Чому автомобільні акумулятори все ще такі важкі?


42

Ще коли я був дитиною, автомобільні акумулятори були величезними важкими грудками пластику, наповненими свинцем і кислотою. Вони важили майже стільки ж, скільки мобільний телефон (незначне перебільшення там, вибачте).

Через 45 років автомобільні акумулятори все одно виглядають однаково і важать однаково.

Тож, в цю сучасну епоху та акцент на економії палива, чому батареї все ще важать 40 фунтів? Чому досягнення технології не змогли зробити їх легшими та ефективнішими?


11
Ну, всі технології з 45 років тому не застаріли.
дим

47
@dim? 45? Більше, як 120 років ... але так. Ми все ще будуємо мости із сталі, наш бетон покращився, але все-таки по суті це бетон, ми використовуємо Асфальт для доріг, мідь все ще є нашим улюбленим провідником, найчастіше зустрічається технологія підсилювачів у всьому, що в основному не низькочастотно Підсилювач A / B класу A / B на основі біполярного транзистора ми все ще спалюємо олію, щоб зберегти тепло в наших будинках, а наші холодильники все ще базуються не на елементах Пельтьє, а на стисканні більш-менш небезпечних рідин.
Маркус Мюллер

26
Уявіть, що хтось заїжджає своїм автомобілем у ваш та розбиває ваш свинцево-кислотний акумулятор. Що ви отримуєте? Ви потрапляєте на підлогу трохи кислоти. А тепер уявіть, що з Лі-Іона. Що ви отримуєте? У вас виходить величезна вогнена куля, яка охоплює вас і вашу родину. Який би ви вибрали? Гаразд, це може бути перебільшенням, але ви
розумієте

11
Тому що решта автомобіля все ще 2000 фунтів заліза. Якби ми виготовляли автомобілі з графітом / кевларом / епоксидом і титаном на 200 фунтів, то 40-фунтовий акумулятор став би більш значущим.
Брайан Драммонд

19
Ну .... ціна , о, ціна , і ... ціна
J ...

Відповіді:


64

Отже, тепер після відповіді на ваше буквальне запитання на ваше справжнє запитання , яке ви, на жаль, не запитували

Технологія акумуляторних батарей просунулася поки що за останні 100 років. Свинцево-кислотний стартерний акумулятор став поширеним у автомобілях у 1920 році, свинець - це отрута, а сірчана / свинцева кислота - не менш небезпечна. Вони, як правило, не спрацьовують в холодних температурах, особливо якщо їх не регулярно підтримують, і хоча вони, очевидно, дешеві, як пекло, все це поводження з ними, включаючи законодавчі вимоги щодо повернення старих батарей, повинно бути кошмаром.

Чому галузь просто не накреслила та перейшла на такі речі, як LiIon або хороші акумулятори NiCd або NiMH, тепер, коли електромобілі показали, що ви можете надійно проїхати роки на основі цього?

Акумулятори NiCd просто гірші у всіх аспектах, але щільність енергії, ніж свинцева кислота. NiMH кращий, але набагато дорожчий і все ж має більш високу швидкість скидання, як правило (якщо тільки ви не зробите їх ще дорожчими). І все ще досить важко правильно утилізувати.

Літієві батареї не так просто впораються. Вам потрібно захистити їх від усіляких збоїв, а деякі з них є досить фатальними: не перегрівайте літієву батарею. Він вибухне. І тепло є серйозною проблемою всередині моторного відсіку (якщо чесно, акумулятор не повинен бути там, але це досить зручно).

Основна причина насправді - вартість. Акумулятор в моєму останньому автомобілі, Fiat Punto 1999 року, максимум 100 А (коли я намагався оцінити фактичний струм короткого замикання, близько 43 А, але все ще багато. Скажімо, P = U · I = 12V · 40A = 480 Вт ) струм і мав номінальну потужність близько 30 Ач (це енергія 12 В · 30 Ач = 360 Вт). Це коштувало мені 25 €. Отже, груба здогадка, виготовити дешевше, ніж 10 євро.

