В настоящее время мы наблюдаем интересную тенденцию в области технологий электромобилей. Долгое время Tesla была практически единственной компанией, производящей аккумуляторные блоки для электромобилей, используя в каждом блоке тысячи отдельных цилиндрических литий-ионных аккумуляторных ячеек. В отличие от этого, автопроизводители с именем, такие как Nissan с LEAF или даже GM с более новым Chevy Bolt EV, использовали меньше, но более крупные призматические ячейки для сборки своих аккумуляторных блоков для электромобилей.
Считается, что эта стратегия является важной причиной того, почему Tesla смогла поставлять аккумуляторные блоки значительно большей емкости по более разумной цене, чем другие игроки в отрасли. В 2012 году компания имела блок емкостью 85 кВт·ч, тогда как следующий лучший — блок Bolt GM емкостью 60 кВт·ч, выпущенный только в этом году. Но теперь новые участники рынка электромобилей, похоже, следуют примеру Tesla, а не более авторитетных автопроизводителей.
Когда в 2003 году Марк Тарпеннинг и Мартин Эберхард основали Tesla, они заказали исследование осуществимости у своего технологического партнера того времени, AC Propulsion, по созданию аккумуляторного блока для электромобилей с использованием стандартных готовых литий-ионных аккумуляторных ячеек формата 18650. Это было то, о чем дуэт уже знал, так как они только что вместе создали компанию по производству электронных книг, а литий-ионные ячейки в то время в основном использовались в потребительской электронике.
Тарпеннинг и Эберхард уже знали, что ячейки 18650 были самыми качественными и дешевыми из доступных литий-ионных ячеек, но они также знали, что из-за форм-фактора им придется использовать тысячи таких ячеек в одном аккумуляторном блоке, чтобы получить приличный запас хода для автомобиля. Производители батарей, к которым они обращались, были «в ужасе» от этой идеи.
Эберхард написал об этой проблеме в своем ныне удаленном посте в блоге:
«Когда мы начали думать об аккумуляторной системе Tesla Roadster (ESS — Energy Storage System), многие производители ячеек, естественно, нервничали из-за опасностей аккумуляторного блока, содержащего большое количество их ячеек. На Tesla Motors лежала задача продемонстрировать, что мы понимаем и проектируем с учетом безопасности, даже в случае спонтанного отказа ячейки. И правда в том, что вначале мы не полностью понимали все проблемы».
Идея довольно проста: с большим количеством ячеек больше вероятность отказа одной из них, и если одна ячейка выходит из строя, это может распространиться на другие ячейки, что приведет к потенциально катастрофическим последствиям. В отрасли, ориентированной на безопасность, такой как автомобильная, это было проблемой. Поэтому страх, который был у производителей ячеек в то время, передался автопроизводителям, когда они начали разрабатывать свои электромобили.
https://www.youtube.com/watch?v=hf15nMnayXk
Тот факт, что Tesla «не полностью понимала все проблемы», как говорит Эберхард, подтолкнул компанию выйти за рамки страха индустрии и все же разработать аккумуляторный блок с тысячами ячеек. Эберхард написал в том же посте в блоге:
«Мы провели немало тестов «Четвертое июля», чтобы понять, как выходят из строя литий-ионные ячейки (всех видов) и что происходит с соседними ячейками в плотно упакованной системе. Мы начали понимать проблему более чем за год до известного фиаско Sony/Dell, и мы установили корпоративное требование, чтобы ни один такой сбой ячейки не привел к тепловому распространению в нашей ESS».
После нескольких прототипов компания наконец-то разработала безопасную и энергоемкую конструкцию, которую они подробно описали в техническом документе под названием «Система аккумуляторных батарей Tesla Roadster» в августе 2006 года. Авторами документа были 4 инженера, работавших в Tesla в то время, двое из которых сейчас являются руководителями компании: Джей Би Страубель, технический директор Tesla, и Курт Келти, директор Tesla по технологиям аккумуляторных батарей.
В документе они утверждали, что аккумуляторный блок Roadster был самым безопасным из всех, которые видели эксперты в то время:
«Высокий уровень избыточности и многоуровневая защита в аккумуляторном блоке Tesla Roadster привели к созданию самой безопасной большой литий-ионной батареи, которую видели мы или многие эксперты в этой области, с которыми мы консультировались».
