Из чего состоит аккумулятор теслы. Устройство аккумуляторной батареи Tesla Model S. Эффективное решение для бизнеса и промышленности

Тесла Моторс является создателем поистине революционных экомобилей, которые не только выпускаются серийно, но и обладают уникальными показателями, позволяющими их использование буквально ежедневно. Сегодня мы заглянем внутрь батареи электромобиля Tesla Model S узнаем как она устроена и раскроем магию успеха этого аккумулятора.

По данным североамериканского Агентства по защите окружающей среды (ЕРА), Model S достаточно одного подзаряда батарей объемом 85 кВт*ч для преодоления более 400 км, что является самым значимым показателем среди подобных автомобилей, представленных на специализированном рынке. Для разгона до 100 км/час электрокару достаточно лишь 4,4 секунды.

Залогом успеха данной модели является наличие литий-ионных батарей, основные составляющие которых поставляются для Тесла компанией Panasonic. Аккумуляторы Тесла овеяны легендами. И поэтому один из обладателей такой батареи решился нарушить ее целостность и выяснить, что она представляет из себя внутри. Кстати, стоимость подобной батареи равна 45 000 USD.

Аккумулятор расположен в днище, благодаря чему Тесла обладает низким центром тяжести и прекрасной управляемостью. Присоединяется он к кузову посредством кронштейнов.

Батарея Tesla. Разбираем

Батарейный отсек формируют 16 блоков, которые параллельно соединены и ограждены от окружающей среды посредством металлических пластин, а также, пластиковой накладкой, предотвращающей попадание воды.

До того, как полностью ее разобрать, было замерено электрическое напряжение, подтвердившее рабочее состояние батареи.

Сборка аккумуляторов отличается высокой плотностью и точностью подгонки деталей. Весь процесс комплектации проходит в полностью стерильном помещении, с использованием роботов.

Каждый блок состоит из 74 элементов, по виду крайне схожих с простыми пальчиковыми батарейками (литий-ионные ячейки Panasonic), разделенных на 6 групп. При этом, выяснить схему их размещения и работы почти нереально - это большой секрет, а значит, сделать реплику данной батареи будет крайне трудно. Китайский аналог аккумулятора Tesla Model S мы врядли увидим!

В роли положительного электрода служит графит, а отрицательного - никель, кобальт и оксид алюминия. .

Самый мощный из имеющихся аккумуляторов (его объем составляет 85 кВт*ч) состоит из 7104 подобных батарей. И весит он порядка 540 кг, а его параметры равны 210 см в длину, 150 см в ширину и 15 см в толщину. Количество энергии, вырабатываемой всего одним блоком из 16, равно количеству, производимому сотней аккумуляторов от портативных компьютеров.

При сборке своих батарей Тесла применяют элементы, произведенные в различных странах, таких, как Индия, КНР, Мексика, но финальная доработка и комплектация производятся в Соединенных Штатах. Компания предоставляет гарантийной обслуживание своей продукции на срок до 8 лет.

Таким образом вы узнали из чего состоит аккумулятор Tesla Model S и принцип его работы. Благодарим за внимание!

Потеря емкости батареи в ходе эксплуатации – одна из проблем электромобилей, несмотря на то, что этот процесс является нормой для любых устройств, оснащенных литий-ионными аккумуляторами. Однако эксперты организации Plug-in America установили, что электромобиль в этом отношении – исключение.

Так, они провели независимое исследование , которое показало, что потеря мощности батареи Model S даже при длительном пробеге является небольшой. В частности, блок аккумуляторов этого автомобиля в среднем теряет 5% своей мощности после преодоления машиной отметки в 50 тыс. миль (80 тыс. км), а при пробеге более 100 тыс. миль (160 тыс. км) – и вовсе менее 8%. Исследование было проведено на основе данных 500 электрокаров Tesla Model S, суммарный пробег которых составил более 12 млн миль (20 млн км).

Кроме того, Plug-in America провела еще одно исследование, которое показало, что за четыре года (с момента выхода Tesla Model S на рынок) в разы сократилось количество обращений на сервисные станции «Тесла» из-за проблем с аккумулятором, электродвигателем или зарядным устройством.

