Почему автомобильные аккумуляторы все еще такие тяжелые?

Когда я был ребенком, автомобильные аккумуляторы были огромными тяжелыми кусками пластика, заполненного свинцом и кислотой. Они весили почти столько же, сколько мобильный телефон (небольшое преувеличение, извините).

45 лет спустя автомобильные аккумуляторы выглядят одинаково и весят одинаково.

Итак, в наше современное время и акцент на экономию топлива, почему батареи все еще весят 40 фунтов? Почему технологические достижения не смогли сделать их легче и эффективнее?

Итак, теперь после ответа на ваш буквальный вопрос на ваш реальный вопрос , который вы, к сожалению, не спросили

Технология аккумуляторов продвинулась так далеко за последние 100 лет. Свинцово-кислотная стартерная батарея стала распространенной в автомобилях в 1920 году, свинец по сути является ядом, а серная / свинцовая кислота не менее опасна. Они имеют тенденцию выходить из строя при низких температурах, особенно если их не поддерживать регулярно, и, несмотря на то, что они явно дешевы в производстве, вся обработка, включая юридические требования по возврату старых батарей, должна быть кошмаром.

Почему индустрия просто не подвела черту и не переключилась на такие вещи, как LiIon или старые добрые никель-кадмиевые или никель-металлогидридные аккумуляторы, теперь, когда электромобили показали, что вы можете надежно управлять годами, основываясь на них?

Никель-кадмиевые батареи просто хуже во всех аспектах, но плотность энергии, чем свинцово-кислотных. NiMH лучше, но намного дороже и, как правило, имеет более высокую скорость разряда (если вы не сделаете их еще дороже). И все же довольно трудно правильно утилизировать.

Литиевые батареи не так просты в обращении. Вы должны защитить их от всевозможных сбоев, и некоторые из них довольно смертельны: не перегревайте литиевую батарею. Это взорвется. А нагревание - серьезная проблема внутри моторного отсека (честно говоря, батарея там не обязательно должна быть, но это очень удобно).

Основная причина действительно стоимость. Аккумулятор в моей последней машине, Fiat Punto 1999 года, потреблял максимум 100 А (когда я пытался оценить фактический ток короткого замыкания, около 43 А, но все же много. Скажем, P = U · I = 12 В · 40 А = 480 Вт ), и имел номинальную емкость около 30 Ач (это энергия 12 В · 30 Ач = 360 Вт / ч). Это стоило мне 25 €. Так что, грубо говоря, дешевле в производстве 10 €.

Итак, давайте возьмем литиевую батарею, которая производится серийно и, следовательно, дешево. Обычно встречающиеся круглые элементы, составляющие много аккумуляторов для ноутбуков, стоят около 3 евро каждый (скажем, 1 евро в производстве) по цене около 3 Ач (11,1 Вт / ч), обеспечивая до 5 А (топы, не делайте так долго) в некоторых 3,7 В. Это говорит о том, что одна ячейка из них может обеспечить 18,5 Вт. Таким образом, чтобы достичь приблизительно 480 Вт моего дешевого автомобильного аккумулятора, вам понадобится 26 из них. Они будут стоить 26 € при производстве, не считая евро, которые вы тратите на схемы управления, зарядки и защиты, на то, чтобы заключить их в нечто жесткое и безопасное, а также на тот факт, что минералы необходимы для производства некоторых из редкоземельных компонентов в литии Аккумуляторы в настоящее время не дешевеют, а оснащение автомобилями по всему миру определенно ускорит этот рыночный механизм.

Давайте предположим, что стоимость зависит от емкости. Моя 26-элементная литиевая батарея имеет 26 · 11,1 Втч = 288,6 Втч энергии. Поэтому нам нужно увеличить его на 1,25, чтобы достичь того же 360 Втч, что и у свинцово-кислотного аккумулятора.

