Акумулятори для гібридних авто та електромобілів: вибір та особливості українського ринку

Покоління гібридних автомобілів і електромобілів вказує на зміну вимог до джерела енергії, що використовуються для їх харчування. Умови їзди на таких електричних приводах часто відрізняються від звичайного способу їзди на автомобілі з внутрішньо згоряючим двигуном, зокрема, залежно від кількості електронних пристроїв, що використовуються автомобілем, і відстані, яку можемо проїхати на одному заряді батареї. Номінальна ємність акумулятора гібридного автомобіля часто виражається в кіловат-годинах (кВт·год), це дозволяє зберігати значну кількість енергії, яка може бути використана для приводу електромотора.

Головним джерелом енергії у гібридних автомобілях є акумулятори. У формі їх виготовлення є декілька типів акумуляторів, заснованих на свинцевих акумуляторах або літій-іонних акумуляторах. Умови використання гібридних автомобілів і електромобілів можуть визначати тип акумулятора, який вибирається – наприклад, зважаючи на вимоги до ваги, ефективності, безпеки і т. д.

Акцентуючи увагу на роботі акумуляторів, доцільно зазначити, що вони не тільки забезпечують електричну енергію для приводів гібридних автомобілів і електромобілів, але й відіграють важливу роль у зберіганні енергії під час гальмування, накопичуючи її для використання під час прискорення. Велика ємність акумуляторів дозволяє зберегти більше енергії і значно продовжити чисту їзду на автомобілі з електричним приводом. Типова ємність акумулятора на сьогоднішній день становить від декількох десятків до декількох сотень кВт·год.

Варто зазначити, що акумулятори у гібридних автомобілях і електромобілях можуть використовуватися зовсім безпосередньо, без двигуна з внутрішньою джерелом палива, забезпечуючи чистий електромобільний привід.

У практиці роботи гібридних автомобілів, напруга на прямому приводі може становити 200–400 В, ефект при цьому отримують, зокрема, завдяки використанню високовольтних батарей малих розмірів. Так, оцінюючи технічні характеристики гібридних автомобілів основним джерелом енергії від засобів автотранспорту, можемо зробити висновки про можливості реалізації чистого приводу на електричній енергії. Однак, встановлюючи провідність оксидів акумулятора гібридного автомобіля на основі літію, слід зазначити, що такий вид енергоносія знаходить широке застосування у сучасних електромобілях, які мають значно більшу місткість акумуляторів та енергоефективність (окремі моделі можуть проїхати до 600 км з одного заряду).

Завдяки своїй конструкції і формі заряд-розряд акумулятору можна довести до простоти. Наприклад, перший Prius, практично без істотних змін у конструктивних елементах системи, використовує свинцеві акумулятори, маючи два окремих елемента, направлених на запуск двигуна безпосередньо в місті (раз, другий є для забезпечення пристроїв, які вимагають великої кількості енергії). Важливим фактом є те, що акумулятор серійного гібрида використовує “раціональний рівень напруги”, який становить 201,6 В, час заряду для певного пропустка в мережу – від трьох до чотирьох годин.

Кілька фактів з хімії та фізики

Електромобілі та гібридні автомобілі отримали значне поширення в останні роки. Однак, для їх нормального функціонування дуже важлива робоча потужність акумуляторів. Номінальна потужність акумуляторів вимірюється в ампер-годинах (А·год), що означає кількість електроенергії, яку акумулятор може накопичити раніше, ніж розрядиться.

Електромобілі зазвичай мають акумулятор з великими розмірами, щоб забезпечити достатню потужність для задоволення енергетичних вимог приводів. Нові генератори працюють на вищих напругах і з дуже малими струмами. Це ефективно зменшує втрати потужності, що повинна бути передана через більш тонкі проводи, які розташовані на великій відстані.

