1000 километров пробега на одной зарядке: миф или реальность?
Изрядная часть комментариев под материалами об электромобилях начинается так: «Ехал я в прошлом году из Красноярска до Иркутска – перегон около 1000 километров. Розеток по пути нет, на улице – минус 40, какие тут электромобили»… Действительно, относительно низкий запас хода пока остаётся одним из самых существенных препятствий на пути к массовому распространению автомобилей на электротяге. Запас хода электромобилей постепенно растёт, однако, можем ли мы надеяться, что в будущем «электричка» будет преодолевать тысячу километров без розеток?
Тысячу километров – красивая цифра, особенно для электромобиля, однако ездят ли обычные машины на такие расстояния без заправок? Такие пробеги – редкость и, как правило, увязаны они с маркетинговыми мероприятиями, цель которых – показать уровень так называемых высоких технологий. Один из немногих примеров пробега на тысячу километров без доработок показала Porsche Cayenne: под конец жизненного цикла первого поколения, в 2009 году, внедорожник оснастили дизельным двигателем. Худенький водитель-испытатель выключил музыку и кондиционер, задраил люки (чтобы не создавать аэродинамических помех) и с крейсерской скоростью в 90–100 км/ч прошелестел по автобанам через всю Германию. Получилось даже чуть больше тысячи: не последнюю роль сыграл, конечно, и 100-литровый топливный бак.
А что с электромобилями, почему они не могут ездить так далеко без подзарядки, и нельзя ли им тоже увеличить размер батареи, то есть, по аналогии с обычными машинами, размер «топливного бака»? Представьте себе, именно эта идея и озарила участников экологических ралли, ставших модными в США и Европе ещё десять лет назад. Чуть ли не единственным массовым электромобилем тогда был Nissan Leaf первого поколения: спортсмены выбрасывали заднее сиденье и ставили вместо него вторую батарею. Таким образом, ёмкость АКБ увеличивалась вдвое, правда, это давало увеличение пробега в лучшем случае на половину. Дело в том, что вторая АКБ изрядно увеличивала массу электромобиля, при этом масса самих батарей, по мере расходования энергии, естественно не сокращалась подобно тому, как сокращается масса бензина или дизтоплива в топливном баке обычной машины. Кстати говоря, по оценке Агентства по охране окружающей среды США (EPA) батарея ёмкостью в 24 кВт-ч обеспечивала первым версиям Nissan Leaf запас хода в комбинированном цикле всего 84 мили или 134,4 км .
Само собой, такой экстенсивный путь увеличения дальности хода как раздувание размеров АКБ для электромобилей общего пользования не подойдёт, тем более, что технологии не стоят на месте: Leaf третьего поколения в модификации SV может проехать на одной зарядке уже 149 миль или 238 км, Audi e-tron quattro – 225 миль или 360 км, Chevrolet Bolt EV – 259 миль или 414 км и т. д. К слову, расход топлива, который у обычных машин считают в «литрах на 100 километров», для электромобилей рассчитывают в «киловатт-часах на 100 км», то есть в единицах емкости АКБ, затраченных на преодоление единицы пути.
Запас хода у седана Evolute i-Pro составляет 433 км, у кроссовера i-Joy – 407 км, у кроссовера i-Sky – 511 км. В отличие от приведённых выше цифр, запас хода «Эволютов» рассчитан по результатам испытаний, проведенных в соответствии с правилами Технического регламента Таможенного Союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств».
Интересный момент: в отличие от обычных машин, у электромобилей запас хода на трассе падает, причём зачастую на треть, по сравнению с движением в городе.В зависимости от уровня используемых технологий, разрыв между «магистральным» и «городским» расходом электроэнергии может быть разным. К примеру, у недорогих моделей он ощутим: согласно доступным исследованиям по циклу EPA, упомянутый Chevrolet Bolt EV расходует в привычном нам эквиваленте 1,8 литра бензина на 100 км городской езды, а на трассе – уже 2,16 л/100 км в эквиваленте. У дорогих автомобилей эти показатели ближе: BMW i4 eDrive35 GranCoupe (с колесами в 19 дюймов) в городе расходует 2,2 л/100 км в бензиновом эквиваленте, а на трассе – 2,31 л/100 км.
Как рассчитывается подобный эквивалент и насколько универсальны эти цифры? Многое зависит от методики измерений. Например, согласно методике NEDC запас хода у того же Bolt EV составляет 520 км, а согласно более современному циклу испытаний EPA — уже 417 км.
