1000 kilometrů na jedno nabití: mýtus, nebo realita? Novinky – O společnosti – EVOLUTE AA Moskva

Dostatek komentářů pod články o elektromobilech začíná takto: „Minulý rok jsem jel z Krasnojarsku do Irkutsku – vzdálenost asi 1000 40 kilometrů. Po cestě nebyly žádné zásuvky a venku bylo -XNUMX, takže o jakých elektromobilech mluvíme?“ Relativně nízký dojezd skutečně zůstává jednou z nejvýznamnějších překážek masového rozšíření elektromobilů. Dojezd elektromobilů se postupně zvyšuje, ale můžeme doufat, že v budoucnu „elektrický vlak“ ujede tisíc kilometrů bez zásuvek?

Tisíc kilometrů je pěkné číslo, obzvlášť na elektromobil, ale ujedou běžná auta takové vzdálenosti bez tankování? Takové kilometry jsou vzácné a zpravidla jsou vázány na marketingové akce, jejichž účelem je ukázat úroveň tzv. špičkových technologií. Jeden z mála příkladů tisícikilometrového nájezdu bez úprav předvedl Porsche Cayenne: na konci životního cyklu první generace, v roce 2009, bylo SUV vybaveno vznětovým motorem. Hubený testovací řidič vypnul hudbu a klimatizaci, zatáhl poklopy (aby nevznikaly aerodynamické rušení) a šustil po dálnicích napříč Německem cestovní rychlostí 90-100 km/h. Ukázalo se, že je to dokonce o něco více než tisíc: důležitou roli samozřejmě sehrála stolitrová palivová nádrž.

A co elektromobily? Proč nemohou ujet tak daleko bez dobíjení? A nemohou také zvětšit velikost svých baterií, tedy analogicky s konvenčními automobily i velikost své „palivové nádrže“? Jen si představte, právě tato myšlenka napadla účastníky ekologických rallye, které se staly módními v USA a Evropě před deseti lety. Téměř jediným sériově vyráběným elektromobilem tehdy byl Nissan Leaf první generace: sportovci vyhodili zadní sedadlo a na jeho místo dali druhou baterii. Kapacita baterie se tak zdvojnásobila, i když to zvýšilo dojezd v nejlepším případě o polovinu. Faktem je, že druhá baterie výrazně zvýšila hmotnost elektromobilu, zatímco hmotnost samotných baterií se spotřebou energie přirozeně nesnižovala stejným způsobem, jako se snižuje hmotnost benzinu nebo nafty v palivové nádrži konvenčního automobilu. Mimochodem, americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) odhadla, že baterie s kapacitou 24 kWh poskytovala prvním verzím Nissanu Leaf kombinovaný dojezd pouze 84 mil nebo 134,4 km.

Takový rozsáhlý způsob, jak zvýšit dojezd, jako je nafukování baterie, pro veřejná elektromobily samozřejmě není vhodný, zejména proto, že technologie nestojí na místě: Leaf třetí generace v modifikaci SV zvládne na jedno nabití ujetí 149 km, Audi e-tron quattro 238 km, Chevrolet Bolt EV 225 km. Mimochodem, spotřeba paliva, která se u konvenčních automobilů počítá v „litrech na 360 kilometrů“, se u elektromobilů počítá v „kilowatthodinách na 259 km“, tedy v jednotkách kapacity baterie vynaložené na překonání jednotky vzdálenosti.

Dojezd sedanu Evolute i-Pro je 433 km, crossoveru i-Joy 407 km a crossoveru i-Sky 511 km. Na rozdíl od výše uvedených čísel je dojezd modelu Evolute vypočítán na základě výsledků testů provedených v souladu s pravidly technického předpisu Celní unie TR CU 018/2011 „O bezpečnosti kolových vozidel“.

Zajímavost: na rozdíl od konvenčních automobilů mají elektromobily na dálnici nižší dojezd, často o třetinu, ve srovnání s jízdou ve městě. V závislosti na úrovni použité technologie se může rozdíl mezi spotřebou energie „na dálnici“ a „ve městě“ lišit. Například u levných modelů je to patrné: podle dostupných studií o cyklu EPA spotřebuje výše zmíněný Chevrolet Bolt EV obvyklý ekvivalent 1,8 litru benzínu na 100 km jízdy ve městě a na dálnici – již 2,16 l/100 km v ekvivalentu. U drahých aut jsou tato čísla bližší: BMW i4 eDrive35 GranCoupe (s 19palcovými koly) spotřebuje ve městě 2,2 l/100 km v ekvivalentu benzínu a na dálnici – 2,31 l/100 km.

Jak se takový ekvivalent vypočítává a jak univerzální jsou tyto údaje? Hodně záleží na metodice měření. Například podle metodiky NEDC je dojezd stejného elektromobilu Bolt 520 km a podle modernějšího testovacího cyklu EPA je to již 417 km.