Такая клетка весит около 90 г. Таким образом, вес клеток составляет 26 · 90 г = 2,34 кг. Хорошо, у меня нет точного веса моего дешевого автомобильного аккумулятора в моей голове, но допустим, это было 15 кг. Таким образом, мы сэкономили вес примерно в 6,3 раза, если наш корпус и электроника легкие (они не таковы - насколько я могу судить, вам понадобится здоровенный импульсный блок питания, чтобы иметь возможность эффективно заряжать их, используя Генератор вашего автомобиля, и он в основном состоит из довольно громоздкой катушки из меди и, возможно, не очень легкого ферритового сердечника).

Это приводит к тому, что между компонентом A и альтернативой B компонента возрастает примерно в 3,5 раза, что связано с недостатками обработки, меньшей надежностью и изменениями в цепочке поставок. Неудивительно, что автомобильная промышленность не продвигается в этом направлении. (И, кстати, они отлично лоббируют.)

Итак, очевидный ответ в первую очередь:

почему батареи до сих пор весят 20 кг?

Потому что это все те же свинцово-кислотные батареи. Просто как тот. Ни одна другая технология не достигла такой низкой цены за ампер (и ампер-час), как надежность, легкость в обращении. 20 кг не так уж и много, если учесть, что «экономия топлива» все еще означает, что ваш новый автомобиль в среднем весит около десятка килограммов функциональности «комфорт» и весит около 1 Мг только для металлических деталей.

45 лет спустя автомобильные аккумуляторы выглядят одинаково и весят одинаково.

45? Больше похоже на 120 лет ... но да. Мы по-прежнему строим мосты из стали, наш бетон стал лучше, но все же по существу бетон, мы используем асфальт для дорог, медь по-прежнему является нашим любимым проводником, наиболее часто встречающаяся технология усилителей во всем, что в основном не является низкочастотным, усилитель класса A / B на основе биполярных транзисторов, и наши холодильники по-прежнему основаны не на более эффективных средствах передачи тепла, а на сжатии более или менее опасных жидкостей.

Новейшие аккумуляторы намного легче и стоят дешевле в течение срока службы автомобиля, чем в прошлом. Но они не используют химию LA (свинцово-кислотных).

Батарея LiFePO4 (литий-феррофосфат) будет делать то, что требуется, при приемлемой стоимости в течение всего срока службы, НО при более высоких начальных капитальных затратах - что делает ее непривлекательной для производителей автомобилей.

Низкие начальные капитальные затраты, по-видимому, являются основной причиной, по которой свинцово-кислотная кислота предпочтительнее LiFeO4, и не очевидно, что есть и другие действительно веские причины.

Жизненный цикл намного больше, чем у свинцовой кислоты, что позволяет снизить стоимость всей жизни по сравнению со свинцовой кислотой.

В отличие от LiIon (Lithium Ion), «шип через сердце» не вызовет проблем, которые есть у LiIon.

Управление зарядкой "достаточно простое".

По сравнению со свинцово-кислотными:

Допустимая глубина разряда и максимальная допустимая скорость заряда выше,

Температурный диапазон лучше

Эффективность перезарядки лучше.

Производительность саморазряда лучше.

____________________________________________

Литий-ионный / LiIon:

Стоит прокомментировать батареи LiIon, так как они часто получают "плохую репутацию" в отношении безопасности.

По сравнению со свинцово-кислотной химией LiIon предлагает значительно лучшую плотность и плотность энергии (легче и меньше), несколько более длительный срок службы цикла, более высокие капитальные затраты и, возможно, несколько более высокую стоимость всего срока службы. При правильном управлении контроль зарядки проще. Температурные диапазоны лучше, эффективность заряда / разряда несколько выше. Недостатки, связанные с безопасностью, в основном не являются проблемой - см. Ниже.

Во многих приложениях LiIon батареи батареи выбора - от Dreamliners на телефоны Samsung в «Ховерборд», марсоходов для ноутбуков и смартфонов MP3 - плееры и многое другое. Первые три приложения были выбраны из-за их известных впечатляющих сбоев. Но все, что используется в Марсоходе, выбрано для его пригодности в долгой жизни, в агрессивной среде, не должно провалиться задача. И сотни миллионов литий-ионных аккумуляторов ежедневно используются в карманах людей, дома, в автомобилях и во многих других местах.

