Регистрация Войти
Вопрос

Аккумуляторы для электромобилей широко распространены, как и бензин

В основном я хочу сосредоточиться на практической/механической стороне этого вопроса.



Я уже много раз задумывался о покупке небольшого электромотоцикла для ежедневных поездок на работу и т. д., но я бы не отказался от небольшой экскурсии/прогулки на нём (даже на таких низких скоростях).
Что меня останавливает, так это то, что у него такой ограниченный запас хода и такое долгое время зарядки, что даже если бы я решил взять с собой (тяжёлое и громоздкое) зарядное устройство и даже если бы я смог найти источник питания где угодно, мне пришлось бы тратить не менее 2 часов на зарядку после каждых 100 км езды, что снизило бы мою среднюю скорость с 50 км/ч (средняя скорость небольшого электромотоцикла) до смехотворных 25 км/ч.



Итак ... если бы у всех производителей транспортных средств и аккумуляторов был стандартизированный тип аккумуляторов (или несколько, если по какой-либо причине напряжение в автомобилях и мотоциклах не может быть одинаковым), который подходил бы для всех транспортных средств (или, по крайней мере, для всех транспортных средств данного типа) и был бы модульным таким образом, чтобы в автомобиле большего размера могли поместиться, например, 8 элементов, в автомобиле меньшего размера - 5 элементов, в мотоцикле - 3 элемента и т.д., То если бы эти элементы производились в огромных количествах (что делало бы их дешевле обычных автомобильных аккумуляторов), могло бы случиться так, что они были бы доступны на каждой заправочной станции и / или на станциях удаленной "пустынной" зарядки (с помощью солнечных элементов), чтобы что автомобилю будет легко заплатить и заменить разряженный аккумулятор на полный без необходимости длительного ожидания?



Эти солнечные батареи можно было бы продавать отдельно от автомобиля, тем самым перекладывая расходы на конечного потребителя. Кроме того, при посещении зарядной станции можно было бы проверить общее состояние «пустых» аккумуляторов (возраст и ёмкость), а при замене на «заряженные» можно было бы применить небольшую разницу в цене и т. д.



Я прекрасно понимаю финансовые и политические последствия такой модели, но считаете ли вы, что этот случай относится только к построению мира???
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/63589/batteries-for-electric-vehicles-commonly-available-much-like-gasoline
1
+ Читать

38 Комментариев

  1. правка: как (я только что заметил) уже отметил @JamesJenkins:



    Гогоро есть повсюду в Тайбэе, а теперь и в нескольких других городах Тайваня.



    Сразу оговорюсь: я никоим образом не связан с компанией и не владею ею.



    Спецификация электросамоката и аккумулятора:





    Система (включая аккумуляторы) водонепроницаема:




    • IPX6, более 30 мм:

    • IPX7, менее 30 мм



    В настоящее время на Тайване насчитывается более 1000 пунктов обмена. Вы выбираете ближайший пункт на своём телефоне, «бронируете» пару аккумуляторов, приходите туда и меняете их за несколько секунд.





    введите описание изображения здесь

  1. В настоящее время эта технология используется на Тайване для скутеров.



    В прошлом году было зарегистрировано рекордное количество новых электросамокатов — 20 915, что почти вдвое превышает показатель предыдущего года. Потребителей привлекли государственные субсидии, а также быстрая и удобная система замены аккумуляторов, разработанная местным стартапом. Источник



    И



    Компании Yamaha и Gogoro зарекомендовали себя как мощные игроки в индустрии лёгких электромобилей. У Gogoro есть линейка очень успешных самокатов, основанных на технологии замены аккумуляторов, а Yamaha только что представила четыре новейшие модели электрических велосипедов в магазинах США.


