Большой аккумулятор + низкое энергопотребление! Новое поколение BMW i3 проехало 1213 километров, потребляя всего 8,8 кВт⋅ч на 100 километров.

Тест, проведенный еще одним автомобильным СМИ, стал вирусным.

Вчера вечером Autohome предоставил три полностью электрических седана для скоростного заезда на кольцевой дороге Пекина. Результаты вызвали бурю негодования в интернете.

Представительский седан с заявленным запасом хода в 1008 километров проехал всего 566,4 километра, достигнув чуть более половины целевого показателя — 56,2%, при этом показанный расход энергии составил 15,1 кВт·ч/100 км. Два других седана показали несколько лучшие результаты, достигнув 63,6% и 75,3% от целевых показателей соответственно, при этом седан с самым большим запасом хода проехал 678,6 километра.

После того, как запас хода сократился вдвое до 1000 километров, раздел комментариев, естественно, заполнился различными саркастическими замечаниями.

Пока интернет-воины яростно спорили, компания BMW провела в Шэньяне мероприятие, посвященное Дню инноваций, и между делом опубликовала отчет о проделанной работе:

Новый BMW i3 совершил поездку туда и обратно на расстояние 1213 километров из Шэньяна в Далянь без подзарядки, достигнув показателя полного запаса хода в 118%.

Однако следует отметить, что тест BMW не включал в себя движение исключительно по автомагистралям, как это делал Autohome; он также включал значительное количество национальных и городских дорог. Если бы в этом же тесте участвовало новое поколение i3, его запас хода, вероятно, был бы меньше.

Однако это не означает, что результат бессмысленен. Что действительно заставляет меня думать, что у BMW есть что-то особенное, так это средний расход энергии на 100 километров — всего 8,8 кВт⋅ч.

Это беспрецедентное достижение среди серийных автомобилей того же класса.

Большие батареи и низкое энергопотребление не противоречат друг другу.

Как всем известно, самый простой и легкий способ добиться длительного срока службы батареи — это увеличить ее емкость. В этом году Лэй Цзюнь в публичном интервью признал, что Xiaomi Auto действительно нужно поучиться у Tesla в этом отношении и снизить энергопотребление.

Однако способность BMW достигать запаса хода более 1000 километров также зависит от большой батареи – новое поколение i3 имеет батарею емкостью 113,4 кВт⋅ч.

Однако, в отличие от подхода Tesla, основанного на принципе «маленькая батарея, низкое энергопотребление», идея BMW заключается в увеличении емкости батареи при сохранении низкого энергопотребления.

Новое поколение i3 демонстрирует однозначное энергопотребление, во многом благодаря батарее шестого поколения, которая только что сошла с конвейера завода в Шэньяне. Это также первый случай, когда большая цилиндрическая батарея занимает ведущее место в автомобиле премиум-класса.

На мероприятии президент BMW Brilliance Йозеф Боррель заявил, что серийное производство аккумуляторных батарей шестого поколения в Шэньяне имеет решающее значение для успешного запуска нового поколения моделей в Китае. Именно этот цилиндрический компонент является основой полностью электрических автомобилей BMW.

Большие цилиндрические батареи 46-й серии, используемые BMW, на самом деле не являются чем-то новым. До этого индустрия силовых батарей более десяти лет изучала размеры цилиндрических элементов. От 18650 в Tesla Model S до 21700, используемых в Model 3, и теперь до 46-й серии, цилиндрические батареи с годами стали «толще».

Но вы заметили, что с тех пор, как Tesla представила элемент 4680 на Дне батарей в 2020 году, диаметр цилиндрического элемента не увеличился?

почему это?

Ранние элементы 18650 имели емкость всего 2-3 Ач, что требовало размещения нескольких тысяч элементов в одном автомобиле. Например, в аккумуляторном блоке ранней модели Model S содержалось более 7000 элементов 18650. Вес этих тысяч стальных корпусов сам по себе был весьма значительным, а плотность энергии была далека от приемлемой. Для улучшения этого показателя батареи пришлось сделать более толстыми.

Однако слишком толстый цилиндр также нежелателен, поскольку это затруднит рассеивание тепла в середине ячейки, что может привести к ускоренному старению или даже тепловому разгону.

Согласно термодинамической модели, опубликованной Tesla в то время, 46 миллиметров — это именно та физическая критическая точка, которая обеспечивает баланс между запасом хода и тепловым режимом.

Компания Tesla первой запустила в серийное производство цилиндрическую трубу диаметром 46 мм. После её выпуска в 2020 году компания быстро применила её в моделях Model Y и Cybertruck, производимых на её заводе в Техасе.