Емкость батареи может зависеть от нескольких факторов, таких как частота полной зарядки емкости, периоды времени пребывания в незаряженном состоянии и количество быстрых зарядок. Данные Plugin America также показывают, что коэффициенты замещения для основных компонентов значительно улучшились:

Такие данные обнадеживают, но несмотря на это Тесла продолжает работать над улучшением своей аккумуляторной батареи и технологий ячеек. Компания начала научное сотрудничество с исследовательской группой Jeff Dahn университета Далхаузи. Этот отдел специализируется на увеличении срока службы ячеек литий-ионных аккумуляторов, а его целью является максимальное продление пробега на батарее с небольшой потерей мощности.

Отметим, что батарея Tesla Model S, равно как и сам автомобиль с 2014 года имеет гарантию сроком на 8 лет и без ограничений на пробег. Тогда глава Tesla Илон Маск объяснил принятие такого решения так: «Если мы действительно верим, что электромоторы гораздо надежнее двигателей внутреннего сгорания, с меньшим количеством движущихся частей… то наша гарантийная политика должна отражать это».

Простецкий расчёт экономики батареи tesla model S

Известно, что батарея собирается из серийных аккумуляторов 18650 Li-Ion 3.7v. Производитель Sanyo (он же Panasonic), ёмкость каждой банки предположительно 2600mAh, а вес 48г. Скорее всего есть альтернативные поставки, но ТТХ должны быть ~одинаковые и основная масса на конвейер идёт всё-таки от мирового лидера.

(В серийных машинах аккумуляторные сборки выглядят совсем не так =)
Говорят, вес полной батареи ~ 500кг (понятно, что зависит от ёмкости). Отбросим защитный панцирь, систему подогрева/охлаждения, мелочи и проводку весом, ну допустим, кг 100. Остаётся ~ 400кг аккумуляторов. При весе одной банки 48г выходит грубо ~8000-10000 банок.
Проверим предположение:
85000 ватт-часов / 3.7 вольта = ~23000 ампер-часов
23000/2,6 = ~8850 банок
То есть ~425кг
Значит, грубо сходится. Можем утверждать, что там элементы ~2600mAh в кол-ве порядка 8к.
Вот и на фильм наткнулся уже после расчётов =). Здесь туманно сообщают, что батарея состоит из более чем 7 тысяч ячеек.

Теперь мы легко сможем прикинуть финансовую сторону вопроса.
Каждая банка рядовому покупателя в розницу СЕГОДНЯ стоит ~$6,5.
Чтобы не быть голословным, подтверждаю скрином. Парные комплекты по $13,85:


Оптовая цена с завода будет, видимо, почти в 2 раза ниже. То есть где-то по $3,5-4 за шт. можно купить даже на одну бибику (8000-9000 штук – это уже серьёзный опт).
И выходит, что стоимость самих аккумуляторных ячеек для батареи составляет сегодня ~$30 000. Разумеется, Тесле они достаются значительно дешевле.
По спецификации производителя (Sanyo), мы имеем 1000 гарантированных циклов перезарядки. Вообще-то там написано минимум 1000, но дело в том, что для ~8000 банок как раз и будет актуален минимум.
Таким образом, если взять стандартный средний пробег машины за год 25000км (то есть где-то ~1-2 зарядки в неделю), мы получим приблизительно 13 лет до ПОЛНОЙ непригодности на 100%. Но почти половину ёмкости эти банки теряют уже через 4 года в таком режиме (этот факт зафиксирован для данного типа батарей). Фактически по гарантии они ещё рабочие, но у машины половина пробега. Эксплуатация в таком виде теряет всякий смысл.
Значит, где-то $30-40к за 4 года нормального наката улетают в утиль. На фоне этого любые расчёты расходов на зарядку выглядят смешно (там будет на ~$2-4к электроэнергии за всю жизнь батареи =).
Даже из этих грубых цифр можно прикинуть перспективы вытеснения «ДВС-вонючек» с авторынка.
Для похожего на model S седана с ДВС на 25000км в год уйдёт ~$2500-3000 на бензин. За 4 года соответственно ~$10-14к.

Выводы

Бонус. Как изменится глобальный рынок?

