Аккумулятор "Тесла": устройство, характеристики, применение. Тяговые литий-ионные батареи Tesla, что внутри? Батарея tesla model s

Заглянем внутрь батареи электромобиля Tesla Model S и узнаем как она устроена.

По данным североамериканского Агентства по защите окружающей среды (ЕРА), Model S достаточно одного подзаряда батарей объемом 85 кВт*ч для преодоления более 400 км, что является самым значимым показателем среди подобных автомобилей, представленных на специализированном рынке. Для разгона до 100 км/час электрокару достаточно лишь 4,4 секунды.

Залогом успеха данной модели является наличие литий-ионных батарей, основные составляющие которых поставляются для Тесла компанией Panasonic. Аккумуляторы Тесла овеяны легендами. И поэтому один из обладателей такой батареи решился нарушить ее целостность и выяснить, что она представляет из себя внутри. Кстати, стоимость подобной батареи равна 45 000 USD.

Аккумулятор расположен в днище, благодаря чему Тесла обладает низким центром тяжести и прекрасной управляемостью. Присоединяется он к кузову посредством кронштейнов.

Разбираем:

Батарейный отсек формируют 16 блоков, которые параллельно соединены и ограждены от окружающей среды посредством металлических пластин, а также, пластиковой накладкой, предотвращающей попадание воды.

До того, как полностью ее разобрать, было замерено электрическое напряжение, подтвердившее рабочее состояние батареи.

Сборка аккумуляторов отличается высокой плотностью и точностью подгонки деталей. Весь процесс комплектации проходит в полностью стерильном помещении, с использованием роботов.

Каждый блок состоит из 74 элементов, по виду крайне схожих с простыми пальчиковыми батарейками (литий-ионные ячейки Panasonic), разделенных на 6 групп. При этом, выяснить схему их размещения и работы почти нереально — это большой секрет, а значит, сделать реплику данной батареи будет крайне трудно. Китайский аналог аккумулятора Tesla Model S мы вряд ли увидим.

В роли положительного электрода служит графит, а отрицательного — никель, кобальт и оксид алюминия. Указанный объем электрического напряжения в капсуле составляет 3,6В.

Самый мощный из имеющихся аккумуляторов (его объем составляет 85 кВт*ч) состоит из 7104 подобных батарей. И весит он порядка 540 кг, а его параметры равны 210 см в длину, 150 см в ширину и 15 см в толщину. Количество энергии, вырабатываемой всего одним блоком из 16, равно количеству, производимому сотней аккумуляторов от портативных компьютеров.

При сборке своих батарей Тесла применяют элементы, произведенные в различных странах, таких, как Индия, КНР, Мексика, но финальная доработка и комплектация производятся в Соединенных Штатах. Компания предоставляет гарантийное обслуживание своей продукции на срок до 8 лет.

Теперь и вы знаете из чего состоит аккумулятор электромобиля Tesla Model S.

Батарея “Теслы” известна всему миру, благодаря прорыву компании в сфере электромобилей. Идея не нова и осваивается много лет ведущими автомобильными фирмами. Однако американские конструкторы смогли оптимизировать данное направление, принимая во внимание интересы потребителя. В большой степени это стало возможным за счет инновационных систем энергоснабжения, ориентированных на полную замену привычных моторов внутреннего сгорания. Рассмотрим особенности и разновидности данного накопителя.

Применение

Разработка принципиально новых видов аккумуляторов типа li-ion обусловлена задачами повышения эксплуатационных показателей электрокаров. В связи с этим базовая линейка модели Tesla S ориентирована на обеспечение транспортного средства инновационными источниками питания. Особенностью литиево-ионных батарей стало внедрение комбинированного режима работы, в котором допускается чередование подачи энергии от двигателя внутреннего сгорания и АБ. При этом инженеры компании продолжают разработку машин, полностью независимых от привычного вида горючего.

Стоит отметить, что инженеры не ограничиваются исключительно созданием питающих элементов для автомобильного транспорта. Уже выпущено несколько версия аккумуляторных батарей “Теслы” для бытовой и коммерческой эксплуатации. Если вариант для электрокара нацелен на поддерживание работы ходовых приспособлений и бортовой электроники, то стационарные накопительные модификации позиционируются, как автономные источники электроэнергии. Возможности указанных элементов позволяют использовать их для обслуживания домашней техники. Дополнительно ведутся исследования по аккумуляции солнечной энергии. Работы пока находятся на этапе разработки.

