Аккумулятор "Тесла": устройство, характеристики, применение

Компания «Тесла» известна, в первую очередь, прорывом в области электрокаров. Концепция экологически чистого транспорта давно осваивается крупнейшими автогигантами, но американским инженерам удалось ближе всех довести идею до реальных интересов потребителя. В немалой степени этому способствовали системы энергоснабжения, которые должны были полностью заменить традиционный двигатель внутреннего сгорания. И линейка батарей для электромобиля Tesla Model S ознаменовала собой новый этап развития сегмента.

Применение аккумуляторов

Основные мотивы разработки принципиально новых элементов питания были вызваны задачами увеличения эксплуатационных качеств электрических автомобилей. Поэтому базовая линейка ориентируется на обеспечение транспорта инновационной системой энергоснабжения. В частности, для моделей Tesla Model S применяются флагманские литий-ионные версии аккумуляторов. Их особенностью является исключение так называемого гибридного принципа работы батарей, в котором допускается попеременное питание машины от аккумуляторного блока и ДВС. Компания стремится сделать энергоснабжение электрокаров полностью независимым от традиционного топлива.

Однако системами питания автотранспорта разработчики не ограничиваются. На сегодняшний день сформировалось несколько серий с аккумуляторами, предназначенными для стационарного бытового и коммерческого использования. И если аккумулятор «Тесла» для автомобиля ориентирован на поддержку функциональности ходовых механизмов и бортовой электроники, то модели батарей-накопителей энергии можно рассматривать как универсальные и автономные источники энергоснабжения. Потенциала данных элементов достаточно для обслуживания, к примеру, домашней бытовой техники. Также развивается концепция аккумуляции солнечной энергии, но пока о широком распространении подобных систем речи не идет.

Устройство аккумулятора

Батареи имеют особую структуру и конфигурацию расположения активных элементов. В первую очередь, блоки питания отличаются базированием на литий-ионной основе. Такие элементы давно используются в качестве источника питания мобильных устройств и электроинструмента, но задачу энергоснабжения транспорта для них впервые открыли разработчики аккумулятора «Тесла». Для автомобиля применяется блок, состоящий из 74 компонентов, которые внешне напоминают пальчиковые батареи. Весь блок разделен на несколько сегментов (от 6 до 16 в зависимости от версии). В качестве положительного электрода выступает графит, а отрицательный заряд дает целая группа химических наполнителей, среди которых оксид алюминия, кобальт и никель.

Что касается интеграции в конструкцию автомобиля, то аккумуляторный блок крепится к днищу. К слову, именно такое размещение обеспечивает электрокарам пониженный центр тяжести и, как следствие, оптимальную управляемость. Непосредственно фиксация осуществляется при помощи комплектных кронштейнов.

Поскольку аналогов подобных решений на сегодняшний день единицы, то, в первую очередь, может прийти мысль о сравнении батареи Tesla с традиционными аккумуляторами. И в этом смысле логично возникает вопрос о безопасности, как минимум, такого способа размещения. Задача обеспечения защиты решается высокопрочным корпусом, в который заключен аккумулятор «Тесла». Устройство каждого блока также предусматривает наличие ограждающих металлических пластин. Причем изолируется не сам внутренний отсек, а каждый сегмент по отдельности. К этому стоит добавить и наличие пластиковой накладки, которая специально предназначена для исключения проникновения воды под корпус.

Технические характеристики

Самая мощная версия аккумулятора для электрокара «Тесла» включает около 7104 мини-батарей, имеет 210 см по длине, 15 см в толщине и 150 см по ширине. Электрическое напряжение в блоке составляет 3,6 В. Для сравнения, объем энергии, вырабатываемой одной секцией батареи, соответствует производимому потенциалу от аккумуляторов сотни портативных компьютеров. Но и вес аккумулятора «Тесла» довольно внушителен – около 540 кг.

Что же дают эти характеристики электрокару? По расчетам специалистов, батарея объемом 85 кВт*ч (средняя в линейке производителя) позволяет на одном заряде проезжать порядка 400 км. Опять же, для сравнения, не так давно крупнейшие автопроизводители в «зеленом» сегменте боролись за показатели 250-300 км пути, который мог преодолеваться без дозарядки. Впечатляет и скоростная динамика – 100 км/ч набираются всего за 4,4 сек.