Вы можете ознакомиться со всеми функциями безопасности, которые они встроили в блок, в документе, встроенном ниже, но, короче говоря, они внедрили как пассивные, так и активные функции безопасности на уровне ячеек, такие как внутреннее устройство ограничения тока с положительным температурным коэффициентом (PTC) на каждой ячейке, а также предохранители как на аноде, так и на катоде, и на уровне блока, с отдельными модулями алюминиевого корпуса. Это среди нескольких других особенностей. Короткий технический документ стоит прочтения.
С тех пор компания значительно улучшила конструкцию, внедрив несколько итераций для Roadster, а затем новую архитектуру для Model S и X, но все еще основываясь на знаниях, полученных при создании оригинального аккумуляторного блока Roadster, и продолжая использовать тысячи отдельных ячеек.
На сегодняшний день Tesla имеет больше развернутой энергоемкости на дорогах, чем любой другой автопроизводитель (помните, что один автомобиль Tesla имеет в 2-3 раза большую энергоемкость, чем большинство электромобилей), но при этом у нее нет больше проблем с аккумуляторами, чем у любого другого автопроизводителя.
Концепция до сих пор не получила распространения среди большинства автопроизводителей, выпускающих электромобили сегодня, но новички почти все используют архитектуру, схожую с Tesla.
Faraday Future и Lucid Motors, два наиболее хорошо финансируемых стартапа электромобилей на продвинутых стадиях разработки своих первых электромобилей, недавно объявили, что будут использовать тысячи цилиндрических аккумуляторных ячеек в своих конструкциях аккумуляторных блоков. Они не раскрыли много других деталей о своих концепциях, и могут быть множество различных особенностей — не то чтобы это имело значение, поскольку Tesla открыла все свои патенты.
Тот факт, что стартапы следуют примеру Tesla, в то время как признанные автопроизводители выбирают более безопасный путь, можно легко объяснить тем, что стартапы более склонны к риску, в отличие от крупных компаний, но есть также фактор того, что обе компании имеют часть ДНК Tesla.
Lucid Motors, тогда известная как Atieva, была основана руководителем Tesla, который отвечал за новое подразделение Tesla в 2007 году для создания систем хранения энергии — своего рода предшественник того, что мы сейчас знаем как «Tesla Energy». Техническим директором компании является Питер Роулинсон, бывший главный инженер Tesla Model S.
Что касается Faraday Future, то компания наняла нескольких инженеров Tesla при своем запуске в 2014 году, а один из ее основателей, Ник Сэмпсон, был директором по инжинирингу в Tesla. Инженер, разработавший их аккумуляторную архитектуру, Портер Харрис, руководил разработкой аккумуляторных блоков в SpaceX, другой компании Илона Маска.
Что также особенно интересно, так это аккумуляторные ячейки, которые они все используют? Tesla прилагает большие усилия, работая с Panasonic уже десять лет, и участвовала в разработке последних нескольких ячеек, используемых в продуктах компании. Последняя использует новый, более высокий формат под названием 2170, и будет производиться Panasonic на Gigafactory Tesla.
Faraday Future объявила, что будет использовать аналогичный формат ячеек от LG Chem, а Lucid Motors объявила на этой неделе, что также будет использовать аналогичный формат ячеек, но от Samsung SDI. Каждый автопроизводитель утверждает, что участвовал в разработке ячейки, и что они имеют ячейку с самой высокой плотностью энергии.
Генеральный директор Tesla Илон Маск недавно сделал аналогичное заявление о своей ячейке 2170. Теперь у нас есть 3 разные группы компаний: Tesla с Panasonic, Faraday Future с LG Chem и Lucid Motors с Samsung SDI, каждая из которых утверждает, что имеет лучшую ячейку, и что она скоро появится в их собственных электромобилях. Стратегия Tesla также отличается, поскольку они не только сотрудничают с производителем ячеек, но и инвестируют более 2 миллиардов долларов в производственный объект для ячеек, Tesla Gigafactory, что позволило им получить больший контроль над основным сырьем для своих программ электромобилей.
Конечно, ни одна из них пока не опубликовала спецификаций для этих ячеек, поэтому нам придется подождать, чтобы увидеть, какая компания действительно имеет лучший продукт, но это создает основу для очень захватывающего времени для электромобилей и аккумуляторов.
[scribd id=333583905 key=key-QxsYB7IApYskp5xdZgot mode=scroll]