Почему автомобильные аккумуляторы все еще так тяжелы?

Когда я был ребенком, автомобильные аккумуляторы были огромными тяжелыми кусками пластика, заполненными свинцом и кислотой. Они весят почти столько же, сколько мобильный телефон (небольшое преувеличение там, извините).

Через 45 лет автомобильные аккумуляторы по-прежнему выглядят одинаково и взвешиваются.

Итак, в этот современный век и акцент на экономии топлива, почему батареи все еще весит 40 фунтов? Почему прогресс в технологиях не был способен сделать их более легкими и эффективными?

41 голос | спросил Snow 18 52016vEurope/Moscow11bEurope/MoscowFri, 18 Nov 2016 12:33:51 +0300 2016, 12:33:51

8 ответов


64

Итак, теперь после ответа на ваш личный вопрос на ваш реальный вопрос , что вы, к сожалению, не спрашивали

  

Технология аккумуляторов за последние 100 лет продвинулась до сих пор. В 1920 году свинцово-кислотная батарея стартера стала распространенной в автомобилях, свинца, по сути, является ядом, а серная /свинцовая кислота не менее опасна. Они, как правило, терпят неудачу при низких температурах, особенно если их не регулярно поддерживать, и хотя они, очевидно, дешевы, как черт для производства, вся обработка их, включая требования закона о возврате старых батарей, должна быть кошмаром.

     

Почему индустрия просто не нарисовала линию и не переключилась на такие вещи, как LiIon или аккумуляторы NiCd или NiMH, теперь, когда электромобили показали, что вы можете надежно управлять годами на основе этих данных?

NiCd батареи просто хуже во всех аспектах, но плотность энергии, чем свинцовая кислота. NiMH лучше, но намного дороже и, тем не менее, имеет более высокую скорость разряда, как правило (если вы не сделаете их еще более дорогими). И все еще довольно сложно правильно распоряжаться.

Литиевые батареи - это не простая ручка. Вам необходимо защитить их от всякого рода сбоев, а некоторые из них довольно смертельны: не перегревайте литиевую батарею. Он взорвется. И тепло является серьезной проблемой внутри моторного отсека (честно говоря, в аккумуляторе есть , но это очень удобно).

Основная причина - это стоимость. Батарея в моей последней машине, 1999 Fiat Punto, поставила макс. 100 А (когда я попытался оценить фактический ток короткого замыкания около 43 А, но все еще много. Скажем, P = UÂ · I = 12 В · 40 А = 480 Вт ) и имел номинальную емкость около 30 Ач (это энергия 12 В · 30 Ач = 360 Вт · ч). Это стоило мне 25 €. Итак, грубое предположение, это дешевле, чем 10 €, чтобы произвести.

Итак, давайте возьмем литиевый аккумулятор, который будет массовым и, следовательно, дешевым. Общепринятые круглые ячейки, которые составляют множество аккумуляторных батарей для ноутбуков, составляют около 3 а каждый (скажем, 1 штуки) в течение примерно 3 Ач (11,1 Втч), поставляя до 5 А (верхушки, не делайте этого надолго) на 3,7 В. Это говорит о том, что одна ячейка из них может обеспечить 18,5 Вт. Таким образом, чтобы достичь оцененного 480 Вт моей батареи дешевого автомобиля, вам понадобится 26 из них. Они будут стоить 26 штук в производстве, не считая евро, которые вы тратите на контроль, схему зарядки и защиты, на то, чтобы облечь их в нечто жесткое и безопасное, и тот факт, что минералы, необходимые для производства некоторых из редкоземельных компонентов в Литиевые батареи в настоящее время не дешевеют, и оснащение автомобилей во всем мире тем, что определенно ускорит этот рыночный механизм.

Предположим, что весы с пропускной способностью. Моя 26-элементная литиевая батарея имеет 26Â · 11.1Wh = 288.6Wh энергии. Поэтому нам нужно масштабировать его на 1,25 для достижения того же 360Wh, что и свинцово-кислотная батарея.

Такая ячейка весит около 90 г. Таким образом, вес клеток составляет 26 · 90 г = 2,34 кг. Хорошо, у меня нет точного веса моего дешевого автомобильного аккумулятора в моей голове, но, допустим, это было 15 кг. Таким образом, мы сохранили вес примерно в 6,3 раза, если наш корпус и электроника легки (они не являются, насколько я могу судить, вам понадобится мощный источник питания переключателя, чтобы иметь возможность эффективно заряжать они используют генератор вашего автомобиля, и в основном они состоят из довольно громоздкой катушки из меди и, возможно, с ферритовым сердечником, который также не является легким).

