Балансировка неоднородностей, или почему автобус на технологии LFP иногда останавливается [Цикл батареи №5 | Выпуск 2026 года]

Пять лет назад, благодаря знаниям Клаудиуса Йеле, генерального директора компании volytica diagnostics GmbH, мы начали публиковать серию статей «Цикл аккумулятора», целью которой было прояснение сложностей, связанных с литий-ионными аккумуляторами.

Эта серия предоставила огромное количество ценной информации для всех, кто работает в сфере электромобильности.

Теперь, спустя пять лет, мы возвращаемся к тем же темам — опять же благодаря сотрудничеству с Клаудиусом Йеле — обогащенные данными из реальной практики и полученным опытом.

Полная серия статей, полностью обновленная, также публикуется в специальном монографическом выпуске, сопровождающем издания Sustainable Bus (а также связанные с ним платформы Sustainable Truck & Van и Powertrain International) в течение всего 2026 года.

Мы приветствуем ваши вопросы, отзывы и предложения по адресу info@sustainable-bus.com.

Автор фото: Forsee Power

Аккумулятор — это не одна ячейка, хотя в повседневной речи мы иногда склонны сводить его к такому представлению. В идеале он должен вести себя как одна ячейка, но, как всегда, на практике все гораздо сложнее.

В аккумуляторной системе десятки, а обычно сотни отдельных ячеек соединяются последовательно (то есть плюс одной ячейки подключается к минусу следующей и так далее), образуя цепочку. Каждая дополнительная ячейка повышает общее напряжение системы. Поскольку «мощность» равна «напряжению умноженному на ток», удвоение напряжения путем последовательного соединения ячеек сокращает необходимый ток вдвое, а поскольку диаметр кабелей в основном определяется максимальным током, повышение напряжения системы путем последовательного соединения ячеек помогает уменьшить размеры, вес и стоимость кабелей. Все просто*. Если нам нужна большая емкость, мы подключаем целые такие цепочки параллельно.

Но из-за этого простого трюка возникают новые проблемы: дисбаланс, неоднородность, недоступная энергия и необходимость в балансировке.

Неоднородность: мысленный эксперимент

Если мы отойдём от системы, в которой все элементы одинаковы, мы столкнёмся с серьёзными проблемами, которые мы здесь и объясним. Как обычно, начнём с простых аналогий, которые (почти) идеально подходят для повседневных разговоров. Рассмотрим систему из одной нити (то же самое справедливо и для систем из нескольких нитей) и представьте её — обратите внимание: это метафора — как каскад уже рассмотренных стаканов, соединённых друг с другом.

Согласитесь ли вы с тем, что при отсутствии утечек количество жидкости, поступающей сверху, полностью проходит без изменений через каждый отдельный элемент?

Итак, если у всех сейчас точно одинаковая емкость (SoH, в последующих статьях), и все они начинают с одинаковой высоты заряда (напряжения), то у всех будет одинаковый начальный уровень заряда (SoC). Если ток протекает через каскад, каждая ячейка в этом идеальном примере заполняется/опустошается ровно таким же объемом жидкости. Если продолжать их разряжать, все они одновременно приблизятся к уровню 0% SoC**. Наоборот, если продолжать их заряжать, все они одновременно достигнут уровня 100% заряда.

Аккумулятор внезапно оказывается пустым. Последствием этого является аварийная остановка системы, которую мы иногда называем событием мгновенного исчерпания заряда (SDE) — автомобиль, который ещё несколько минут назад имел значительный уровень заряда без проблем, внезапно останавливается, а уровень заряда падает до 0%. Кстати: если вы прочитали все предыдущие статьи, вы должны понимать, почему именно аккумуляторы типа LFP склонны к такому эффекту.

Балансировка — ключ к решению проблемы!

Чем занимается сейчас функция балансировки? Очень просто: цепь балансировки в системе управления аккумулятором должна обеспечивать, чтобы все ячейки имели одинаковый уровень заряда, желательно в любой момент времени, чтобы самая слабая ячейка не ограничивала общую производительность. Самый простой, но в то же время наиболее распространенный способ часто называется пассивной балансировкой, и он кажется расточительным: главная логика определяет уровень заряда «слабой» ячейки и разряжает все остальные ячейки****. Да, в приведенном выше примере система пассивной балансировки начала бы терять около 5% энергии со всех 99 исправных ячеек, практически «выкачивая» из них энергию*****. Эта энергия теряется.

Существуют также активные системы балансировки, которые гораздо более сложны и сами склонны к сбоям из-за своей сложности, к тому же требуют больших инвестиций. В результате все 100 аккумуляторов окажутся с одинаковым уровнем заряда, но благодаря активной передаче избыточного заряда с 99 остальных для поддержки «слабого» аккумулятора в процессе не теряется никакого заряда.

Когда происходит балансировка?

В крупных и очень загруженных стационарных системах активная балансировка постепенно находит применение. Однако простота и надежность пассивных систем по-прежнему делают их предпочтительным решением практически во всех случаях применения, включая автобусы и грузовики. Поэтому, для простоты, следующее относится только к пассивным системам.

