Этот материал подготовил автор, уже знакомый нашему читателю по циклу статей, посвященных электромобилям, – сам Павел Божанов называет себя ярым «приверженцем вольта ампера». Основываясь на энтузиазме, изученной информации, личном опыте и общению с другими адептами электротранспорта, в этот раз он делится особенностями эксплуатации аккумуляторных батарей электромобилей.
Материалы по теме:
Как электротяга захватывает мировой авторынок и белорусского потребителя – мнение адепта
Как я купил «электричку» в Китае и сам же ее пригнал
«Беларусь готова к массовому приходу электротранспорта»: мнение убежденного электровода
– С одной стороны, устройство силовой установки BEV гораздо проще бензинового или дизельного двигателя, что позволяет сократить количество комплектующих электромобиля примерно на 2000 деталей, а с другой – наличие тягового электродвигателя требует использования двухконтурной электрической системы с наличием в ней двух видов аккумуляторных батарей. Так, любой электрический или гибридный легковой автомобиль оснащен малой 12-вольтовой аккумуляторной кислотной батареей (АКБ) и большой высоковольтной аккумуляторной батареей EVB (Electric Vehicle Battery). Главными отличиями этих аккумуляторов являются большая разница в их напряжении, емкости и размерах.
Попробуем разобраться в особенностях устройства и эксплуатации аккумуляторов электромобилей.
Аккумуляторная кислотная батарея: функции и важность
Классическая АКБ или ее современная альтернатива – штатный пусковой суперконденсатор типа бустер,устанавливаемый производителями вместо АКБ, предназначен для стабильной подачи электротока в 12-вольтовую сеть электромобиля. Причем независимо от внешней среды, так как АКБ мало подвержена воздействию влажности, низких и высоких температур окружающего воздуха.
АКБ выполняет важные функции:
- активирует электромобиль из пассивного режима парковки или хранения;
- включает подачу энергии на тяговые электродвигатели.
Учитывая, что АКБ не может накапливать достаточный для движения автомобиля объем электроэнергии, используется еще и EVB, имеющая напряжение для легковых авто в среднем от 350 до 1600 вольт. Это позволяет хранить гораздо больше электроэнергии на единицу массы аккумулятора по сравнению со свинцово-кислотными аналогами и использовать более тонкие провода с меньшей массой, что снижает вес EVB.
12-вольтовая сеть – критичный элемент системной архитектуры электромобиля и гибрида (HEV). Она обеспечивает безопасность их эксплуатации через автоматическое отключение высоковольтной сети в случае возникновения опасной внештатной ситуации. При этом ее низкое напряжение безопасно для человека даже при соприкосновении открытых частей тела с неизолированными участками проводов. Такая низковольтная сеть – это инженерный компромисс, без нее электромобили и гибриды были бы сложнее в обслуживании и менее безопасны в эксплуатации. Например, при ДТП 12-вольтовая сеть остается активной, питая аварийное освещение и систему оповещения для вызова помощи, и обеспечивает моментальное размыкание высоковольтных контакторов, обесточивая EVB.
АКБ питает контролер заряда EVB и главное реле (контакторы), которое замыкает высоковольтную цепь. А кроме того, обеспечивает питание для электронасоса обогрева и охлаждения EVB и другого электрооборудования в автомобиле, которое традиционно имеет напряжение 12 вольт: систему закрытия и открытия замков дверей, систему охраны, внутреннее и внешнее освещение, «климат», стеклоподъемники, электрорегулировку сидений и руля, видеорегистратор, стереосистему, датчики столкновения, подушки безопасности, розетки для подключения и зарядки различных гаджетов.
После перевода в пассивный режим электромобиль переключается в энергосберегающий, так называемый режим сна (Sleep Mode). Это нужно для уменьшения потребления электроэнергии, когда электромобиль условно выключен и отключена зарядка АКБ. Но некоторые его бортовые системы при этом всё равно находятся в активном состоянии. Например, система телематики для связи с приложениями, программируемое управление системой климат-контроля, удаленное закрытие и открытие замков дверей. Именно поэтому электромобиль часто называют мобильным гаджетом на колесах – он требует постоянного энергоснабжения. Таким образом, сильная разрядка АКБ происходит во всех режимах эксплуатации электромобиля. В то время как зарядка АКБ выполняется только при активном режиме. Так, из-за неоптимальных, часто повторяющихся циклов «зарядка – разрядка» происходит ускоренная деградация АКБ.
Если АКБ полностью разряжена, а EVB достаточно заряжена, то электромобиль не включится.В отличие от EVB, в случае полной разрядки АКБ его можно запустить от пускового устройства для экстренного запуска или от АКБ другого автомобиля. Лучшими пусковыми устройствами для АКБ считаются портативные литий-полимерные модели с высоким пиковым током.