Устройство

Аккумуляторные батареи “Теслы” обладают уникальной структурой и способом размещения активных компонентов. Основным отличием от аналогом является литиево-ионная конфигурация. Подобные элементы применяются в конструкции мобильных приборов и электрического инструмента. В качестве АБ для автомобилей их впервые использовали инженеры фирмы “Тесла”. Весь блок делится на 74 отсека, внешне напоминающие пальчиковые батарейки. В зависимости от конфигурации аккумулятора, он включает в конструкцию от 6 до 16 сегментов. Положительный заряд поступает от графитового электрода, отрицательный момент создают несколько химических компонентов, включая никель, кобальт и оксид алюминия.

В машину АКБ Tesla интегрируются посредством фиксации на донной части транспортного средства. Подобное расположение обеспечивает заниженный центр тяжести электромобиля, повышая управляемость. В качестве крепежа используются специальные кронштейны. В настоящее время подобных решений не так много, поэтому часто сравнивают указанную деталь с традиционной аккумуляторной батареей.

Важные моменты касаются безопасности и способа размещения. Первый фактор гарантируется за счет высокопрочного корпуса, в котором монтируется батарея. Кроме того, каждый блок оснащается ограждением в виде металлических пластин. При этом выполняется изоляция не всей внутренней части, а каждого элемента отдельно. Также нужно отметить наличие накладки из пластика, предотвращающей попадание внутрь воды.

1. Преобразователь.
2. Высоковольтная проводка.
3. Основное зарядное приспособление.
4. Дополнительная “зарядка”.
5. Разъем.
6. Модуль.

Характеристики батареи “Тесла”

Самая мощная вариация АБ для электрического автомобиля состоит из 7104 маленьких батарей. Ниже приведены параметры указанного элемента:

• Длина/толщина/ширина – 2100/150/1500 мм.
• Показатель электрического напряжения – 3,6 В.
• Объем питания, вырабатываемый одной секцией, идентичен потенциальным показателям ста персональных компьютеров.
• Вес батарей “Теслы” – 540 кг.
• Время проезда на одном заряде на среднем элементе силой 85 кВт/ч – около 400 км.
• Набор скорости до 100 км/час – 4,4 секунды.

При указанных характеристиках возникает резонный вопрос, насколько долговечны указанные конструкции, ведь высокая производительность предполагает интенсивный износ активных деталей. Следует отметить, что производитель на свою продукцию дает восемь лет гарантии. Скорее всего, рабочий ресурс рассматриваемых АБ будет таким же.

Пока владельцы электрических машин не могут подтвердить либо опровергнуть данный факт. Кроме того, имеются результаты исследований, которые гласят о том, что параметр мощности аккумулятора отличается ее умеренной потерей. В среднем этот показатель составляет порядка 5 % на 80 тысяч километров. Имеются и другие факты, свидетельствующие о том, что владельцы указанного транспортного средства по поводу неполадок в батарейном отсеке обращаются все реже, по мере выхода новых моделей.

Емкость батареи “Теслы” (модель S)

Оценивать емкостную характеристику аккумуляторов необходимо с учетом развития производства. На протяжении совершенствования линейки показатель варьировался от 60 до 105 кВт/ч. Официальная информация свидетельствует о том, что пиковая емкость аккумулятора составляет около 100 кВт/ч. Как свидетельствуют отзывы владельцев, реальный параметр будет несколько ниже. Например, батарея “Теслы” на 85 кВт, фактически выдает не более 77 кВт.

В истории приводятся и обратные примеры, подтверждающие превышение объема. Известны случаи, когда 100-киловаттная АБ наделялись емкостью порядка 102 кВт. Время от времени обнаруживаются противоречия в определении активных питающих компонентов. Преимущественно, расхождения наблюдаются в оценках числа ячеек блока. Связано это с тем, что аккумулятор постоянно модернизируется и дорабатывается, оснащаясь инновационными элементами.

Компания–изготовитель утверждает, что каждый год обновленные модификации претерпевают трансформации в электронных деталях, охладительной системе, архитектуре. Конечная задача конструкторов – достижение максимально возможных качественных характеристик изделия.