    Теперь эти две компании объявили, что объединят усилия в разработке электросамокатов со сменными аккумуляторами, используя сильные стороны обеих компаний. Источник



    Изображение CC, которое я не смог правильно загрузить
  1. Да, я опубликовал свой ответ на пару минут раньше тебя, но твой ответ лучше оформлен. Подозреваю, что мы оба писали в одно и то же время.
  1. Отлично! Я очень скучаю по снегу. Я вырос в северной части штата Нью-Йорк, но уже несколько десятилетий живу в другом месте.
  1. @uhoh Это может сработать на региональном уровне у нас есть велопрокат и прокат электросамокатов здесь, в Питтсбурге, штат Пенсильвания, и, похоже, всё идёт хорошо.
  1. Я только что увидел ваш ответ после того, как я опубликовал; я живу в Тайбэе, и это выглядит очень забавно! Самокаты здесь настолько распространены и их так много, что это хорошая бизнес-модель, которую, возможно, будет непросто масштабировать в других странах.
  1. Весь мой вопрос касался велосипедов, но я всё равно понимаю, о чём вы...
  1. тоже интересный ответ. Я и не подозревал, что аккумуляторы в электромобилях такие большие, но даже если бы они состояли из 50 «ячеек», их было бы быстрее поменять, чем ждать 2 часа (или, думаю, даже больше для автомобиля).

  1. В какой-то момент у Tesla появилась возможность заменить весь пустой аккумуляторный блок на полностью заряженный. Для этого процесса требовалась только подготовленная станция, на которую автомобиль заезжал, а примерно через 90 секунд выезжал с полностью заряженным аккумулятором.



    Но затем обилие бесплатных и быстрых зарядных станций предложило более привлекательную альтернативу, и проект так и не вышел за рамки пилотной фазы. Особенно если учесть, что НА САМОМ ДЕЛЕ процесс вместо 90 секунд занимал около семи минут, был частично автоматизирован, но частично по-прежнему выполнялся вручную (что может привести к ошибкам), требовал предварительной записи, и владелец автомобиля должен был за это платить. Кроме того, автомобиль не распознавал новую батарею как таковую и продолжал считать пройденное расстояние за одну зарядку. Владельцы также беспокоились о том, что им придётся отдать свои новые, но разряженные аккумуляторы в обмен на старые и изношенные, хотя и заряженные, тем самым потеряв в максимальной ёмкости заряда, а значит, и в цене автомобиля.



    Так что, вероятно, всё это привело к тому состоянию, в котором мы сейчас находимся, когда программа фактически мертва, и, судя по опыту, ни один другой разработчик не спешит внедрять её собственную версию. По словам самого Маска:




    «Людям нет дела до замены аккумуляторов. Турбокомпрессоры достаточно быстрые.
    Судя по тому, что мы здесь видим, вряд ли стоит
    расширять это в будущем, если только что-то не изменится».

  1. Проблема со стандартными сменными аккумуляторами заключается в их размере. В обычных электромобилях аккумулятор (батарея) по размеру равен всему автомобилю.



    введите описание изображения здесь



    Я не вижу способа легко заменить его на заряженный на зарядной станции для аккумуляторов. Можно разместить аккумуляторы разных типов, например, в багажнике, но низкое расположение аккумуляторного блока имеет дополнительное преимущество в виде снижения центра тяжести.



    Судя по всему, Honda работает над технологией замены аккумуляторов в своих мотоциклах (аккумуляторы меньшего размера, чем в автомобилях):



    https://www.electrive.com/2018/11/30/honda-launches-pcx-electric-scooter-with-battery-swapping/
  1. Похожая схема была реализована в... Я хочу сказать, в Саудовской Аравии? Там возникли те же проблемы. Для каждой «станции» в итоге потребовался целый склад для хранения/зарядки аккумуляторов, а стоимость строительства оказалась в пять (или более) раз выше прогнозируемой, и эксплуатационные расходы тоже были выше ожидаемых.
  1. На самом деле в Tesla используется аккумулятор, состоящий из огромного количества элементов 18650 / 2170. Я не вижу причин, по которым они часто выходят из строя.
  1. @alphazero ОЧЕНЬ интересный подход... Думаю, в таком случае ответственность лежит на конечном пользователе, но всё же батарея «модульного» типа, состоящая, скажем, из 8 элементов, один из которых выйдет из строя по какой-то технической причине, будет работать, но с 7/8 от первоначальной ёмкости, что потребует более частой подзарядки
  1. Это одна из причин, по которой мне так нравится идея автомобилей на водородных топливных элементах: их можно заправлять так же, как бензиновые. К сожалению, физика не проявила такого же «энтузиазма», чтобы помочь нам найти способ сделать их доступными для массового рынка.
  1. @juhist Я думаю, что Model S и Model X взаимозаменяемы, но их нельзя поменять местами. Model 3 не является взаимозаменяемой (точнее, является, но для этого нужно разобрать салон, что не совсем удобно на шоссе)

  1. Этого не произойдет.