Теплотворна здатність акумуляторів може бути обмежена, залежно від режиму експлуатації та вимог потужності засобів приводу. Нещодавно компанія Audi представила свій перший електромобіль e-tron, що має великий діапазон дії та високу потужність блоків акумуляторів. Виробником зазначеного автомобіля є Bosch. Він має аккумуляторну систему ємністю 270 А·год, що перевищує акумулятори інших електромобілів, таких як Nissan Leaf (2017) – 40 А·год або Hyundai Ioniq, Kia Soul, Hyundai Kona, Kia Niro, Volkswagen e-Golf, Chevrolet Bolt EV (2017) – 60 А·год.

Також потужність залежить від температури. Наприклад, поганий контакт між акумуляторами та холодний повітря можуть погіршити роботу акумуляторів. Та ж сама потужність, вимірювана в міліджоулях на кілограм маси (мДж/кг), може бути мінімальною або навіть ніхто не знатиме що вона взагалі існує.. Зараз обсяг акумуляторів з матеріалами високої енергетичної розташованих в підвісній порожнині (також відвором електрику) більше, в порівнянні з традиційними. Однак, цей розвиток отримується за рахунок відносно зменшеного обсягу багажника.

Модель автомобіля	Потужність акумулятора (А·год)
Audi e-tron (2019)	270
Nissan Leaf (2017)	40
Hyundai Ioniq, Kia Soul, Hyundai Kona, Kia Niro, Volkswagen e-Golf, Chevrolet Bolt EV (2017)	60

Також слід зазначити, що електромобілі можуть споживати різну кількість електричної енергії на одиницю відстані в залежності від режиму роботи та стиля водіння. Наприклад, електромобіль Kia Venga (2010 року) може робити 8-10 км на одну кіловатт-годину (кВт·год) електроенергії, в залежності від того, якого роду дороги ви їдете та як ви ведете себе водію відносно ‘кулір контролера’. Проте, міліджоулі на кілограм вище (більше мДж/кг) потребують велику, значну кількість дорогих і рекламних пристроїв та оснащення, а також сильні гальванічні елементи для зберігання електроенергії, яких основні потік герметично випаровується при використанні.

Зручність використання окремих приводів

Однією з головних переваг гібридних автомобілів і електромобілів є енергоефективність і екологічність їхнього приводу. Запуск двигуна, використовуючи енергію спалювання палива, вже не є обов’язковим для їх роботи. Використання окремих приводів, які працюють на електричній енергії, є більш зручним і екологічно чистим способом рухатися.

Акумулятори є основними засобами зберігання електричної енергії в гібридних автомобілях і електромобілях. Залежно від ємності і типу акумуляторів, автомобіль може проїхати певну відстань без додаткового зарядження. Якщо розрахувати, наприклад, ємність літій-іонної батареї у гібридного автомобіля класичного типу, то її вистачить для проїзду близько 30 км на одному літрі палива.

Отже, основна зручність полягає в тому, що зарядка акумулятора не потребує спеціальних зусиль: достатньо підключити машину до зарядного пристрою. Це значно полегшує щоденне використання автомобіля і дозволяє заряджати акумулятор на дому чи на спеціальній станції зарядки.

Крім того, така конструкція збільшує тривалість життя акумулятора, оскільки він працює в режимі зарядки і розрядки у діапазоні ємності, що дозволяє уникнути вищого навантаження на елементи батарей. Також необхідно зазначити, що спеціальна система керування енергією в гібриді забезпечує оптимальне використання енергії, що дозволяє наблизити до максимальної потужності автомобіля.

Наприклад, гібридний автомобіль Prius містить такі елементи акумуляторної системи: нікель-метал-гідридні акумулятори з номінальною ємністю 6,5 А·год і літій-іонні акумулятори з номінальними ємностями у 1,3 А·год. Це дозволяє їх використовувати в залежності від ситуації і отримати найбільш оптимальний результат з точки зору використання енергії.