Зарядка АКБ осуществляется от EVB через DC/DC-преобразователь, который включается периодически по сложному алгоритму системы управления батареей BMS (Battery Management System). DC/DC-преобразователь по своей сути является понижающей трансформаторной подстанцией, которая преобразует высокое напряжение EVB в низкое (~14 вольт) для заряда АКБ и через которую передается питание всех бортовых потребителей. Система BMS поддерживает баланс между энергосбережением электромобиля и жизнедеятельностью его 12-вольтовой сети – при низком заряде EVB для исключения ее полной разрядки система BMS понижает или отключает зарядку АКБ. DC/DC-преобразователь работает в нескольких режимах:
- запуск электромобиля в активный режим (Ready Mode) – DC/DC включен для питания 12-вольтовой сети во время старта и движения автомобиля и его остановок в активном режиме;
- пассивный режим электромобиля – DC/DC включается циклически кратковременно для питания некоторых активных бортовых систем электромобиля;
- зарядка EVB – DC/DC включен независимо от режима состояния электромобиля (активный или пассивный), чтобы питать 12-вольтовую сеть и проводить балансировку ячеек EVB и терморегуляцию их среды;
- режим обновления прошивки ОТА (Over-The-Air) – DC/DC включается для обеспечения стабильного питания бортовой сети электромобиля;
- активный режим климат-контроля при пассивном режиме электромобиля – DC/DC включен при использовании системы терморегуляции для создания заданного климата в салоне электромобиля;
- стоянка электромобиля в режиме «Собака» (Dog Mode) – DC/DC включен для питания климат-контроля салона электромобиля.
Если электрокар используется в активном режиме краткосрочно, то АКБ не успевает полноценно компенсировать свой разряд, который случился при включении электромобиля и за время его длительного простоя в режиме ожидания (пассивный режим). Поэтому при непродолжительных остановках отключать электромобиль не рекомендуется.
EVB – высоковольтная аккумуляторная батарея
EVB – узел, который мало изнашивается и весьма надежен. Срок службы этой батареи в современных автомобилях неограничен, поэтому многие китайские производители первому покупателю дают пожизненную гарантию на нее. В то же время в процессе эксплуатации EVB происходит деградация ее отдельных зарядных ячеек, которая при условии регулярного чередования быстрых и медленных зарядок составляет около 2–3% емкости в год.
Для сохранения ресурса EVB рекомендуется раз в месяц проводить балансировку ее ячеек (это процесс выравнивания напряжения между ячейками EVB для обеспечения их равномерного заряда и разряда) на максимально низких токах медленной зарядки EVB – до полной ее зарядки. Делать это можно самостоятельно. Если этого не сделать, может понадобиться сервисная балансировка. По крайней мере, об этом говорят в чатах пользователей и сотрудники СТО, обслуживающие электромобили.
Процедура критична для сохранения максимального запаса хода EVB, правильной работы системы BMS и продления срока службы батареи. Система BMS автоматически прекращают зарядку при достижении 100% или заданного лимита, предотвращая перезаряд, перегрев и износ аккумулятора.
Основной причиной износа EVB является ее циклическое старение. Это выражается в износе от регулярных зарядов и разрядов, особенно от глубоких циклов разрядки, частых высоких токов зарядки, перегрева и переохлаждения EVB. При этом испорченные ячейки EVB можно заменять на СТО.
Справочно. Стоимость замены ячеек EVB составляет до $120 за кВт⋅ч, а полная замена батареи, в зависимости от ее размера, марки и гарантийного покрытия, может обойтись до $20 тысяч. Но в большинстве случаев этого не потребуется в течение всего срока службы автомобиля, так как ресурс EVB предусмотрен на 500 тысяч км, кроме ситуаций серьезного внешнего механического повреждения корпуса EVB.
Для повышения эффективности функционирования EVB в условиях перепада влажности и температур внешнего воздуха система BMS использует автоматическую терморегуляцию, для чего EVB постоянно расходует свою энергию. Даже в выключенном состоянии электромобиль теряет часть заряда EVB – до 5% в неделю. Этот процесс называется саморазрядом и зависит от температуры хранения, уровня заряда и конструкции EVB. Поэтому при долговременном пассивном режиме электромобиля батарея может сильно разрядиться – в этом случае система BMS отключит ее от питания систем автомобиля, а он перейдет в аварийный режим. В таком случае для запуска зарядки сильно разрядившейся EVB используется АКБ. При зарядке EVB свыше 10% электромобиль вновь автоматически перейдет из аварийного режима в обычный.
Производители электромобилей рекомендуют использовать режим движения при условии заряда EVB более 10%. Наиболее комфортные условия долговременного хранения электромобиля обеспечиваются при температуре воздуха от +10 до +25°C и заряде EVB в диапазоне 50–70%.
Чтобы EVB работала надежно, энергоэффективно и долгосрочно, система BMS использует контроллеры, которые получают сигналы от датчиков в ячейках батареи об их температуре и уровне зарядки. На основе этих сигналов корректируется управление работой основного энергоисточника. Система BMS обеспечивает правильный заряд ячеек: она следит за равномерной нагрузкой на ячейки на ходу, отключает зарядку отдельных ячеек или перераспределяет энергию от более заряженных к менее заряженным элементам (активная балансировка) и управляет системой их подогрева и охлаждения, так как для EVB вредны сильное охлаждение и сильный перегрев. Если какой-то элемент работает внештатно, система BMS его отключает, чтобы неисправная ячейка не разряжала EVB и в ней не происходило перезаряда. Также электроника контролирует состояние высоковольтных цепей и основных электрических разъемов, а мощные реле и силовые предохранители защищают электрические цепи от аварийных ситуаций.