Formálně se z hlediska energie 1 litr benzínu rovná 9 kilowatthodinám v baterii. Účinnost benzínového motoru bez hybridní složky je však dobrá, pokud dosahuje 33 %, a u elektromotoru se blíží 100 %. To znamená, že za jinak stejných podmínek lze spotřebu vztáhnout jako 1 litr na 3 kilowatthodiny. Se zvyšujícím se převodovým poměrem účinnost benzínového motoru prudce klesá a při volnoběžných otáčkách je nulová – motor neprodukuje užitečnou činnost, ale spotřebovává benzín. Proto ve městě konvenční spalovací motory plýtvají velkým množstvím paliva. A elektromotor téměř vždy spotřebuje tolik energie, kolik potřebuje, jeho účinnost je stabilní. V dopravní zácpě energií vůbec neplýtvá, protože nemá volnoběžné otáčky. A na dálnici naopak vynakládá maximum energie na dosažení nejvyšší rychlosti.

Důležitým příspěvkem k „městské“ ekonomice elektromobilů je systém rekuperace energie, který při častém zrychlování a brzdění „vrací“ více energie než na dálnici, kde se prakticky nevyužívá. Na základě výše uvedeného můžeme usoudit, že ve městě je snazší dosáhnout rekordů v dojezdu na jedno nabití elektromobilu než na dálnici.

V moderních elektromobilech je vysokonapěťová baterie umístěna v rozvoru a je také výškově omezena výkonovou strukturou dna, takže není kam zvětšit její velikost. Na fotografii – „náplň“ VW ID.3

Pokud nelze zvětšit velikost baterie, jak lze zvýšit dojezd na jedno nabití? Je to velmi jednoduché: je třeba zvýšit množství uložené elektřiny v jednom kilogramu baterie. Čím vyšší je toto číslo, tím dále elektromobil se stejnou velikostí baterie ujede. Rozdíl oproti konvenčním automobilům spočívá v tom, že tzv. „hustotu energie“, tedy energetickou kapacitu na jednotku hmotnosti, nelze u benzínu a nafty měnit – to je přirozená danost. Toho však lze dosáhnout s umělými bateriemi. Navíc se zvyšování hustoty energie stalo klíčovým úkolem pro vývojáře baterií před deseti lety. Další věc je, že toto číslo se zvyšuje velmi pomalu.

Hustotu lze zlepšit několika faktory – roli hraje i tvar článku, který určuje vzájemnou polohu katody a anody, ale klíčovým faktorem zůstává výběr chemických prvků katody.

Upozorňujme, že zvýšení rezervy chodu není hlavním úkolem všech elektromobilů. Například u elektrobusů je mnohem důležitější zvýšit počet cyklů nabíjení a vybíjení baterie, tedy prodloužit její životnost. A protože není možné zlepšit všechny vlastnosti baterie najednou, musí inženýři něco obětovat. Stručně řečeno, elektrobusy mají lithium-titanátovou elektrodu podle chemického složení – Li4Ti5O12. Dává mnohem větší počet cyklů než kompozitní katoda výše zmíněného Nissanu Leaf první generace se vzorcem LiMn2O4/LiNiO2, ale její výhody se tím omezují.

Přejděme k osobním automobilům pro běžné použití. V Číně se nejčastěji používají lithium-železitophosfátové baterie (LiFePO4). Jejich specifická kapacita je nízká, ale nevyžadují systém regulace teploty kapalinou (proto jsou mnohem levnější) a v čínském klimatu nestárnou tak rychle jako v klimatu s velkým ročním teplotním rozdílem (jako na Sibiři) nebo v Arizoně, kde jsou teplotní normou měsíce trvající vedra o 40 stupňů. Mimochodem, byli to arizonští a australští kupující, kteří jako první bombardovali Nissan stížnostmi nejen na rychlé „vyčerpání“ kapacity baterie, ale také na její časté přehřívání, které způsobovalo aktivaci nouzového režimu s omezením rychlosti. Důležité je, že se tak dělo právě při příměstských jízdách.

Obecně ještě jednou zdůrazňujeme, že zvýšení dojezdu elektromobilu je složitý a komplexní úkol, který je nutné řešit společně s ostatními. Stejně jako by soukromý klient nepotřeboval elektromobil s druhou baterií místo zadního sedadla, nepotřebuje ani „elektrický vlak“ s dojezdem tisíc kilometrů, ale s krátkou výdrží baterie, a to ještě s omezeními provozních režimů. Ve skutečnosti ani v podmínkách středního Ruska LiFePO4 baterie dlouho nevydrží.

Vzhledem k tomu, že baterie je nejdražší součástí elektromobilu, výrobci často nabízejí kupujícím úspory na úkor rezervy chodu. Například Ford nabízí Mustang Mach-E se standardní baterií a baterií se zvýšenou kapacitou. V druhém případě bude dojezd o 22 mil vyšší, tedy 35 km, a podle metodiky EPA dosáhne 300 mil (480 km).

