Устройство аккумулятора Тесла и его разновидности

Аккумулятор Тесла — ключевой элемент, определяющий эффективность электромобилей компании. В статье рассмотрим устройство аккумуляторов Тесла, их основные компоненты и модификации для разных моделей. Понимание принципов работы и особенностей этих батарей поможет читателям оценить технологические достижения компании и важность аккумуляторов в развитии электромобильной индустрии и переходе к устойчивым источникам энергии.

Разновидности аккумуляторных батарей на электромобилях Тесла

С момента начала серийного производства Model S и затем Model X, на эти электромобили устанавливались аккумуляторы с ёмкостью в диапазоне от 40 до 100 кВтч. Они состояли из 8, 12 или 16 секций. Каждая секция включает в себя множество соединённых литиевых элементов. Изначально использовались аккумуляторные элементы формата 18650, производимые компанией Panasonic. Позже в производстве начали применять аккумуляторы формата 21700.

Размеры этих элементов отражены в их названии: диаметр составляет 18 мм, а высота (длина) — 65 мм.

К аккумуляторам, используемым в Tesla, предъявляются строгие требования, и выбор Panasonic в качестве поставщика не был случайным. Японская компания смогла обеспечить производство высококачественных элементов, способных выдерживать значительные нагрузки.

На приведённых ниже изображениях можно увидеть схематическую структуру силовой установки электромобиля Tesla.

Как уже упоминалось, аккумуляторная батарея состоит из нескольких блоков, которые, в свою очередь, делятся на множество отдельных аккумуляторных элементов. Это наглядно представлено на рисунке ниже.

Эксперты в области электромобилей отмечают, что аккумуляторы Tesla представляют собой передовое решение в сфере хранения энергии. Основной тип батарей, используемых в автомобилях Tesla, — это литий-ионные аккумуляторы, которые обеспечивают высокую плотность энергии и длительный срок службы. Специалисты подчеркивают, что Tesla активно развивает технологии, направленные на улучшение производительности и безопасности своих аккумуляторов.

Среди различных разновидностей аккумуляторов, применяемых в моделях Tesla, выделяются батареи с различными химическими составами, включая никель-кобальт-алюминий и никель-кобальт-марганец. Это позволяет компании адаптировать свои решения под разные потребности пользователей и условия эксплуатации.

Кроме того, эксперты акцентируют внимание на важности системы управления батареями, которая обеспечивает оптимальное использование ресурсов и продлевает срок службы аккумуляторов. В целом, инновации в области аккумуляторных технологий делают Tesla лидером на рынке электромобилей, что подтверждается растущим интересом со стороны потребителей и инвесторов.

https://youtube.com/watch?v=lfiXU_WQa5E

Какие виды аккумуляторов для Tesla выпускались?

• 40 кВтч. Эти тяговые АКБ были двух типов: из 8 и 12 модулей. Первые были сделаны на базе батареи для модели Тойота RAV4 EV. Аккумулятор из 12 блоков имел номинал 60 кВтч, но программно был ограничен на отметке 40 кВтч. Выпуск этих моделей был довольно быстро прекращён из-за низкого спроса на Tesla Model S 40 кВтч.
• 60 кВтч. Выпускались модификации с 12 или 16 секциями. Первые использовались на Model S40. Модификация с 16 модулями представляла собой модифицированный вариант, который выпускался с обозначением «New».
• 70/75 кВтч. Эти модели использовались на Model S60 (S60D), S70 (S70D), S75 (S75D). Для S60 использовались модификации с номиналом 60 кВтч, имеющие на 77 аккумуляторных элементов меньше, чем в моделях S70. В последних все модели были загружены целиком.
• 85/90 кВтч. Модификации номиналом 85 и 90 кВтч (и 100 также) состоят из 16 модулей. Каждый из них имеет в своём составе 444 литиевых элемента и плату управления, управляющую их зарядом, разрядом и балансировкой. Наиболее популярным аккумулятором для Tesla стал 85 кВтч, имеющий в своём составе 7104 элементом форм-фактора 18650.

Специалисты Panasonic в 2015 году усовершенствовали конструкцию анода литиевых аккумуляторных элементов, в результате чего ёмкость аккумулятора увеличилась на 6 процентов. Так появились АКБ с номиналом 90 кВтч.

Ёмкость батарей Panasonic 18650 в батарее 85 кВтч весит 46 грамм. В модели 90 кВтч масса такого элемента 48,5 грамма. Кроме того, усовершенствованный элемент увеличил токоотдачу с 10C (80) до 25C (90). Этим объясняется наличие режима Ludicrous только на электромобилях Tesla c АКБ 90 и 100 кВтч. Только с ними стало возможным наращивание динамических характеристик.