    Общепризнано, что лучшими электромобилями на сегодняшний день являются Tesla. Кто-то может возразить, что их безрамные дверные окна, большие внешние размеры, большие колёса, на которых практически не осталось шин, и т. д. — это просто для красоты, а не для езды, но технологии в Tesla превосходят технологии в других электромобилях.



    Итак, давайте посмотрим, как Tesla использует аккумуляторы.



    В электромобилях Tesla используются цилиндрические аккумуляторы 18650 или 2170. Ёмкость аккумулятора 18650 составляет примерно 3 Ач, а аккумулятора 2170 — примерно 6 Ач. В ватт-часах это 10,8 или 21,6 ватт-часа, а в килоджоулях — 38,9 кДж или 77,8 кДж. Литр бензина содержит 36 МДж, поэтому эти цифры соответствуют примерно 1–2 миллилитрам бензина. Таким образом, если вы собираетесь заменить эти батарейки, то будете расходовать энергию в количестве 1–2 миллилитра за раз. Видите проблему?



    Хорошо, кто-то может возразить, что эффективность лучших бензиновых автомобилей (=гибридов) составляет всего 33 %, так что на самом деле вы будете расходовать 3 или 6 миллилитров бензина в эквиваленте за раз.



    Эти аккумуляторы в Tesla спрятаны под полом автомобиля, что обеспечивает низкий центр тяжести (а значит, безопасность и хорошую управляемость), устойчивость при столкновении, огромный запас хода на электротяге, передний багажник (frunk), где можно хранить вещи, и т. д. Хотя теоретически аккумуляторы можно заменить, на практике этого не делают. Аккумуляторы Tesla обычно служат весь срок эксплуатации автомобиля, потому что при обычной езде используется лишь малая часть их ёмкости.



    А теперь представьте, что вы можете объединить ячейки в более крупные многоячейковые блоки. Да, возможно, это возможно. На самом деле Toyota объединила никель-металлогидридные аккумуляторы в один блок. Проблема в том, что крошечный блок ёмкостью 1,6 кВт⋅ч в гибриде RAV4 весит около 70 килограммов, и в этой конкретной модели Toyota он занимает часть багажника в задней части, потому что не находится под полом автомобиля. Кроме того, идеальные размеры блоков в разных автомобилях (и в разных местах одного и того же автомобиля) будут отличаться, чтобы максимально эффективно использовать доступное пространство, что затрудняет стандартизацию. Кроме того, чтобы заменить аккумуляторы в Tesla, расположенные под полом автомобиля, его нужно поднять.



    Таким образом, сменных аккумуляторов не будет. Ситуация похожа на ту, что сложилась с мобильными телефонами. Из-за сложности замены аккумулятора телефоны получаются тонкими, что нравится покупателям. Из-за сложности замены аккумуляторов в автомобиле получается низкий центр тяжести даже у внедорожников, хорошая и безопасная управляемость, защита при столкновении, много места для хранения, большой запас хода и т. д., что опять же нравится покупателям.



    В некотором смысле ячейки в Tesla действительно стандартизированы. Они очень похожи по размеру на обычные ячейки для ноутбуков, просто в них используется немного другая химия, оптимизированная для использования в автомобилях и обеспечивающая низкую стоимость. Но благодаря стандартизированному размеру в одной Tesla находится огромное количество ячеек в труднодоступных местах.



    Тем не менее есть несколько факторов, которые сделают электромобили реальностью:




    • Стоимость аккумуляторов снизится, а их размер увеличится.

    • Быстрая зарядка станет более распространённой, что позволит вам частично заряжать автомобиль (но не до 100 %, так как последние несколько процентов будут заряжаться медленно) во время перерыва на кофе

    • Появится вторичный рынок для аккумуляторов, которые потеряли половину своей ёмкости или около того и поэтому не подходят для использования в автомобилях, но могут применяться для хранения энергии ветра и солнца в электросетях до конца срока службы. Таким образом, замена аккумулятора будет стоить дешевле, чем сейчас, потому что вы получите компенсацию за частично исправные элементы.