Vraťme se tedy k materiálu katody jako hlavnímu faktoru zvyšování specifické kapacity baterie. V posledních letech se v inženýrské komunitě objevilo několik konsensuálních rozhodnutí ohledně optimální „chemie“ pro veřejná vozidla. Zmínili jsme jednu – LiFePO4 katodu. Mnohem důležitějším standardem, ke kterému dospěli evropští výrobci, je NMC katoda, skládající se z niklu, manganu a kobaltu. Zajímavé je, že z hlediska zlepšení vlastností baterií na její bázi se toto složení ukázalo jako velmi slibné. Zpočátku se uvedené prvky používaly v poměru 6:2:2, tj. nikl tvořil 60 %, mangan a kobalt – po 20 %. Výrobci používající tuto „chemii“ však již nějakou dobu přešli na poměr 8:1:1. Právě tuto katodu bude používat ruská společnost Renera, součást státní korporace Rosatom. Staví gigatovárnu poblíž Kaliningradu a bude dodávat bateriové články pro lokalizované modely Evolute. Ruští inženýři se nejprve budou zabývat správou baterií, jejich krytem a uspořádáním a samotné články budou vyráběny s využitím technologií jihokorejské společnosti Enertech, kterou společnost Renera kompletně koupila. Mimochodem, právě články Enertech byly použity v automobilech Aurus. Další verzí baterií NMC, která bude uvedena do sériové výroby, bude poměr 9:0,5:0,5.

Jakou hustotu energie však v současnosti poskytují baterie NMC a čeho je třeba dosáhnout, aby se bez změny velikosti baterie dojezd elektromobilů zvýšil na požadovaných tisíc kilometrů? Hned na začátku roku sice internet plní nepřesných publikací na toto téma. Například začátkem roku Státní rada Číny oficiálně oznámila, že v roce 2022 bude v Číně zahájena hromadná výroba článků s hustotou alespoň 300 Wh/kg. Výrobce ve zprávě nebyl uveden, ale tento údaj se pravděpodobně týkal hustoty energie v článku, nikoli v baterii jako celku.

S přihlédnutím k hmotnosti kapalinového systému tepelné regulace, bez kterého se dnes baterie NMC pro elektromobily nevyrábějí a bez kterého baterie NMC dlouho nevydrží, a také k hmotnosti skříně, řídicí jednotky a vysokonapěťových vodičů, je toto číslo stále na úrovni pouhých 150-170 Wh/kg. Například modely Mercedes-Benz představené v letech 2022-2023 jsou takovými bateriemi vybaveny. Kromě toho Němci na výstavě spotřební elektroniky CES-2023 vystavili koncepční vůz Vision EQXX, který má měrnou energetickou kapacitu baterie 200 Wh/kg. Baterie používané německým koncernem před pěti lety měly hustotu 115-120 Wh/kg. Jak vidíme, v posledních letech se měrná energetická kapacita sériových baterií NMC nepatrně zvýšila.

Ruské modely značky Evolute jsou vybaveny bateriemi NMC s kapalinovým termoregulačním systémem, který zajišťuje dlouhodobý provoz v horkém i chladném počasí. Další věc je, že všechny moderní baterie mají při použití v extrémních teplotních podmínkách sníženou rezervu výkonu, protože energie v baterii se využívá nejen k pohybu, ale také k intenzivnímu provozu termoregulačního systému.

Vezměme si nyní SUV Mercedes-Maybach EQS, které se v Evropě začalo prodávat v dubnu letošního roku. Podle cyklu WLTP dokáže SUV EQS 680 ujet „až 600 km na jedno nabití“. Takže pokud pro jistotu uberete sto kilometrů, pak pro dosažení dojezdu tisíce kilometrů je třeba hustotu zdvojnásobit. Jak brzy se to stane?

Na tuto otázku je těžké odpovědět. Na jedné straně výzkumné laboratoře pravidelně hlásí nárůst specifické energetické kapacity NMC článků. Například letos zdroj Chinese Physics Letters informoval o výrobě laboratorních vzorků NMC článků s hustotou více než 700 Wh/kg. To samozřejmě vzbuzuje optimismus, ale uvedení této technologie do masové výroby může trvat několik let. Na druhou stranu, kromě chemie NMC a lithium-iontových baterií obecně – tedy těch, u kterých je náboj přenášen lithiovými ionty, vědci studují i další principy ukládání energie na palubě. Možná, že zařízení navržená na těchto principech nahradí tradiční baterie. Napište do komentářů, zda byste se o nich měli zájem dozvědět více.

V každém případě se dnes elektromobily co do dojezdu již velmi přiblížily konvenčním vozům. Není pochyb o tom, že vzhledem ke zkrácení doby nabíjení a rychlému rozvoji infrastruktury začnou elektromobily konkurovat konvenčním vozům za stejných podmínek, co se týče spotřebitelských vlastností, vzhledem k tomu, že jsou již nyní cenově nižší.

Pokud jde o dojezd 1000 600 kilometrů, podle našeho názoru bude tato otázka vyřešena především na úrovni marketingu, nikoli designových služeb: pokud kupující elektromobilů začnou požadovat takovou rezervu výkonu, pak inženýři dostanou odpovídající úkol. Pokud budou majitelé elektromobilů spokojeni se stabilním dojezdem XNUMX kilometrů na jedno nabití – za jakéhokoli počasí, pak inženýři po nastavení tohoto parametru zlepší další vlastnosti baterie: sníží její hmotnost, prodlouží její životnost, sníží dynamiku ztráty kapacity atd.