100 кВтч. Это наиболее мощная версия. Инженеры Tesla изменили внутреннюю конфигурацию аккумуляторной батареи и в каждом модуле разместили 516 элементов 18650. В результате всего в АКБ разместились 8256 штук. Запасённая энергия составила более 100 кВтч. Электромобиль на таком аккумуляторе пробегает около 500 км. Токоотдача составила 25C.

Это стало наилучшим результатом. Но специалисты на этом не остановились и исследования продолжаются. Для повышения эффективности АКБ и уменьшения издержек Tesla возвели в населённом пункте Спаркс (штат Невада) крупный аккумуляторный завод, получивший название Gigafactory 1.

По данным некоторых зарубежных изданий на фабрике Gigafactory 1 запустили сборку АКБ для электромобилей Tesla с использованием элементов форм-фактора 21700. Диаметр этих цилиндрических аккумуляторов 21 мм, а длина 70 мм.

Их сначала применяли в батареях Tesla Powerpack и Powerwall, а затем в новом Model 3. Этот седан уступает по размерам Model S. Сообщается, что энергоэффективность 21700 выше 18650 на 10─15 процентов. При этом объём запасаемой энергии выше на 46 процентов.

Предприятие Gigafactory выпускает литий-ионные аккумуляторные батареи на основе сотрудничества Tesla Motors и Panasonic. Японская компания уже длительное время работает с американским производителем электромобилей и вложили в их предприятие Solar Roof миллиард долларов. Около двух лет назад появлялись сообщения о том, что фабрика Gigafactory вышла на ежегодный объём производства аккумуляторных батарей 30─35 ГВтч в год.

На вышеупомянутом предприятии работает больше 6 тысяч человек и планируется значительное расширение штата. Строительство завода обошлось в сумму около 5 млрд долларов США.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о аккумуляторах Tesla и их разновидностях:

1. Технология литий-ионных аккумуляторов: Аккумуляторы Tesla используют литий-ионные ячейки, которые обеспечивают высокую плотность энергии и длительный срок службы. В отличие от традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов, литий-ионные аккумуляторы имеют меньший вес и могут заряжаться быстрее, что делает их идеальными для электромобилей.

2. Gigafactory и массовое производство: Tesla построила Gigafactory в Неваде, которая является одной из крупнейших фабрик по производству аккумуляторов в мире. Эта фабрика позволяет значительно снизить затраты на производство аккумуляторов за счет масштабирования и оптимизации процессов, что, в свою очередь, способствует снижению цен на электромобили.

3. Разнообразие форматов и применения: Tesla производит несколько типов аккумуляторов для различных моделей и применений. Например, для Model S и Model X используются аккумуляторы с высокой плотностью энергии, в то время как для Model 3 и Model Y применяются более компактные и экономичные решения. Кроме того, Tesla разрабатывает аккумуляторы для стационарных систем хранения энергии, таких как Powerwall и Powerpack, которые помогают интегрировать возобновляемые источники энергии в домашние и коммерческие системы.

https://youtube.com/watch?v=zlOphn2QPD8

Что внутри?

Поскольку электромобили Tesla относятся к категории дорогих транспортных средств, не каждый владелец может позволить себе разобрать аккумуляторную батарею. Кстати, стоимость такого аккумулятора варьируется от 40 до 50 тысяч долларов. Тем не менее, энтузиасты, готовые к этому шагу, все же нашли своеобразный путь. Несколько лет назад в англоязычном интернете появились фотографии разбора модели с аккумулятором на 85 кВтч.

Аккумуляторная батарея располагается в нижней части кузова и фиксируется к нему с помощью кронштейнов. Благодаря значительной массе АКБ обеспечивается низкий центр тяжести, что положительно сказывается на управляемости автомобилей Tesla.

Внутри батареи можно обнаружить 16 модулей, соединённых параллельно. Защита от влаги и внешних воздействий реализована с помощью металлических пластин и пластиковых вставок. На фотографиях можно увидеть процесс измерения напряжения.

Аккумуляторы располагаются близко друг к другу в специально отведённых ячейках. Укладка элементов осуществляется с помощью автоматизированного промышленного робота.