Версия «Пауэр Волл» (Power Wall)

Как уже упоминалось ранее, наряду с выпуском аккумуляторов автомобиля “Тесла”, компания производит бытовые версии накопителей энергии. Одной из продуктивных и последних модификаций стал литиево-ионный вариант Power Wall. Он предназначен для выработки энергии в качестве постоянного источника либо эксплуатируется, как резервная конструкция по типу автономного генератора. Модель представлена в нескольких вариациях, отличающихся емкостью и служащих для выполнения определенных энергетических задач. Самыми популярными версиями являются установки на 7 и 10 кВт/ч.

Касательно эксплуатационных параметров, можно отметить, что «Пауэр Волл» обладает мощностью 3,3 кВт с рабочим напряжением 350-450 ватт, сила тока – 9 А. Вес конструкции составляет 100 килограмм, следовательно, о ее мобильности речи не идет. Однако в качестве варианта, например, для дачи в летнее время блок вполне подходит. Транспортируется узел без проблем, поскольку конструкторы большое внимание уделяют механической защите корпусной части. К определенным недостаткам можно отнести длительный период зарядки аккумулятора (12-18 часов), в зависимости от модификации накопителя.

Модель «Пауэр Пак» (Power Pack)

Указанная система основана на предыдущей версии, однако ориентирована на коммерческое предназначение. Это означает, что такая батарея “Теслы” используется для обслуживания предприятий. Она представляет собой энергетический накопитель, поддающийся масштабированию и обеспечивающий повышенную производительность системы на целевом объекте. Следует отметить, что объем аккумулятора составляет 100 кВт, при этом указанная емкость не относится к максимальному показателю. Инженеры предусмотрели гибкую конструкцию агрегации нескольких установок с возможностью получения значения от 500 кВт до 10 МВт.

Одиночные модификации также модернизируются в плане качества эксплуатации. Уже поступила официальная информация о появлении второй генерации коммерческих АБ, у которых параметр мощности составил 200 кВт, а коэффициент полезного действия приблизился к 99 %. Указанный накопитель энергии отличается технологическими показателями. Чтобы расширить объем, разработчики использовали реверсивный инвертор.

Указанное новшество дало возможность повысить одновременно мощность и производительность системы. В планах компании разработка и внедрение ячеек «Пауэр Пак» в конструкцию дополнительных солнечных компонентов типа Solar Roof. Такой подход позволяет возобновлять энергетический потенциал батареи не через специальные магистрали, а посредством бесплатного солнечного потока в непрерывном режиме.

Производственные мощности

Как утверждает сам производитель, инновационные аккумуляторы изготавливаются на собственном комбинате Tesla Gigafactory. Сборочная процедура организована при участии представителей фирмы «Панасоник» (поставка комплектующих элементов для сегментов блоков). На указанном предприятии производятся новейшие конструкции питающих систем, ориентированных на третью генерацию электрических автомобилей Model.

Предполагается, что совокупность числа выпускаемых изделий на предельном производственном цикле составит до 35 ГВт/ч. Стоит подчеркнуть, что указанный объем являет половину от всех параметров элементов питания, выпускаемых в мире. Текущее обслуживание осуществляется коллективом из 6,5 тысяч человек. В дальнейшем планируется дополнительно создать еще 20 тысяч рабочих мест.

Среди особенностей отмечают высокую степень защиты от взлома аккумуляторной батареи. Это нивелирует возможные риски наполнения рынка контрафактными вариациями. Кроме того, сама процедура производства предполагает участие в процессе высокоточной роботизированной техники. Нет сомнений, что отобразить все технологические производственные нюансы в нынешнее время способны только корпорации уровня “Теслы”. Большинство заинтересованных организаций не нуждаются в плагиате, поскольку интенсивно ведут собственные разработки.

Ценовая политика

Стоимость батареи “Теслы” также постоянно варьируется по причине удешевления производственных технологий и в связи с выходом обновленных комплектующих элементов с повышенными эксплуатационными параметрами. Два-три года назад рассматриваемый тип накопительного приспособления продавался в пределах 45 тысяч долларов (около 3 млн рублей). Сейчас блоки имеют цену порядка пяти тысяч долларов (330 000 рублей).

Примерно такая же стоимость у домашних аналогов конфигурации «Пауэр Волл». К самым дорогим версиям причисляют коммерческую аккумуляторную батарею. Например, первое поколение указанного прибора можно приобрести за 20-25000 $ (примерно 1 327 000 – 1 650 000 рублей).

