Зарядка аккумуляторов, пища для ума [Цикл аккумуляторов №4 | 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 — и дополняем их 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.

Представление батарей в виде выпуклых декантеров для вина, наполненных пенным пивом, как мы делали в предыдущей статье о уровне заряда, значительно помогает понять повседневные проблемы с оценкой уровня заряда, проблемы балансировки и внезапные остановки работы. Но эта аналогия также помогает лучше понять типичные вопросы, связанные с зарядкой батарей, которые мы рассмотрим в этой статье.

Именно здесь мы объясним — среди прочего — как и почему удвоение мощности зарядки не позволяет сократить время зарядки вдвое, по крайней мере, если цель — зарядить батарею до полного уровня.

Начнем с конфигураций зарядки на базах хранения, то есть с автобусов или грузовиков с довольно большими батареями (>300 кВт·ч), предназначенных для работы по маршруту в течение всего дня с нулевыми или лишь несколькими дополнительными зарядками. Обычно хочется, чтобы батарея была на 100% утром и имела определенный запас энергии к концу дня.

Является зарядка в депо разумным решением?

Однако зарядка аккумулятора до 100% перед началом дня не так проста, как может показаться. Сначала зарядное устройство «договаривается» о процессе зарядки с автомобилем посредством специального протокола связи, при этом определяются — прежде всего — планируемая мощность зарядки, которую может обеспечить зарядное устройство, а также та мощность, которую может принять аккумулятор. Мы ограничимся здесь рассмотрением только аккумулятора, поскольку на эту сложную и чувствительную часть связи можно написать бесконечное количество статей. В частности, мы рассматриваем ситуацию с аккумуляторами нормального размера, а не чрезмерно крупными; для аккумуляторов большого размера описанный ниже элемент CV обычно не оказывает значительного влияния на процесс зарядки.

Согласно этой модели, ток течёт постоянным потоком – этот этап называется этапом постоянного тока или просто этапом CC (см. график справа). В аналогии с пивом стакан постоянно наполняется, и уровень жидкости в нём повышается; пиво поднимается, а также начинает образовываться пена – с электрохимической точки зрения это означает накопление «надпотенциалов» на измеряемом напряжении (если вы читали предыдущие статьи, это связано с тем, что крупные ионы с трудом мигрируют в электроды, и это на макроскопическом уровне проявляется в виде регулируемого накопления напряжения, которое постепенно исчезает после прекращения зарядки, точно как пена на пиве…).

Как только общая высота наполнения, то есть пиво плюс пена, приближается к краю стакана, то есть напряжение аккумулятора достигает абсолютного максимально допустимого значения, зарядное устройство и аккумулятор быстро начинают переговариваться о новой профиле тока, который плавно изменяется и позволяет поддерживать общую высоту наполнения постоянной на верхнем уровне — это фаза постоянного напряжения или CV. По сути, поэтапное снижение тока приводит к уменьшению объема пены, в то время как жидкая часть может продолжать подниматься. В целом этот процесс часто называют «зарядкой CCCV».

Предположим, вы просто прекратите зарядку, как только напряжение впервые достигнет максимума — пена оседает, и, к удивлению, через 10–30 минут стакан окажется заполненным всего на 85%. Это точно так же, как при наливании пива: сначала наливайте пиво до тех пор, пока пена не достигнет края стакана, затем сократите поток пива, сохраняя общую высоту неизменной (CV), меняя лишь соотношение жидкости к пене.

Познакомимся с последствиями…

Каковы последствия? Посмотрите на результаты симуляции на диаграмме – одним из очевидных выводов является то, что удвоение мощности зарядки не позволяет сократить время зарядки вдвое, по крайней мере, если цель – полностью зарядить устройство. На самом деле этап CC ускоряется, но тоже не в два раза, поскольку уровень пены повышается гораздо быстрее, из-за чего этап CV становится ещё более заметным. В приведённом примере этап CV вообще не достигается до ~900 секунд (он появлялся бы позже), но при удвоении мощности этап CV наступает уже через ~570 секунд, что позволяет сократить потребляемую энергию на 24%. Утроение мощности, очевидно, сразу переводит систему в режим CV (этап CC уже не наблюдается), в результате чего потребляемая энергия оказывается меньше, чем вдвое! Разумеется, это лишь пример, и он может не подходить для ваших конкретных устройств.