В каждом модуле аккумуляторные элементы делятся на группы по 74 элемента. Их функционированием управляют электронные платы, которые можно условно назвать аналогами BMS плат для ноутбучных аккумуляторов. В аккумуляторе на 85 кВтч содержится 7104 литий-ионных элемента. Также предусмотрена система жидкостного охлаждения.

Номинальное напряжение одного элемента составляет 3,6 вольта. Для создания отрицательного электрода используются никель, кобальт и оксид алюминия (LiNiCoAlO₂, где никель составляет 80%, кобальт — 15%, а алюминий — 5%). Положительный электрод изготавливается из графита. Производство элементов Panasonic 18650 осуществляется в разных странах, включая Китай и Индию, однако финальная сборка и проверка проходят на заводе Tesla в США.

Общий вес аккумулятора на 85 кВтч составляет 540 кг. Его размеры следующие:

• Длина — 2,1 м.
• Ширина — 1,5 м.
• Толщина — 0,15 м.

Компания предоставляет гарантию на свои аккумуляторы на срок до восьми лет.

Позже в сети появились фотографии разобранной батареи, сделанные Джейсоном Хьюзом, одним из владельцев Tesla. На этот раз речь шла о модели с аккумулятором мощностью 100 кВтч.

Хьюз выяснил, что реальная ёмкость батареи составила 102,4 кВтч. Для проверки характеристик этой модели он получил доступ к системе управления электромобиля. Он хотел удостовериться в заявлениях представителей Tesla о том, что батарея была значительно модернизирована. В частности, сообщалось об обновлении архитектуры, системы охлаждения и электронной начинки.

Хьюзу удалось установить, что в одном модуле теперь содержится 516 элементов, а общее количество составляет 8256 штук. По сравнению с предыдущими моделями на 85 и 90 кВтч, увеличение ёмкости составило около 16%. В модуль добавили несколько дополнительных рядов для элементов. Контуры охлаждения стали более тонкими и короткими (в модуле их два), что позволяет хладагенту забирать тепло от меньшего количества элементов.

Новые аккумуляторы остаются совместимыми с различными модификациями Tesla Model X и Model S. Кроме того, представители компании отметили, что новые решения, внедрённые в батарею, стали основой для выпуска Model 3. Хьюз продемонстрировал, что конструкция подключения системы охлаждения и разъёмов для кабелей высокого и низкого напряжения осталась неизменной. На фотографиях видно, что коннекторы можно легко заменить.

Направление развития

Новые электромобили Tesla Model 3 имеют запас хода более 300 км. Информация о развитии будущих аккумуляторных батарей для Тесла в основном непроверенная. Были сообщения, что при сборке будут использовать литиевые элементы стандарта 21700 (диаметр 21 мм, длина 70 мм). Стоимость этих батарей будет немногим более 110$ за 1 кВт. По сравнению с альтернативными решениями это довольно дёшево. В модуль будут входить 4 базовых элемента с охлаждающим контуром, а вокруг них будут располагаться литиевые элементы 21700.

Химический состав: LiNiCoAlO₂ (литий-никель-кобальт-оксид алюминия c 80% никеля, 15% кобальта, 5% алюминия). Представители Tesla называют такой состав главным преимуществом их АКБ по сравнению с другими решениями. В частности, по их утверждению, на Model 3 устанавливаются батареи с наивысшей плотностью энергии из всех возможных.

Это было достигнуто благодаря существенному снижению содержания кобальта в катодной химии и увеличении объёма никеля. Им удалось сохранить отличные показатели температурной стабильности. По непроверенной информации, содержание никеля, марганца и кобальта в катоде будет в соотношении 8:1:1.

Специалисты фирмы Benchmark Mineral Intelligence вообще считают, что усовершенствованная технология производства аккумуляторных батарей для электромобилей Tesla может серьёзно ударить по кобальтовой промышленности. Это уже привело к серьёзному сокращению использования кобальта для производства аккумуляторов.

В среднем со времени выхода на рынок Model S первого поколения компания Тесла сумела сократить потребление кобальта на один электромобиль в среднем на 59%.

Если Model S требовала для производства 11 кг кобальта, то современный экземпляр Model 3 требует лишь 4,5 кг.

Сведения об этом содержались в отчёте компания Тесла за I квартал 2018 года. Илон Маск и технический директор Tesla Дж. Б. Страубель не раз заявляли, что направляют большие усилия для сокращения потребления кобальта. Это необходимо, чтобы сократить суммарные затраты на 1 кВт-ч при производстве батарей. Ведь кобальт является одним из наиболее дорогостоящих компонентов, используемых в производстве аккумуляторов для электромобилей Тесла. Как показывают данные OilPrice, его стоимость превышает 90 тысяч долларов за тонну.