Opel Ampera

Акумулятори Opel Ampera мають здатність накопичувати електроенергію під час розряджання і підтримувати електромобіль у русі залежно від потужності двигуна та швидкості руху. Ці акумулятори використовуються як основний джерело енергії для приводу Opel Ampera і дозволяють йому подолати певну відстань на чистому електроприводі.

Акумулятори Opel Ampera заряджаються від звичайної мережі вдома або на спеціальних станціях швидкої зарядки. Час повної зарядки залежить від потужності зарядного пристрою і може зайняти від кількох годин до кількох годин. Також існує можливість швидкої зарядки Opel Ampera, за допомогою якої зарядка може відбуватися протягом ~30 хвилин. Таким чином, під час зупинки на зарядці водій має можливість зарядити свій автомобіль і продовжити подорож.

Важливо зазначити, що гібридні автомобілі, зокрема Opel Ampera, використовують систему рекуперації, яка дозволяє повертати електроенергію під час гальмування і розгону. Це дозволяє зменшити енергетичні витрати та збільшити ресурс акумуляторів.

Акумулятори Opel Ampera відрізняються великою енергетичною ємністю та компактністю. Вони важать більш ніж кілька сотень кілограмів, проте це значно легше, ніж акумулятори електромобілів з більшим запасом ходу. За рахунок високого рівня ефективності гібридної системи, автомобіль може їхати виключно на електроприводі в місті або в режимі комбінованого приводу на довгих дистанціях.

Однією з особливостей акумуляторів Opel Ampera є використання літій-іонних акумуляторів з оксидом нікелю, які забезпечують високу ємність і довгий термін служби. Такі акумулятори застосовуються в багатьох гібридних та електромобілях, зокрема в Mitsubishi Outlander PHEV та Audi Q7 e-tron.

Одний акумулятор вистачає Opel Ampera для подолання до 60 кілометрів виключно на електроенергії. При цьому середній розхід складає всього 1-1,5 літра дизельного палива на 100 кілометрів в залежності від умов руху. При постійному русі в місті використовується електродвигун, що дозволяє Opel Ampera мати мінімальну кількість вихлопних газів.

У порівнянні з автомобілем з звичайним двигуном внутрішнього згорання, Opel Ampera має вищу номінальну потужність і більш короткий час розгону до 100 кілометрів на годину. Це робить його ефективнішим у використанні і особливо відповідним для їзди по місту.

Незважаючи на те, що система акумуляторів Opel Ampera достатньо складна, в ній передбачено ряд заходів безпеки, які дозволяють уникнути проблеми з розряджанням чи перегрівом акумуляторів. Також, в цій системі використовуються спеціальні пристрої, які контролюють рівень заряду акумуляторів і забезпечують їх ефективне використання.

Висновок: акумулятори Opel Ampera є важливою складовою частиною гібридного автомобіля, які забезпечують його циклічне заряджання та розряджання. Вони мають достатньо велику ємність, але в той же час важать відносно небагато, що дозволяє забезпечити мінімальну кількість вихлопних газів та ефективне використання енергетичних ресурсів. Довелося Opel Ampera використати літій-іонні акумулятори з оксидом нікелю, що є поширеними і використовуються в інших гібридних та електромобілях.

Audi електронної електронів A1

Ця модель відрізняється найбільш відповідними параметрами зарядження батарей: півгодини зарядки може забезпечити до 40-80 км пробігу, особливо в міських умовах.

Гібридний автомобіль Audi A1 живиться із внутрішнього блоку, який має емність для накопичення електроенергії умовної ємності 4.2 кВт * год. Питома теплотворна здатність літію – одне з найбільших серед елементів енергетичного накопичення.

Процес заряджання батарей гібридного електромобіля здійснюється за допомогою зарядного пристрою, який може використовувати як звичайну мережу живлення, так і самостійні джерела енергії.

