Маленький аккумулятор LFP или большой аккумулятор NMC, что выбрать? Пример Kia EV2

Аккумуляторы типа LFP всё чаще используются в бюджетных электромобилях, тогда как модели с большим запасом хода обычно остаются верными технологии NMC. Но в чём разница в их использовании, и какой из них стоит предпочесть? Kia EV2, оснащённый обоими типами аккумуляторов, является отличным примером для изучения.

Выбор между несколькими вариантами аккумуляторов для одной и той же электромашины обычно сводился к простому сравнению запаса хода, скорости зарядки и производительности с учетом цены, при этом действовал простой принцип: чем дороже, тем мощнее, тем дальше едет и тем быстрее заряжается. Однако с появлением аккумуляторов типа LFP правила изменились. Их все чаще предпочитают производители для «маленьких» моделей, в то время как крупные автопроизводители продолжают использовать аккумуляторы типа NMC. Это касается, например, Kia EV2, который мы рассматриваем сегодня в качестве примера, но также и целого нового поколения моделей группы Volkswagen, таких как ID.Polo, Skoda Epiq и Cupra Raval, а вскоре — и у Renault, начиная с моделей R5, Mégane и Scenic. Это делает ситуацию немного более сложной.

Что еще прочитать

Kia EV2: субсидия на покупку до 10 100 евро для этого небольшого электрического внедорожника

Рассмотрим этот корейский небольшой электрический внедорожник, который имеет два объема аккумуляторов — 42,2 и 61 кВт·ч, но с разной химической составляющей. Маленький аккумулятор выполнен по технологии LFP (литий-железо-фосфат), тогда как большой использует технологию NMC (никель-марганец-кобальт). При анализе их технических характеристик выявляются некоторые неожиданные результаты: маленький аккумулятор сочетается с самым мощным двигателем, обеспечивает наибольшее напряжение и более высокую максимальную скорость зарядки. Напротив, большой аккумулятор хранит почти на 45% больше энергии, при этом его вес увеличивается всего на несколько килограммов.

Так какой же выбрать?

317 или 453 км: запас хода, конечно же, играет ключевую роль

Начнём с самого простого. Благодаря емкости в 42,2 кВт·ч аккумулятор типа LFP позволяет EV2 достигать расстояния проезда до 317 км по стандарту WLTP в зависимости от конфигурации. При использовании аккумулятора типа NMC емкостью 61 кВт·ч максимальное расстояние проезда увеличивается до 453 км. Разница составляет 136 км, что соответствует примерно 43% дополнительного запаса хода.

Для автомобиля, предназначенного в основном для ежедневных поездок, примерно 300 км, которые обеспечивает небольшой аккумулятор, вполне достаточны для многих водителей, особенно при наличии возможности зарядки дома. Чтобы сделать EV2 основным автомобилем в семье и использовать его для дальних поездок, емкость в 61 кВт·ч, конечно же, гораздо более привлекательна.

До сих пор: малая емкость — малый запас хода, большая емкость — большой запас хода — это классика. Но именно здесь всё усложняется.

Разница между двумя аккумуляторами составляет всего 6 кг!

Вероятно, это самая удивительная особенность обоих наборов: аккумулятор LFP емкостью 42,2 кВт·ч весит 319 кг, тогда как аккумулятор NMC емкостью 61 кВт·ч весит 325 кг. Другими словами, разница между ними составляет всего 6 кг, при этом аккумулятор NMC содержит на 18,8 кВт·ч больше энергии, что на 45% больше. Эта разница иллюстрирует один из основных недостатков технологии LFP: её энергетическая плотность обычно ниже, чем у технологий NMC. При сопоставимой массе или габаритах технология NMC позволяет хранить больше энергии.

Тем не менее следует избегать прямого сравнения плотности ячеек на основе этих цифр. Kia указывает массу полных комплектов аккумуляторов, которые также включают их конструкцию, систему охлаждения, электронику и защитные элементы. Архитектура может существенно отличаться у разных аккумуляторов. Но для водителя вывод остается примечательным: увеличение емкости с 42,2 до 61 кВт·ч практически не влияет на массу EV2.

Для производителя наличие модельного ряда автомобилей с примерно одинаковой массой имеет ещё одно преимущество — необходимость адаптировать крепления к подвеске или систему торможения в зависимости от типа аккумулятора отпадает.