В то же время, конкурирующие с Tesla компании из Японии, Германии, США, Южной Кореи пока отстают по технологии производства аккумуляторных батарей. За счёт них ещё некоторое время поставщики кобальта будут сохранять объёмы сбыта и компенсируют потери закупок со стороны Тесла.

https://youtube.com/watch?v=dUc48S9Tj7k

Зарядка и деградация аккумуляторов

Что касается ухудшения состояния аккумуляторных батарей, то последние модели Tesla показывают снижение ёмкости на 10% после пробега в 160 тысяч миль (примерно 260 тысяч километров). Исследования показывают, что большинство аккумуляторов теряют около 5% своей ёмкости в первые 80 тысяч километров. После этого процесс деградации замедляется, и ёмкость стабилизируется.

Одним из основных требований к аккумуляторам электромобилей является их способность к быстрой зарядке. Это особенно актуально во время поездок. Бытовая электросеть с переменным током на 240 вольт может заряжать аккумуляторы с помощью зарядного устройства мощностью 10 кВт. В электромобиле имеется система, которая преобразует переменный ток в постоянный. Такой способ зарядки требует несколько часов и идеально подходит для ночной зарядки, когда автомобиль стоит у вас дома или в гараже.

Чтобы упростить процесс зарядки в пути, Tesla установила зарядные станции постоянного тока Supercharger по всему миру. Эти станции обеспечивают мощность до 135 кВт. Зарядка с помощью постоянного тока обходит стандартную схему зарядки, что позволяет сократить время на зарядку батареи до 20-40 минут.

Когда речь заходит о зарядке аккумуляторов электромобилей, особенно Tesla, стоит упомянуть о некоторых ограничениях литий-ионных элементов. Например, максимальное зарядное напряжение для Panasonic 18650 составляет 4,5 вольта, а допустимый ток для одного элемента равен 2 амперам. Инженеры Tesla увеличили этот показатель до 4 А. С таким током могут использоваться новые элементы 21700, которые станут основой аккумуляторов для Tesla Model 3.

Из-за этих ограничений существует верхний предел мощности зарядного устройства, которое можно применять для зарядки аккумуляторов. Максимальная мощность рассчитывается по формуле 4,2 * N * I, где N — количество элементов в блоке, а I — максимально допустимый ток для одного элемента. Для аккумуляторов Tesla получаются следующие значения.

• 85/90 кВтч. Мощность = 7104 х 16,8 (4,2*4) = 119,3 кВт.
• 100 кВтч. Мощность = 8256 х 16,8 = 138,7 кВт.

Дальнейшее увеличение мощности зарядки возможно только при повышении зарядного тока, однако это может ускорить деградацию литиевых элементов. Компания Tesla предоставляет гарантию на отказ и поломки, но не на деградацию. Тем не менее, работа элементов организована таким образом, что деградация составляет всего 1-2% в год.

Сравнение аккумуляторов Tesla с конкурентами

Аккумуляторы Tesla, используемые в электромобилях и других устройствах компании, отличаются высокой производительностью, долговечностью и эффективностью. Однако, чтобы понять их преимущества, важно сравнить их с аккумуляторами других производителей. В данной секции мы рассмотрим ключевые аспекты, по которым аккумуляторы Tesla выделяются на фоне конкурентов.

1. Химический состав и технологии

Аккумуляторы Tesla в основном используют литий-ионные технологии, но с уникальными модификациями. Например, в последних моделях применяются аккумуляторы с никель-кобальт-алюминиевым (NCA) и никель-кобальт-марганцевым (NCM) катодами. Эти материалы обеспечивают высокую плотность энергии и длительный срок службы. В отличие от многих конкурентов, которые используют более традиционные литий-ионные батареи, Tesla активно развивает собственные технологии, что позволяет им оставаться на переднем крае инноваций.

2. Плотность энергии

Одним из ключевых показателей аккумуляторов является их плотность энергии, то есть количество энергии, которое может быть сохранено в единице объема или массы. Аккумуляторы Tesla имеют одну из самых высоких плотностей энергии на рынке, что позволяет автомобилям Tesla достигать больших расстояний на одной зарядке. Например, аккумуляторы Tesla Model S могут обеспечить до 370 миль пробега на одной зарядке, что значительно превышает показатели многих конкурентов, таких как Nissan Leaf или Chevrolet Bolt.