  1. Одним из возможных решений является проточная батарея. Электролит можно заменить практически так же, как мы заправляем автомобиль.



    Недостатком является то, что электролит представляет собой сильную кислоту. Вы думаете, что разлитые легковоспламеняющиеся нефтепродукты — это проблема? Попробуйте пролить кислоту, которая разъест вашу одежду, ногу, кузов автомобиля, бетонный пол...



    Это по-прежнему жизнеспособное решение. Однако разработка системы, которая будет удерживать кислоту внутри, а всё остальное — снаружи, нетривиальна, поэтому нам нужна действительно веская причина, чтобы сделать это.

  1. TL;DR:


    Эта идея стара, как мир (1890-е годы), но до сих пор никому не удавалось реализовать её с финансовой точки зрения.


    История



    Паровой автомобиль, автомобиль с двигателем внутреннего сгорания и электромобиль были основными конкурирующими технологиями с конца 1890-х до 1920-х годов. Концепция сменной аккумуляторной батареи была впервые предложена ещё в 1896 году, чтобы решить проблему ограниченного запаса хода электромобилей и грузовиков.


    Впервые эта концепция была реализована компанией Hartford Electric Light Company в рамках сервиса по обслуживанию аккумуляторов GeVeCo и изначально была доступна для электрических грузовиков. Владелец транспортного средства приобретал его у General Vehicle Company (GeVeCo, дочерняя компания General Electric Company) без аккумулятора, а электроэнергию приобретал у Hartford Electric через систему сменных аккумуляторов. Владелец платил переменную сумму за каждую пройденную милю и ежемесячную плату за обслуживание, которая покрывала расходы на техническое обслуживание и хранение грузовика. И транспортные средства, и аккумуляторы были модифицированы для быстрой замены аккумуляторов. Услуга предоставлялась с 1910 по 1924 год, и за это время автомобили, воспользовавшиеся ею, проехали более 6 миллионов миль. С 1917 года аналогичная услуга предоставлялась в Чикаго владельцам автомобилей Milburn Light Electric, которые также могли купить автомобиль без аккумуляторов.



    Источник: Википедия


    Компания в лучшем месте



    Better Place — международная компания, поддерживаемая венчурными инвесторами, которая разрабатывала и продавала услуги по зарядке и переключению аккумуляторов для электромобилей. Формально компания располагалась в Пало-Альто, штат Калифорния, но основная часть её планирования и деятельности осуществлялась из Израиля, где проживали её основатель Шай Агасси и главные инвесторы.


    [...] Финансовые трудности компании были вызваны неэффективным управлением, напрасными попытками закрепиться на рынке и запустить пилотные проекты в слишком большом количестве стран, высокими инвестициями, необходимыми для развития инфраструктуры зарядки и обмена, а также гораздо более низким уровнем проникновения на рынок, чем изначально прогнозировал Шай Агасси.


    [...] Система быстрой замены аккумуляторов QuickDrop позволит заменять аккумулятор Renault Fluence Z.E., единственного автомобиля, подключённого к сети Better Place, примерно за три минуты на специальных станциях замены аккумуляторов.



    Источник: Википедия


    Видеоролик с процессом можно посмотреть здесь: https://www.youtube.com/watch?v=qd0WPw3p2MQ
  1. @user1908704 Интересно... Полагаю, вы могли бы менять аккумуляторы Tesla Model S на аккумуляторы Tesla Model S? Я имею в виду, что вы наверняка не можете менять аккумуляторы Model S на аккумуляторы Model X или, скажем, Nissan Leaf?
  1. @juhist Аккумуляторные модули Tesla изготавливаются на заказ, как и сами элементы питания, несмотря на то, что они имеют стандартный размер 18650 или 2170 и производятся в сотрудничестве с Panasonic. Tesla Model S спроектирована таким образом, чтобы можно было менять аккумуляторы, хотя в конечном итоге компания отказалась от установки станций для замены аккумуляторов.

  1. У этой идеи есть проблема с надёжностью, которая может быть неочевидной. Если провести аналогию с реальным миром, то у четырёхмоторных самолётов в час полёта возникает больше проблем с двигателями, чем у двухмоторных, просто потому, что двигателей в два раза больше и в них может возникнуть неисправность.



