoma napredne. Glavni nedostaci olovnih baterija su to što se nikada ne smeju prazniti ispod 50% i što je potrebno redovno praćenja elektrolita. Istovremeno su relativno teški i činili si 25-50% ukupne težine električnog vozila. Vek trajanja olovnih baterija bio je oko tri godine.
Kao i druge baterije, olovna baterija ima nisku specifičnu energiju u poređenju sa benzinom ili drugim fosilnim gorivima. U ovom slučaju 30-50 Wh/kg. Njegova normalna efikasnost je 70-75%, a u slučaju hladnog vremena još više opada, do čak 40%.
Kasnije su se pojavile nikl-metal hibridne baterije, koje imaju bolju specifičnu energiju od olovnih baterija, i pored toga, pokazalo se da imaju veoma dug radni vek. Baterija postavljena u prve Toyota RAV4 hibridne automobile i dalje je funkcionalna nakon više od 160.000 km i više od 10 godina.
Strahovanje koje neki protivnici električnih automobila navode, a to je da baterija neće dugo trajati i da će uskoro morati da se menja, više nisu važile za poslednju generaciju baterija. Nedostaci su, međutim, bili niska efikasnost, visoke stope samopražnjenja i loše karakteristike hladnog vremena.
Tada su izmišljene baterije pod nazivom Zebra. Da biste ih korislili, bilo je potrebno zagrejati elektrolit na 270°C i tako je hladno vreme prestalo da im predstavlja problem. Povećali su se samo početni troškovi grejanja. Pored toga, bili su netoksični I imali su veću specifičnu energiju – do 120Wh/kg.
- godine prvi put je predstavljena litijum-jonska baterija, koja je i dalje jedna od najpopularnijih baterija koja se koristi praktično svuda. Problemi su bili uglavnom u temperaturnoj osetljivosti, njihovoj deformaciji na visokoj temperature, niskim performansama na niskim temperaturama I ranoj degradaciji.
Nova generacija litijum-jonskih baterija žrtvovala je deo svoje specifične energije i specifične snage u korist dužeg veka trajanja, zaštite životne sredine, smanjenog rizika od požara i povećane brzine punjenja. Zahvaljujući tome, moguće ih je napuniti za nekoliko minuta. Litijum-fosfatne baterije traju više od 10 godina i više od 7.000 ciklusa punjenja.
Razmatraju se dve glavne opcije za budućnost. Prvi je očuvanje litijumskih baterija, ali zamena grafita u njima za silicijum. Ovo bi značajno povećalo specifičnu energiju I gustinu energije. Problem je samo u velikoj promeni zapremine između napunjenog i pražnjenog stanja.
Druga opcija, koja je od velikog interesa, su čvrste baterije, koje ne koriste elektrolit, pa stoga pregrada između katode i anode više nikada neće praviti problem. To bi ih učinilo sigurnijim i omogućilo bi mnogo duži vek. Predviđeno vreme uvođenja ove tehnologije je do pet godina, a komercijalna proizvodnja, deset godina.
Izvor: EVEXPERT