Когда речь заходит о долговечности аккумуляторов электромобилей, обычно упоминают химический состав аккумулятора, температуру, быструю зарядку и количество циклов. Однако крупное исследование реальных электромобилей выявило ещё одну проблему: сотни ячеек внутри одного аккумулятора стареют неравномерно.
И даже несколько элементов, которые изнашиваются быстрее остальных, могут существенно ограничить возможности всей батареи.
Международная команда исследователей проанализировала данные по 116 электромобилям с NMC-батареями и 17 электробусам с LFP-аккумуляторами. Наблюдения продолжались более трёх лет, а пробег отдельных машин достигал 300 000 км. В целом набор содержал около 587,5 млн строк реальных эксплуатационных данных. Исследование опубликовано в Nature Energy.
Всё решает самая слабая ячейка
Тяговая батарея электромобиля состоит из большого количества отдельных элементов. Изначально их характеристики могут быть практически одинаковыми, однако со временем разница нарастает.
Причинами могут быть небольшие отклонения в процессе производства, разная температура внутри батареи, особенности охлаждения, механические нагрузки и условия эксплуатации.
Проблема заключается в том, что аккумулятор, соединенный последовательно, вынужден ориентироваться на самый слабый элемент. Во время зарядки ячейка с меньшей ёмкостью первой достигает максимально допустимого напряжения. А при большой нагрузке элемент с повышенным внутренним сопротивлением может первым приблизиться к пределу безопасности.
В результате система управления батареей вынуждена ограничивать работу всего блока, даже если большинство его элементов все еще находятся в значительно лучшем состоянии.
Срок службы батареи сокращается почти на четверть
Расчеты показали, что неравномерное старение элементов сокращало срок службы аккумуляторов легковых электромобилей в среднем на 17,7 %.
Для электробусов этот эффект оказался ещё больше — 22,8 %.
Одновременно разница во внутреннем сопротивлении между элементами снижала доступную мощность аккумулятора примерно на 12,9 % в легковых автомобилях и на 15,1 % в автобусах.
Особенно интересно, что на небольших пробегах эта проблема практически незаметна. В исследованных легковых автомобилях значительные различия в характеристиках отдельных ячеек часто начинали проявляться примерно после 170 000 км. При этом конкретный момент сильно различался даже между автомобилями одной модели.
Часть ресурса фактически остается неиспользованной
Наиболее показательным стал расчет использования потенциального энергетического ресурса батарей в течение всего срока эксплуатации.
Для легковых электромобилей он составлял в среднем 80,7 %, а для электробусов — 72,9 %. То есть к моменту, когда самые слабые элементы заставляли считать батарею достигшей критерия окончания ресурса, примерно 19,3 % и 27,1 % потенциала остальных элементов соответственно оставались неиспользованными.
Это не означает, что электромобиль теряет четверть энергии во время каждой поездки. Речь идет о ресурсе, который более мощные элементы теоретически могли бы отдать в течение срока службы батареи, но не успевают из-за преждевременного износа менее мощных элементов.
Новые батареи могут стать более долговечными без изменения химического состава
Исследование показывает, что продлить срок службы аккумуляторов электромобилей можно не только за счет создания новых типов аккумуляторов.
Помочь в этом могут более точная сортировка ячеек перед сборкой батареи, более тщательный контроль качества производства, более равномерное охлаждение, усовершенствованная балансировка и системы, способные частично обходить проблемные элементы.
Современные системы управления батареями (BMS) уже достаточно хорошо справляются с обычной разницей в уровне заряда: в исследованных автомобилях из-за неё терялось, как правило, менее 2 % доступной ёмкости. Гораздо более сложной проблемой остаётся физическая разница в темпах износа самих элементов.
Поэтому следующий важный шаг в развитии аккумуляторов для электромобилей может заключаться не только в увеличении их ёмкости. Не менее важной задачей становится обеспечение максимально равномерного износа сотен элементов внутри одного аккумулятора.
