Rozwiązaniem, które mogłoby sprawić, że bateria samochodu elektrycznego będzie pracować dłużej, może być odłączenie niektórych ogniw.

Batarye samochodów elektrycznych składają się z setek lub tysięcy ogniw, które nie starzeją się w jednakowy sposób. Z upływem czasu niektóre tracą swoją pojemność szybciej niż inne, a ta różnica może ostatecznie ograniczyć wydajność całej baterii. Szwedzki zespół badaczy pracuje nad rozwiązaniem, które pozwoliłoby zmniejszyć skutki tego nierównomiernego zużycia bez konieczności wymiany całej baterii.

Propozycja polega na zmianie sposobu połączenia ogniw podczas pracy. Dzięki elektronicznym przełącznikom oraz systemowi sterowania zdolnemu do dostosowywania połączeń, bateria mogłaby przestać polegać na najbardziej uszkodzonych ogniwach i lepiej wykorzystywać te, które wciąż zachowują znaczną część swojej pojemności. To rozwiązanie mogłoby okazać się szczególnie interesujące w samochodach elektrycznych o dużej zasięgu oraz ciężarówkach elektrycznych.

Odłączanie najbardziej uszkodzonych ogniw w celu lepszego wykorzystania baterii

W tradycyjnym akumulatorze ogniwa są połączone zgodnie z określoną konfiguracją elektryczną. Chociaż nie wszystkie tracą wydajność w takim samym tempie pod wpływem upływu czasu lub przebytej odległości, te, które tracą moc wcześniej, mogą ograniczyć ilość energii dostępnej z całego układu. To jeden z powodów, dla których degradacja części akumulatora może ostatecznie wpłynąć na dostępną autonomię, nawet jeśli pozostałe ogniwa zachowują stosunkowo dobry stan.

Architektura badana przez naukowców z Uniwersytetu Technologicznego Chalmers w Szwecji ma na celu rozwiązanie tego problemu za pomocą baterii możliwej do przekonfiguracji. System ten zawiera elektroniczne przełączniki, które umożliwiają odłączenie ogniw o gorszej wydajności oraz zmianę połączeń, aby pozostałe mogły nadal funkcjonować. W ten sposób uszkodzone ogniwo nie będzie koniecznie ograniczać wydajności całej baterii.

Aby ocenić propozycję, zespół skorzystał z eksperymentalnie zweryfikowanych modeli baterii oraz symulacji na dużą skalę. Badacze przeanalizowali różne chemie, konfiguracje elektryczne, warunki użytkowania i wzorce starzenia się, w tym różnice pomiędzy ogniwami, przy użyciu 1.000 symulacji Monte Carlo dla każdego scenariusza. Praca obejmowała również 20 reprezentatywnych modeli samochodów elektrycznych od 15 różnych producentów.

Wyniki wskazują, że potencjalne ulepszenia rosną ogólnie wraz z napięciem baterii. Dzięki temu technologia ta może okazać się szczególnie interesująca w pojazdach z wieloma grupami ogniw połączonymi szeregowo, takimi jak samochody elektryczne o dużej zasięgu i ciężarówki. Jednak uzyskanie maksymalnych korzyści wymagałoby indywidualnego kontrolowania każdego ogniwa, co zwiększyłoby złożoność i koszty. Dlatego w aplikacjach komercyjnych prawdopodobnie stosowano by kontrolę grup ogniw, aby utrzymać system w rozsądnych granicach.

Aż 14 miesięcy dłużej przed koniecznością wymiany baterii

Jednym z przykładów przeanalizowanych przez badaczy jest pojazd wyposażony w akumulator o pojemności 80 kWh. W takim scenariuszu pojazd przejeżdżający około 12 000 kilometrów rocznie osiągnąłby punkt wymiany przewidziany dla zwykłego akumulatora po dziesięciu latach. Nie z powodu awarii, lecz ze względu na spadek pojemności, a tym samym zasięgu. Dzięki systemowi możliwemu do rekonfiguracji ten moment zostałby opóźniony o około 14 miesięcy, dzięki lepszemu wykorzystaniu ogniw, które utrzymują korzystniejszy stan.

Badanie sprawdziło również, czy wydłużona żywotność mogłaby zrekompensować dodatkowy koszt komponentów elektronicznych. Wyniki wskazują, że propozycja może być opłacalna w przypadku baterii o pojemności powyżej 50 kWh, przy stosunkowo umiarkowanych rocznych odległościach przebytych, pod warunkiem że początkowy wzrost kosztu pozostanie poniżej 7,16%. Dłuższy czas eksploatacji może również przyczynić się do zachowania wartości resztkowej pojazdu, chociaż ten efekt zależy od rzeczywistych warunków użytkowania oraz rynku wtórnego.

Kolejną potencjalną zaletą byłoby zmniejszenie konieczności tak dokładnego wybierania i dopasowywania komórek podczas produkcji. Jeśli system będzie mógł dostosować się do różnic w wydajności, które pojawiają się z upływem czasu, producenci mieliby większą swobodę w radzeniu sobie z różnicami pomiędzy poszczególnymi komórkami. Ponadto, umożliwiając dłuższe wykorzystanie komórek, które wciąż zachowują przydatną pojemność, ta architektura mogłaby ułatwić ponowne wykorzystanie baterii zdejmowanych z pojazdów do celów stacjonarnego przechowywania energii.

Należy jednak umieścić te wyniki w odpowiednim kontekście. Poprawa przekraczająca 20% stanowi teoretyczną granicę w optymalnych warunkach, a nie gwarantowane korzyści dla każdego samochodu elektrycznego. Chociaż technologia przeszła już prace badawcze oraz testy prototypów przemysłowych, nadal nie jest dostępna w pojazdach seryjnych. Potrzebne będą długotrwałe testy w rzeczywistych warunkach, aby sprawdzić, o ile można wydłużyć żywotność pojazdu oraz czy uzyskana oszczędność rekompensuje dodaną złożoność.

Badanie, przeprowadzone we współpracy z firmami z tego sektora, takimi jak Scania i PHINIA, zostało opublikowane w czasopiśmie naukowym Nature Communications. Jeśli wyniki okażą się prawdziwe również w przypadku pojazdów użytkowych, ta propozycja może stać się nowym sposobem na obniżenie kosztów posiadania samochodów elektrycznych: zamiast polegać wyłącznie na udoskonaleniu chemii ogniw, można by także przedłużyć ich żywotność dzięki bardziej inteligentnemu zarządzaniu energią elektryczną.

Źródło | Nature