Одна из главных проблем аккумуляторов электромобилей заключается в том, что их срок службы может зависеть от состояния отдельных элементов. Даже если большинство ячеек сохраняет хорошую работоспособность, несколько быстрее изнашивающихся компонентов способны ограничить возможности всей батареи. Исследователи из Швеции предложили конструкцию, которая позволяет обходить такие слабые звенья и продолжать использовать оставшиеся элементы.
По результатам компьютерного моделирования, новая архитектура способна увеличить срок службы аккумуляторной батареи более чем на 20%. В одном из рассмотренных сценариев для электромобиля с аккумулятором ёмкостью 80 кВт·ч необходимость замены батареи удалось отодвинуть примерно на 14 месяцев. Впрочем, пока это расчётные результаты, которые ещё предстоит подтвердить испытаниями на реальных автомобилях.
Почему аккумуляторы электромобилей теряют эффективность
Современная тяговая батарея состоит из множества отдельных электрохимических ячеек, соединённых в определённую электрическую схему. Во время эксплуатации они постепенно стареют: теряют часть ёмкости, меняют внутреннее сопротивление и начинают отличаться друг от друга по характеристикам.
Проблема в том, что деградация происходит неравномерно. Одни ячейки могут сохранять работоспособность значительно дольше других. Однако в традиционной конструкции возможности всего аккумуляторного блока во многом определяются наиболее слабыми элементами.
Это похоже на цепь, прочность которой зависит от самого ненадёжного звена. Если одна ячейка первой достигает допустимого предела напряжения или других эксплуатационных ограничений, система управления вынуждена учитывать её состояние при работе всей батареи. В результате часть оставшихся ресурсов более исправных элементов может оказаться недоступной.
Для владельца электромобиля это означает постепенное сокращение доступного запаса энергии и, соответственно, потенциального пробега. Кроме того, батарею может потребоваться заменить раньше, чем исчерпается ресурс большинства входящих в неё ячеек.
Как работает аккумулятор с обходом слабых ячеек
Разработку предложили исследователи Технологического университета Чалмерса в Швеции. Вместо того чтобы постоянно использовать одну и ту же схему соединения элементов, новая система позволяет изменять её по мере старения аккумулятора.
Для этого применяются электронные переключатели и система управления, способная перенастраивать электрические соединения. Если отдельная ячейка начинает заметно уступать остальным, схема может отключить её от рабочего контура и направить ток в обход этого элемента. При этом более исправные ячейки продолжают работать.
Как пояснил Альберт Шкегро (Albert Škegro), аспирант университета и первый автор исследования, такой подход позволяет не давать проблемной ячейке ограничивать работу всей батареи.
Ключевая особенность решения — возможность адаптировать конфигурацию аккумулятора к изменяющемуся состоянию его компонентов. Вместо того чтобы считать батарею неизменным набором соединённых элементов, система рассматривает её как управляемую электрическую структуру.
Исследователи проверили концепцию с помощью моделей аккумуляторов, предварительно подтверждённых экспериментальными данными. Они рассмотрели разные химические составы, конфигурации батарей, условия эксплуатации и варианты старения. Для каждого сценария провели по 1000 статистических симуляций методом Монте-Карло, позволяющим учитывать случайные различия между отдельными ячейками.
Кроме того, анализ охватил 20 характерных моделей электромобилей от 15 производителей. Результаты показали, что потенциальный эффект обычно увеличивается вместе с рабочим напряжением батареи. Поэтому технология особенно интересна для электрических грузовиков и легковых автомобилей с большим запасом хода, где используется множество последовательно соединённых элементов.
Однако максимального результата можно добиться лишь при индивидуальном управлении каждой ячейкой. Для серийного производства такая схема может оказаться слишком сложной и дорогой. Более реалистичный вариант — управление группами элементов, позволяющее сократить количество необходимой электроники.
На сколько увеличится срок службы аккумулятора
Исследователи оценили не только технические возможности новой конструкции, но и её экономическую целесообразность. Ведь дополнительные переключатели, датчики и управляющая электроника увеличивают стоимость батареи. Чтобы технология получила распространение, выгода от более продолжительной эксплуатации должна компенсировать эти расходы.
В одном из расчётных сценариев рассматривался электромобиль с аккумулятором ёмкостью 80 кВт·ч, который ежегодно проезжает около 12 000 км. Обычная батарея достигала принятого в модели порога замены через десять лет. Перенастраиваемая конструкция позволяла отложить этот момент ещё примерно на 14 месяцев.
Моделирование также выявило условия, при которых дополнительные затраты могут оказаться оправданными. Наиболее привлекательными выглядели батареи ёмкостью более 50 кВт·ч, автомобили с годовым пробегом менее 12 150 км и системы, удорожание которых не превышает примерно 7,16% от первоначальной стоимости.
Экономический эффект может быть связан не только с отсроченной заменой аккумулятора. Более продолжительный срок службы способен повысить остаточную стоимость автомобиля, а значит, уменьшить совокупные расходы владельца за весь период эксплуатации.
Дополнительные преимущества для производства и переработки
У новой архитектуры есть ещё одно потенциальное достоинство: она может снизить требования к первоначальному подбору ячеек при производстве аккумуляторов.
Сегодня производителям приходится учитывать различия между элементами, стараясь объединять в одном блоке ячейки с максимально близкими характеристиками. Если же система способна компенсировать часть этих различий в процессе эксплуатации, требования к их идентичности могут стать менее жёсткими.
Это не означает, что контроль качества потеряет значение. Однако более гибкое управление батареей потенциально позволит эффективнее использовать компоненты с несколько отличающимися характеристиками.
Есть и перспектива для вторичного применения аккумуляторов. После снятия с электромобиля батарея не обязательно становится бесполезной: сохранившие работоспособность ячейки можно использовать в стационарных системах накопления энергии, например для хранения электричества от солнечных панелей. Возможность обходить слабые элементы может упростить эксплуатацию таких батарей, хотя этот эффект ещё предстоит проверить на практике.
Когда технология появится в серийных электромобилях
Несмотря на многообещающие результаты, новая система пока не готова к массовому применению. Разработка прошла исследовательскую стадию и испытания промышленных прототипов, однако долгосрочных испытаний на серийных автомобилях ещё недостаточно, чтобы подтвердить расчётные преимущества.
Работа выполнена при участии промышленных партнёров, включая Scania и PHINIA. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Communications.
Главная задача дальнейших испытаний — выяснить, насколько точно моделирование предсказывает поведение аккумуляторов в реальных условиях. На срок службы влияют температура, режимы зарядки и разрядки, интенсивность эксплуатации и множество других факторов. Кроме того, предстоит определить, насколько оправданными окажутся дополнительные затраты на электронную систему управления.
Если расчёты подтвердятся, производители смогут продлевать срок службы тяговых батарей не только за счёт улучшения химического состава ячеек, но и благодаря более интеллектуальной организации их работы. Это может сократить расходы на замену аккумуляторов и позволить эффективнее использовать ресурсы уже произведённых элементов.
