Omijanie ogniw ma na celu wydłużenie czasu użytecznego baterii w pojazdach elektrycznych.

Badanie przeprowadzone przez Uniwersytet Technologiczny Chalmers bada konfigurowalne pakety baterii, które mogą selektywnie omijać słabsze ogniwa. W optymalnych warunkach może to wydłużyć żywotność baterii w niektórych pojazdach wysokonapięciowych o ponad 20 procent.

Zdjęcie: Uniwersytet Technologiczny Chalmers | Albert Skegro

Pakiety baterii w pojazdach elektrycznych składają się z licznych ze sobą połączonych ogniw, które nie starzeją się w tym samym tempie. W konwencjonalnych architekturach szczególnie słabe ogniwo może więc ograniczyć użyteczną pojemność i żywotność całego pakietu.

To właśnie w tym miejscu przydaje się nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z Chalmers University of Technology. Bada ono tak zwane konfigurowalne baterie, w których przełączniki i systemy sterujące mogą zmieniać połączenia poszczególnych ogniw lub grup ogniw. W ten sposób można selektywnie ominąć słabsze ogniwa, zachowując jednoczesnie dostępną pojemność.

W najbardziej zaawansowanym przypadku, gdy każde ogniwo może być sterowane indywidualnie, symulacje pokazują, że żywotność niektórych pojazdów wysokonapięciowych może zostać wydłużona o ponad 20 procent. Według badania potencjał ten jest szczególnie istotny dla ciężarówek elektrycznych oraz samochodów elektrycznych dalekiego zasięgu, w których wiele ogniw jest połączonych szeregowo.

Konfigurowalne baterie mają na celu omijanie słabych ogniw

Aby pokazać skalę tego efektu, badacze używają przykładu z baterią o pojemności 80 kWh i roczną odległością przebytą na autostradzie wynoszącą 12 000 km. Jeśli konwencjonalny pakiet baterii jest wymieniany po dziesięciu latach, pakiet możliwy do przekonfiguracji osiąga w modelu ten sam stopień starzenia się dopiero po około jedenastu latach – czyli około 14 miesięcy później.

Ponadto wartość pozostała po wyeksploatowaniu pakietu jest wyższa, ponieważ ten starzeje się wolniej. Chociaż technologia ta wymaga dodatkowej elektroniki, co powoduje wyższe początkowe koszty, badanie wskazuje, że dłuższy okres eksploatacji oraz wyższa wartość pozostała mogą zrekompensować te dodatkowe wydatki w realistycznych warunkach.

Ta technologia nie jest jeszcze dostępna w pojazdach seryjnych. Została jednak już przetestowana w prototypach badawczych i przemysłowych. W praktyce bardziej prawdopodobne jest wykorzystanie grup komórek niż indywidualna kontrola każdej z nich. Dlatego ponad 20-procentowo dłuższy czas trwania stanowi teoretyczną górną granicę.

Oprócz wydłużenia czasu trwania, badacze dostrzegają również zalety w produkcji. Obecnie komórki o najbardziej podobnych właściwościach muszą być dokładnie testowane i dopasowywane. Pakiety rekonfigurowalne mogłyby tolerować większe różnice pomiędzy komórkami, tym samym zmniejszając wysiłek potrzebny do tak zwanego dopasowywania komórek.

Architektura ta mogłaby również przynieść korzyści w zastosowaniach drugiego życia. Pakiety baterii mogłyby być używane w pojazdach przez dłuższy czas, a następnie lepiej przekształcone w stacjonarne systemy przechowywania energii, ponieważ pojedyncze słabsze ogniwa niekoniecznie zmuszałyby do wycofania całego pakietu z użycia.

Chalmers bada już kilka metod na wydłużenie żywotności baterii. W maju zespół z tej uczelni przedstawił strategię szybkiego ładowania opartą na sztucznej inteligencji, która dostosowuje proces ładowania do stanu baterii i ma zapewnić w symulacjach wydłużenie jej żywotności o około 23 procent. Natomiast nowo zbadana, konfigurowalna architektura baterii działa bezpośrednio wewnątrz pakietu baterii i jest zaprojektowana tak, aby selektywnie omijać słabsze ogniwa.

Badanie zatytułowane „System-level assessment of dynamic reconfiguration for lifetime and cost outcomes in electric vehicle battery packs” zostało opublikowane w czasopiśmie _Nature Communications_. W jego realizacji brali udział badacze z Chalmers University of Technology oraz przedstawiciele PHINIA i Scania.