Разумеется, при таких свойствах возникнет вопрос о долговечности батареи, так как высокая производительность предполагает соответствующую интенсивность износа активных элементов. Сразу надо отметить, что изготовитель дает 8-летнюю гарантию на свои аккумуляторы. Вероятно, и фактический срок службы аккумулятора «Тесла» будет аналогичным, но пока даже первые обладатели электрокаров не могут подтвердить или опровергнуть этот показатель.

С другой стороны, есть исследования, в которых отмечается умеренная потеря мощности батареи. В среднем блок теряет 5% мощностного потенциала на 80 тыс. км. Есть и другой показатель, свидетельствующий о том, что количество обращений пользователей электрокаров «Тесла» по причинам неполадок в аккумуляторном блоке сокращается по мере выхода новых модификаций.

Емкость батареи

С оценкой емкостного показателя аккумуляторов не все однозначно. По мере развития линейки эта характеристика проделала путь от 60 до 105 кВт*ч, если брать наиболее заметные версии. Соответственно, по официальным данным на текущий момент пиковая емкость аккумулятора «Тесла» составляет порядка 100 кВт*ч. Однако по результатам проверки первых владельцев электрокаров с таким оснащением выяснилось, что, к примеру, модификация на 85 кВт*ч фактически располагает объемом 77 кВт*ч.

Есть и обратные примеры, в которых обнаруживается превышение объема. Так, модель батареи на 100 кВт*ч при детальном исследовании оказалась наделенной емкостью в 102,4 кВт*ч. Также выявляются и нестыковки в определении количества активных элементов питания. В частности, имеют место расхождения в оценках количества ячеек батареи. Специалисты связывают это с тем, что аккумулятор «Тесла» постоянно модернизируется, вбирает новые улучшения и доработки. В самой компании отмечают, что ежегодно новые версии блока претерпевают изменения в архитектуре, электронных компонентах и системе охлаждения. Но в каждом случае деятельность инженеров ставит целью улучшение эксплуатационных качеств продукта.

Модификация PowerWall

Как уже говорилось, параллельно с линейкой автомобильных аккумуляторов компания «Тесла» развивает и сегмент накопителей энергии, предназначенных для бытовых нужд. Одной из последних и самых ярких разработок в этом сегменте стал тоже литий-ионный блок PowerWall. Его можно использовать и в качестве постоянного источника энергии для покрытия определенных энергетических задач и как резервный блок с функцией автономного генератора. Данный аккумулятор «Тесла» представлен в разных исполнениях, которые отличаются емкостью. Так, наиболее популярны модели на 7 и 10 кВт*ч .

Что касается эксплуатационных качеств, то мощностный потенциал составляет 3,3 кВт при напряжении 350–450 В и силе тока 9 А. Масса блока – 100 кг, поэтому о мобильности аккумулятора можно забыть. Хотя не стоит отметать возможность применения блока на даче в сезонное время. О повреждениях батареи при транспортировке волноваться не стоит, поскольку разработчики особое внимание уделяют физической защите корпуса. Единственное, что может огорчить новоиспеченного пользователя данной продукции «Тесла» - время зарядки аккумулятора, которое составляет порядка 10-18 ч в зависимости от версии накопителя.

Модификация PowerPack

Данная система базируется на элементах PowerWall, но предназначена для обслуживания предприятий. То есть речь идет о коммерческой версии энергетического накопителя, который поддается масштабированию и способен обеспечивать высокую производительность целевого объекта. Достаточно сказать, что объем батареи составляет 100 кВт, хотя и эта емкость не является максимальной. Разработчики предусмотрели гибкую систему объединения нескольких блоков с возможностью обеспечения от 500 кВт до 10 МВт.

Более того, и одиночные аккумуляторы PowerPack совершенствуются в своих эксплуатационных качествах. Не так давно было заявлено о появлении второго поколения коммерческого аккумулятора «Тесла» характеристики в плане мощности достигли уже 200 кВт, а КПД – 99%. Отличается данный резерв хранения энергии и технологическими свойствами.

Инженеры для обеспечения возможности расширения объема применили новый инвертор реверсивного типа. Благодаря этому новшеству увеличилась и мощность, и производительность блока. В ближайшее время компания планирует предложить и концепцию введения ячеек PowerPack в структуру вспомогательных солнечных элементов Solar Roof. Это даст возможность восполнять энергетический потенциал аккумулятора не через магистральные линии электроснабжения, а за счет бесплатной солнечной энергии в непрерывном режиме.