Зарядка EVB происходит через порты зарядки в электромобиле трех типов (Type2, CCS, GB/T) или с использованием адаптеров (переходников). Получение электроэнергии для EVB возможно:
- на электрических зарядных станциях (ЭЗС) от колонок быстрой зарядки постоянного тока (DC);
- от медленной зарядки переменного тока (AC);
- через портативное зарядное устройство от обычной электросети напряжением 220 вольт и силу тока до 16 ампер или от силовой розетки напряжением 220 вольт и силой до 32 ампер или через силовой разъем от сети 380 вольт;
- через специальные зарядные провода от другого электромобиля или при буксировке электромобиля, находящегося в режиме «Движение» (Ready Mode) за счет функции рекуперации энергии торможения.
Скорость зарядки EVB и пробег электромобиля на полной зарядке зависят от типа EVB и ее емкости, измеряемой в кВт⋅ч (kWh).
В зависимости от используемых материалов ячеек, EVB изготавливаются трех основных видов:
- литий-ионные (Li-ion) – ранее наиболее распространенные, с самой высокой плотностью электроэнергии, они более долговечные, безопасные и дешевые, но тяжелее других видов батарей;
- литий-железо-фосфатные (LFP) – сейчас наиболее применяемые производителями. Они универсальные, сочетают в себе емкость и долговечность, самые безопасные и дешевые в производстве, но более подвержены перепаду влажности и температуры воздуха;
- никель-марганец-кобальтовые (NMC) – более редкие, обеспечивают высокую плотность энергии. Они легче и энергоэффективнее, но дороже и быстрее деградируют, их производители предоставляют гарантию 8–10 лет или 160–200 тысяч км пробега, после этого батарея сохраняет 70–80% емкости.
EVB является основным и наиболее дорогим узлом электромобиля, содержащим несколько десятков секций, соединенных между собой в единую высоковольтную сеть. Каждая секция состоит из множества ячеек и представляет собой полноценный маленький аккумулятор, который вместе с другими секциями создает одну большую емкую батарею, питающую один либо несколько тяговых электродвигателей привода колес. Размер и форма ячеек могут быть самыми разными – от маленьких цилиндров, похожих на бытовую пальчиковую батарейку, до довольно крупных брусков. Это зависит в первую очередь от применяемой производителем технологии.
Внешне EVB представляет собой плоскую батарею весом от 300 до 1300 кг, расположенную в днище легкового автомобиля и интегрированную в силовую структуру кузова – так она занимает меньше места и усиливает кузов автомобиля. Такая компоновка понижает центр тяжести, повышает устойчивость от качения и опрокидывания. Данный фактор улучшает управляемость и безопасность электрокара и снижает износ подвески и шин за счет равнонагруженности всех колес автомобиля.
Оболочка EVB – это сложная, но надежная конструкция, которая совмещает в себе легкость, прочность и герметичность. Для безопасной эксплуатации EVB используется специальный изолированный металлический корпус, соответствующий конструктивным особенностям конкретного автомобиля. Материалом корпуса секций EVB могут быть керамика, стекло, эбонит – все они устойчивы к внешним негативным воздействиям и утечкам антифриза изнутри корпуса батареи. Но в случае соприкосновения открытыми частями тела с неизолированным источником такого напряжения человек получит серьезную травму вплоть до летального исхода. Поэтому высоковольтные кабели в электромобиле имеют яркий оранжевый цвет, а 12-вольтовые провода окрашены в другие цвета, как в автомобилях с ДВС.
Справочно. Для повышения безопасности EVB в Китае в 2025 году принят стандарт «Требования безопасности к силовым батареям, используемым в электромобилях» (GB38031-2025), который вступает в силу с 1 июля 2026-го. Согласно этому документу, станут обязательными противоударные тесты и проверка батарей при многократных циклах быстрой зарядки.
Крупнейшими производителями EVB в мире в 2025-м стали компании CATL (38,2%), BYD (16,9%), LG Energy Solution (9,8%).
Для получения максимального эффекта от EVB рекомендуется эксплуатировать электромобиль следующим образом:
- не допускать частого разряда EVB ниже 10%;
- не заряжать каждый раз EVB до 100% на быстрой зарядке;
- избегать частых очень коротких поездок либо не выключать электромобиль во время непродолжительных остановок;
- в морозное время осуществлять зарядку EVB чаще в теплом помещении;
- не оставлять более трех недель электромобиль без движения с полностью заряженной EVB, а при длительной стоянке подключать электромобиль к сети зарядки;
- ограничивать использование режима «Собака» и активного режима климат-контроля при пассивном режиме электромобиля.