У маленьких аккумуляторов типа LFP тоже есть свои преимущества

Почему же Kia использует LFP для своей небольшой батареи? У этого типа химии есть несколько преимуществ, среди которых — хорошая термическая стабильность. Кроме того, он известен своей долговечностью: при сопоставимых характеристиках такие элементы часто выдерживают больше полных циклов зарядки и разрядки, прежде чем произойдет значительное снижение их эффективности.

Они также лучше справляются с частой полной зарядкой на 100%, что позволяет частично компенсировать разницу в автономности. Более того, для сбалансирования элементов необходима полная зарядка, что регулярно требуется бортовым компьютером — это совершенно другая тема, к которой Суфьян скоро вернется.

Это, конечно, не означает, что аккумулятор NMC никогда нельзя полностью заряжать, но длительное нахождение его в состоянии высокой зарядки традиционно менее благоприятно для снижения его ресурса.

Почему аккумулятор меньшего размера обеспечивает большую мощность?

Ещё одна интересная особенность: аккумулятор меньшего размера в EV2 обладает большей мощностью, чем более крупный, несмотря на то, что двигатель у них, как можно предположить, одинаков. У модели с меньшим аккумулятором максимальная мощность составляет 107,8 кВт (147 л.с.), тогда как у модели с NMC — 99,5 кВт (135 л.с.). Крутящий момент остается прежним — 250 Нм. В результате, в зависимости от версии, разгон с 0 до 100 км/ч занимает примерно от 8,5 до 8,7 секунд у модели с меньшим аккумулятором и от 9,5 до 9,7 секунд у модели с NMC.

Возвращаемся ли мы здесь к внутренним качествам LFP по сравнению с NMC? Да… но и нет. Конечно, химия играет роль, поскольку она влияет на напряжение элемента, его внутренний сопротивление, термические характеристики и ток, который он может принимать при разрядке. Однако не существует простого правила вроде «LFP обеспечивает большую мощность, чем NMC» — или наоборот. Исследования, сравнивающие различные элементы, показывают, что характеристики мощности сильно различаются в зависимости от выбранного элемента и его конструкции, причем это связано не только с химией.

В случае с EV2 это особенно важно, потому что наблюдается довольно парадоксальная ситуация. Обычно ячейка NMC имеет номинальное напряжение, выше чем у ячейки LFP — примерно 3,6–3,7 В против 3,2–3,3 В. Однако именно полная батарея LFP в EV2 показывает наибольшее напряжение: 358 В против 297 В. Это весьма вероятно означает, что у обеих батарей разная архитектура последовательного/параллельного соединения. Kia должна подключать больше ячеек LFP последовательно, чтобы достичь 358 В, в то время как конструкция батареи NMC больше ориентирована на емкость в А·ч. Это согласуется с полученными нами значениями:

LFP: 358 В × 118,2 А·ч ≈ 42,3 кВт·ч

NMC: 297 В × 206 А·ч ≈ 61,2 кВт·ч

И именно здесь напряжение может действительно сыграть роль — 147 кВт против 135 кВт. Чтобы получить примерно 108 кВт при напряжении 358 В, требуется примерно 301 А. Чтобы получить те же 108 кВт при напряжении 297 В, потребуется примерно 364 А, что на 21% больше тока.

Но это по-прежнему не доказывает, что Kia ограничивает версию NMC мощностью 99,5 кВт из-за напряжения в 297 В. Аккумуляторная батарея вполне может быть спроектирована так, чтобы выдерживать более высокий ток. Ограничение может исходить от самих элементов питания, системы BMS, инвертора, кабелей, системы терморегулирования или просто от выбора параметров калибровки со стороны Kia.

Быстрая зарядка дает ещё один результат, который на первый взгляд кажется парадоксальным. Kia заявляет о времени зарядки от 10 до 80% за 29 минут с использованием маленькой батареи, в то время как с большой — всего за 30 минут. Разница в одну минуту, несмотря на то что последняя способна хранить почти на 45% больше энергии!

Различия в химическом составе также могут объяснить разные кривые зарядки обеих батарей, поскольку ячейки LFP и NMC обладают разными электрическими и термическими характеристиками. Но это не объясняет всего: как и в случае с мощностью, здесь также решающую роль играют точный тип ячеек, их расположение в пакете, система охлаждения и стратегия BMS.