Отже, давайте візьмемо літієвий акумулятор, який виробляється масово і, отже, дешево. Найчастіше круглі осередки, що складають багато акумуляторних батарей для ноутбуків, складають близько 3 євро (припустимо, 1 € у виробництві) за 3Ah (11,1Wh), постачаючи до 5A (вершини, не робіть цього надовго) у деяких 3,7 В. Це говорить про те, що одна комірка з них може живити 18,5 Вт. Отже, щоб досягти приблизно 480 Вт мого автомобільного акумулятора cheapo, вам знадобиться 26 з них. Вони обійшлися б у виробництві 26 євро, не рахуючи євро, який ви витрачаєте на схеми управління, заряду та захисту, на укладання їх у щось жорстке і безпечне, а також на те, що корисні копалини необхідні для виробництва деяких компонентів рідкісних металів у літії Зараз акумулятори не дешевшають, а оснащення автомобілів у всьому світі такими, безумовно, пришвидшить цей ринковий механізм.

Припустимо масштаби витрат з потужністю. Моя літієва батарея на 26 клітин має енергію 26 · 11.1Wh = 288.6Wh. Тому нам потрібно масштабувати це на 1,25, щоб досягти таких самих 360Вт-годин, як свинцево-кислотна батарея.

Така клітина важить близько 90г. Так вага клітин становить 26 · 90 г = 2,34 кг. Гаразд, у мене в голові немає точної ваги акумулятора дешевого автомобіля, але скажімо, він був 15 кг. Таким чином, ми заощадили вагу приблизно в 6,3, якщо наш корпус та електроніка легкі (їх немає - наскільки я можу сказати, вам знадобиться потужний блок живлення в режимі комутатора, щоб мати змогу ефективно заряджати їх за допомогою генератор вашого автомобіля, і вони в основному складаються з досить об'ємної котушки міді, а може, і якогось феритового сердечника, який теж не зовсім легкий).

Це призводить до коефіцієнта витрат, що становить приблизно 3,5, між компонентом A та альтернативою B, із недоліками в роботі, меншою надійністю та зміною ланцюга поставок. Недарма автомобільна індустрія не підштовхує в цьому напрямку. (І, до речі, у них відмінне лобіювання.)


16
Я думаю, що 100A нечасто для автомобільного акумулятора. Навіть 200А невеликий для субкомпактного невеликого автомобіля. Компактні та середні автомобілі легко оснастяться акумуляторами, які здатні підштовхувати 400-500А і вище, особливо в умовах клімату холодної погоди, де їм потрібно все-таки виробляти достатню потужність підсилювача при температурі -30С або -40С. Застосування вибуху сильного струму також дуже жорстке для літієвих комірок (на відміну від свинцю, який надзвичайно жорсткий при такому навантаженні). Список продовжується ...
J ...

2
Я думаю, що WH батареї стартера не все так важливо .. а також безперервна швидкість розряду - швидше, розрив або розряд 10 секунд (достатньо лише для запуску мотора), швидше, буде найкращим вимірюванням - я також згоден з J у тому, що 100A здається низьким, особливо для початку - все ще маючи100A після ~ 10 років набагато розумніше
user2813274

5
Я бачу, що акумулятор LiFePO4 зробить те, що потрібно за прийнятну ціну життя, АЛЕ при більш високій початковій вартості капіталу - що робить його непривабливим для виробників автомобілів. Життя циклу - >> життя Л.А. Колос через серце не викличе проблем, які виникає у Ліона. Максимально допустимі показники заряду вище, температурний діапазон кращий, ефективність перезарядки краще.
Рассел Макмахон

2
@ MarcusMüller Безумовно, але, ймовірно, ваш акумулятор був старий і досить сильно сульфатований - звичайно, поблизу EOL із такою продуктивністю. Справа в тому, що це наближається до абсолютного мінімуму продуктивності, необхідного для заміни акумулятора. Реальні вимоги програми, що стосуються факторів толерантності, старіння, температури та безпеки, неоднозначно набагато вищі. Це лише означає, що слід вважати, що ваша оцінка належить до найдешевшої та найпростішої сторони справжньої вимоги.
J ...

3
@J ... ніяких квестонів з цього приводу! купив його за 25 євро за чотири роки до цього. Це ледь не спрацювало, але спрацювало (щоб речі не замерзли або я занадто довго залишив машину). Отже, я дійсно вибрав "найгірший свинцево-кислотний акумулятор, який гроші можна було придбати за чотири роки до порівняння".
Маркус Мюллер

70

Отже, очевидна відповідь спочатку:

чому батареї досі важать 20 кг?

