Тягові літій-іонні батареїTesla, що всередині?
Тесла Моторс є творцем воістину революційних екомобілів - електромобілів, які не тільки випускаються серійно, але і володіють унікальними показниками, що дозволяють їх використання буквально щодня. Сьогодні ми заглянемо всередину тягової акумуляторної батареї електромобіля Tesla Model S, дізнаємося, як вона влаштована і розкриємо магію успіху цієї акумуляторної батареї.
Поставка батарей клієнтам здійснюється в таких ось ящиках з ОСБ.
Найбільша і дорога запчастина для Tesla Model S - блок тягової акумуляторної батареї.
Блок тягової акумуляторної батареї знаходиться в днище автомобіля (по суті це пів електромобіля - машини), за рахунок чого Tesla Model S має дуже низький центр тяжіння і чудову керованість. Батарея кріпиться до силової частини кузова за допомогою потужних кронштейнів (див. Фото нижче) або виконує роль силової - несучої частини кузова авто.
За даними північноамериканського Агентства по захисту навколишнього US Environmental Protection Agency (EPA) одного заряду тягової літій-іонної акумуляторної батареї Tesla з номінальною напругою 400В DC, ємністю 85 кВт · год вистачає на 265 миль (426 км) пробігу, що дозволяє долати найбільшу дистанцію серед подібних електромобілів. При цьому від 0 до 100 км / год подібна машина розганяється всього за 4,4 секунди.
Секрет успіху Tesla Model S - це високоефективні циліндричні літій-іонні батареї високої енергоємності, постачальник базових елементів відома японська фірма Panasonic. Навколо цих батарей ходить чимало чуток.
Продин з них - цене вилазь, уб'є!
Один з власників і ентузіастів Tesla Model S з США вирішив повністю розібрати використану батарею для Tesla Model S енергоємністю 85 кВт · год, щоб детально вивчити її конструкцію. До речі, її вартість, як запчастини, в США складає 12 000 USD.
Зверху блок батареї розміщено тепло і звуку ізоляційне покриття, яке закривається товстою поліетиленовою плівкою. Знімаємо це покриття, у вигляді килима і готуємося до розбирання. Для роботи з батареєю необхідно мати ізольований інструмент і користуватися гумовим взуттям, і гумовими захисними рукавичками.
Батарея Tesla. Розбираємо!
Тягова акумуляторна батарея Tesla (блок тягової акумуляторної батареї) перебуває 16 батарейних модулів, кожен номінальною напругою 25В (виконання елементів живлення - IP56). Шістнадцять батарейних модулів з'єднані послідовно в батарею з номінальною напругою 400В. Кожен батарейний модуль складається з 444 елементів (акумуляторів) 18650 Panasonic (вага одного акумулятора 46 г), які з'єднані за схемою 6s74p (6 елементів послідовно і 74 таких груп паралельно). Всього в тягової акумуляторної батареї Tesla - 7104 таких елементів (акумуляторів). Батарея захищена від навколишнього середовища за допомогою використання металевого корпусу з алюмінієвою кришкою. На внутрішній стороні загальної алюмінієвої кришки є пластикові накладки, у вигляді плівки. Загальна алюмінієва кришка кріпиться гвинтами з металевими, і гумовими прокладками, які герметизуються, додатково силіконовим герметиком. Блок тягової акумуляторної батареї розділений на 14 відсіків, в кожному відсіку розміщений батарейний модуль. У кожному відсіку зверху і знизу батарейних модулів розміщені листи пресованої слюди. Листи слюди забезпечують хорошу ізоляцію батареї електричну, і теплову від корпусу електромобіля. Окремо спереду батареї під своєю кришкою розміщені два таких же батарейних модуля. У кожному з 16 батарейних модулів є вбудований блок BMU, який з'єднаний із загальною системою BMS, яка управляє роботою, стежить за параметрами, а так само забезпечує захист всієї акумуляторної батареї. Загальні вивідні клеми (термінал) знаходиться в задній частині блоку тягової батареї.
До того, як повністю її розібрати, було заміряні електрична напруга (воно склали близько 313,8В), що говорить про те, що батарея розряджена, але знаходиться в робочому стані.
Батарейні модулі відрізняється високою щільністю елементів (акумуляторів) 18650 Panasonic, які там розміщені і точністю підгонки деталей. Весь процес складання на заводі Tesla проходить в повністю стерильному приміщенні, з використанням роботів, витримується навіть певна температура і вологість.