Аккумуляторы большого размера — особенно те, что используют технологию LFP — не демонстрируют такого выраженного эффекта, как описано здесь (поскольку может не быть достигнут этап CV, то есть это как если бы вы наливали примерно 1 литр пива в бокал объемом 1,5 литра: пены будет слишком мало, чтобы она достигла края бокала).

Интересно? Мощность зарядки в 3 раза не обязательно сокращает время зарядки в 3 раза!

Часто бывает так, что этап CV занимает столько же времени, сколько и этап CC. Чтобы зарядить аккумулятор на 80%, может потребоваться столько же времени, сколько и на последние 20%! Посмотрите на это в своих системах мониторинга: сначала уровень заряда растет линейно, затем постепенно снижается до 100%.

Зарядка посредством подвесной катенерной сети (как в трамваях или некоторых концепциях электроавтомобилей) также заслуживает упоминания: помимо очевидных инфраструктурных сложностей, связанных с обслуживанием катенерной сети, настоящая проблема заключается в электрической схеме транспортных средств: у большинства дорожных автомобилей резиновые шины, которые не проводят электрический ток. Поэтому автомобили с резиновыми шинами, использующие катенерную сеть, нуждаются в двух проводах над колесами (что увеличивает сложность инфраструктуры по сравнению с поездами на металлических шинах). Однако настоящая проблема — это безопасность: при металлических колесах электрическая неисправность (например, контакт под напряжением с каркасом транспортного средства) немедленно будет отведена в землю через колеса; риск того, что металлический каркас или корпус автомобиля окажутся под напряжением, очень низок. Но у автомобилей с резиновыми шинами электрическая неисправность может подвергнуть всё транспортное средство напряжению, и пассажир, коснувшийся корпуса, может получить электрошок.

Электрический шок. В результате электрическая схема таких транспортных средств увеличивает сложность и затраты, что делает их более дорогими с экономической точки зрения.

Если при приближении к 100% вы не можете увидеть это в своих данных, наиболее вероятной причиной является то, что показатель SoC, который вы видите, не является реальным, «истинным» SoC. Производители отличают показатель SoC, который передается (часто называемый «рабочим SoC»), от «истинного», внутренне рассчитанного показателя («технического SoC»), что особенно важно для крупных аккумуляторов, где полезная рабочая емкость существенно отличается от технически доступной емкости.

Рабочий показатель SoC корректируется таким образом, что, например, отображается значение 100%, хотя реальное значение составляет всего около 90%. Не вдаваясь в слишком большие подробности, существуют веские причины для этого: (а) иметь резервы (для компенсации известных ошибок оценки, см. предыдущую статью), (б) экономить батарею (слишком высокие/низкие показатели SoC часто вредят её состоянию) и (в) имитировать кажущееся однородное поведение на протяжении всего срока службы путем постепенного использования резервов. Следовательно, если сейчас вы не наблюдаете такого поведения зарядки, оно может проявиться позже — учитывайте, что время зарядки аккумулятора автомобиля в будущем может увеличиться!

Практические советы: не просто запрашивайте доступ к данным батареи, а указывайте конкретные сигналы в нужной разрешающей способности. Параметры такие как SoC, SoH, ток, напряжение и температура должны регистрироваться с достаточной частотой, чтобы отражать реальное поведение зарядки.

А что насчет оплаты за использование ресурсов?