Тому що вони досі ті ж свинцево-кислотні акумулятори. Просто як це. Жодна інша технологія не наближалася до низької вартості цих амперів (і ампер-годин), майже надійності та простоти керування. 20 кг не так важкі, якщо врахувати, що "економія палива" все ще означає, що ваш середній новий автомобіль має близько десятків кілограмів "комфорту" функціональності і важить близько 1 Мг лише для металевих деталей.

Через 45 років автомобільні акумулятори все одно виглядають однаково і важать однаково.

45? Більше, як 120 років ... але так. Ми все ще будуємо мости із сталі, наш бетон покращився, але все-таки по суті це бетон, ми використовуємо Асфальт для доріг, мідь все ще є нашим улюбленим провідником, найпоширенішою технологією підсилювачів у всьому, що в основному не низькочастотно біполярно-транзисторний підсилювач класу A / B, а наші холодильники досі базуються не на більш ефективних засобах теплового транспорту, а на стисканні більш-менш небезпечних рідин.


10
Ви маєте рацію, але примхи трохи непотрібні.
pjc50

3
Вам варто подумати трохи більше про значення "чому". Це неминуче суб'єктивне, залежно від початкової точки зору / приміщення запитувача. Чому книга в такому положенні? Тому що Джон помістив його туди. Тому що його не повернули на полицю. Бо я лінивий. Оскільки стіл високий 1,2 м, інакше він був би на іншій висоті (і, отже, в положенні). Стільки різних "правильних" відповідей. Щоб справді відповісти на питання, чому потрібно спочатку знати, чому * його задали, і для цього вам потрібно якось виявити та зрозуміти перспективу запитувача. (* так, так ..)
Мудрий

13
Ця відповідь отримує +1 від мене через посилання на Mg.
AndrejaKo

5
@ Джоні, запевняю, я ніколи не замінював автомобільний акумулятор через 1-2 роки, і ніколи не витрачав 150 доларів на один, і не думаю, що це виробнича вартість акумулятора :)
Маркус Мюллер

3
@LightnessRacesinOrbit добре, але не всі спалюють нафту. Але це все ще дуже зручний, економний, надійний і дешевий спосіб обігріву, а значить, дуже поширений. (можливо, не звідки ви - космос - (або звідки ваш аватар SO - з - Криптон))
Маркус Мюллер

21

Останні акумулятори набагато легші і коштують дешевше за весь термін експлуатації автомобіля, ніж колишні. Але вони не використовують ЛА (свинцеву кислоту) хімію.

Акумулятор LiFePO4 (літій-феросфосфат) зробить те, що потрібно протягом прийнятної цілі життя, АЛЕ при більш високих початкових капітальних витратах - що робить його непривабливим для виробників автомобілів.

Низька початкова вартість капіталу, здається, є основною причиною віддавати перевагу свинцевій кислоті LiFeO4, і не очевидно, що існують інші дійсно хороші причини.

Термін експлуатації циклу набагато більший, ніж у свинцевої кислоти, що дозволяє витратити протягом усього життя менше, ніж свинцева кислота.

На відміну від Ліона (літій-іонний) «сплеск через серце» не спричинить проблем, які виникає у Ліона.

Управління зарядкою "досить просто".

Порівняно з свинцево-кислотними:

Дозволена глибина розряду та максимальна допустима швидкість заряду вище,

Температурний діапазон краще

Ефективність підзарядки краща.

Продуктивність саморозряду краще.

____________________________________________

Літій-іон / ліон:

Варто коментувати батареї LiIon, оскільки вони часто отримують «поганий прес» щодо безпеки.

Порівняно з свинцево-кислотною, хімія LiIon пропонує значно кращі маси та енергетичну щільність (легші та менші), дещо довший термін експлуатації, більш високі капітальні витрати та, ймовірно, дещо перевершують цілу вартість життя. Правильне управління, управління зарядкою простіше. Діапазони температур краще, ефективність заряду / розряду дещо вища. Недоліки, пов'язані з безпекою, значною мірою не є проблемою - див. Нижче.