    Если вы разделите «автомобильный аккумулятор» на несколько сменных блоков, вы увеличите количество проблем с надёжностью, вызванных неисправными разъёмами и отдельными блоками. Если из-за такой проблемы автомобиль где-то застрянет, кто будет платить за устранение неполадки? Зарядная станция не «владеет» аккумуляторами, которые она заряжает и меняет местами, как и владелец автомобиля. Так кто же будет нести расходы, связанные с неисправным аккумулятором?



    Одно из преимуществ традиционного топлива заключается в том, что это стандартизированный продукт: вы можете купить бензин где угодно, даже не задумываясь о том, не возникнет ли проблем с только что купленным топливом. Вам нужно было бы сделать сменные аккумуляторы такими же надёжными, а это может оказаться сложной инженерной задачей. Конечно, на заправках иногда случаются ошибки и насосы выдают не то топливо, но это происходит так редко, а последствия наступают так быстро, что становится ясно, кто виноват.

  1. Одной из самых серьёзных проблем, которые необходимо решить в сфере электромобилей, на данный момент является аккумулятор. Если аккумулятор можно сделать более эффективным и лёгким, то совокупное повышение эффективности сделает электромобиль гораздо более привлекательным для покупателей.



    В конечном счёте использование стандартного аккумулятора — хорошая идея, но в настоящее время этому препятствуют два фактора:




    1. В условиях таких инвестиций в исследования и разработки ограничение аккумуляторов одним стандартом может затруднить их внедрение в новые транспортные средства

    2. Аккумулятор — это одна из областей, в которой компании имеют конкурентное преимущество. Если вы ограничены в распространении своих инноваций, то получаете меньше прибыли



    Как только прогресс в этой области начнёт замедляться, я уверен, вы увидите больший упор на стандартизацию аккумуляторов. Как вы и сказали, другого пути нет, если мы хотим заменить автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Но я не думаю, что это произойдёт в ближайшем будущем.

  1. Я не совсем уверен, что этот вопрос соответствует основной цели данной группы, НО должен сказать, что я давно задаюсь вопросом, почему производители электромобилей не стандартизируют формат аккумуляторов и не разрабатывают какой-нибудь автоматический способ их замены.



    Я подумал, что можно было бы сделать что-то вроде платформы, на которую заезжает машина, а затем аккумуляторная батарея выталкивается снизу, и на её место устанавливается новая. С инженерной точки зрения, я думаю, единственный риск заключается в том, что, когда аккумулятор будет извлечён из автомобиля, машина будет неподвижна до тех пор, пока не будет установлен новый аккумулятор.



    Затем можно было бы переоборудовать существующие заправочные станции, установив на них что-то вроде зарядной стойки, на которой будут размещаться поступающие аккумуляторы и откуда будут забираться полностью заряженные.



