Коли говорять про довговічність батарей електромобілів, зазвичай згадують хімію акумулятора, температуру, швидкі зарядки та кількість циклів. Однак велике дослідження реальних електромобілів показало ще одну проблему: сотні комірок усередині одного акумулятора старіють неоднаково.
І навіть кілька комірок, які деградують швидше за інші, можуть суттєво обмежити можливості всієї батареї.
Міжнародна команда дослідників проаналізувала дані 116 електричних легковиків із NMC-батареями та 17 електробусів із LFP-акумуляторами. Спостереження тривали понад три роки, а пробіг окремих машин доходив до 300 000 км. Загалом набір містив близько 587,5 млн рядків реальних експлуатаційних даних. Дослідження опубліковане в Nature Energy.
Усе вирішує найслабша комірка
Тягова батарея електромобіля складається з великої кількості окремих комірок. Спочатку їхні характеристики можуть бути майже однаковими, однак із часом різниця накопичується.
Причинами можуть бути невеликі відмінності під час виробництва, різна температура всередині батареї, особливості охолодження, механічні навантаження та умови експлуатації.
Проблема в тому, що послідовно з’єднаний акумулятор змушений орієнтуватися на найслабший елемент. Під час заряджання комірка з меншою місткістю першою досягає максимально допустимої напруги. А під великим навантаженням елемент із підвищеним внутрішнім опором може першим наблизитися до межі безпеки.
У результаті система керування батареєю змушена обмежувати весь пакет, навіть якщо більшість його комірок ще перебувають у значно кращому стані.
Ресурс батареї скорочується майже на чверть
Розрахунки показали, що нерівномірне старіння комірок скорочувало корисний ресурс батарей легкових електромобілів у середньому на 17,7%.
Для електробусів ефект був ще більшим — 22,8%.
Одночасно різниця внутрішнього опору між комірками зменшувала доступну потужність батареї приблизно на 12,9% у легкових автомобілях та на 15,1% у автобусах.
Особливо цікаво, що на невеликих пробігах проблема майже непомітна. У досліджених легковиках значне розходження характеристик окремих комірок часто починало проявлятися після приблизно 170 000 км. Водночас конкретний момент сильно відрізнявся навіть між машинами однієї моделі.
Частина ресурсу фактично залишається невикористаною
Найбільш показовим став розрахунок використання потенційного енергетичного ресурсу батарей протягом усього строку експлуатації.
Для легкових електромобілів він становив у середньому 80,7%, а для електробусів — 72,9%. Тобто до моменту, коли найслабші комірки змушували вважати батарею такою, що досягла критерію завершення ресурсу, приблизно 19,3% і 27,1% потенціалу решти елементів відповідно залишалися невикористаними.
Це не означає, що електромобіль втрачає чверть енергії під час кожної поїздки. Йдеться про ресурс, який сильніші комірки теоретично могли б віддати протягом життя батареї, але не встигають через передчасне старіння слабших елементів.
Нові батареї можуть стати довговічнішими без зміни хімії
Дослідження показує, що збільшити ресурс електромобільних батарей можна не лише створенням нових типів акумуляторів.
Допомогти можуть точніше сортування комірок перед складанням батареї, кращий контроль якості виробництва, рівномірніше охолодження, вдосконалене балансування та системи, здатні частково обходити проблемні елементи.
Сучасні BMS уже досить добре справляються зі звичайною різницею рівня заряду: у досліджених автомобілях через неї втрачалося переважно менш як 2% доступної місткості. Значно складнішою проблемою залишається фізична різниця в темпах старіння самих комірок.
Тому наступний великий крок у розвитку електромобільних батарей може полягати не лише у збільшенні їхньої місткості. Не менш важливим завданням стає зробити так, щоб сотні комірок усередині одного акумулятора старіли максимально однаково.