У багатьох програмах батареї LiIon - це батарея вибору - від Dreamliners до телефонів Samsung до «Ховербордів», Mars Rovers до ноутбуків та смартфонів до MP3-плеєрів тощо. Перші три заявки вище були відібрані за відомими вражаючими невдачами. Але все, що використовується в Mars Rover, вибрано для його придатності в довгому житті, ворожих умовах, не повинно провалити завдання. А в кишенях людей, будинках і машинах є сотні мільйонів батарей LiIon у повсякденному користуванні.

Враховуючи способи, якими батареї LiIon МОЖУТИ вийти з ладу, цифри, які НЕ виходять з ладу вражаючим чином, дуже рідкісні. Широко повідомляються про збої, які часто повідомляються про деякі системні збої, які впливають на партію або модель акумулятора, яка була вироблена і розповсюджена у величезних кількостях АБО при застосуванні гучних застосувань з більш низьким обсягом. У таких випадках несправності або недоліки конструкції або виготовлення викликають або допускають збої, наслідки яких посилюються невибагливими поведінками хімії Ліона.

Приклади широко розголошуються подіями «вентиляція з полум’ям» у деяких минулих ноутбуках Apple, телефонах Samsung, самоврівноважених «ховербордах» тощо. У перших двох прикладах, як правило, компетентні виробники допускали, що у виробництві несправності існують непоправлені та / або непомічені чи вирізані кути у виробництві настільки, наскільки їх запасаються межі безпеки. Що стосується "ховербордів", то причина мені невідома, але вона може бути такою ж низькою якістю, як низька вартість виробництва та поганим контролем заряду, як все інше. У споживчому обладнанні відмови акумуляторів LiIon часто є наслідком короткого замикання, що виникає в камері, через неадекватні зазори або наслідкові ударні чутливості, або потрапляння в кінець статистичних змін допусків виробництва.

У випадку відмов акумулятора Boeing Dreamliner я не бачив остаточного звіту про першопричину, АЛЕ в той час, як сталася низка широко оприлюднених несправностей (а може бути і декілька неопублікованих) у дуже малому обсязі продукту, наслідки були вражаючими .

Детальний розгляд несправностей LiIon, режимів та наслідків показує, що вони майже незмінно ніде такі жорстокі, як підказує популярний "міф", і хоча енергетичний викид є істотним, обмеження в технічному відношенні є досить простим. Задоволення додає ваги, обсягу та вартості, і його не можна знайти в ноутбуках або на портативних пристроях, які можна придбати в кошику. Він знайдений у Dreamliners і може легко використовуватися в автомобільних одиничних акумуляторних (наприклад, не-EV) умовах, зберігаючи вагу та обсяг, як і раніше, значно нижче рівня свинцево-кислотних та за скромних додаткових витрат. У електронних транспортних засобах проблеми, здається, були вирішені або вирішені досить добре. Я не маю досвіду в галузі регулювання безпеки автомобіля, але я впевнений, що правила, які пропонують нам вражаючі кадри, що дозволяють спричинити аварійну ситуацію, і дозволяють сприймати велику енергонезалежність нафтових палив у пасажирських транспортних засобах, також вирішують питання безпеки навколо джерел електроживлення Ліона. Я не чув, щоб автомобіль «Тесла» був запалений через збій акумулятора - хоча це могло статися, - і я думаю, що Муск та співробітники вірять, що вони мають цю зону ризику «адекватно під рукою».

Я ніколи, на моє розчарування, не бачив події "Ліліон" з вибухом полум'я і особисто не знаю нікого, хто має. Виникнення зустрічаються досить часто, щоб періодично повідомляти новини про НЗ (кількість населення НЗ - менше 5 мільйонів).


Ліон проти LiFePO4:

За порівнянні з LiFePO4, LiIon хімія пропонує кілька кращих маси і щільність енергії (дещо легше і менше), по суті , НИЖНІЙ життєвий цикл, трохи нижча вартість капіталу (за енергію потужність), і істотно нижче вартості усього життя. Контроль зарядки приблизно однаковий, але LiFePO4 значно важче пошкодити в граничних випадках. Діапазони температур не такі хороші, ефективність заряду / розряду приблизно однакова. LiFePO4 набагато менше підпадає під питання безпеки.