Это приводит к коэффициенту затрат около 3,5 между компонентом A и альтернативой компонента B, с недостатками обработки, меньшей надежностью и изменениями цепочки поставок. Неудивительно, что автомобильная промышленность не продвигается в этом направлении. (И, кстати, у них отличное лоббирование.)

ответил Marcus Müller 18 52016vEurope/Moscow11bEurope/MoscowFri, 18 Nov 2016 12:59:00 +0300 2016, 12:59:00
70

Итак, очевидный ответ сначала:

  

почему батареи все еще весит 20 кг?

Потому что они все еще одни и те же свинцово-кислотные батареи. Просто как тот. Ни одна другая технология не приблизилась к низкой стоимости на ампер (и ампер-час) тех, кто находится рядом с надежностью и почти легкостью обращения. 20 кг не так уж тяжело, если вы считаете, что «экономия топлива» по-прежнему означает, что ваш средний новый автомобиль обладает десятками килограммов «комфорта» функциональности и весит около 1 мг только для металлических деталей.

  

Через 45 лет автомобильные аккумуляторы по-прежнему выглядят одинаково и взвешиваются.

45? Больше похоже на 120 лет ... но да. Мы по-прежнему строим мосты из стали, наш бетон стал лучше, но все же по существу конкретный, мы используем асфальт для дорог, медь по-прежнему является нашим любимым проводником, наиболее часто используемая технология усилителей во всем, что не является в основном низкочастотным биполярный транзисторный усилитель класса A /B, и наши холодильники все еще не основаны на более эффективных средствах переноса тепла, а на сжатии более или менее опасных жидкостей.

ответил Marcus Müller 18 52016vEurope/Moscow11bEurope/MoscowFri, 18 Nov 2016 12:39:22 +0300 2016, 12:39:22
21

Самые последние батареи намного легче и стоят меньше, чем на протяжении всего срока службы автомобиля, чем у старых. Но они не используют химию LA (свинцово-кислотная).

Аккумулятор LiFePO4 (Lithium Ferro Phosphate) будет делать то, что требуется при приемлемой стоимости жизни, но при более высоких начальных капитальных затратах, что делает его непривлекательным для производителей автомобилей.

Низкая начальная капитальная стоимость, по-видимому, является основной причиной предпочтения свинцовой кислоты для LiFeO4, и не очевидно, что есть и другие действительно веские причины.

Жизненный цикл намного больше, чем у свинцовой кислоты, что позволяет снизить стоимость жизни в целом по сравнению с кислотой свинца.

В отличие от LiIon (Lithium Ion) «всплеск сердца» не вызовет проблем, с которыми сталкивается LiIon.

Контроль зарядки «достаточно прост».

По сравнению с свинцовой кислотой:

Допустимая глубина разряда, & максимальная допустимая скорость заряда выше,

Температурный диапазон лучше

Эффективность перезарядки лучше.

Эффективность самозарядки лучше.

____________________________________________

Литиевый ион /LiIon:

Стоит прокомментировать батареи LiIon, поскольку они часто получают «плохую печать» в отношении безопасности.

По сравнению с свинцово-кислотной химией LiIon предлагают значительно лучшие плотности массы и энергии (более легкие и меньшие), несколько более длительный срок службы, более высокие капитальные затраты и, вероятно, несколько превосходящие стоимость всей жизни. Правильно управляемое управление зарядом проще. Температурные диапазоны лучше, эффективность заряда /разряда несколько выше. Недостатки, связанные с безопасностью, в значительной степени не являются проблемой - см. Ниже.

Во многих приложениях батареи LiIon - это батарея по выбору - от Dreamliners до телефонов Samsung до «Hoverboards», Mars Rovers до ноутбуков и смартфонов для MP3-плееров и многое другое. Первые три вышеуказанных приложения были выбраны для их известных впечатляющих сбоев. Но все, что используется в Mars Rover, выбрано для его пригодности в долгой жизни, враждебной среде, не должно не справляться с задачей. И есть сотни миллионов батареек LiIon в повседневном использовании в карманах людей, домах и автомобилях и многое другое.