Где производится аккумулятор «Тесла»?

По заявлениям производителя, литий-ионные батареи изготавливает его собственная фабрика Gigafactory. Причем сам процесс сборки реализуется совместно с фирмой Panasonic. К слову, и комплектующие для аккумуляторных сегментов также поставляет японская компания. На мощностях Gigafactory, в частности, выпускается новейшая серия питающих блоков, предназначенных для третьего поколения электрокаров Model. По некоторым расчетам, совокупность объема выпускаемых батарей на максимальном производственном цикле должна составить 35 ГВт*ч в год. Для сравнения, этот объем занимает половину от всех мощностей выпускаемых в мире элементов питания. Обслуживать столь высокий потенциал будут 6500 работников предприятия, хотя в будущем планируется создать еще порядка 20 тыс. рабочих мест.

При этом надо отметить, что аккумулятор «Тесла» модель S имеет высокую степень защиты от взлома, что практически минимизирует риски появления на рынке контрафактных аналогов. К тому же и сам процесс изготовления предполагает участие высокоточных роботизированных агрегатов. Очевидно, что повторить технологию сегодня способны только корпорации такого же уровня, как и «Тесла». Впрочем, заинтересованным фирмам это и не нужно, так как они занимаются собственными разработками в этом направлении.

Стоимость аккумуляторов

Цены на аккумуляторы фирмы «Тесла» также регулярно меняются, что связано с удешевлением технологий производства и выходом все новых компонентов с более высокими эксплуатационными характеристиками. Еще несколько лет назад батарею для электрокара Model S можно было приобрести за 45 000$. На данный момент элементы стоят 3 000-5 000$. Аналогичные ценники распространяются на устройства для домашнего использования PowerWall. А вот самым дорогим является коммерческий аккумулятор «Тесла», цена которого составляет 25 000$. Но и это касается лишь версии первого поколения.

Аналоги от конкурентов

Как уже отмечалось, «Тесла» не является монополистом в сегменте. На рынке немало аналогичных предложений, которые могут быть менее известны, но по характеристикам вполне конкурентоспособны. Так, альтернативу системе PowerWall предлагает корейская фирма LG, разработавшая элементы Chem RESU. Блок емкостью 6,5 кВт*ч оценивается в 4 000$. Накопители с диапазоном 6-23 кВт*ч предлагает Sunverge. Этот продукт отличается возможностью мониторинга заряда и подключением к солнечным панелям. Его стоимость варьируется в среднем от 10 000$ до 20 000$. Фирма ElectrIQ предлагает домашние энергетические накопители емкостным потенциалом 10 кВт*ч. Блок стоит 13 000$, однако в эту стоимость входит также инвертор.

Осваивают инновационное направление и другие автомобильные производители, которые еще плотнее теснят на рынке аккумулятор «Тесла» в разных модификациях. Среди конкурентов этого звена особенно отмечаются Nissan и Mercedes. В первом случае предлагается линейка аккумуляторов XStorage емкостью 4,2 кВт*ч. К особенностям этих элементов стоит отнести высокую степень экологической безопасности, что укладывается в требованиях новейших европейских стандартов производства автомобилей. В свою очередь, Mercedes выпускает небольшие элементы по 2,5 кВт*ч, но их можно объединять в более производительные блоки, мощность которых достигает 20 кВт*ч.

В заключение

Производитель «Тесла», безусловно, является самым популярным разработчиком инновационных систем энергоснабжения и экологического автотранспорта. Но, открывая новые горизонты в мире технологий, и эта фирма сталкивается с серьезными препятствиями. В частности электрокары Tesla Model S с литий-ионными батареями регулярно критикуются специалистами за недостаточно высокую безопасность в плане защиты от возгораний элементов питания. Хотя в последних версиях инженеры сделали существенные доработки в этом отношении.

По-прежнему сохраняется и проблема недоступности аккумуляторов для массового потребителя. И если с бытовыми накопителями эта ситуация меняется за счет удешевления элементов, то идея сопряжения блоков с солнечными панелями пока не может быть успешной на рынке из-за высокой стоимости. Возможности аккумуляции бесплатной энергии наиболее перспективны и выгодны для пользователей, но приобретение таких систем не по силам большинству даже заинтересованных потребителей. Это же касается и других направлений, в которых предполагается задействование альтернативных источников энергии. Принцип их работы дает массу преимуществ, но достигаются они только за счет сложного высокотехнологичного оборудования.