Було згадано, що гібридний автомобіль Audi A1 при експлуатації може заряджатися через 230В мережу живлення, навіть при наявності збільшених вимог електроенергії, наприклад, в місті.

Основним джерелом електроенергії для заряду батарей гібридного автомобіля Audi A1 є внутрішній блок. Використовуючи таке джерело, водій може проїхати відстань до 40-80 км на електричному приводі.

Питома маса батарей гібридного автомобіля Audi A1 може бути навіть нижчою за масу багатопотокових DC елементів. У разі використання літій-фосфату (LiFePO₄) акумуляторів акумулятори можуть бути замінені з використанням більш компактної конструкції.

Суто електрична машина, основним джерелом енергії для зарядки якої є розетка струму.

Однак, гібридний автомобіль Audi A1 може бути джерелом електричної енергії для своєї батареї, що зарядний пристрій може використовувати внутрішню енергію, що сформувалася під час руху автомобіля.

При виготовленні батарей гібридних і електромобілів Audi A1 використовується технологія композитного нанографіту, в результаті чого вони мають збільшену питому ємність та забезпечують більшу вагу.

Такі елементи низького опору можуть забезпечувати достатнє використання акумуляторів гібридних автомобілів Audi A1 у практичних умовах.

Проблеми зберігання електроенергії

Зі зростанням популярності гібридних автомобілів і електромобілів стає зрозумілим, що основна проблема, що складається перед цією галуззю транспорту, полягає у зберіганні електроенергії. На сьогоднішній день це відносно нова галузь розвитку, і досягнути задовільних показників щодо діапазону проїзду на одному заряді є однією із головних вимог.

Основним приводом гібридних автомобілів і електромобілів є електромотор, який виконує функцію приводу. В основі нових технологій лежать акумулятори, які забезпечують електромобіль чисто електричним приводом. Від здатності акумулятора зберігати електричну енергію залежить діапазон проїзду автомобіля.

Однією з перших компаній, що почала використовувати гібридну технологію в автомобілях, була Toyota. У їх моделях Prius, яка була запущена на ринок в 1997 році, використовувалися нікель-металгідридні акумулятори. З того часу технологія та матеріали для акумуляторів покращилися, і багато виробників, таких як Mitsubishi, замінили нікель-металгідридні акумулятори на літій-іонні.

Ємність акумуляторів вимірюється в кіловат-годинах (кВтГод). Наприклад, якщо акумулятор має ємність 24 кВтГод, то він може постачати 24 кіловати енергії протягом однієї години. Оскільки енергію від акумулятора зазвичай використовують протягом декількох годин, дана величина вказує на те, скільки часу зможе працювати привід на енергію з акумулятора.

Процес заряду акумулятора є важливим аспектом розробки електромобільної технології. Більшість автомобільних виробників, таких як Audi з їхнім e-tron, ставлять перед собою завдання постійного удосконалення зарядного процесу, зменшення часу зарядки, а також розробки розумних систем управління зарядом, щоб забезпечити комфортну та швидку зарядку автомобіля.

Однією з проблем зберігання електроенергії є оксидантно-відновні елементи, що використовуються в батареї для зберігання електроенергії, які обмежують її здатність до зберігання. Існує різниця між теоретичною і практичною ємністю акумуляторів. Втім, насправді наявність проблем із зберіганням електроенергії також залежить від типу акумулятора (літій-іонні, нікель-металгідридні тощо) та дещо від кількості елементів в батареї.

Також важливим фактором, що впливає на діапазон проїзду електромобілей, є маса автомобіля і його властивості крутного моменту. Чим більше автомобіль, тим більша потужність потрібна, щоб розганяти його. Ця проблема може вирішуватися найчастіше шляхом збільшення мощності акумулятора, однак це призводить до збільшення маси і ваги автомобіля.

