Решение проблемы более длительной работы аккумулятора электромобиля может заключаться в отключении некоторых элементов.

Аккумуляторы электромобилей состоят из сотен или тысяч элементов, которые стареют не одинаково. С течением времени некоторые из них теряют свою емкость быстрее, чем другие, и это различие может в конечном итоге ограничить производительность всей батареи. Команда шведских исследователей работает над решением, которое позволило бы снизить влияние этого неравномерного износа без необходимости замены всей батареи.

Предложение заключается в изменении способа соединения элементов батареи во время её работы. Благодаря электронным переключателям и системе управления, способной адаптировать соединения, аккумулятор сможет перестать зависеть от наиболее изношенных элементов и более эффективно использовать те, которые все ещё сохраняют значительную часть своей ёмкости. Это решение может оказаться особенно полезным для электромобилей с большим радиусом действия и электроавтоперевозок.

Отключение наиболее изношенных элементов для более эффективного использования аккумулятора

В обычном аккумуляторе элементы соединены согласно определенной электрической схеме. Хотя не все они стареют или изнашиваются с одинаковой скоростью, те элементы, которые первыми теряют свои характеристики, могут ограничить количество энергии, доступной в целом аккумуляторе. Это одна из причин, по которой ухудшение состояния части аккумулятора может в конечном итоге сказаться на его автономности, даже если остальные элементы сохраняют относительно хорошее состояние.

Архитектура, изучаемая исследователями Технологического университета Чалмерс в Швеции, предназначена для решения этой проблемы с помощью переконфигурируемого аккумулятора. Система включает электронные выключатели, которые позволяют отключать ячейки с худшими показателями работы и изменять соединения, чтобы остальные продолжали функционировать. Таким образом, деградировавшая ячейка больше не будет обязательно ограничивать производительность всего аккумулятора.

Для оценки предложения команда использовала экспериментально проверенные модели аккумуляторов и масштабные симуляции. Исследователи изучали различные химические составы, электрические конфигурации, условия эксплуатации и закономерности старения, включая различия между элементами аккумулятора, с помощью 1 000 симуляций Монте-Карло для каждого сценария. В работе также рассматривались 20 типичных моделей электромобилей от 15 различных производителей.

Результаты показывают, что потенциальное улучшение в целом возрастает с напряжением аккумулятора. Это делает данную технологию особенно интересной для транспортных средств с большим количеством элементов питания, соединенных последовательно, таких как электромобили с большим радиусом действия и грузовики. Однако для достижения максимальной выгоды потребуется индивидуальный контроль каждого элемента питания, что увеличит сложность и затраты. Поэтому в коммерческих приложениях, скорее всего, будет использоваться контроль групп элементов питания для поддержания системы в разумных пределах.

Еще до 14 месяцев до замены аккумулятора

Один из примеров, проанализированных исследователями, предполагает использование аккумулятора емкостью 80 кВт·ч. В таком случае автомобиль, преодолевающий около 12 000 километров в год, достигнет срока замены традиционного аккумулятора через десять лет. Это произойдёт не из-за сбоев в работе, а из-за снижения емкости и, следовательно, запаса хода. Благодаря системе с возможностью реконфигурации этот момент откладывается примерно на 14 месяцев за счёт более эффективного использования элементов питания, которые сохраняют более благоприятное состояние.

В исследовании также анализировался вопрос о том, может ли увеличение срока службы компенсировать дополнительные затраты на электронные компоненты. Результаты показывают, что данное предложение может быть экономически оправданным для аккумуляторов емкостью более 50 кВт·ч с относительно умеренным годовым пробегом, при условии, что первоначальное увеличение стоимости остается ниже 7,16%. Более длительный срок службы также может способствовать сохранению остаточной стоимости автомобиля, хотя этот эффект будет зависеть от реальных условий эксплуатации и рынка подержанных автомобилей.

Ещё одним потенциальным преимуществом будет снижение необходимости такой точной подборки и соединения ячеек в процессе производства. Если система сможет адаптироваться к изменениям их эффективности со временем, у производителей появится больше возможностей для управления различиями между ячейками. Кроме того, позволяя дольше использовать ячейки, сохраняющие полезную емкость, такая архитектура может облегчить повторное использование аккумуляторов, извлечённых из транспортных средств, в стационарных устройствах для хранения энергии.

Однако важно рассматривать полученные результаты в контексте. Улучшение более чем на 20% представляет собой теоретический предел при оптимальных условиях, а не гарантированный преимущество для любого электромобиля. Несмотря на то, что технология прошла исследования и тестирование с промышленными прототипами, она пока не используется в серийных автомобилях. Для определения того, насколько можно увеличить срок службы и оправдывает ли полученная экономия дополнительную сложность, потребуются длительные испытания в реальных условиях.

Исследование, проведенное при сотрудничестве с компаниями отрасли, такими как Scania и PHINIA, было опубликовано в научном журнале Nature Communications. Если результаты подтвердятся и в коммерческих автомобилях, это решение может стать новым способом снижения стоимости владения электромобилями: вместо того чтобы полагаться исключительно на улучшение химического состава аккумуляторных элементов, можно также увеличить срок их службы за счет более рационального управления электропитанием.

Источник | Nature