Учитывая то, как литий-ионные аккумуляторы МОГУТ выходить из строя, числа, которые ДЕЙСТВИТЕЛЬНО выходят из строя впечатляющим образом, очень редки. Сбои, о которых широко сообщают, довольно часто происходят из-за некоторого системного сбоя, который затрагивает партию или модель батареи, которая была произведена и распространена в огромных количествах ИЛИ низкообъемных приложениях высокого уровня. В таких случаях конструкторская или производственная ошибка или недостатки вызывают или допускают отказы, последствия которых усугубляются неумолимым поведением химии LiIon.

Примеры широко разрекламированных событий «вентиляции с пламенем» в некоторых прошлых ноутбуках Apple, телефонах Samsung, самобалансирующихся «ховербордах» и подобных. В первых двух примерах, как правило, компетентные производители допускают наличие неисправности конструкции без исправления и / или незаметного или срезанного угла при изготовлении в той мере, в которой допустимые пределы безопасности догоняют их. В случае с «ховербордами» причина мне неизвестна, но она так же подвержена низкому качеству, низкой стоимости изготовления и плохому контролю заряда, как и все остальное. В бытовом оборудовании отказы литий-ионных аккумуляторов часто возникают из-за короткого замыкания в элементе из-за неадекватных зазоров и, как следствие, чувствительности к удару или попадания в дальний конец статистических отклонений производственного допуска.

В случае сбоев батареи в Boeing Dreamliner я не видел окончательного отчета о первопричине, НО, хотя произошел ряд широко известных сбоев (и, возможно, несколько неопубликованных) в очень небольшом объеме продукта, последствия были поразительно хорошо учтены. ,

Детальное изучение отказов LiIon, режимов и последствий показывает, что они почти неизменно столь же жестоки, как предполагает популярный «миф», и что, хотя выделение энергии является существенным, сдерживание относительно легко с технической точки зрения. Сдерживание добавляет вес, объем и стоимость, и его нельзя найти в ноутбуках или карманных / портативных устройствах. Он найден в Dreamliners и может легко использоваться в автомобильных аккумуляторах (например, не EV), сохраняя при этом вес и объем по-прежнему значительно ниже уровня свинцово-кислотных и при скромных дополнительных затратах. В приложениях электромобилей проблемы, кажется, были решены или приспособлены "достаточно хорошо". У меня есть опыт в области безопасности транспортных средств, но я уверен, что правила, которые приносят нам впечатляющие фиктивные кадры и позволяющие ловить высоко летучее нефтяное топливо в пассажирских транспортных средствах, также решают проблемы безопасности вокруг источников питания LiIon. Я не слышал о том, чтобы автомобиль «Тесла» был самосожжен из-за сбоя батареи - хотя это могло произойти - и я полагаю, что Маск и другие считают, что у них есть эта зона риска «адекватно под рукой».

Я, к моему разочарованию, никогда не видел события LiIon «пламя с пламенем» и лично не знаю никого, кто бы это сделал. Случаи встречаются достаточно часто, чтобы иногда делать новозеландские новости (население Новой Зеландии составляет менее 5 миллионов).

LiIon против LiFePO4:

По сравнению с LiFePO4, LiIon химия предлагает несколько лучших массы и плотность энергии (несколько легче и меньше), по существу , НИЖНИЙ жизненный цикл, чуть более низкая стоимость капитала (за энергию мощность), и существенно ниже стоимости всей жизни. Контроль зарядки примерно такой же, но LiFePO4 значительно сложнее повредить в крайних случаях. Температурные диапазоны не так хороши, эффективность заряда / разряда примерно одинакова. LiFePO4 гораздо менее подвержен проблемам безопасности.

В областях, где наименьший размер и вес и наименьшие капитальные затраты имеют значение (например, использование электромобиля), LiIon превосходит LiFePO4.