Конкурирующие модификации

Компания “Тесла” не является монополистом по выпуску li-ion аккумуляторов. Несмотря на то, что на рынке другие марки не так известны, их параметры вполне конкурентноспособны. Среди популярных представителей:

• Корейская корпорация LG производит накопители Chem Resu, являющиеся аналогами тесловских PowerWall (система объемом 6,5 кВт/ч стоит около 4 тысяч долларов или 265 000 рублей).
• Продукт от Sunverge обладает диапазоном мощности от 6 до 23 кВт/ч, отличается возможностью мониторинга заряда и подсоединения к солнечным панелям (цена составляет 10-20 тысяч долларов или 665 000 – 1 327 000 рублей).
• компания ElectrIQ реализует бытовые накопительные аккумуляторы емкостью 10 кВт/ч (вместе с инвертором изделие обойдется в 13000 долларов или в 865 000 рублей).
• Среди автомобильных конкурентов выделяются такие фирмы, как «Ниссан», «Мерседес».

У первого автогиганта изготавливается серия аккумуляторных батарей типа XStorage (рабочий объем – 4,2 кВт/ч). К нюансам указанной модификации причисляют высокий уровень экологической безопасности, полностью соответствующий мировым стандартам по выпуску легковых машин. У «Мерседеса» изготавливаются компактные версии по 2,5 кВт/ч. При этом их можно объединять в увеличенные производительные системы емкостью 20 кВт/ч.

Особенности

Батареи электромобиля “Тесла” и их бытовые аналоги для массового потребителя не очень доступны. С системами «Пауэр Волл» ситуация несколько меняется за счет удешевления компонентов. А вот идея агрегации с блоками солнечных панелей пока успешно не может быть реализована по причине высокой стоимости. Бесспорно, возможность аккумуляции бесплатного источника энергии выгодна для потребителей, однако покупка подобных конструкций не по карману большинству заинтересованных пользователей.

Похожая история и с другими альтернативными накопителями, принцип работы и использование которых дает массу плюсов, но требует применения высокотехнологичных приспособлений и устройств.

Итог

На рынке аккумуляторов для электрокаров, “Тесла” является безусловным лидером. Во многом это связано с использованием в производстве экологически чистого транспорта инновационного оборудования. При этом инженеры ведущей компании сталкиваются с определенными препятствиями. Например, серию Model S с литиево-ионными элементами критикуют за слабую защиту, касательно возгорания питающих элементов.

Однако конструкторы постоянно усовершенствуют свои модели и конструктивно относятся к критике. Например, после единственного за всю историю эксплуатации электромобилей возгорания АБ на машины стали устанавливать полый алюминиевый брус (для защиты от препятствий на дорожном покрытии), щит из прессованного алюминия и титановую плиту. Все, кто купил машины до этого усовершенствования, предложено бесплатно их доукомплектовать на станциях ТО.

Приводятся в действие исключительно от электричества, хранящимся в батареях.

С начала производства Тесла на свои электрокары модельного ряда Model S, а позже и на Model X устанавливала батареи емкостью от 40 до 100 кВтч, каждая из которых состоит из 8, 12 или 16 секций.

Каждая секция представляет собой соединенные между собой небольших «пальчиковых» аккумуляторов Panasonic, немного превышающих в размерах стандартные аккумуляторы AA. Цилиндрические аккумуляторы Tesla имеют диаметр 18 мм и высоту 65 мм. Стоит так же отметить, что их преимущество заключается в долговечности, надежности и производительности в суровых автомобильных условиях.

1 — Аккумуляторная батарея; 2 — Преобразователь напряжения (DC/DC); 3 — Высоковольтный кабель (оранжевого цвета); 4 — Главное бортовое зарядное устройство 10 кВт; 5 — Дополнительное зарядное устройство 10 кВт (опция); 6 — Зарядный разъем; 7 — Модуль привода;

Батарея 40 кВтч

40-киловаттная батарея бывает двух типов: 40-киловаттная батарея с 8-ю секциями (сегментами/ячейками) (создана на базе батарейки Toyota RAV4 EV), и 60-киловаттная батарея в которой было 12 ячеек и была запрограммирована на зарядку до 40 киловатт.

Tesla Model S 40 кВтч популярностью не пользовались, поэтому их производство вскоре было завершено.

