Większa pojemność, większa moc, mniejszy rozmiar, mniejsza waga, łatwiejsza produkcja masowa i zastosowanie tańszych komponentów to wyzwania przy projektowaniu akumulatorów do pojazdów elektrycznych. Innymi słowy, sprowadza się to do kosztów i wydajności. Potraktuj to jako balansowanie, w którym osiągnięta kilowatogodzina (kWh) musi zapewniać maksymalny zasięg, ale przy rozsądnych kosztach produkcji. W rezultacie często można zobaczyć opisy akumulatorów zawierające koszty produkcji wraz z liczbami w zakresie od 240 do 280 USD/kWh podczas produkcji np.
Aha, i nie zapominajmy o bezpieczeństwie. Przypomnijmy sobie fiasko Samsunga Galaxy Note 7 kilka lat temu oraz odpowiednik pożarów pojazdów w pojazdach elektrycznych i stopienia w Czarnobylu. W scenariuszu niekontrolowanej reakcji łańcuchowej, odstępy i kontrola termiczna pomiędzy ogniwami akumulatora pakiet zapobiegający zapaleniu się jednego ogniwa przez drugie, kolejne itd., dodatkowo komplikują rozwój akumulatorów do pojazdów elektrycznych. Wśród nich nawet Tesla ma problemy.
Chociaż zestaw akumulatorów do pojazdów elektrycznych składa się z trzech głównych części: ogniw akumulatorowych, systemu zarządzania akumulatorami i jakiegoś pudełka lub pojemnika, który je łączy, na razie przyjrzymy się tylko akumulatorom i ich ewolucji wraz z Teslą, ale nadal stanowi problem dla Toyoty.
Cylindryczny akumulator 18650 to akumulator litowo-jonowy o średnicy 18 mm, długości 65 mm i masie około 47 gramów. Przy napięciu nominalnym 3,7 V każdy akumulator może ładować do 4,2 V i rozładowywać się przy niskim poziomie jak 2,5 V, przechowując do 3500 mAh na ogniwo.
Podobnie jak kondensatory elektrolityczne, akumulatory pojazdów elektrycznych Tesli składają się z długich arkuszy anody i katody, oddzielonych materiałem izolującym ładunek, zwiniętych i ciasno upakowanych w cylindry, aby zaoszczędzić miejsce i przechowywać jak najwięcej energii. Te katody (naładowane ujemnie) i Arkusze anodowe (naładowane dodatnio) mają wypustki umożliwiające łączenie podobnych ładunków pomiędzy ogniwami, co daje potężną baterię — sumują się do jednego, jeśli wolisz.
Podobnie jak kondensator zwiększa swoją pojemność poprzez zmniejszenie odstępu pomiędzy arkuszami anody i katody, zmianę dielektryka (powyższy materiał izolacyjny pomiędzy arkuszami) na taki o większej przenikalności elektrycznej oraz zwiększenie powierzchni anody i katody Następnym krokiem w (mocnym) akumulatorze Tesla EV jest model 2170, który ma nieco większy cylinder niż 18650, mierzy 21 mm x 70 mm i waży około 68 gramów. Przy napięciu nominalnym 3,7 V każdy akumulator może naładować do 4,2 V. woltów i rozładowuje już od 2,5 wolta, przechowując do 4800 mAh na ogniwo.
Istnieje jednak kompromis, który dotyczy głównie rezystancji i ciepła w porównaniu z potrzebą nieco większego słoika. W przypadku 2170 zwiększenie rozmiaru płytki anoda/katoda skutkuje dłuższą ścieżką ładowania, co oznacza większy opór, a tym samym więcej energia uciekająca z akumulatora w postaci ciepła i zakłócająca wymóg szybkiego ładowania.
Aby stworzyć akumulator nowej generacji o większej mocy (ale bez zwiększonej rezystancji), inżynierowie Tesli zaprojektowali znacznie większy akumulator o konstrukcji tzw. „stolików”, która skraca ścieżkę elektryczną, a tym samym zmniejsza ilość ciepła generowanego przez rezystancję. Wiele z tego można przypisać temu, kto może być najlepszym badaczem akumulatorów na świecie.
Akumulator 4680 zaprojektowano w kształcie spirali kafelkowej, co ułatwia produkcję, w opakowaniu o średnicy 46 mm i długości 80 mm. Waga nie jest dostępna, ale inne charakterystyki napięcia są podobne lub identyczne;jednak każde ogniwo ma pojemność około 9000 mAh, co sprawia, że nowe płaskie akumulatory Tesli są tak dobre. Ponadto prędkość ładowania jest nadal dobra w przypadku dużego zapotrzebowania.
Chociaż zwiększanie rozmiaru każdego ogniwa zamiast zmniejszania może wydawać się sprzeczne z wymaganiami konstrukcyjnymi akumulatora, ulepszenia pojemności mocy i kontroli termicznej modelu 4680 w porównaniu z modelami 18650 i 2170 spowodowały uzyskanie znacznie mniejszej liczby ogniw w porównaniu z akumulatorami 18650 i 2170 -zasilane wcześniejsze modele Tesli mają większą moc na akumulator o tym samym rozmiarze.
Z liczbowego punktu widzenia oznacza to, że do wypełnienia tej samej przestrzeni co 4416 ogniw „2170” potrzeba tylko około 960 ogniw „4680”, ale z dodatkowymi korzyściami, takimi jak niższe koszty produkcji na kWh i wykorzystanie pakietu akumulatorów 4680 znacznie zwiększa moc.
Jak wspomniano, oczekuje się, że model 4680 będzie oferował 5 razy więcej magazynowania energii i 6 razy większą moc w porównaniu z akumulatorem 2170, co przekłada się na oczekiwany wzrost jazdy z 82 kWh do 95 kWh w nowszych Teslach. Przebieg wzrasta nawet o 16%.
Pamiętaj, że to tylko podstawy akumulatorów Tesli, za technologią kryje się więcej. Ale to dobry początek przyszłego artykułu, ponieważ dowiemy się, jak zarządzać zużyciem energii pakietu akumulatorów, a także kontrolować kwestie bezpieczeństwa wokół wytwarzanie ciepła, utrata mocy i… oczywiście… ryzyko pożaru akumulatora EV.
Jeśli podoba Ci się All-Things-Tesla, masz szansę kupić wersję Hot Wheels RC Tesli Cybertruck.
Timothy Boyer jest reporterem ds. Tesli i pojazdów elektrycznych w Torque News w Cincinnati. Ma doświadczenie we wczesnej renowacji samochodów, regularnie odnawia starsze pojazdy i modyfikuje silniki w celu poprawy wydajności. Obserwuj Tima na Twitterze @TimBoyerWrites, aby otrzymywać codzienne wiadomości dotyczące Tesli i pojazdów elektrycznych.
Czas publikacji: 21 lutego 2022 r