Как уже говорилось, система балансировки сначала должна определить уровень заряда каждой ячейки. Как вы узнали из предыдущей статьи, это особенно сложно для электронных устройств в динамичных или «пеноподобных» условиях, то есть во время работы или зарядки, а также для батарей с плоскими кривыми OCV, таких как LFP. Поэтому система балансировки нуждается в длительных периодах покоя без потока энергии, и ещё более благоприятны ситуации, когда уровень заряда очень высок, поскольку «стеклянная форма» большинства химических составов позволяет точно преобразовывать напряжение в уровень заряда при почти полной (или, кстати, пустой) зарядке. Чем дольше устройство находится в режиме покоя, тем больше дисбаланс может быть устранён за счёт утечек энергии.

Практические советы: 1) Планируйте процесс пассивного балансирования. После зарядки до 100 % соблюдайте рекомендации производителя относительно времени простоя, необходимого для того, чтобы BMS мог эффективно сбалансировать элементы аккумулятора. 2) Запрашивайте детальные данные для диагностики аккумулятора. Уточните информацию о диапазоне заряда, напряжении отдельных элементов и показателях отклонений, желательно на уровне каждого элемента или как минимум по модулям/стрингам. 3) Укажите это в тендерах. Требуйте четко определенной стратегии балансирования, максимально допустимого отклонения напряжения элементов и долгосрочного доступа к необработанным данным аккумулятора.

Теперь вы понимаете, почему производители рекомендуют длительный период простоя сразу после зарядки до 100 %? Именно так: простой при высоком уровне заряда способствует балансировке — чем дольше, тем лучше.

Мы не ответили на вопрос о том, почему все ячейки не ведут себя одинаково. Мы привели пример, когда одна ячейка немного менее заряжена, чем другие (то есть SoC). На самом деле ситуация очень сложная, с множеством взаимодействий. Чтобы выделить одну из ключевых причин — самоподдерживающуюся — следует отметить, что из-за недостатков в производстве, неравномерного охлаждения/нагрева, проблем с сваркой, дефектов электроники и т. д. некоторые ячейки разрушаются немного быстрее других — действительно лишь незначительно, — что приводит к разнице в емкости (SoH). При постоянной зарядке и разрядке эти различия в SoH заставляют значения SoC всех ячеек начать отклоняться друг от друга примерно так же, как в первом рассмотренном примере.

Чтобы ситуация стала ещё хуже, ячейка, немного меньшая по размеру, чем остальные, испытывает более высокий ток на единицу ёмкости (C-rate), что усиливает нагрузку, вызывающую деградацию, и делает её ещё меньше по размеру. Кроме того, у неё, скорее всего, немного повышенное сопротивление, что приводит к повышению температуры. Также страдает диапазон SoC. Следовательно, «ячейка-предшественник лимона» склонна продолжать необратимый спуск в худшую сторону.

Хотя система балансировки постоянно пытается выровнять уровень SoC, она не может повлиять на необратимое расхождение в показателях SoH. Это можно смягчить с помощью системы балансировки в течение нескольких месяцев или лет; по крайней мере, оператор не будет непосредственно ощущать происходящий процесс. Но в какой-то момент время, необходимое для балансировки, станет настолько длительным, что это серьёзно повлияет на работу устройства. Или же, если время балансировки будет слишком коротким, риск возникновения SDEs значительно возрастёт.

Итак, что делать?

OEM-производители и изготовители хорошо осведомлены о том, что было сказано выше, и такие системы обычно оснащаются подходящими механизмами балансировки. Тем не менее крайне важно, чтобы клиенты понимали проблему дисбаланса и риск снижения эффективности системы для каждого актива, а также соблюдали надлежащую стратегию балансировки и рекомендации OEM-производителя.

Кратко

Системы аккумуляторов являются сложными. Они состоят из сотен элементов, которые должны вести себя как единое целое: если это не так, невозможно извлечь всю доступную энергию.

В наихудших ситуациях дисбалансированные системы могут внезапно начать «исчерпываться» в результате внезапных сбоев, что приводит к резким, дорогостоящим и потенциально опасным остановкам в пути.

Балансировка требует времени и определенных условий. Чаще всего она происходит во время длительных периодов простоя после полного зарядки.

Причины дисбаланса и неоднородности сложны. Предварительный дисбаланс может привести к самоподкрепляющемуся внутреннему разрушению, что усугубляет проблему.

Рекомендуется следовать рекомендациям производителя и самостоятельно отслеживать степень неоднородности (обратимую и нереversibleную) а также эффективность балансировки.

* Многие читатели могут возразить — электроника высокой мощности работает лучше и при более высоких напряжениях! Это верно, но в основном по аналогичным причинам, а именно из-за плотности тока.

** Обратите внимание, что пока мы рассматриваем процесс как крайне быстрый, то есть сопротивление элементов находится на чрезвычайно низком уровне, причем одинаковом для каждого элемента. В реальности это, конечно, не так.

*** На самом деле это 49,95% (1×45% + 99×50%), но показатель SoC никогда не указывается с двумя знаками после запятой.

**** На самом деле каждая ячейка с показателем SoC, превышающим установленный лимит, разряжается с помощью небольших нагревательных резисторов.

****** Фактически этот процесс иногда называют «вытеканием», а схему, используемую для этого, — «резисторами вытекания».

Статья «Устранение неоднородностей, или почему система LFP иногда останавливается» [The Battery Cycle #5 | 2026 RELEASE] впервые появилась на Sustainable Bus.