Пример EV2 является хорошей иллюстрацией этого. Небольшая батарея типа LFP достигает немного более высокого пика мощности — 118 кВт против 112 кВт у батарей типа NMC. Однако при зарядке от 10 до 80% наши расчеты на основе данных Kia показывают среднюю теоретическую мощность примерно 61 кВт для батарей типа LFP и 85 кВт для батарей типа NMC. Следовательно, большая батарея должна поддерживать высокую мощность в течение гораздо более длительного времени. Поэтому на самом деле важна кривая зарядки, а значит, средняя мощность, поддерживаемая в течение всего процесса зарядки. Ее можно довольно легко оценить на основе официальных данных. Зарядка от 10 до 80% соответствует 70% ёмкости батареи. Для небольшой батареи типа LFP:

42,2 × 70% = 29,5 кВт·ч

Эти 29,5 кВт·ч теоретически могут быть восстановлены за 29 минут, что соответствует средней мощности примерно 61 кВт.

Для большой батареи типа NMC:

61 × 70% = 42,7 кВт·ч

Восстановление этой энергии за 30 минут соответствует средней мощности около 85 кВт. Это полностью меняет интерпретацию характеристик. Большой аккумулятор показывает теоретическую среднюю мощность на уровне 10–80 % примерно на 40 % выше, чем у маленького. Он восстанавливает примерно на 13 кВт·ч больше всего лишь за дополнительную минуту.

Внимание: показатели в 61 и 85 кВт не являются результатами измерений на зарядном устройстве, а представляют собой теоретические средние значения, рассчитанные на основе мощностей и временных характеристик, указанных Kia. Фактически доступные мощности, буферы BMS и потери во время зарядки препятствуют получению точных данных. Тем не менее они отлично иллюстрируют, почему пиковую мощность зарядки нельзя рассматривать изолированно. Аккумулятор, способный кратковременно достигать очень высоких значений, не обязательно является тем, который заряжается быстрее. Менее впечатляющая мощность, но сохраняемая в течение гораздо более длительного времени, может принести лучшие результаты.

А сколько стоит большая батарея?

При одинаковой энергетической ёмкости батарея типа LFP обычно дешевле в производстве, чем батарея типа NMC. Основная причина заключается в материалах катода: LFP использует железо и фосфат, которые обильны и относительно недороги, тогда как в катодах NMC присутствуют никель, марганец и кобальт, которые значительно дороже и более чувствительны к колебаниям цен.

Это также одна из главных причин распространения технологии LFP в электромобилях начального и среднего класса: для снижения стоимости киловатт-часа жертвуют частично энергетической плотностью. Это позволяет предложить более дешёвую батарею, когда масса и габариты не являются приоритетными критериями.

Также стоит прочитать

Электромобиль: эта большая батарея LFP заряжается менее чем за 10 минут

И в конечном итоге именно этот показатель, скорее всего, окажет наибольшее влияние на принятие решения. Kia EV2 начинается с цены 26 670 евро в версии Light с аккумулятором LFP ёмкостью 42,2 кВт·ч — такая версия не предлагается с большим аккумулятором. В версии Air цена с малым аккумулятором составляет 28 820 евро, а с большим — 33 320 евро, то есть на 4 500 евро дороже. В версии Earth цена вырастает с 31 320 евро до 35 320 евро; разница здесь составляет 4 000 евро. Наконец, версия GT-Line по цене 37 320 евро доступна только с аккумулятором ёмкостью 61 кВт·ч.

Следовательно, при сопоставимом оснащении важно задаться вопросом: оправдывают ли дополнительные 136 км максимального радиуса действия для вас разницу в цене примерно 4 000–4 500 евро? Ответ на этот вопрос полностью зависит от способа использования автомобиля.

Так что же, LFP или NMC?

В конечном итоге не существует технологии, которая бы систематически превосходила другую. Для автомобиля, предназначенного прежде всего для ежедневных поездок, аккумуляторы типа LFP обладают серьезными преимуществами: они дешевле, более износостойки и обеспечивают достаточный запас хода для большинства случаев использования. Однако аккумуляторы типа NMC сохраняют решающее преимущество там, где необходимо разместить большое количество энергии без увеличения массы и габаритов, что делает их особенно подходящими для версий с большим запасом хода.

Kia EV2 показывает, что не стоит сводить выбор к единственному фактору — химическому составу. Архитектура батарейного блока, напряжение, используемые элементы питания, система терморегуляции и стратегия зарядки могут приводить к иногда неочевидным результатам. В данном случае небольшая батарея на основе технологии LFP обладает большей мощностью и показывает лучший пик зарядки, в то время как крупная батарея на основе технологии NMC собирает гораздо больше энергии практически за тот же промежуток времени. Поэтому при выборе лучше ориентироваться на то, как будет использоваться автомобиль, и на весь его технический паспорт, а не на три буквы, указанные после слова «батарея».