Мы частично рассмотрели конфигурацию аккумуляторной батареи Tesla Model S емкостью 85 кВт*ч. Напомним, основным элементом батареи является литий-ионная аккумуляторная ячейка компании Panasonic, 3400 mAh, 3,7 V.

Ячейка Panasonic, типоразмер 18650

На рисунке показана типовая ячейка. Реально в Тесле ячейки немного модифицированы.

Данные ячейки параллельно соединяются в группы по 74 шт . При параллельном соединении напряжение группы равно напряжению каждого из элементов (4,2 В), а емкость группы равна сумме емкостей элементов (250 Ач).

Далее шесть групп соединяются последовательно в модуль . При этом напряжение модуля суммируется из напряжений групп и равняется примерно 25 В (4,2 В*6 групп). Емкость остается 250 Ач. Наконец, модули соединяются последовательно в батарею . Всего батарея содержит 16 модулей (итого 96 групп). Напряжение всех модулей при этом суммируется и составляет в итоге 400 В (16 модулей * 25 В).

В качестве нагрузки для данной батареи выступает асинхронный электропривод максимальной мощностью 310 кВт. Поскольку P=U*I, в номинальном режиме при напряжении 400 В в цепи протекает ток I=P/U=310000/400=775 А. На первый взгляд может показаться, что это сумасшедший ток для такой «батарейки». Однако, не стоит забывать, что при параллельном соединении по первому закону Кирхгофа I=I1+I2+…In, где n — число параллельных ветвей. В нашем случае n=74. Поскольку внутри группы внутренние сопротивления ячеек мы считаем условно равными, то и токи в них будут одинаковыми. Соответственно, непосредственно через ячейку протекает ток In=I/n=775/74=10,5 А .

Много это или мало? Хорошо или плохо? Для того чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к разрядной характеристике литий-ионного аккумулятора. Американские народные умельцы, разобрав батарею, провели ряд испытаний. В частности, на рисунке приведены осциллограммы напряжений при разряде ячейки, взятой из реальной Tesla Model S , токами: 1А, 3А, 10А.

Всплеск на кривой 10 А обусловлен ручным переключением нагрузки на 3А. Автор эксперимента решал параллельно еще одну задачу, мы на ней останавливаться не будем.

Как видно из рисунка, разряд током в 10 А вполне удовлетворяет требованиям по напряжению ячейки. Этот режим соответствует разряду по кривой 3C. Следует отметить, что мы взяли самый критичный случай, когда мощность двигателя максимальна. Реально, с учетом очень использования двухмоторного привода с оптимальным передаточным числом редукторов, автомобиль будет работать с разрядом 2…4 А (1С). Лишь в моменты очень резкого разгона, при езде в гору на высокой скорости, ток ячейки может достигать в пике 12…14 А.

Какие еще преимущества это дает? Для данной нагрузки в случае постоянного тока сечение медного проводника можно выбрать 2 мм.кв. Tesla Motors убивает здесь двух зайцев. Все соединительные проводники выполняют еще и функцию предохранителей. Соответственно, нет необходимости использовать дорогую систему защиты, дополнительно использовать плавкие предохранители. Сами соединительные проводники в случае перегрузки по току за счет малого сечения плавятся и предотвращают аварийную ситуацию. Подробнее об этом мы писали .

На рисунке проводники 507 и есть те самые соединители.

Наконец, рассмотрим последний вопрос, волнующий умы современности, и вызывающий волну споров. Почему Тесла использует именно литий-ионные аккумуляторы?

Сразу оговорюсь, что конкретно в этом вопросе я выскажу своё, субъективное мнение. С ним можно не соглашаться)

Проведем сравнительный анализ разных типов аккумуляторов.

Очевидно, литий-ионная батарея имеет на сегодня самые высокие удельные показатели. Лучшей батареи по плотности энергии и соотношению масса/габарит пока, увы, в массовом производстве не существует. Именно поэтому в Tesle получилось сделать столь сбалансированную батарею, обеспечивающую запас хода до 500 км.

Вторая причина, на мой взгляд, маркетинговая. Все таки в среднем ресурс таких ячеек составляет порядка 500 циклов заряд-разряд. А это означает, что при активном использовании автомобиля, Вам придется заменить батарею максимум через два года. Хотя, компания действительно .