Батарея 60 кВтч

Батарея 60 кВт состояла из 12 или 16 секций. 12-секционная устанавливалась на Model S40, 16-секционная батарея получила обозначение «NEW» и была кардинально модифицирована.

Батарея 70/75 кВтч

Кроме того, что эта батарея устанавливалась на Model S60 (S60D), она так же устанавливалась на S70 (S70D) и S75 (S75D), но с
расширенными функциями.

Батарея на 60 кВтч для 60-ой модели отличалась отсутствием 77 пальчиковых аккумуляторов, для 70-х Модель S все 16 секций были заполнены аккумуляторами полностью, за счет чего и повышалась общая емкость батареи.

Батарея 85/90 кВтч

Батарея Тесла 85, 90 и 100 кВтч состоит из 16 секций. Каждая ячейка состоит из 444 «пальчиковых» аккумуляторов и имеет свою плата BMS, которая управляет балансировкой всех ячеек.

Самый популярный аккумулятор поставляемый Tesla (85 кВтч), содержит 7104 аккумуляторов 18650.

В 2015 году компания Panasonic изменила конструкцию анода, увеличив емкость аккумулятора примерно на 6%, позволяя аккумуляторным блокам хранить до 90 кВт энергии. В результате чего между 90-киловаттная батареей отличается от 85-киловаттной не по емкости:

• во-первых, емкость аккумулятора Panasonic 18650 в 85-киловаттной батареи имеет вес — 46 грамм, в 90-киловаттной батареи этот же аккумулятор весит 48.5 грамм;
• во-вторых, токоотдача в 85-ой батареи — 10C, в 90-ой — 25C (по этой причине режим Ludicrous доступен только на Тесла с 90 и 100-кВтч батареей, так как технические возможности позволяют дать машине более резвую динамику);

Батарея 100 кВтч

Самая мощная батарея Tesla. Внутренние элементы аккумуляторной батареи были переконфигурированы, чтобы в каждый модуль вмещалось 516 аккумуляторов 18650.

В общей сложности в 100-киловаттной батареи было помещено 8256 аккумуляторов Панасоник, способных хранить чуть более 100 кВтч энергии, и позволяя электрическим автомобилям Тесла проезжать более 500 километров.

Данная батарея имеет токоотдачу 25C и представляет собой «последнее слово техники» в инженерии батарей от компании Тесла.

И даже на этом развитие и усовершенствование не останавливается. Чтобы еще больше повысить эффективность аккумуляторов и снизить затраты, компания Tesla построила крупную фабрику батарей в Спаркс, штат Невада, которая называется Gigafactory 1.

Фабрика производит новую конструкцию аккумулятора под названием 2170. Он имеет диаметр 21 мм и высоту 70 мм, и первоначально использовался в Tesla Powerwall и Powerpack, а также в новом седане Tesla Model 3, который меньше и дешевле от Model S.

Аккумулятор 2170 на 46% больше по объему, чем 18650 и 10-15 % более энергоэффективной, чем 18650.

Очень важно правильно заряжать батарею, а именно с надлежащим зарядным устройством — оригинальным или от качественного производителя, так как от самодельных зарядных устройств батарея перегревается, плохие контакты и плохое качество тока, в результате чего сильно влияет на емкость и долговечность батареи.

Во время эксплуатации производитель настоятельно не рекомендует подвергать автомобиль непрерывному воздействию температуры выше +60C или ниже -30C более 24 часов

Рекомендовано не допускать полного разряда аккумуляторной батареи. В случае, если автомобиль не эксплуатируется, энергия постепенно расходуется на питание бортовой электроники (ежедневно батарея разряжается в среднем на 1%).

Чтобы предотвратить полный разряд, рекомендовано перевести автомобиль в режим энергосбережения, в котором отключается питание бортовой электроники, что позволит сократить разряд до 4% в месяц. Так же стоит отметить, что в энергосберегающем режиме зарядка 12-вольтового аккумулятора прекращается, что в течение 12 часов приведет его к полному разряду. Поэтому в данном случае потребуется подключение к внешней пусковой аккумуляторной батареи или ее замена.

Но, не стоит забывать, что при активации режима энергосбережения — необходимо подключить автомобиль к источнику питания в течение 2 месяцев, чтобы предотвратить полную разрядку батареи Тесла.