Кожен батарейний модуль складається з 444 елементів (акумуляторів), які з вигляду вкрай схожих з простими пальчиковими батарейками - це літій-іонні циліндричні акумулятори 18650, виробництва компанії Panasonic. Енергоємність кожного батарейного модуля з таких елементів складає 5,3 кВт · год.
В акумуляторах 18650 Panasonic позитивний електрод - графіт, а негативний електрод - нікель, кобальт і оксид алюмінію.
Тягова акумуляторна батарея Tesla важить 540 кг, а її розміри рівні 210 см в довжину, 150 см в ширину, і 15 см в товщину. Кількість енергії (5,3 кВт · год), що виробляється за все одним блоком (з 16 батарейних модулів), дорівнює кількості, виробленому сотнею акумуляторів від 100 портативних комп'ютерів. До мінуса кожного елемента (акумулятора) в якості з'єднувача припаяна зволікання (зовнішній струмовий обмежувач), який при перевищенні струму (або при короткому замиканні) згорає і захищає ланцюг, при цьому не працює тільки група (з 6 акумуляторів), в якій був цей елемент , всі інші акумулятори продовжують працювати.
Тягова акумуляторна батарея Tesla охолоджується і підігрівається за допомогою рідинної системи на основі антифризу.
При складанні своїх батарей Тесла застосовує елементи (акумулятори), вироблені компанією Panasonic в різних країнах, таких, як Індія, КНР і Мексика. Фінальна доробка і розміщення в корпус батарейного відсіку, виробляються в Сполучених Штатах. Компанія Tesla надає гарантійної обслуговування своєї продукції (в тому числі і акумуляторної батареї) на термін до 8 років.
На фото (зверху) елементи - акумулятори 18650 Panasonic (завальцювання у елементів з боку плюса «+»).
Таким чином, ми дізналися, з чого складається тягова акумуляторна батарея Tesla Model S.
Дякуємо за увагу!
Ми частково розглянули конфігурацію акумуляторної батареї Tesla Model S ємністю 85 кВт * год. Нагадаємо, основним елементом батареї є літій-іонні акумулятори осередок компанії Panasonic, 3400 mAh, 3,7 V.
Осередок Panasonic, типорозмір 18650
На малюнку показана типова осередок. Реально в Теслі осередку трохи модифіковані.
дані осередки паралельно з'єднуються в групи по 74 шт. При паралельному з'єднанні напруга групи дорівнює напрузі кожного з елементів (4,2 В), а ємність групи дорівнює сумі ємностей елементів (250 Ач).
далі шість груп з'єднуються послідовно в модуль. При цьому напруга модуля підсумовується з напруг груп і дорівнює приблизно 25 В (4,2 В * 6 груп). Ємність залишається 250 Ач. нарешті, модулі з'єднуються послідовно в батарею. Всього батарея містить 16 модулів (разом 96 груп). Напруга всіх модулів при цьому підсумовується і становить в результаті 400 В (16 модулів * 25 В).
Як навантаження для даної батареї виступає асинхронний електропривод максимальною потужністю 310 кВт. Оскільки P \u003d U * I, в номінальному режимі при напрузі 400 В в ланцюзі протікає струм I \u003d P / U \u003d 310000/400 \u003d 775 А. На перший погляд може здатися, що це божевільний ток для такої «батарейки». Однак, не варто забувати, що при паралельному з'єднанні за першим законом Кірхгофа I \u003d I1 + I2 + ... In, де n - число паралельних гілок. У нашому випадку n \u003d 74. Оскільки всередині групи внутрішні опору осередків ми вважаємо умовно рівними, то і струми в них будуть однаковими.Відповідно, безпосередньо через осередок протікає струм In \u003d I / n \u003d 775/74 \u003d 10,5 А.
Багато це чи мало? Добре чи погано? Для того щоб відповісти на ці питання, звернемося до розрядної характеристиці літій-іонного акумулятора. Американські народні умільці, розібравши батарею, провели ряд випробувань. Зокрема, на малюнку наведені осцилограми напруг при розряді осередки, взятої з реального Tesla Model S, Струмами: 1А, 3А, 10А.
Сплеск на кривій 10 А обумовлений ручним перемиканням навантаження на 3А. Автор експерименту вирішував паралельно ще одну задачу, ми на ній зупинятися не будемо.
