Az elektromos autók akkumulátorai hasonlóak, de messze nem azonosak egy AA vagy AAA elemmel. Az elektromos jármű akkumulátora inkább egy nagy téglalapra hasonlít, mint egy kis hengerre. A kétféle akkumulátortípus viszont ugyanazon az általános elven működik. Ez azt jelenti, hogy a hibrid vagy elektromos járműben lévő akkumulátor csak egy kicsit bonyolultabb, mint a henger alakú cellák, amelyeket a háztartásban használunk.
A HEV, PHEV vagy BEV (azaz hibrid-elektromos jármű, plug-in hibrid-elektromos jármű, illetve akkumulátoros-elektromos jármű) akkumulátora különböző anyagokból készülhet, melyek mindegyike más-más teljesítményjellemzőkkel rendelkezik. Az ezekben a nagy akkumulátorcsomagokban tárolt egyes cellák is sokféle formában és méretben léteznek.
Hogyan működik egy EV akkumulátor?
Az elektromos járművek akkumulátorának cellái egy anóddal (negatív elektróda) és egy katóddal (pozitív elektróda) rendelkeznek, amelyeket műanyagszerű anyag választ el egymástól. Amikor a pozitív és negatív pólusokat összekapcsoljuk (hasonlóan egy zseblámpa bekapcsolásához), az ionok a két elektróda között a cellában lévő folyékony elektroliton keresztül áramlanak. Az elektródák által leadott elektronok eközben a cellán kívüli vezetéken keresztül haladnak.
Ha az akkumulátor áramot szolgáltat (például egy zseblámpa izzója) – ezt a műveletet kisütésnek nevezzük -, akkor az ionok az elválasztón keresztül áramlanak az anódtól a katódig, míg az elektronok a vezetéken keresztül a negatív (anód) pólustól a pozitív (katód) pólusig haladnak, hogy áramot szolgáltassanak egy külső fogyasztónak. Idővel a cella energiája kimerül, ahogyan az meghajtja azt, amit táplál.
Amikor azonban a cella feltöltődik, az elektronok egy külső energiaforrásból a másik irányba áramlanak (pozitívból negatívba), és a folyamat megfordul: az elektronok a katódból visszaáramlanak az anódba, és ezzel ismét megnövelik a cella energiáját.
EV akkumulátor-építés
Az EV-kben lévő akkumulátorok több száz, de akár több ezer egyedi cellából állnak, amelyeket általában modulokba csoportosítanak. Akár több tucat modul is lehet egy akkumulátorcsomagban, amely egy teljes EV-akkumulátort tesz ki.
Az EV-cellák lehetnek kis hengeres cellák, mint az AA vagy AAA cellák, különböző szabványosított méretekkel. A Tesla, a Rivian, a Lucid és néhány más autógyártó ezt a megközelítést alkalmazza, és több ezer ilyen kis cellát kapcsol össze. E vállalatok szerint a kis cellák előnye az, hogy sokkal olcsóbb a nagy mennyiségben történő gyártásuk. A Tesla mégis azt tervezi, hogy a nagyobb henger alakú cellák kisebb darabszámára tér át, hogy csökkentse az autók akkumulátorcsomagjain belüli csatlakozások számát.
Az EV-cellák azonban két másik formátumban is léteznek: prizma alakú (merev és téglalap alakú) vagy tasakos (szintén téglalap alakú, de puha alumínium tokban, amely extrém hő hatására lehetővé teszi a cella falának némi tágulását). Kevés szabványosított prizma- vagy tasakcellaméret létezik, és a legtöbb autógyártó – például a General Motors és a Ford – a cellagyártóval – például a kínai CATL, a japán Panasonic vagy a koreai LG Chem – együttműködve határozza meg a sajátját.
Az EV akkumulátorok típusai
Az elektromos járművek akkumulátorának kémiai összetétele – vagy a katódban használt anyagok – a különböző cellatípusokban más-más. Ma alapvetően kétféle akkumulátorkémia létezik, mindkettő a lítium-ion kategóriába tartozik, ami azt jelenti, hogy katódjaikban lítiumot használnak más fémekkel együtt.
A lítium-ion akkumulátorok két típusa
Az első, Észak-Amerikában és Európában legelterjedtebb: nikkel, mangán és kobalt (NMC) vagy nikkel, mangán, kobalt és alumínium (NMCA) keverékét használja.
Ezeknek az akkumulátoroknak nagyobb az energiasűrűségük (tömegre vagy térfogatra jutó energia), de nagyobb a hajlamuk arra is, hogy drasztikus rövidzárlat vagy súlyos ütközés esetén oxidálódjanak (kigyulladjanak). A cellagyártók és az akkumulátormérnökök sok időt töltenek a cellák és modulok ellenőrzésével, mind a gyártás során, mind a használat során, hogy csökkentsék az oxidáció esélyét.