3. Система управления батареей

Система управления батареей (BMS) в аккумуляторах Tesla также является важным аспектом, который отличает их от конкурентов. BMS контролирует состояние каждой ячейки, оптимизируя заряд и разряд, что способствует увеличению срока службы аккумулятора и повышению его безопасности. Многие конкуренты не обладают столь продвинутыми системами, что может привести к более быстрому износу батарей и снижению их производительности.

4. Долговечность и гарантия

Аккумуляторы Tesla проектируются с учетом долговечности. Компания предоставляет гарантии на свои батареи, которые могут достигать 8 лет или 150,000 миль пробега, в зависимости от модели. Это значительно больше, чем у многих конкурентов, что свидетельствует о высоком уровне доверия Tesla к своим продуктам. Например, у Nissan Leaf гарантия на аккумулятор составляет 8 лет или 100,000 миль, что делает Tesla более привлекательным выбором для потребителей, ищущих долговечные решения.

5. Инфраструктура зарядки

Не менее важным аспектом является инфраструктура зарядки. Tesla активно развивает свою сеть Supercharger, которая позволяет владельцам автомобилей быстро заряжать свои аккумуляторы на длительных поездках. Эта сеть значительно превосходит по охвату и скорости зарядки аналогичные сети конкурентов, таких как Electrify America или ChargePoint. Это делает использование электромобилей Tesla более удобным и практичным по сравнению с другими марками.

6. Экологические аспекты

Наконец, стоит отметить, что Tesla активно работает над снижением экологического воздействия своих аккумуляторов. Компания инвестирует в переработку батарей и разработку более устойчивых технологий, что делает их продукцию более экологически чистой по сравнению с конкурентами, которые могут не уделять этому аспекту должного внимания.

В заключение, аккумуляторы Tesla представляют собой передовые технологии, которые обеспечивают высокую производительность, долговечность и удобство использования. Сравнение с конкурентами показывает, что Tesla не только лидирует в области технологий, но и предлагает своим клиентам более надежные и эффективные решения для электромобилей.

Вопрос-ответ

Как устроена батарея Тесла?

Батарея Tesla. Шестнадцать батарейных модулей соединены последовательно в батарею с номинальным напряжением 400 В. Каждый батарейный модуль состоит из 444 элементов (аккумуляторов) 18650 Panasonic (вес одного аккумулятора 46 г), которые соединены по схеме 6s74p (6 элементов последовательно и 74 таких группы параллельно).

Какие типы аккумуляторов использует Tesla?

Tesla использует несколько типов аккумуляторов, в основном литий-ионные, включая ячейки формата 18650 и 2170. В своих моделях, таких как Model S и Model X, компания применяет ячейки 18650, а в Model 3 и Model Y — 2170. Также Tesla разрабатывает собственные аккумуляторы, такие как 4680, которые обещают улучшенные характеристики и сниженную стоимость производства.

Какие аккумуляторы стоят в Тесле?

Какой аккумулятор на Tesla Model X? Роскошный внедорожник Тесла Model X также поставляется с двумя вариантами батарей: стандартным аккумулятором емкостью 75 кВтч и запасом хода до 305 миль, а также аккумулятором дальнего действия емкостью 100 кВтч и запасом хода до 371 миль. 6 640 руб.

В каких теслах батарея LFP?

Батареи LFP (литий-железо-фосфатные) используются в некоторых моделях Tesla, в частности в Model 3 и Model Y, которые производятся на заводе в Шанхае для китайского рынка и некоторых других регионов. Эти батареи отличаются большей долговечностью и безопасностью, но имеют несколько меньшую энергоемкость по сравнению с традиционными литий-ионными батареями.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите различные типы аккумуляторов, используемых в автомобилях Tesla, таких как литий-ионные и новые технологии, такие как аккумуляторы с твердым электролитом. Понимание их особенностей поможет вам лучше оценить преимущества и недостатки каждого типа.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на емкость и срок службы аккумулятора. При выборе электромобиля важно учитывать, сколько километров вы сможете проехать на одной зарядке и как долго аккумулятор будет сохранять свою эффективность.

СОВЕТ №3

Следите за новыми разработками и обновлениями от Tesla. Компания постоянно работает над улучшением своих аккумуляторов, и новые технологии могут значительно повысить производительность и безопасность.

СОВЕТ №4

Не забывайте о правильной эксплуатации и обслуживании аккумулятора. Соблюдение рекомендаций по зарядке и хранению может продлить срок службы вашего аккумулятора и улучшить его производительность.