Несмотря на возможность зарядки по мере необходимости, существуют и другие сложности. Обычно батарею не заряжают до 100% (только утром, как описано выше), а постоянно пополняют её энергией в меньшем объёме (<200 кВт·ч). Пена едва достигает краёв батареи, поэтому отсутствует интенсивная фаза постоянного тока — только переменный ток. Это больше похоже на периодическое пополнение стакана водой или красным вином. Для быстрой зарядки мощность обычно довольно высока. Таким образом, хотя нет фазы постоянного тока, которая могла бы замедлить процесс быстрой зарядки, высокие импульсы могут приводить к скачкам напряжения из-за сопротивления (здесь аналогия со стаканом и жидкостью не совсем подходит — лучше представить игристое вино: вы наливаете его, пена очень быстро поднимается до большой высоты и опускается практически за считанные секунды). По мере ухудшения состояния батареи сопротивление растёт, и скачки напряжения усиливаются. Вывод: возможность зарядки по мере необходимости имеет преимущества, по крайней мере с точки зрения времени зарядки, но...

Устройства страдают от увеличения времени зарядки, вызванного деградацией.

Наконец: индуктивная зарядка…

Несколько слов об индуктивной зарядке, при которой физическое подключение для гальванической связи заменяется беспроводной передачей энергии через воздух. Это потрясающая идея, поскольку практически исчезнут необходимость точного позиционирования и ручной обработки устройства. Его даже можно заряжать во время движения. Однако физика вмешивается: соотношение энергии, доходящей до устройства, и той, что теряется из-за особенностей индуктивных процессов — то есть той, что преобразуется в нагрев окружающей среды — в первую очередь зависит от (а) расстояния между приемником и передатчиком и (б) частоты переменного электромагнитного индукционного поля.

Чтобы индуктивная зарядка не стала экономически неприемлемой, необходимо либо (а) сократить расстояние между передатчиком/приемником до нескольких миллиметров, и/или (б) увеличить частоту, а значит и размер катушки, и, следовательно, её вес. В идеале медная катушка весом (несколько сотен килограммов!) должна находиться в нескольких миллиметрах от передатчика. Однако это оказалось и остается технически крайне сложной задачей: до сих пор не было найдено экономически целесообразного и масштабируемого решения, и почти 100% всех батарей заряжаются с использованием прямых подключений.

В заключение мы призываем всех открыто обсуждать варианты и последствия различных подходов к зарядке с их партнерами-производителями оборудования. Очень полезно требовать максимальной прозрачности в отношении базовых сигналов аккумулятора и зарядного устройства, а также периодической информации о его износе, ведь мы уже знаем, как износ влияет на все аспекты работы аккумулятора.

Кратко

Аккумуляторы на литиево-ионных элементах демонстрируют интересный эффект: количество энергии, которое можно зарядить за определённое время, зависит от мощности зарядки; например, удвоение мощности зарядки не обязательно сокращает время зарядки вдвое.

Показатель SoC, который вы видите («рабочий/чистый SoC»), чаще всего не является реальным значением SoC, и на то есть веские причины.

В приложениях для зарядки на складах или в любых других случаях, когда аккумулятор заряжается до 100% (действительно до 100%), и когда аккумулятор не слишком большого размера, используется та или иная форма зарядки типа CCCV.

Особенности режима CCCV приводят к тому, что удвоение или утроение мощности зарядки не сокращает время зарядки вдвое или втрое.

Зарядка при возможности использует в основном режим CC, поэтому не подвержена этой закономерности, но может столкнуться с увеличением сопротивления из-за

* то есть характеристик OCV, см. статью №3

** то есть перепотенциала/динамических напряжений

*** Результаты моделирования (LFP, SOC0=50%, температура окружающей среды 30°C): Bunzel, A.; Morawietz, L.; Ufert, M.: Technologische und ökonomische Bewertung der Elektrifizierung der ÖPNV-Busflotten im Werkstatt- und Betriebshofbereich. Fachtagung „Werkstatt- und Betriebshofkonzepte für Elektrobusse“, Dresden, 11.-12.10.2018.

Статья «Зарядка аккумуляторов: пища для ума [The Battery Cycle #4 | выпуск 2026 г.]» впервые опубликована на Sustainable Bus.