Як видно з малюнка, розряд струмом в 10 А цілком задовольняє вимогам по напрузі осередки. Цей режим відповідає розряду по кривій 3C. Слід зазначити, що ми взяли найкритичніший випадок, коли потужність двигуна максимальна. Реально, з урахуванням дуже використання двомоторного приводу з оптимальним передавальним числом редукторів, автомобіль буде працювати з розрядом 2 ... 4 А (1С). Лише в моменти дуже різкого розгону, при їзді в гору на високій швидкості, ток осередку може досягати в піку 12 ... 14 А.
Які ще переваги це дає? Для даної навантаження в разі постійного струму перетин мідного провідника можна вибрати 2 мм.кв. Tesla Motors вбиває тут двох зайців. Всі сполучні провідники виконують ще й функцію запобіжників. Відповідно, немає необхідності використовувати дорогу систему захисту, додатково використовувати плавкі запобіжники. Самі з'єднувальні провідники в разі перевантаження по струму за рахунок малого перетину плавляться і запобігають аварійну ситуацію. Детальніше про це ми писали.
На малюнку провідники 507 і є ті самі з'єднувачі.
Нарешті, розглянемо останнє питання, яке хвилює розуми сучасності, і викликає хвилю суперечок. Чому Тесла використовує саме літій-іонні акумулятори?
Відразу обмовлюся, що конкретно в цьому питанні я висловлю свою, суб'єктивну думку. З ним можна не погоджуватися)
Проведемо порівняльний аналіз різних типів акумуляторів.
Очевидно, літій-іонна батарея має на сьогодні найвищі питомі показники. Кращою батареї по щільності енергії і співвідношенню маса / габарит поки, на жаль, в масовому виробництві не існує. Саме тому в Tesle вийшло зробити настільки збалансовану батарею, що забезпечує запас ходу до 500 км.
Друга причина, на мій погляд, маркетингова. Все таки в середньому ресурс таких осередків становить близько 500 циклів заряд-розряд. А це означає, що при активному використанні автомобіля, Вам доведеться замінити батарею максимум через два роки. Хоча, компанія дійсно.
До цього автомобілю взагалі звичайно останнім часом досить спірне ставлення. Багато обговорюють, який він, інших. Є люди, які вважають автомобіль "Тесла" відмінним елементом піар-кампанії, побудованої на продажу того, що давно існувало, але нікому в голову не приходило з цього зробити автомобіль, та й перспектив типу у нього трохи і навіть існує
Але давайте залишимо ці суперечки "за бортом" і подивимося на головний елемент цього автомобіля - акумулятори. Знайшлися люди, які не полінувалися і не затиснули якийсь кількість грошей взяли і розпиляли батарейку від машини.
Ось як це виглядало
Тесла Моторс є творцем воістину революційних екомобілів, які не тільки випускаються серійно, але і володіють унікальними показниками, що дозволяють їх використання буквально щодня. Сьогодні ми заглянемо всередину батареї електромобіля Tesla Model S дізнаємося як вона влаштована і розкриємо магію успіху цього акумулятора.
За даними північноамериканського Агентства по захисту навколишнього середовища (ЕРА), Model S досить одного підзарядки батарей об'ємом 85 кВт * год для подолання більш 400 км, що є найбільш значущим показником серед подібних автомобілів, представлених на спеціалізованому ринку. Для розгону до 100 км / год електрокару досить лише 4,4 секунди.
Запорукою успіху даної моделі є наявність літій-іонних батарей, основні складові яких поставляються для Тесла компанією Panasonic. Акумулятори Тесла овіяні легендами. І тому один з власників такої батареї зважився порушити її цілісність і з'ясувати, що вона вдає із себе всередині. До речі, вартість подібної батареї дорівнює 45 000 USD.
Акумулятор розташований в днище, завдяки чому Тесла володіє низьким центром ваги і прекрасною керованістю. Приєднується він до кузова за допомогою кронштейнів.
Батарея Tesla. розбираємо
Батарейний відсік формують 16 блоків, які паралельно з'єднані і огороджені від навколишнього середовища за допомогою металевих пластин, а також, пластиковою накладкою, що запобігає потраплянню води.
До того, як повністю її розібрати, було заміряні електрична напруга, яке підтвердило робочий стан батареї.
Збірка акумуляторів відрізняється високою щільністю і точністю підгонки деталей. Весь процес комплектації проходить в повністю стерильному приміщенні, з використанням роботів.
Кожен блок складається з 74 елементів, з вигляду вкрай схожих з простими пальчиковими батарейками (літій-іонні осередки Panasonic), розділених на 6 груп. При цьому, з'ясувати схему їх розміщення і роботи майже нереально - це великий секрет, а значить, зробити репліку даної батареї буде вкрай важко. Китайський аналог акумулятора Tesla Model S ми навряд чи побачимо!