У районах, де найменший розмір і вага та найнижча вартість капіталу має значення (якщо використання електричного транспортного засобу є хорошим прикладом), LiIon перевершує LiFePO4.

Практично у всіх інших областях та програмах LiFePO4 є кращими або набагато кращими, ніж LiIon, і я вважаю їх поточною технологією вибору акумуляторів для довгого енергоспоживання, високого енергозбереження.


3
В основному все вищезазначене вірно, але просто не пропонує достатньо вагомих причин витратити буквально мільярди доларів на заміну всього ланцюга живлення акумуляторів для автопрому. Акумулятори LA вижили, оскільки вони добре виконують роботу, і вся інфраструктура для їх використання є на своєму місці. Навіть у мотоциклах, де вага набагато більше, ніж у автомобілях (~ 0,2 проти ~ 2 т валової ваги транспортного засобу) LA все ще залишається королем.
Лелієль

2
@Leliel Досить поширеним засобом впровадження нових технологій є ранні інноватори обійти "ланцюжок поставок" старої техніки та конкурувати далі. Іноді спроба не вдається, але досить часто ні. наприклад, пропозиції 40В + щодо постачання автомобілів деякий час назад, здається, зникли безслідно. Технологія бокових клапанів, як і раніше, можна знайти на Harleys (чи не так?) І газонокосарки, але інакше давно вже немає. | Як зазначено вище, "я бачу, що акумулятор LiFePO4 зробить те, що потрібно протягом прийнятного цінного життя, але НЕ при більш високій початковій вартості капіталу - що робить його непривабливим для виробників автомобілів".
Рассел Макмахон

1
Це не тільки капітальна вартість, яка відкладає виробників авто. Справа в тому, що вартість капіталу величезна , а користь невелика. Лос-Анджелес просто досить хороший і вже на місці. Лі не пропонує достатньо користі для виправдання витрат.
Лелієль

@RussellMcMahon Технологія 48В реалізована в Audi SQ7. SQ7 окрім турбокомпресора має електричний компресор і потребує стільки енергії, що їм було потрібно більше 12В. Але це єдиний автомобіль, якого я знав із 48В.
Sunzi

@Leliel, здається, ти говорить саме те саме, що і Рассел. Якби всі виробники авто перейшли на LiFePO4, це було б не набагато дорожче LA. Як ви сказали (і Рассел), величезні витрати на запуск роблять це нездійсненним. Це означає, що якби велика компанія, що подобається Tesla, придумала заміну, що буквально триватиме 3-5 разів довше, ніж LA, і зможе дозволити собі продати її на ринок і продати з невеликою втратою, вони могли б це зробити.
Джошуа Нурчик

17

Літієві акумуляторні батареї існують , в першу чергу, для гоночних або інших продуктивних чи розкішних програм, де економія ваги або вихваляння права варті вартих витрат.

Однак, як зазначають інші, вимоги цього додатка є досить екстремальними, і літієва технологія потребує багато особливих розробок та догляду, щоб можна було надійно та безпечно виконувати роль акумулятора стартера / аксесуара в автомобілі. Ціни надзвичайно високі - легко в десять-двадцять разів перевищує вартість звичайного свинцевого акумулятора. Більшість людей не хочуть платити за автомобільний акумулятор 1000 доларів, тому вони цього не роблять.


Якщо акумулятор вистачить на 10 разів (так, 20-30 років), мені було б цікаво . Хоча насправді лише в тому випадку, якщо я купував нову машину.
Вейн Вернер

Беручи до уваги кількість загиблих у ДТП, частка автомобілів тривалістю 20–30 років невелика. А пристойний акумулятор LA прослужить набагато довше, ніж 2–3 роки передбачає ваш коментар (акумулятор у моїй машині - оригінальний, і йому більше 9 років)
Kickstart

1
@ Kickstart Це дуже залежить від економіки країни, але так, 30 років все ще наполягають на цьому. І що важливо, технічне обслуговування акумуляторів LA досить тривіально - коли тут управляли комуністи, ви не просто викинули акумулятор - ви не отримали замінників! Натомість ви замінили кислоту, очистили акумулятор, і це було так само добре, як новий. Спробуйте це зробити з літієвим акумулятором (відмова від відповідальності: не - зроблено з вибуху).
Луань

Якщо ви живете в дуже холодному або дуже жаркому середовищі (жоден з них не підходить для Лос-Анджелеса, і обидва, в яких я жив), то лише батареї на вершині лінійки тривають більше 3-5 років, і навіть тоді я ніколи не було останніх більше 6.
Джошуа Нурчик

15

Відповідь дуже проста: Тому що ми не знайшли нічого кращого.