    Я думаю, самая большая проблема заключается в том, что производители электромобилей уже определились с направлением развития, в котором аккумуляторы остаются в автомобиле и заряжаются. Учитывая, что формат контактов на зарядных станциях сильно различается, шансы на то, что производители стандартизируют формат аккумуляторов, невелики. Я думаю, этому препятствуют рыночные силы, а не технические проблемы. Я думаю, что единственным способом изменить ситуацию могут стать законодательные изменения, инициированные одним крупным или небольшим количеством правительств.
  1. В настоящее время компания Honda тестирует электрические/гибридные велосипеды в азиатских странах и собирается использовать сменные аккумуляторы. Они хотят посмотреть, как люди будут использовать эти велосипеды. Экспериментальная фаза, похоже, ещё слишком ранняя для стандартизации (зачем стандартизировать то, чем никто не будет пользоваться?). Кроме того, у электрической Honda PCX нет места для хранения вещей из-за аккумуляторов — не самое лучшее решение для велосипеда, который используется для ежедневных поездок.
  1. Чтобы поменять их, вам придётся лечь на землю и испачкаться. Затем вам нужно будет каким-то образом извлечь эти 50 элементов, то есть они должны быть в каком-то безопасном контейнере с ручками (чем больше элементов, тем меньше их в автомобиле). Задние панели аккумуляторов также охлаждаются/нагреваются (по крайней мере, в Tesla). Сменные аккумуляторы, похоже, возможны только в небольших транспортных средствах, таких как велосипеды.
  1. Конечно, в систему замены аккумуляторов можно встроить диагностическое тестирование, чтобы в случае, если аккумулятор будет извлечён из транспортного средства и окажется неисправным, его можно было сразу исключить из оборота. В зависимости от конструкции системы транспортное средство с одним неисправным аккумулятором может работать на пониженной мощности и отображать сообщение о необходимости вернуться на ближайшую «заправочную» станцию.
  1. Возьмём в качестве аналогии телефоны. Изначально во всех них были съёмные аккумуляторы, но сейчас они встречаются редко (по крайней мере, в дорогих моделях). Почему? Потому что съёмный аккумулятор требует конструктивных компромиссов, которые ухудшают другие характеристики продукта (размер, вес, материалы). Благодаря улучшенной быстрой зарядке необходимость в замене аккумулятора возникает реже, чем раньше.
  1. На самом деле в Tesla используются стандартные аккумуляторы, которые производит компания Panasonic, а не Tesla. Подробнее о том, почему в Tesla не нужно менять аккумуляторы, читайте в моём ответе.
  1. При использовании герметичных аккумуляторных блоков в стоимость покупки аккумулятора можно было бы включать залог и компенсацию износа, а затем выставлять людям счета в зависимости от накопленной и извлечённой энергии. Домашнее зарядное устройство, предназначенное для использования с такой системой, будет начислять людям баллы за накопленную энергию и взимать плату за извлечённую энергию. Самой большой проблемой может стать то, что у людей появится стимул создавать поддельные аккумуляторные блоки и обменивать их на настоящие.
  1. @Graham Эти различия означают, что залог должен соответствовать стоимости аккумулятора (скорее всего, она будет включена в цену нового автомобиля), аккумуляторы могут быть неразборными (как указано в ответе), а система зарядки должна выявлять износ и неисправности и соответствующим образом выводить аккумуляторы из эксплуатации.
  1. @Dan За исключением того, что газовые баллоны имеют очень долгий срок службы, они очень прочные и их трудно повредить, производство баллонов относительно недорогое, а возможность перепродажи/утилизации газовых баллонов невелика. Всё это является полной противоположностью аккумуляторным батареям.
  1. @Dan: интересно. спасибо за аналогию (если это вообще можно назвать аналогией).
  1. Похоже, что другого пути нет, если мы хотим, чтобы электромобили заменили автомобили с двигателями внутреннего сгорания...
  1. @DavidRicherby Тематика сайта гораздо шире, чем следует из его названия. См. соответствующую метаинформацию Подходят ли вопросы об истории автомобилестроения для этого сайта?
  1. @Zaibis Подобные системы уже используются для таких предметов, как баллоны со сжатым газом. По сути, баллон/аккумулятор принадлежит системе, и пользователь вносит залог за временное владение им. Каждый раз, когда пользователь меняет один аккумулятор на другой (что почти всегда происходит с автомобильными аккумуляторами), вносить залог не нужно. Когда производительность каждого аккумулятора снижается до заранее установленного уровня, система зарядки определяет это и выводит его из эксплуатации.
  1. Что вы будете делать, если вашу новую упаковку поменяют на уже использованную и ваша энергия просто иссякнет из-за износа? Будет ли отслеживаться, куда делись ваши предыдущие упаковки, и сможете ли вы запросить возврат старой упаковки? Будет ли для этого какая-то страховка? Кто должен будет оплачивать эту страховку? Или это будет что-то вроде лотереи, где вы можете только надеяться, что полученная вами колода не исчезнет, пока у вас не появится новая, а если это всё-таки произойдёт, то ущерб будете возмещать вы? Похоже, что это очень рискованная с финансовой точки зрения система для отдельных пользователей, независимо от того, как вы её реализуете.
  1. Как это связано с техническим обслуживанием и ремонтом автомобилей?
  1. Я езжу на электромобиле и не хотел бы менять аккумуляторы. Я заряжаю его медленно (в течение ночи) и редко заряжаю до 100 %, потому что планирую пользоваться автомобилем более 20 лет. Я не хочу покупать аккумулятор, который кто-то много раз заряжал быстро и которым злоупотребляли.
Вы уже ответили на этот вопрос