Невелика кількість швидше старіючих елементів у батареї електромобіля може змусити вивести з експлуатації весь акумуляторний блок, залишивши значну частину його потенційної енергії невикористаною. На це вказує нове дослідження, про яке повідомляє Interesting Engineering.
Команда під керівництвом проф. Чень Чжунвея (CHEN Zhongwei) з Даляньського інституту хімічної фізики в Китаї та проф. Цзоу Чанфу (ZOU Changfu) з Технологічного університету Чалмерса у Швеції проаналізувала дані експлуатації транспортних засобів більш ніж за три роки. У вибірку увійшли легкові автомобілі з батареями на основі нікель-марганець-кобальту та автобуси з літій-залізо-фосфатними акумуляторами. Деякі машини проїхали до 300 000 кілометрів.
Як «найслабший» елемент обмежує всю батарею
Акумуляторний блок електромобіля складається з багатьох окремих елементів, які працюють як єдина система. Проте відмінності в матеріалах, виробництві, групуванні елементів, температурі та умовах експлуатації призводять до того, що вони старіють з різною швидкістю. Це створює ефект «найслабшого елемента».
Під час заряджання елемент з меншою ємністю першим досягає верхньої межі напруги. Під час розряджання або роботи на високій потужності елемент із більш високим внутрішнім опором може першим досягти своїх меж безпеки. Коли найшвидше старіючий елемент досягає порогу «пенсії», з експлуатації виводять увесь блок, навіть якщо решта елементів ще мають придатну ємність.
На відміну від попередніх робіт, що спиралися переважно на лабораторні випробування, це дослідження оцінює довгострокові наслідки такої нерівномірності саме в реальних умовах експлуатації транспортних засобів.
Реальні дані показали, як старіють елементи
Дослідники аналізували сигнали напруги, струму, температури та стану заряду. Вони поєднали ідентифікацію параметрів батарейних моделей із нейронними мережами, щоб оцінити, як змінюються ємність і внутрішній опір елементів за стандартизованих умов.
Такий підхід дозволив зменшити вплив сезонних коливань, різних рівнів заряду та режимів роботи, забезпечивши коректне порівняння траєкторій старіння. У легкових авто розкид за «станом здоров’я» елементів залишався невеликим на малих пробігах. Однак після приблизно 105 633 миль (близько 170 000 кілометрів) деякі елементи починали старіти швидше, і відмінності ставали помітними. Ступінь цього прискореного зносу суттєво відрізнявся між окремими машинами.
До чверті енергії батареї лишається невикористаною
За єдиного порогу виведення з експлуатації нерівномірність старіння зменшувала придатний до використання «стан здоров’я» всього блоку на 6,2% у легкових авто та на 7,5% в автобусах. Якщо порівнювати з середнім розрахунковим строком служби окремих елементів, ресурс усього блоку скорочувався на 17,7% і 22,8% відповідно.
Різниця у внутрішньому опорі елементів також знижувала потужність, яку може видати батарея: на 12,9% у легкових автомобілях і на 15,1% в автобусах. Водночас дисбаланс за станом заряду, з урахуванням застосованих стратегій балансування, зазвичай зменшував доступну заряджену ємність менш ніж на 2%.
У підсумку коефіцієнт використання енергетичного ресурсу за весь строк служби становив лише 80,7% для батарей легкових авто та 72,9% для автобусів. Тобто приблизно 19,3% і 27,1% потенційної енергії залишалися невикористаними, коли найслабші елементи змушували вивести блок з експлуатації.
Проф. Чень наголосив, що продуктивність і строк служби батарейного блоку електромобіля визначаються не лише середнім рівнем старіння елементів, а можуть суттєво обмежуватися невеликою кількістю швидше деградуючих осередків. За його словами, кількісна оцінка цього ефекту в реальних умовах дає основу для кращого використання батарей, управління їхнім життєвим циклом і оптимізації на рівні всієї системи.
Як можна зменшити ефект «найслабшого елемента»
Автори роботи вважають, що зменшити вплив найслабших елементів можуть кілька підходів: підвищення однорідності виробництва, ретельніше групування елементів у модулі, удосконалені системи балансування заряду, ефективніше теплове керування та використання переконфігуровних батарейних систем.
Дослідження опубліковане в журналі Nature Energy і демонструє, що навіть за сучасних технологій значна частина потенціалу батарей електромобілів і електробусів залишається нереалізованою саме через нерівномірне старіння окремих елементів.