Практически во всех других областях и областях применения LiFePO4 лучше или намного лучше, чем LiIon, и я бы посоветовал использовать их в качестве современной технологии аккумуляторов, обеспечивающей длительный срок службы с высоким энергопотреблением и накопление энергии с большим количеством циклов.

Литиевые стартерные батареи существуют , прежде всего, для гонок или других высокопроизводительных или роскошных применений, где экономия веса или права хвастовства стоят затрат.

Однако, как отмечают другие, требования к применению весьма экстремальны, а литиевая технология требует особого развития и заботы, чтобы иметь возможность надежно и безопасно выполнять роль стартерной / вспомогательной батареи в автомобиле. Цены чрезвычайно высоки - легко в десять-двадцать раз дороже обычной свинцовой батареи. Большинство людей не хотят платить 1000 долларов за автомобильный аккумулятор, поэтому они этого не делают.

Ответ очень прост: потому что мы не нашли ничего лучшего.

Автомобильный аккумулятор должен сохранять заряд в течение длительного периода времени, иметь возможность подавать огромный ток и помещаться в небольшом пространстве. И это поможет, если это не слишком дорого.

Свинцовая кислота по-прежнему является лучшим решением для этих требований.

Вы можете использовать химию на основе лития, они могут удерживать заряд и доставлять большие токи. Они также намного дороже, чувствительны к температуре, требуют большего ухода за электричеством и являются более впечатляющими, если с ними неправильно обращаться электрически или механически.
Дополнительные затраты и сложность просто не стоят того, чтобы снизить конечную массу автомобилей на <1%.

Я видел, что вы добавили новый вопрос в конец вашего сообщения:

Почему технологические достижения не смогли сделать их легче и эффективнее?

Потому что это не так, как работает химия.

Емкость батареи одного типа в значительной степени определяется количеством ионов, которые у вас есть, а это, в случае свинцово-кислотных батарей, в значительной степени необходимой вам массы свинца, а также некоторого количества, чтобы сохранить структуру нетронутой.

В настоящее время аккумуляторы других типов страдают от недостатка поверхности или ограниченной подвижности ионов, что ограничивает способность этих аккумуляторов подавать большой ток, но вы не можете многое сделать, чтобы увеличить его для свинцово-кислотных аккумуляторов - вода является отличным носителем для химические вещества, и текущая способность свинцово-кислотных батарей к источнику тока в значительной степени максимальна.

Следовательно, это просто зрелая технология. Так же, как мы не сделали дешевую конструкционную сталь намного лучше за последние 80 лет, мало что можно сделать со свинцово-кислотными батареями, чтобы сделать их лучше, не отказываясь от свинцово-кислотного принципа, со всеми проблемами, которые объясняет мой второй ответ ,

Использование суперконденсатора в качестве стартового аккумулятора вполне осуществимо и было опробовано энтузиастами на практике, см. Пример . Помимо более высокой цены, приведены некоторые примеры практических трудностей:

• Один только суперкап, при запуске автомобиля легче, чем свинцовый аккумулятор, разряжается примерно через полчаса прослушивания радио, если не непрерывно заряжаться.
• Комбинация литиевая батарея + суперкап с прямым подключением не страдает сверху, но в конечном итоге повредилась, когда использовала ее для быстрого запуска газонокосилки - литиевой батарее потребуется дополнительная электроника для предотвращения этого

Главным образом одна причина: цена. Существуют технологически лучшие альтернативы, такие как литий-ионные аккумуляторы, используемые в электромобилях, но они также намного дороже. Эти аккумуляторы абсолютно необходимы в электромобилях, где вам нужна огромная емкость, не увеличивая при этом большой вес автомобиля (свинцовые аккумуляторы были бы слишком тяжелыми, если бы им пришлось заменить топливный бак в качестве единственного источника энергии для автомобиля), но в Автомобили, работающие на топливе, вес одной классической свинцовой батареи, которая используется только для запуска двигателя, по сравнению с весом автомобиля незначителен, а соотношение цены и мощности значительно ниже. Это вопрос стоимости / эффективности: они дешевле, они обеспечивают достаточно энергии для нужд автомобиля, а его вес не имеет значения.