Формально, по количеству энергии 1 литр бензина равен 9 киловатт-часам в батарее. Но КПД бензинового мотора без гибридной составляющей хорошо если достигает 33%, а у электродвигателя стремится к 100%. То есть при прочих равных расход может соотноситься как 1 литр к 3 киловатт-часам. С увеличением передаточного отношения КПД бензинового мотора резко падает, а на холостых оборотах и вовсе равен нулю — мотор не производит полезного действия, а бензин расходует. Потому в городе обычные ДВС расходуют очень много топлива впустую. А электромотор почти всегда расходует столько энергии, сколько ему надо, его КПД стабилен. В пробке он не тратит энергии вообще, ведь у него нет холостого хода. А на трассе, напротив, затрачивает максимум энергии для достижения наибольшей скорости.
Важный вклад в «городскую» экономию электромобилей вносит система рекуперации энергии, которая при частых разгонах-торможениях «возвращает» больше энергии, чем на трассе, где она практически не задействована. Исходя из сказанного сделаем вывод, что в городе ставить рекорды по пробегу на одной зарядке электромобилю легче, чем на трассе.
В современных электромобилях высоковольтная батарея размещена в пределах колёсной базы, а кроме того, ограничена по высоте силовой конструкцией днища, поэтому увеличивать её размеры некуда. На фото – “начинка” VW ID.3
Если батарею нельзя увеличить в размере, как повысить пробег на одной зарядке? Очень просто: нужно повысить объем запасаемой электроэнергии в одном килограмме АКБ. Чем выше будет этот показатель, тем при тех же размерах батареи электромобиль проедет дальше. Разница с обычными машинами заключается в том, что у бензина и дизтоплива так называемую «плотность энергии», то есть, энергоемкость, приходящуюся на единицу массы, изменить нельзя – это природная данность. А вот у рукотворных батарей это делать можно. Скажем больше – повышение плотности энергии стало ключевой задачей разработчиков АКБ ещё лет десять назад. Другое дело, что повышается этот показатель очень медленно.
Улучшить плотность можно с помощью нескольких факторов – свою роль играет даже форма ячейки, определяющее взаимное расположение катода и анода, но ключевым фактором остается подбор химических элементов катода.
Оговоримся, что далеко не для всякого транспорта на электротяге увеличение запаса хода – главная задача. К примеру, для электробусов куда важнее повысить количество циклов заряда-разряда АКБ, то есть, увеличить ее жизненный цикл. И поскольку одновременно все свойства батареи улучшить нельзя, инженерам приходится чем-то жертвовать. Короче говоря, у электробусов по химическому набору электрод литий-титанатный – Li4Ti5O12. Он даёт куда большее количество циклов, чем составной катод упомянутого Nissan Leaf первого поколения с формулой LiMn2O4/LiNiO2, но на том его преимущества и ограничиваются.
Переходим к легковушкам общего пользования. В Китае получили самое широкое распространение литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO4). Их удельная емкость невысока, однако они не требуют системы жидкостной терморегуляции (поэтому обходятся существенно дешевле) и в китайском климате стареют не так быстро, как в климате с большим годовым перепадом температур (как у нас в Сибири) или в условиях Аризоны, когда многомесячная жара в 40 градусов – это температурная норма. Кстати, именно покупатели Аризоны и Австралии первыми засыпали Nissan претензиями не только по части быстрого «угасания» ёмкости АКБ, но и её частого перегрева, который вызывал включение аварийного режима с ограничением скорости движения. Что важно – случалось это именно при загородных пробегах.
В общем, мы еще раз акцентируем внимание, что повышение пробега электромобиля – сложная, комплексная задача, которая должна решаться вкупе с другими. Подобно тому, как частному клиенту не пригодится электромобиль с второй батареей вместо заднего сиденья, ему нет нужды в «электричке» с дальностью хода в тысячу километров, но короткой жизнью батареи, да ещё и с ограничениями по режимам эксплуатации. Собственно, даже в условиях средней полосы России батареи LiFePO4 долго не живут.
Поскольку АКБ – самая дорогостоящая часть электромобиля, производители очень часто предлагают покупателям сэкономить в счёт запаса хода. К примеру, Ford предлагает Mustang Mach-E с АКБ стандартной и увеличенной ёмкости. Во втором случае пробег будет выше на 22 мили, то есть, на 35 км и по методике EPA достигнет 300 миль (480 км).
