В то время как электромобилям требуется как запас хода, так и мощность от аккумуляторной батареи, гибриды требуют аналогичной мощности при гораздо меньших затратах энергии.
Вы можете подумать, что аккумуляторная батарея любого электрифицированного автомобиля — гибридного, подключаемого гибридного (PHEV) или чисто электрического (BEV) — практически одинакова, за исключением размера. Но при этом упускаются из виду два ключевых различия в способах использования аккумуляторов в разных типах электрифицированных транспортных средств. Первое — это поступление электроэнергии в аккумулятор и из него в зависимости от его размера. Например, при умеренном разгоне все три типа электрифицированных транспортных средств потребляют одинаковое количество энергии, точно так же, как при умеренном замедлении, все они могут восстанавливать энергию с одинаковой скоростью при рекуперативном торможении.
Но чистый электромобиль может иметь аккумулятор в десять раз больше PHEV, который, в свою очередь, может иметь аккумулятор в десять раз больше, чем у гибрида. Таким образом, величина расхода энергии относительно энергоемкости аккумулятора — его соотношения мощности к энергии — сильно отличается для аккумуляторов в разных электрифицированных транспортных средствах. В приведенной ниже таблице использованы примеры каждого типа автомобилей из линейки Ford, чтобы проиллюстрировать различия в емкости аккумуляторов и соотношении мощности к энергопотреблению.
Более того, поскольку три разных автомобиля используют свои электрифицированные силовые агрегаты по-разному, количество циклов зарядки / разряда, наблюдаемое каждым аккумулятором, значительно различается. В гибриде, разработанном для повышения эффективности бензинового двигателя, энергия постоянно поступает в небольшой аккумулятор, который должен быть компактным, легким и не очень дорогим. Вы можете полностью зарядить и разрядить аккумулятор пять раз по дороге в продуктовый магазин, чтобы купить галлон молока.
Подключаемый гибрид оснащен аккумулятором гораздо большего размера, рассчитанным на полное питание автомобиля на расстояниях от 10 до 40 миль. Он также обеспечивает постоянную зарядку и разрядку при городской езде, но эти потоки энергии невелики по сравнению с его общей емкостью, которая может полностью разряжаться только один или два раза в день. Аккумулятор BEV по—прежнему намного больше, и этот аккумулятор редко проходит полный цикл зарядки / разряда — возможно, только во время автомобильных поездок или наших испытаний на пробег по шоссе со скоростью 75 миль в час.
По словам Баба Таенаки, старшего технического эксперта Ford по технологии аккумуляторных элементов и передовым аккумуляторным системам, аккумулятор в электромобиле BEV может выдержать всего 1000 циклов зарядки / разряда за весь срок службы. Это значительно меньше, чем 4000-8000 циклов, которые может выдержать аккумулятор PHEV, в то время как гибридный аккумулятор может выдержать 100 000 циклов и более.
“По мере зарядки и разрядки аккумулятора увеличивается его внутреннее сопротивление”, — говорит Таенака. Один из способов контролировать это — ограничить использование емкости аккумулятора во время цикла зарядки / разрядки. Для гибрида, такого как F-150, который использует максимальное количество циклов, “окно состояния заряда (доля фактически используемой емкости аккумулятора) сегодня, вероятно, составляет около 50 процентов”. Для PHEV, таких как Escape, эта полезная доля может возрасти до 80 процентов или около того. А для Mustang Mach-E этот показатель приближается к 90 процентам.
Чтобы отрегулировать соотношение мощности аккумулятора к потребляемой энергии, инженеры изменяют толщину как токоприемников, так и их химических покрытий. Кратковременные всплески пиковой мощности гибрида требуют большого электрического тока от небольшой батареи, что, как ни странно, означает более тонкие электроды и более тонкие химические покрытия. Это связано с тем, что эти более тонкие элементы увеличивают площадь поверхности электрода, контактирующего с электролитом.
И наоборот, в аккумуляторах BEV используются более толстые электроды и более высокая загрузка активного химического материала. Более толстые электроды обеспечивают большую плотность энергии, поскольку большую часть общего объема элемента составляют электроды и активный материал, а меньшую — сепаратор, токоприемники и электролит. Максимальное использование доступных киловатт-часов на фунт становится все более важным по мере увеличения размеров батарей. Типичным химическим покрытием является литий-марганцево-оксидное — и есть другие, — но химический состав не имеет решающего значения для определения того, является ли элемент более мощным или энергоемким.
Еще одним фактором является общее напряжение аккумуляторной батареи. Ford использует гибридные электрические системы с максимальной мощностью около 400 Вольт, поэтому все три типа автомобилей подключены к своим элементам, чтобы оставаться в пределах этого ограничения. Поскольку большинство литий-ионных элементов питания работают при напряжении 3,6 Вольта, гибридный аккумулятор F-150 использует 76 небольших элементов, соединенных последовательно, для выработки 274 вольт. 84 элемента питания Escape PHEV гораздо большего размера — 171 ватт-час на элемент против 20 — также подключены последовательно общей напряжением 300 Вольт. Однако 376 еще более крупных элементов (262 ватт-часа) в Mustang Mach-E соединены в четыре цепочки по 94 элемента, каждая общей мощностью 343 вольта, которые затем подключаются параллельно, чтобы оставаться в пределах 400-вольтового предела электрической архитектуры Ford.