Автомобільний акумулятор повинен тримати заряд протягом тривалого періоду часу, бути в змозі подати величезний струм і поміститися в невеликому просторі. І це допомогло б, якщо це не надто дорого.

Свинцева кислота як і раніше є найкращим рішенням для цих вимог.

Ви можете використовувати хімію на основі літію, вони можуть утримувати заряд і подавати великі струми. Вони також набагато дорожчі, чутливі до температури, вимагають більшого догляду в електричному режимі, і більш ефектні, якщо поправляти електрично або механічно.
Додаткові витрати та складність просто не варті переваг <1% зниження кінцевої маси автомобілів.


11
Як ви кажете, 1% зниження маси автомобіля, не варто. 1% зменшення маси літака, варто того, якщо ви зможете перешкодити йому запалювати вогонь як наслідок!
Neil_UK

Як уточнення: батареї на основі Li менш чутливі до холоду, ніж свинцевокислі, але більш чутливі до тепла.
Джошуа Нурчик

Батареї на основі Li не працюють при -40 °, або навіть -30 °. Автомобільні акумулятори потрібні для роботи при цих температурах - правда, не багато місця потребують цього.
Кевін Вайт

5

Я побачив, що ви додали нове запитання до кінця своєї публікації:

Чому досягнення технології не змогли зробити їх легшими та ефективнішими?

Бо так не працює хімія.

Ємність в акумуляторі одного типу в значній мірі визначається кількістю іонів, які у вас є, - тобто у випадку свинцево-кислотних акумуляторів - це майже необхідна маса свинцю, а також деякі, щоб зберегти структуру неушкодженою.

Зараз інші типи акумуляторів страждають від нестачі поверхні або обмеженої рухливості іонів, які обмежують здатність цих батарей виводити сильний струм, але для збільшення свинцевої кислоти акумулятор не так вже й багато - вода є прекрасним носієм для хімічних речовин, а поточна здатність джерела свинцево-кислотної батареї майже на максимумі.

Отже, це просто зріла технологія. Так само, як ми не зробили дешеву конструкційну сталь набагато кращою за останні 80 років, не так багато можна зробити для свинцево-кислотних акумуляторів, щоб зробити їх кращими, не відмовляючись від свинцево-кислотного принципу, з усіма проблемами, які пояснює моя друга відповідь. .


5

Використання суперконденсатора в якості стартерного акумулятора цілком здійсненне, і його на практиці спробували ентузіасти, див. Приклад . Окрім вищої ціни, наводяться приклади практичних труднощів:

  • Один лише Supercap, запускаючи машину легше, ніж свинцевий акумулятор, заряджається приблизно за півгодини прослуховування радіо, якщо не буде постійно заряджений.
  • Безпосередньо підключений літієвий акумулятор + суперкап комбо не страждає зверху, але в кінцевому підсумку пошкоджений, коли він використовував його для швидкого запуску газонокосарки - акумулятору Li знадобиться додаткова електроніка для запобігання цього.

0

В основному одна з причин: ціна. Є технологічно кращі альтернативи, як, наприклад, літій-іонні акумулятори, що застосовуються в електромобілях, але вони також набагато дорожчі. Ці акумулятори абсолютно потрібні в електромобілях, де вам потрібна величезна ємність, не збільшуючи велику вагу транспортного засобу (свинцеві акумулятори були б занадто важкими, якби їм довелося замінити паливний бак як єдине джерело енергії для автомобіля), але в автомобілів, що працюють на паливі, вага єдиного класичного свинцевого акумулятора, який використовується тільки для запуску двигуна, порівняно з вагою автомобіля не має значного значення, тоді як співвідношення ціна / місткість різко нижча. Це питання економії та ефективності: вони дешевші, вони забезпечують достатню кількість енергії для потреб автомобіля, і його вага не має значення.


Тягові акумулятори на електричних автомобілях не можна порівняти безпосередньо з акумуляторами для стартерів.
shartooth
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.