Итак, вернёмся к материалу катода как к главному фактору повышения удельной ёмкости батареи. В последние годы в инженерной среде по части оптимальной «химии» для автомобилей общего пользования возникли несколько консенсусных решений. Об одном мы сказали – это катод LiFePO4. Куда более важным стандартом, к которому пришли европейские производители стал катод NMC, состоящий из никеля, марганца и кобальта. Интересно, что по части улучшения характеристик АКБ на его базе этот состав оказался весьма перспективным. Поначалу перечисленные элементы применялись в пропорции 6:2:2, то есть, на никель приходилось 60%, на марганец и кобальт – по 20%. Однако с некоторых пор производители, использующие эту «химию», перешли на соотношение 8:1:1. Именно такой катод будет использовать и российская компания «Рэнера», входящая в состав Госкорпорации «Росатом». Она строит гигафабрику рядом с Калининградом и будет поставлять ячейки для АКБ для локализованных моделей Evolute. На первых порах российские инженеры будут заниматься управлением АКБ, её корпусированием и компоновкой, а сами ячейки будут изготавливаться по технологиям южнокорейской фирмы Enertech, которую «Рэнера» выкупила полностью. Кстати, именно ячейки Enertech применили в автомобилях Aurus. Следующим вариантом NMC-батарей, которые массово встанут на конвейер станет пропорция 9:0,5:0,5.
Однако, какую плотность электроэнергии NMC-батареи обеспечивают в настоящее время, и какую нужно достичь, чтобы без изменения размера АКБ пробег электромобилей увеличился до искомой тысячи километров? Скажем сразу, что интернет полон неточных публикаций на сей счёт. К примеру, в начале года Госсовет Китая официально объявил, что в 2022 году в Поднебесной стартовало массовое производство ячеек с плотностью не менее 300 Вт-ч/кг. В докладе не был указан производитель, однако эта цифра, вероятно, касалась плотности энергии в ячейке, а не в АКБ в целом.
С учетом массы системы жидкостной терморегуляции, без которой NMC-батареи для электромобилей сегодня не выпускают, и без которой NMC-батарея долго не живёт, а также массы корпуса, блока управления и высоковольтных проводов, этот показатель пока находится на уровне всего лишь в 150–170 Вт-ч/кг. К примеру, такими батареями оснащены модели Mercedes-Benz представленные в 2022–2023 годах. Кроме того, на выставке потребительской электроники CES-2023 немцы выставили концепт-кар Vision EQXX, у которого удельная энергоемкость АКБ составила 200 Вт-ч/кг. АКБ, которые использовал немецкий концерн пять лет назад, обладали плотностью в 115–120 Вт-ч/кг. Как видим, в последние годы удельная энергоемкость серийных NMC-батарей выросла несущественно.
Российские модели бренда Evolute оснащены NMC-батареями с жидкостной системой терморегуляции, что обеспечивает долговременную работу как в жаркую погоду, так и в холод. Другое дело, что у всех современных АКБ при эксплуатации в предельных температурных режимах запас хода сокращается, потому что энергия в батарее используется не только на движение, но и на интенсивную работу системы терморегуляции.
А теперь возьмём Mercedes-Maybach EQS SUV, вышедший в продажу на европейском рынке в апреле нынешнего года. По циклу WLTP исполнение EQS 680 SUV может проехать «до 600 км на одной зарядке». Стало быть, если скинуть сотню километров для верности, то для достижения запаса хода в тысячу километров, плотность нужно увеличить вдвое. Как скоро это случится?
На этот вопрос трудно дать ответ. С одной стороны, исследовательские лаборатории регулярно рапортуют об увеличении удельной энергоемкости NMC-ячеек. К примеру, в этом году ресурс Chinese Physics Letters сообщил об изготовлении лабораторных образцов NMC-ячеек с плотностью более чем в 700 Вт-ч/кг. Это, конечно, внушает оптимизм, однако доведение этой технологии до массового производства может занять несколько лет. С другой стороны, помимо NMC-химии, да и в целом литий-ионных батарей – то есть тех, в которых заряд передаётся ионом лития, ученые изучают и другие принципы хранения энергии на борту. Возможно, устройства, сконструированные на этих принципах, вытеснят ставшие традиционными АКБ. Напишите в комментариях, интересно ли вам будет о них узнать.
В любом случае уже сегодня электромобили вплотную приблизились к обычным автомобилям по запасу хода. Нет сомнений, что при условии сокращения длительности зарядки и быстрого развития инфраструктуры электромобиль начнёт на равных конкурировать с обычными машинами по потребительским свойствам, учитывая, что по цене они уже ниже.
Что же касается пробега в 1000 километров, то, по нашему мнению, этот вопрос будет решаться в первую очередь на уровне маркетинговых, а не конструкторских служб: если покупатели электромобилей начнут требовать такого запаса хода, то перед инженерами будет поставлена соответствующая задача. Если же владельцам электромобилей будет достаточно устойчивого пробега на одной зарядке в 600 километров – при любых погодных условиях, то инженеры, зафиксировав этот параметр, буду улучшать другие свойства батареи: снижать ее массу, увеличивать продолжительность жизни, сокращать динамику потери ёмкости и так далее.
Источник: "DRIVE2"