У ролі позитивного електрода служить графіт, а негативного - нікель, кобальт і оксид алюмінію. Зазначений обсяг електричної напруги в капсулі становить 3,6.
Найпотужніший з наявних акумуляторів (його обсяг становить 85 кВт * год) складається з 7104 подібних батарей. І важить він близько 540 кг, а його параметри рівні 210 см в довжину, 150 см в ширину і 15 см в товщину. Кількість енергії, що виробляється за все одним блоком з 16, дорівнює кількості, виробленому сотнею акумуляторів від портативних комп'ютерів.
При складанні своїх батарей Тесла застосовують елементи, вироблені в різних країнах, таких, як Індія, КНР, Мексика, але фінальна доопрацювання і комплектація виробляються в Сполучених Штатах. Компанія надає гарантійної обслуговування своєї продукції на термін до 8 років.
Таким чином ви дізналися з чого складається акумулятор Tesla Model S і принцип його роботи.
Ще цікаве про Теслу: ось вам, а ось і сам
Приводяться в дію виключно від електрики, що зберігаються в батареях.
З початку виробництва Тесла на свої електрокари модельного ряду Model S, а пізніше і на Model X встановлювала батареї ємністю від 40 до 100 кВтг, кожна з яких складається з 8, 12 або 16 секцій.
Кожна секція являє собою з'єднані між собою невеликих «пальчикових» акумуляторів Panasonic, трохи перевищують в розмірах стандартні акумулятори AA. Циліндричні акумулятори Tesla мають діаметр 18 мм і висоту 65 мм. Варто так само відзначити, що їхня перевага полягає в довговічності, надійності і продуктивності в суворих автомобільних умовах.
1 - Акумуляторна батарея; 2 - Перетворювач напруги (DC / DC); 3 - Високовольтний кабель (оранжевого кольору); 4 - Головне бортове зарядний пристрій 10 кВт; 5 - Додаткове зарядний пристрій 10 кВт (опція); 6 - Зарядний роз'єм; 7 - Модуль приводу;
Батарея 40 кВтг
40-кіловатна батарея буває двох типів: 40-кіловатна батарея з 8-ю секціями (сегментами / осередками) (створена на базі батарейки Toyota RAV4 EV), і 60-кіловатна батарея в якій було 12 осередків і була запрограмована на зарядку до 40 кіловат .
Tesla Model S 40 кВтг популярністю не користувалися, тому їх виробництво незабаром було завершено.
Батарея 60 кВтг
Батарея 60 кВт складалася з 12 або 16 секцій. 12-секційна встановлювалася на Model S40, 16-секційна батарея отримала позначення «NEW» і була кардинально модифікована.
Батарея 70/75 кВтг
Крім того, що ця батарея встановлювалася на Model S60 (S60D), вона так само встановлювалася на S70 (S70D) і S75 (S75D), але з
розширеними функціями.
Батарея на 60 кВтг для 60-ої моделі відрізнялася відсутністю 77 пальчикових акумуляторів, для 70-х Модель S все 16 секцій були заповнені акумуляторами повністю, за рахунок чого і підвищувалася загальна ємність батареї.
Батарея 85/90 кВтг
Батарея Тесла 85, 90 і 100 кВтг складається з 16 секцій. Кожна комірка складається з 444 «пальчикових» акумуляторів і має свою плата BMS, яка управляє балансуванням всіх осередків.
Найпопулярніший акумулятор поставляється Tesla (85 кВт · год), містить 7104 акумуляторів 18650.
У 2015 році компанія Panasonic змінила конструкцію анода, збільшивши місткість акумулятора приблизно на 6%, дозволяючи акумуляторним блокам зберігати до 90 кВт енергії. В результаті чого між 90-кіловатна батареєю відрізняється від 85-кіловатної не по ємності:
- по-перше, ємність акумулятора Panasonic 18650 в 85-кіловатної батареї має вагу - 46 грам, в 90-кіловатної батареї цей же акумулятор важить 48.5 грам;
- по-друге, токоотдачи в 85-ій батареї - 10C, в 90-ий - 25C (з цієї причини режим Ludicrous доступний тільки на Тесла з 90 і 100-кВтг батареєю, так як технічні можливості дозволяють дати машині більш жваву динаміку);
Батарея 100 кВтч
Найпотужніша батарея Tesla. Внутрішні елементи акумуляторної батареї були переконфігурувати, щоб в кожен модуль вміщалося 516 акумуляторів 18650.