Учитывая, что батареи LiIon CAN не работают, числа, которые работают с ошибкой, очень редки. Обнаруженные сбои часто возникают из-за системного сбоя, который влияет на пакет или модель батареи, которая была произведена и распространена в огромных количествах или в более низких объемах приложений с высоким профилем. В таких случаях ошибка конструкции или изготовления или недостаток вызывает или допускает сбои, последствия которых усугубляются неумолимым поведением химии LiIon.

Примеры широко освещаются событиями «vent with flame» в некоторых ноутбуках Apple, телефонах Samsung, самобалансирующихся «hoverboards» и т. д. В 1-м двух примерах обычно компетентные производители допускали, что дефект конструкции не был исправлен и /или незаметен или разрезан по углам при изготовлении в той мере, в какой границы безопасности догоняли их. В случае с «парящими досками» причина неизвестна мне, но она может быть низкокачественным недорогим изготовлением и плохим контролем заряда, как и все остальное. В потребительском оборудовании отказы аккумуляторной батареи LiIon часто возникают из-за короткого замыкания, возникающего в ячейке из-за неадекватных зазоров и либо последующей чувствительности к удару, либо ударов по дальним концам вариаций допуска к статистическому производству. Это ошибки проектирования и производства, которых можно избежать за счет дополнительных $ - то, что производители больших объемов хотели бы избежать.

В случае сбоев батареи Boeing Dreamliner я не видел окончательного отчета о причинах неполадок, но, несмотря на то, что в очень небольшом объеме продукции произошел ряд широко разрекламированных сбоев (и, возможно, несколько непубличных), последствия были поразительно хорошо сложен.

Подробное рассмотрение сбоев и режимов и последствий LiIon показывает, что они почтинеизменно нигде не столь же жестоко, как и популярный «миф», и что, хотя энерговыделение является существенным, сдерживание относительно просто в технических терминах. Containment добавляет вес, объем и стоимость, и его можно найти в ноутбуках или карманных /портативных устройствах. Он находится в Dreamliners и может быть легко использован в автомобильных приложениях с одной батареей (т.е. без EV), при этом вес и объем все еще значительно ниже уровня свинцовой кислоты и при скромных дополнительных затратах. В электромобилях проблемы, похоже, были решены или размещены «достаточно хорошо». У меня нет опыта в области регулирования безопасности транспортных средств, но я уверен, что правила, которые приносят нам впечатляющие снимки аварийной ситуации и позволят увядать с высоким уровнем летучести нефтяного топлива в пассажирских автомобилях, также затрагивают вопросы безопасности вокруг источников питания LiIon. Я не слышал о том, что автомобиль «Тесла» был уничтожен при отказе батареи - хотя, возможно, это произошло, и я думаю, что Муск и король считают, что у них есть эта область риска «адекватно в руке».

Я никогда, к моему разочарованию, не видел случая с вентилятором LiIon и лично не знаю никого, кто имеет. Происхождения достаточно распространены, чтобы иногда получать новости Новой Зеландии (население Новой Зеландии составляет менее 5 миллионов).


LiIon против LiFePO4:

По сравнению с LiFePO4 химия LiIon предлагает несколько лучшую плотность массы и энергии (несколько более легкую и меньшую), существенно НИЖНИЕ , немного меньшие капитальные затраты (на энергию емкость) и существенно низкую совокупную стоимость жизни. Контроль зарядки примерно такой же, но LiFePO4 значительно труднее повредить в маргинальных случаях. Температурные диапазоны не так хороши, эффективность заряда /разряда примерно одинакова. LiFePO4 гораздо меньше подвержены проблемам безопасности.

В районах с наименьшими размерами и весом и наименьшими затратами капитальных затрат (с хорошим использованием электромобилей) LiIon превосходит LiFePO4.

Практически во всех других областях и приложениях LiFePO4 лучше или намного лучше, чем LiIon, и я бы счел их актуальной технологией батареи выбора для долговременного использования энергии с высоким энергопотреблением.

ответил Russell McMahon 18 52016vEurope/Moscow11bEurope/MoscowFri, 18 Nov 2016 16:25:46 +0300 2016, 16:25:46
17

Существуют литиевые стартерные батареи , в основном для гоночных или других производительность или роскошные приложения, где стоимость сбережений или прав на похвалы стоит стоимости.