A második típus, amelyet Kínában sokkal szélesebb körben használnak: lítium-vas-foszfát vagy LFP néven ismert. A vas-foszfát cellák energiasűrűsége lényegesen kisebb, ezért nagyobb akkumulátorokra van szükség ugyanannyi energia (és ezáltal hatótávolság) biztosításához, mint az NMC-alapú akkumulátoroké.
Ezt ellensúlyozza azonban, hogy az LFP-cellák kevésbé oxidálódnak rövidzárlat esetén. Az LFP-cellák nem használnak ritka és költséges fémeket. Mind a vasat, mind a foszfátot számos ipari alkalmazásban használják ma, és egyik sem számít ritka vagy erőforrás-korlátozott fémnek. Ezen okok miatt az LFP-cellák kilowattóránként olcsóbbak.
Az alacsonyabb költségek miatt a Tesla (és újabban a Ford) az LFP-cellákat használja az alapmodell elektromos járműveiben, és a drágább és nagyobb energiájú kemikáliákat a drágább modellekben.
Ami a cella másik elektródját, az anódot illeti, ma már a legtöbbet grafitból készítik.
EV akkumulátor szoftver
Az egyszerű AA vagy AAA cellával ellentétben az EV akkumulátorok sok szoftvert igényelnek. Egy AA vagy AAA cellától legfeljebb néhány év élettartamra számíthatunk. Az autógyártók azonban garanciát vállalnak az EV-k akkumulátor-alkatrészeire, gyakran egy évtizedig vagy akár 150 000 mérföldes használatig.
Az EV-akkumulátorok idővel veszítenek a töltési kapacitásukból. 100 000 mérföld (kb 161 000 km) után a hatótávolság csökkenése általában 10-20 százalékos nagyságrendű.
Az akkumulátormodulok és maga a csomag egy sor érzékelővel rendelkezik, amelyek figyelik az egyes alkatrészek által leadott teljesítményt – amely ideális esetben minden cellában és modulban azonos -, valamint a csomag hőjét. Az akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) néven ismert szoftvercsomag figyeli ezeket az információkat.
Az akkumulátorok érzékenyek a hőmérséklet-változásra, és 70 Fahrenheit fok (kb. 21 Celsius fok) körüli hőmérsékleten teljesítenek a legjobban. Ha egy elektromos jármű akkumulátorcsomagja a túlmelegedés jeleit mutatja, a legtöbb modern HEV, PHEV és BEV akkumulátorának BMS rendszere hűtőfolyadékot keringtet a csomagban, hogy a hőt elvezesse és a hőmérsékletet 70 fok közelébe vigye. Az akkumulátorok extrém hidegben kevesebb energiát szolgáltatnak. Ha az EV-tulajdonos kondicionálja járművét, akkor a vezérlőszoftver és a BMS a hálózati energiát (ha be van kötve) vagy esetleg némi akkumulátor-energiát használhat az akkumulátor felmelegítéséhez. Az előkondicionálás lehetővé teszi, hogy az EV akkumulátor egy bizonyos teljesítményszintet adjon le, amint a vezető elindul.
Új akkumulátor-technológia az elektromos autókhoz
Az akkumulátortechnológia folyamatosan fejlődik. Bár a mai elektromos autók túlnyomórészt lítiumion-akkumulátorokat használnak, a jövő akkumulátoros autóiban valószínűleg más kémiai összetételű akkumulátorokat használnak majd. A szilárd elektrolitot tartalmazó cellákat használó szilárdtest-akkumulátorok például ígéretes alternatívát jelentenek, ebbe számos gyártó beruház. A Toyota az évtized közepére tervezi egy szilárdtest-akkumulátorral felszerelt jármű bevezetését.
A szilárdtest-akkumulátorok nagyobb energiasűrűséget kínálnak, ami a hasonló lítium-ion akkumulátorokhoz képest nagyobb hatótávolságot tesz lehetővé. A mérnökök azon dolgoznak, hogy csökkentsék a szilárdtest-cellák előállításának anyagköltségét. Illetve ezeknek a celláknak az élettartamát is drámaian javítani kell ahhoz, hogy egy HEV, PHEV vagy BEV több ezer teljes kisütési ciklusát elviseljék.
Ettől függetlenül az akkumulátoros járművek jövője ígéretes. Az új technológiák javítják az elektromos autók hatékonyságát és hatótávolságát, és a lítium-ion akkumulátorok ára az elkövetkező években jelentősen csökkenni fog.
Borítókép: CarANDDriver
Forrás: CarANDDriver