У сучасних автомобілях з гібридними приводами часто використовується об’єднання двох технологій – бензинового і електричного приводів. Це дає можливість зменшити споживання палива в міському режимі та скоротити кількість викидів CO2 в атмосферу. У таких автомобілях використовується система рекуперації енергії, за рахунок якої при гальмуванні автомобіля кінетична енергія перетворюється у електричну та заряджає акумулятор. Великі важелі не зберігаються вже на місці однієї форми.

Прогрес в зберіганні електроенергії

Прогрес в розробці акумуляторів для гібридних автомобілів та електромобілів є складним та постійно розвивається. Одним із способів зберігання електроенергії є використання літієвих акумуляторів, які зазвичай мають літієво-кобальтову оксидну електродну систему.

Літієві акумулятори дозволяють досягати високої номінальної енергії, приміром, в акумуляторі Venga можна зберігати до 8 кВт-год електроенергії. Це дозволяє автомобілям мати достатньо довгу відстань пробігу на одному заряді.

Зарядка акумуляторів таких автомобілів можлива як за допомогою зовнішньої зарядної станції, так і від внутрішньої зарядної системи автомобіля. Процес зарядки може займати від кількох годин до кількох десятків хвилин, залежно від потужності заряду та стану акумулятора.

Однак, є певні проблеми зі зберіганням електроенергії в таких автомобілях. Оскільки вони живляться від акумуляторів, а не від дизельного або бензинового палива, їх здатність до запуску двигуна залежить від наявності достатньо заряджених акумуляторів. Деякі виробники, приміром, Audi та Prius, вирішили цю проблему, використовуючи гібридні акумулятори, які заряджаються під час руху автомобіля за допомогою енергії, створеної під час гальмування.

При використанні електромобіля або гібридного автомобіля довелося розробити спеціальну зарядну інфраструктуру. Однак, з кожним новим роком ситуація зарядних станцій покращується, особливо в містах. Сьогодні вже можна заряджати свій електромобіль більшістю звичайних зарядних пристроїв у різних місцях – на станціях заправок, біля торгових центрів, офісних центрів тощо. Зарядка електромобіля може здійснюватися протягом декількох годин, але також може зайняти лише половину години, оскільки потужність заряджувальних станцій досить висока.

Однак номінальна потужність акумуляторів у гібридних автомобілях та електромобілях становить майже декілька кіловатт-годин, у той час як дизельний автомобіль середнього класу містить в собі потужність 50-60 кіловатт-годин на один літр палива. Таким чином, засоби зберігання електроенергії у гібридних автомобілях та електромобілях повинні бути ще більш ефективними для забезпечення такої потужності та пробігу.

Основні характеристики літієвих батарей

Літієві батареї є одним з найбільш універсальних джерел енергії для гібридних автомобілів і електромобілів. Вони забезпечують високу енергетичну потужність, збільшуються вагою та складністю виготовлення. У контексті електромобілів і гібридних автомобілів літієві батареї є найбільш поширеними.

Основною характеристикою літієвих батарей є їхній резервний заряд. Ця величина вказує, яку дистанцію можна проїхати на одному заряді батареї. Варто зазначити, що відстань, яку може проїхати електромобіль на одному заряді, залежить від багатьох факторів, таких як маса автомобіля, форма кузова, тип двигунів і таке інше. Однак, в середньому, літієві батареї забезпечують достатньо енергії для проїзду більш ніж 100 кілометрів.

Іншою важливою характеристикою літієвих батарей є їхній рекуперативний заряд. Ця величина вказує, скільки енергії може бути накопиченої через рекуперацію під час гальмування або спуску автомобіля. Використання рекуперативного заряду дозволяє зберегти електричну енергію, яка в іншому випадку була б втрачена.

Напруга літієвих батарей залежить від кінцевого напруги, яка використовується в системі харчування. Звичайно, він варіюється від 200 до 500 Вольт. Максимальна потужність літієвих батарей також залежить від їхнього розміру і складності виготовлення, але, в середньому, вона становить від 100 до 300 кВт.