Как отмечали другие, требования приложения довольно экстремальные, а технология лития нуждается в особой разработке и заботе о том, чтобы надежно и безопасно выполнять роль стартерной /вспомогательной батареи в автомобиле. Цены чрезвычайно высоки - легко в десять-двадцать раз больше стоимости обычной свинцовой батареи. Большинство людей не хотят платить 1000 долларов за свой автомобильный аккумулятор, поэтому они этого не делают.

ответил J... 18 52016vEurope/Moscow11bEurope/MoscowFri, 18 Nov 2016 15:44:10 +0300 2016, 15:44:10
15

Ответ очень прост: потому что мы не нашли ничего лучшего.

Автомобильный аккумулятор должен удерживать заряд в течение длительного периода времени, иметь возможность подавать огромный ток и вписываться в небольшое пространство. И это поможет, если это не слишком дорого.

Свинцовая кислота по-прежнему является лучшим решением для этих требований.

Вы можете использовать химию на основе лития, они могут удерживать заряд и подавать большие токи. Они также намного дороже, чувствительны к температуре, требуют большей осторожности в электрическом отношении и более впечатляющие, если их неправильно или механически неправильно.
Дополнительные затраты и сложность просто не стоят преимуществ <Снижение конечной массы автомобилей на 1%.

ответил Andrew 18 52016vEurope/Moscow11bEurope/MoscowFri, 18 Nov 2016 12:46:55 +0300 2016, 12:46:55
5

Я видел, что вы добавили новый вопрос в конец своего сообщения:

  

Почему прогресс в технологии не был способен сделать их более легкими и эффективными?

Потому что это не то, как работает химия.

Емкость в одном типе батареи в значительной степени определяется количеством ионов, которые у вас есть, - то есть в случае свинцово-кислотных батарей, в значительной степени масса свинца, в которой вы нуждаетесь, плюс некоторые, чтобы сохранить структура не повреждена.

Теперь другие типы аккумуляторов страдают от недостатка поверхности или ограниченной подвижности ионов, которые ограничивают способность батареи источать большой ток, но мало что можно сделать, чтобы увеличить ее для свинцово-кислотной батареи - вода отличный носитель для используемых химических веществ, а текущая способность источника свинцово-кислотной батареи в значительной степени максимальна.

Следовательно, это просто зрелая технология. Так же, как мы не сделали дешевую конструкционную сталь намного лучше за последние 80 лет, не так много можно сделать о свинцово-кислотных батареях, чтобы сделать их лучше, не отказываясь от свинцово-кислотного принципа, со всеми проблемами, которые мой второй ответ объясняет .

ответил Marcus Müller 19 62016vEurope/Moscow11bEurope/MoscowSat, 19 Nov 2016 04:43:23 +0300 2016, 04:43:23
5

Использование суперконденсатора в качестве стартерной батареи вполне осуществимо и на практике проверено энтузиастами, см. пример . Помимо более высокой цены, приводятся некоторые примеры практических трудностей:

  • Суперкап в одиночку, при запуске автомобиля легче, чем свинцовая батарея, будет разряжаться примерно через полчаса при прослушивании радио, если он не будет постоянно заряжаться.
  • Непосредственно подключенная литиевая батарея + суперкассовая комбо не страдает сверху, но в итоге она повреждена, когда он использовал ее для запуска газонокосилки - для защиты литий-аккумулятора потребуется дополнительная электроника.
ответил Juraj 20 72016vEurope/Moscow11bEurope/MoscowSun, 20 Nov 2016 01:41:53 +0300 2016, 01:41:53
0

В основном одна причина: цена. Есть технологически лучшие альтернативы, такие как литий-ионные батареи, используемые в электромобилях, но они также намного дороже. Эти батареи абсолютно необходимы в электромобилях, где вам нужна огромная мощность, не увеличивая вес автомобиля (свинцовые батареи были бы слишком тяжелыми, если бы им пришлось заменять топливный бак в качестве единственного источника энергии для автомобиля), но в на топливных машинах вес одной классической свинцовой батареи, которая используется только для запуска двигателя, по сравнению с весом автомобиля невелика, в то время как соотношение цена /мощность резко ниже. Это вопрос стоимости /эффективности: они дешевле, они обеспечивают достаточную энергию для потребностей автомобиля, а его вес не имеет значения. Вес и размер становятся актуальными по сравнению с ценой, когда вы увеличиваете в несколько тысяч раз потребность в электропитании.

ответил user143522 22 22016vEurope/Moscow11bEurope/MoscowTue, 22 Nov 2016 16:53:37 +0300 2016, 16:53:37

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132