Батарея на морозе: зачем электромобилю жидкостное охлаждение

Как охлаждают батареи электромобилей и зачем их прогревают

Большинство современных электромобилей прокачивает жидкий теплоноситель через тяговую батарею. Система не только отводит лишнее тепло, но и помогает поддерживать нужную температуру: в холодную погоду батарею можно заранее прогреть, чтобы она быстрее принимала заряд.

Поэтому электромобиль иногда медленно заряжается на быстрой станции морозным утром. Если заранее указать зарядную станцию как пункт назначения в навигации, многие машины начнут готовить батарею ещё в пути. В руководстве Tesla советуют делать это за 30–45 минут до приезда. Porsche предупреждает: без предварительного прогрева мощность зарядки может быть ниже.

Обычно охлаждающая жидкость циркулирует по трубкам или пластинам, соприкасающимся с батарейными ячейками. Она забирает тепло и передаёт его радиатору либо системе кондиционирования автомобиля. При небольшой нагрузке достаточно радиатора, а во время интенсивной зарядки тепло могут отводить через теплообменник, соединённый с кондиционером.

Температура влияет и на долговечность батареи. Компания Geotab, занимающаяся управлением автопарками, изучила более 22 700 электромобилей: в среднем батареи теряли 2,3% ресурса в год. В жарком климате снижение было примерно на 0,4 процентного пункта в год больше, чем в умеренном. У машин, часто использовавших быструю зарядку мощностью свыше 100 кВт, показатель составил 3% в год; у тех, кто редко заряжался так, — 1,5%.

При среднем темпе через десять лет батарея сохраняет около 77% исходного ресурса. Это согласуется с исследованиями, согласно которым аккумуляторы электромобилей служат дольше, чем предполагали ранние оценки. Однако быстрая зарядка — особенно при токе от 300 ампер — выделяет много тепла, которое нужно отводить. Обзор исследований, опубликованный в журнале Energies в 2021 году, отмечал: разница температур более 5 °C внутри одной ячейки может ускорить её старение на 25%. Поэтому системе важно поддерживать равномерную температуру всего блока.

На холоде растёт внутреннее сопротивление батареи. Если быстро заряжать слишком холодные ячейки, на электродах может оседать металлический литий — это явление называется литиевым покрытием, или lithium plating, и с понижением температуры риск увеличивается. По данным компании Recurrent, изучившей более 30 000 электромобилей в США, на морозе запас хода в среднем составлял 78% от показателя в идеальных условиях, а при −7 °C — около 70%. Примерно две трети дополнительной энергии, которую электромобиль расходует в холод, уходит на отопление салона.

Ранний Nissan Leaf 2010 года обходился без жидкостного охлаждения: его батарею ёмкостью 24 кВт·ч охлаждал воздух. Tesla, General Motors и Ford применяли жидкостные системы. Владельцы 12 Leaf 2011 и 2012 модельных годов в Финиксе проверили запас хода и обнаружили его снижение. Nissan заявляла, что проблема затронула менее 0,3% машин в США; об этом в 2012 году писал MIT Technology Review. В третьем поколении Leaf, представленном Nissan в 2025 году, появилась жидкостно охлаждаемая батарея на 75 кВт·ч.

Согласно обзору в Energies, жидкостное охлаждение требует в два-три раза меньше энергии, чем воздушное, чтобы поддерживать батарею при той же температуре. Поэтому такой вариант стал основным для современных электромобилей.

Некоторые производители выбрали другие решения. Инженеры BMW i3 отказались от отдельного контура охлаждающей жидкости и направили к батарее хладагент автомобильного кондиционера. Британская McLaren пошла дальше: в суперкаре Speedtail ячейки погружены в электроизолирующее масло. Компания называла это первым подобным решением для серийного дорожного автомобиля. Моделирование, приведённое в обзоре Energies, показало, что иммерсионное охлаждение — погружение ячеек в жидкость — может отводить тепло до трёх раз эффективнее охлаждающих пластин.

Тепловые системы могут не только отводить тепло, но и перераспределять его. Nissan, например, переключает режимы и во время домашней зарядки направляет тепло от зарядного устройства к батарее, чтобы прогреть её. В Tesla Model Y клапан, получивший прозвище Octovalve («восьмиклапан»), распределяет теплоноситель между двигателями, батареей и электроникой. Кроме того, Tesla изучает патент на намеренно менее эффективную работу двигателя: возникающее лишнее тепло можно использовать для прогрева батареи.

General Motors заявляет, что тепловой насос Ultium собирает тепло от батареи, силовой электроники и даже пассажиров, чтобы обогревать салон. По оценке компании, это увеличивает запас хода примерно на 10%.

Отдельная задача — не допустить распространения пожара внутри батареи. Китай ввёл новые правила: производители новых электромобилей должны доказать, что батарея не загорится и не взорвётся, если в одной ячейке произойдёт тепловой разгон — неконтролируемый рост температуры. Выполнение этого требования зависит в том числе от охлаждения и изоляции, которые должны не дать перегреву перейти на соседние ячейки.