Однако из-за ограничений существовавших на тот момент технологий производства, это большое цилиндрическое устройство не было идеальным с точки зрения быстрой зарядки и отвода тепла. Реально его спасла технология, называемая «всенаправленный контакт».

Традиционные аккумуляторные элементы имеют всего один или два контакта, заставляя электроны перемещаться в поперечном направлении по металлическим фольговым листам длиной в десятки сантиметров. При прохождении большого тока высокое сопротивление приводит к быстрому нагреву элемента, поэтому ранние цилиндрические батареи не были предназначены для быстрой зарядки высокой мощности.

Метод использования электрода, занимающего всю поверхность пластины, заключается в том, что край электрода представляет собой единую проводящую торцевую поверхность, позволяющую электронам вытекать непосредственно по очень короткому пути.

Вам не нужно подробно читать предыдущий абзац. Достаточно знать, что эта структурная модификация снизила внутреннее сопротивление элемента батареи на 80% и значительно уменьшила тепловыделение элемента батареи во время зарядки и разрядки.

Благодаря снижению тепловыделения, аккумуляторная ячейка имеет более высокий предел тепловой безопасности. Эта гарантия позволяет инженерам смело внедрять в конструкцию больше активных электрохимических систем.

Именно поэтому компания BMW смогла напрямую использовать катоды с содержанием высоконикеля более 90% и кремний-углеродные аноды в своих аккумуляторных элементах шестого поколения.

Кремний обладает чрезвычайно высокой удельной емкостью, но при насыщении ионами лития он расширяется, как воздушный шар. Если в призматической батарее используется большая доля кремниевого анода, корпус легко деформируется, что приводит к осаждению лития.

Цилиндрические стальные оболочки обладают естественной осесимметричной структурой и высокой механической жесткостью по окружности, что позволяет равномерно ограничивать деформацию кремниевых анодов во время зарядки и разрядки.

Для обеспечения совместимости с различными моделями автомобилей BMW подготовила два типоразмера цилиндрических батарей: 95-миллиметровая батарея 4695 предназначена для седанов, чтобы уменьшить толщину шасси; 120-миллиметровая батарея 46120 предназначена для внедорожников, чтобы увеличить емкость батареи.

В отличие от Tesla, BMW не стремилась к агрессивному саморазвитию и собственному производству. Вместо этого компания установила собственные стандарты формул и передала производство на аутсорсинг китайским поставщикам, компаниям CATL и EVE Energy.

Именно благодаря отлаженной производственной системе проект по производству батарей стоимостью 10 миллиардов юаней в Шэньяне смог быть запущен в кратчайшие сроки, завершив подготовку оборудования до полномасштабного внедрения нового поколения.

Большие цилиндрические батареи — это здорово, но почему люди ими не пользуются?

Интересно, сталкивались ли вы когда-нибудь с такой ситуацией: как только вы достигаете скорости 120 км/ч, кондиционер быстро перестаёт работать. Так происходит и с моей Tesla Model 3; мне всегда приходится вручную снижать температуру кондиционера на два градуса, прежде чем в машине станет хоть немного прохладно.

Это, по сути, защита батареи от перегрева. На основе данных о сопротивлении движению и качению Model 3, по оценкам, батарея должна поддерживать выходную мощность от 18 до 20 кВт при движении автомобиля со скоростью 120 км/ч.

Согласно закону Джоуля, количество тепла, выделяемого в проводнике, пропорционально квадрату тока. Непрерывный разряд высокой мощности приводит к быстрому накоплению тепла внутри аккумуляторной ячейки. К сожалению, силовые батареи особенно чувствительны к рабочим температурам. Как только температура ячейки становится слишком высокой, система терморегулирования отдает приоритет отводу тепла от батареи.

Ключевым компонентом интегрированной системы терморегулирования Tesla является восьмиходовой клапан. При перегреве аккумуляторной батареи восьмиходовой клапан переключает поток хладагента и охлаждающей жидкости, напрямую передавая большую часть холодопроизводительности компрессора в контур водяного охлаждения батареи через пластинчатый теплообменник.

Компрессор Model 3 имеет максимальную холодопроизводительность всего три-четыре киловатта. После того, как большая часть мощности расходуется на заряд батареи, кондиционер, естественно, перестаёт охлаждать воздух.

Большая цилиндрическая батарея идеально решила эту проблему.

Благодаря снижению внутреннего сопротивления элемента батареи на 80%, значительно уменьшается количество джоулева тепла, выделяемого в процессе разряда, а для поддержания нормальной температуры достаточно обычной циркуляции водяного охлаждения, поэтому нет необходимости конкурировать с охлаждением салона.