Літієві батареї мають багато переваг порівняно з іншими типами акумуляторів, такими як нікель-металгідридні або літієво-полімерні. Вони мають вищу енергетичну питому потужність, що дозволяє їм подолати більшу відстань на одному заряді. Крім того, літієві батареї зазвичай мають меншу вагу та більш компактний розмір, що значно полегшує їх встановлення в електромобілях.

Однак, варто зазначити, що літієві батареї мають певні недоліки. Наприклад, їхній ресурс певний час залежить від умов використання та заряджання. Також, вони мають складний процес утилізації, оскільки містять отруйні елементи. Однак, в результаті постійних досліджень та розробок, виробники постійно справляються з цими проблемами і покращують технологію літієвих батарей.

Приклади автомобілів що використовують гібридні і електричні батареї

У сучасному світі все більше і більше автовиробників ставлять на розвиток технологій гібридних і електричних автомобілів. І це не дивно, адже такі автомобілі мають ряд переваг, зокрема в дотриманні екологічних стандартів, економії пального та надійності.

Є багато різних моделей автомобілів, що використовують гібридні і електричні батареї. Наприклад, Audi e-tron, який є повністю електричним автомобілем. Цей автомобіль використовує літій-іонні акумулятори для зберігання електроенергії, а основний руховий механізм складає електричний двигун. Така конструкція дозволяє забезпечити властивості електричного автомобіля, а саме чистоту та тихість руху, а також високу продуктивність.

Інший приклад – Toyota Prius, який використовує гібридну систему. Вона складається з газового двигуна та електричного двигуна. Гасовий двигун використовується для зарядки батареї, а електричний двигун використовує накопичену енергію для руху автомобіля. Така система дозволяє економити пальне та знижувати екологічний вплив автомобіля.

І, звичайно ж, Tesla Model S, яка вважається одним з найпопулярніших електричних автомобілів. Цей автомобіль також використовує літій-іонну батарею, яка забезпечує електричний рух автомобіля. Одна з особливостей Tesla Model S – це його велика потужність та дальність ходу на одному заряді.

Всі ці приклади показують, що гібридні і електричні батареї є складною, але дуже важливою частиною гібридного та електричного автомобіля. Використання таких батарей дозволяє забезпечити ефективне харчування автомобіля, а також його екологічність та економічність.

Важливі терміни для акумуляторів

Ще одним важливим поняттям є “зарядна” і “розряджання” – процеси накопичення та віддачі енергії в акумуляторах. Зарядна відбувається, коли акумулятор підключений до джерела електрику і зарядний струм протікає через нього, а розряджання відбувається, коли акумулятор використовує свою запасену енергію для живлення приводу машини.

Надалі варто знати такі поняття як “залежно від відносної ваги” – показник, який вказує на кількість енергії, яку акумулятор може запасати проти своєї ваги. Наприклад, акумулятор залежно від відносної ваги 100 Wh/kg може запасти 100 Вт·год енергії в кілограмі своєї маси.

Також варто зазначити “сферу використання” – це область, в якій акумулятори можуть ефективно працювати. Наприклад, нікель-металгідридні акумулятори зазвичай використовуються в гібридних автомобілях, а літієві акумулятори – в електромобілях.

Також важливими термінами є “потужність” і “напруга”. Потужність – це величина, яка визначає, наскільки швидко акумулятор може віддавати свою енергію. Напруга – це рівень електричної напруги, яка створюється акумулятором.

Не менш важливим поняттям є “ефективність” – це значення, яке вказує, наскільки ефективно використовується енергія засобу з урахуванням втрат в процесі зарядки та розрядки акумулятора.

Загалом, знання важливих термінів для акумуляторів допоможе краще розуміти принцип їх роботи і вибрати найбільш підходящий акумулятор для вашого гібридного автомобіля або електромобіля.