В цілому в 100-кіловатної батареї було поміщено 8256 акумуляторів Панасонік, здатних зберігати трохи більше 100 кВтг енергії, і дозволяючи електричним автомобілям Тесла проїжджати більше 500 кілометрів.
Дана батарея має токоотдачи 25C і являє собою «останнє слово техніки» в інженерії батарей від компанії Тесла.
І навіть на цьому розвиток і вдосконалення не зупиняється. Щоб ще більше підвищити ефективність акумуляторів і знизити витрати, компанія Tesla побудувала велику фабрику батарей в Спаркс, штат Невада, яка називається Gigafactory 1.
Фабрика виробляє нову конструкцію акумулятора під назвою 2170. Він має діаметр 21 мм і висоту 70 мм, і спочатку використовувався в Tesla Powerwall і Powerpack, а також в новому седані Tesla Model 3, який менше і дешевше від Model S.
Акумулятор 2170 на 46% більше за обсягом, ніж 18650 і 10-15% більш енергоефективною, ніж 18650.
Дуже важливо правильно заряджати батарею, а саме з належним зарядним пристроєм - оригінальним або від якісного виробника, так як від саморобних зарядних пристроїв батарея перегрівається, погані контакти і погана якість струму, в результаті чого сильно впливає на ємність і довговічність батареї.
Під час експлуатації виробник настійно не рекомендує піддавати автомобіль безперервному при температурі не вище + 60C або нижче -30C більше 24 годин
Рекомендовано не допускати повного розряду акумуляторної батареї. У разі, якщо автомобіль не експлуатується, енергія поступово витрачається на харчування бортової електроніки (щодня батарея розряджається в середньому на 1%).
Щоб запобігти повний розряд, рекомендовано перевести автомобіль в режим енергозбереження, в якому відключається живлення бортової електроніки, що дозволить скоротити розряд до 4% в місяць. Так само варто відзначити, що в енергозберігаючому режимі зарядка акумулятора 12-вольта припиняється, що протягом 12 годин приведе його до повного розряду. Тому в даному випадку буде потрібно підключення до зовнішньої пусковий акумуляторної батареї або її заміна.
Але, не варто забувати, що при активації режиму енергозбереження - необхідно підключити автомобіль до джерела живлення протягом 2 місяців, щоб запобігти повній розрядці батареї Тесла.
Втрата ємності батареї в ході експлуатації - одна з проблем електромобілів, незважаючи на те, що цей процес є нормою для будь-яких пристроїв, оснащених літій-іонними акумуляторами. Однак експерти організації Plug-in America встановили, що електромобіль в цьому відношенні - виняток.
Так, вони провели незалежне дослідження , Яке показало, що втрата потужності батареї Model S навіть при тривалому пробігу є невеликою. Зокрема, блок акумуляторів цього автомобіля в середньому втрачає 5% своєї потужності після подолання машиною позначки в 50 тис. Миль (80 тис. Км), а при пробігу понад 100 тис. Миль (160 тис. Км) - і зовсім менше 8% . Дослідження було проведено на основі даних 500 електрокарів Tesla Model S, сумарний пробіг яких склав понад 12 млн миль (20 млн км).
Крім того, Plug-in America провела ще одне дослідження, яке показало, що за чотири роки (з моменту виходу Tesla Model S на ринок) в рази скоротилася кількість звернень на сервісні станції «Тесла» через проблеми з акумулятором, електродвигуном або зарядним пристроєм.
Ємність батареї може залежати від декількох факторів, таких як частота повної зарядки ємності, періоди часу перебування в незарядженому стані і кількість швидких зарядок. Дані Plugin America також показують, що коефіцієнти заміщення для основних компонентів значно покращилися:
Такі дані обнадіюють, але незважаючи на це Тесла продовжує працювати над поліпшенням своєї акумуляторної батареї і технологій осередків. Компанія почала наукове співробітництво з дослідницькою групою Jeff Dahn університету Далхаузі. Цей відділ спеціалізується на збільшенні терміну служби осередків літій-іонних акумуляторів, а його метою є максимальне продовження пробігу на батареї з невеликою втратою потужності.
Відзначимо, що батарея Tesla Model S, так само як і сам автомобіль з 2014 року має гарантію терміном на 8 років і без обмежень на пробіг. Тоді глава Tesla Ілон Маск пояснив прийняття такого рішення так: «Якщо ми дійсно віримо, що електромотори набагато надійніше двигунів внутрішнього згоряння, з меншою кількістю рухомих частин ... то наша гарантійна політика повинна відображати це».