Помимо проблемы высокоскоростного кондиционирования воздуха, положение задних пассажиров также является давним предметом критики в отношении чисто электрических седанов.

Вместе с пластиной жидкостного охлаждения и защитным кожухом толщина традиционного квадратного аккумуляторного блока обычно составляет около 140 мм. Для размещения такого аккумулятора в шасси приходится поднимать пол многих автомобилей на два-три сантиметра, что приводит к недостаточной поддержке бедер у задних пассажиров, что, естественно, делает длительные поездки некомфортными.

Причина, по которой призматические батареи такие толстые, заключается в том, что сами элементы относительно слабые, и батарейный блок должен быть оснащен массивными балками и рамами для физической защиты.

Большой цилиндрический стальной корпус серии 46 обладает чрезвычайно высокой прочностью на сжатие и может непосредственно использоваться в качестве несущей конструкции шасси. После его интеграции в кузов BMW толщина аккумуляторного блока уменьшилась почти на 20 миллиметров.

Благодаря более тонкому шасси седаны наконец-то вернули себе удобную, близкую к земле посадку, характерную для традиционных автомобилей с бензиновыми двигателями.

Ещё один вопрос: учитывая очевидные преимущества больших цилиндрических батарей с точки зрения удобства использования, почему крупные отечественные производители аккумуляторных батарей не изменили свои бизнес-модели? Ключевой вопрос — стоимость.

В настоящее время на внутреннем рынке доминируют литий-железо-фосфатные (LFP) батареи, на их долю приходится почти 70% установок в автомобилях. При изготовлении батарей из призматических элементов методом CTP (от элемента к блоку) коэффициент использования объема батарейного блока может превышать 70%. Однако цилиндрические элементы по своей природе имеют неизбежные треугольные зазоры, что приводит к коэффициенту использования пространства всего около 60%. Изготовление LFP-батарей, которые по своей природе имеют ограниченную плотность энергии, в виде цилиндрических элементов приведет к нерациональному использованию пространства шасси.

С другой стороны, за последние несколько лет отечественные компании по производству аккумуляторных батарей нарастили мощности по производству призматических элементов до сотен ГВт·ч, снизив себестоимость производства элементов до 0,3–0,4 юаня за ватт-час. Учитывая жесткую рыночную конкуренцию, компаниям сложно вкладывать большие средства в первоначальный запуск производства.

Более того, даже такой гигант, как Tesla, столкнулся с трудностями при разработке батареи 4680.

Для достижения снижения затрат на 56% Tesla решила сосредоточиться на процессе сухого катода. Однако, поскольку электродные листы были склонны к растрескиванию и отслаиванию в процессе прессования, начальный процент выхода годной продукции долгое время оставался в пределах 70-80%, что затрудняло достижение точки безубыточности более 95% на отлаженной производственной линии. В результате запуск производства Cybertruck был отложен на длительный срок.

Компания BMW выбрала более изобретательный путь, отказавшись от все еще несовершенного сухого процесса и полагаясь на высокоскоростной мокрый процесс для достижения массового производства.

Этот выбор, безусловно, имеет свою цену. Влажные процессы требуют нанесения покрытий с использованием растворителей и высокотемпературных линий спекания, что требует больших производственных площадей и потребляет много электроэнергии. BMW, очевидно, не может воспользоваться теоретическими преимуществами снижения производственных затрат за счет использования сухих катодов.

Однако цены на товары класса люкс позволяют покрыть эти расходы. Вместо того чтобы стремиться к радикальному снижению затрат, BMW сейчас больше нужна определенность в отношении графика массового производства.

С другой стороны, в Германии большое количество автомагистралей без ограничения скорости, где транспортные средства движутся на большие расстояния со скоростью 160 км/ч и даже выше, а мощность разряда часто достигает 40-50 киловатт. Физические характеристики большого цилиндра с низким внутренним сопротивлением и осевым теплоотводом больше подходят для таких условий высоких нагрузок.

Теперь, когда инженерные проблемы, связанные с батареями, решены, темпы выпуска новых автомобилей BMW заметно ускорились.

Согласно плану BMW, к 2027 году на китайском рынке появится около 20 новых моделей, оснащенных технологиями следующего поколения. Кроме того, BMW намерена увеличить долю моделей, произведенных внутри страны, до более чем 95% к 2030 году и продавать автомобили BMW с маркировкой «Сделано в Китае» за рубежом.

В последние несколько лет при покупке электромобилей люди всегда уделяли основное внимание информационно-развлекательной системе и интеллектуальным функциям управления. Однако по мере развития продукции и рынка конкуренция среди чисто электрических автомобилей в конечном итоге вернется к более базовым аспектам, таким как шасси, система терморегулирования и энергопотребление.