Уровень стресса: что вызывает дискомфорт? [Цикл зарядки аккумулятора №7 | 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.

Добро пожаловать в новую статью из серии «Циклы аккумуляторов» — серии статей, посвящённых разъяснению сложных аспектов работы аккумуляторов простым языком, но при этом с технической точностью. В нашей предыдущей статье мы рассказали о понятии состояния здоровья аккумулятора (State of Health, SOH) и о том, почему к его использованию следует относиться с большой осторожностью. Поскольку статьи в этой серии связаны между собой, мы настоятельно рекомендуем ознакомиться со всеми предыдущими статьями (в том числе о различиях между технологиями NMC, LFP, LTO, а также о процессах зарядки и балансировки).

Предыдущая статья была посвящена одному из ключевых проявлений деградации аккумулятора — снижению его емкости. Всё в этой области развивается вокруг этого аспекта, но мы не коснулись вопросов: что на самом деле вредит аккумулятору? Что влияет на скорость деградации, и какие меры можно принять для замедления снижения емкости?

Что такое «емкость» и SOH?

Как мы узнали в предыдущей статье, емкость, которую батарея «испытывает» в повседневной эксплуатации, часто называется её «рабочей» или «чистой» емкостью, и она программно предоставляется через софтвер BMS. Поэтому она не является автоматически пропорциональной технически доступной, теоретической электрохимической емкости батарейной системы. Первая может даже оставаться постоянной в течение многих лет (философия «использовать резерв»: см. предыдущую статью!), в то время как вторая, техническая емкость, снижается, хотя пользователь этого и не замечает.

Однако тот факт, что BMS может или не может раскрыть полный потенциал батареи — для этого есть веские причины! — никогда не должен вводить в заблуждение владельца или оператора, заставляя их обращаться с батареей неправильно и под высокими нагрузками.

Каковы же факторы, которые напрямую влияют на ухудшение качества аккумулятора, а значит, по крайней мере косвенно — и на емкость и производительность, необходимые в повседневной жизни?

Краткий ответ: существует лишь несколько универсальных правил. В общем случае каждый тип аккумуляторной ячейки имеет свою уникальную чувствительность к условиям использования и внешним факторам. Некоторые типы ячеек рассчитаны на работу при низких температурах, другие — при высоких токах и т. д., причем в жизни, как правило, не бывает ничего бесплатного. Оптимизация в одной области сопряжена с издержками в другой — подробнее об этом позже.

Старение по времени vs. старение от циклов

Во-первых, давайте рассмотрим понятия календарного (или графического) старения и циклического старения. Когда аккумулятор не используется, то есть ток через него не проходит, его качество ухудшается исключительно по причине календарного старения. Как только начинает течь ток, к этому добавляется циклическое старение. Оба вида старения приводят к снижению емкости (и увеличению сопротивления) из-за того, что ионы необратимо «умирают», застревая в побочных реакциях, на которые, очевидно, влияют различные факторы. Поэтому мы называем эти факторы влияющими факторами. Обычно ионы необратимо реагируют с другими материалами в элементе (например, с электролитом), образуя пассивные остатки*. Существуют также другие формы остатков, которые могут стать опасными.

Влияющие факторы довольно универсальны, только их индивидуальное воздействие сильно различается:

• Температура – то есть температура самого элемента, а не температуры окружающей среды**

Уровень заряда – во время периодов покоя (хронологическое старение) скорость старения зависит от уровня заряда, при котором хранится аккумулятор. Во время работы (циклическое старение) скорость старения зависит от диапазона уровня заряда, то есть от интервала между верхним и нижним пределами циклирования.

Ток (только во время циклического старения) – ток зарядки и разрядки

Часто механические нагрузки, такие как вибрации и давление, (правильно) включаются в этот список; пока мы их игнорируем.

Температура и срок службы аккумулятора

Как эти факторы влияют на скорость снижения емкости? Это зависит от чувствительности химического состава элемента, причем эта зависимость часто бывает сильно нелинейной. Большинству химических составов элементов выгодно хранение при низкой температуре, что замедляет хронологическое старение (снижая вероятность побочных реакций).

Однако, в частности, клетки NMC сильно страдают при зарядке при низких температурах (

Нанесение лития, тепловой сбой…

Аккумуляторы на литий-ионных технологиях можно считать безопасными. «Самовозгорание» возможно лишь в том случае, если внутренние микроскопические дефекты накапливаются до критического уровня. Проще говоря, ионы лития перемещаются из одного полюса в другой внутри элемента, в то время как электроны проходят этот путь по электрической цепи транспортного средства. В нормальных условиях ионы мигрируют к противоположному электроду, чтобы воссоединиться с уже прошедшими путь электронами. Однако при низких температурах, высоком токе (быстрая зарядка) и/или когда электрод уже полностью заряжен, такая миграция становится крайне затруднительной, подобно попытке сесть на уже переполненный самолет вместе ещё с тридцатью пассажирами. Поэтому в таких условиях с электрохимической точки зрения зачастую более выгодно образование металлических отложений на электроде — литиевого покрытия, что является «плохой формой» остатков.

Практические советы: 1) Планируйте пассивное балансирование. После зарядки до 100 % соблюдайте рекомендации производителя относительно времени простоя, чтобы BMS мог эффективно сбалансировать элементы аккумулятора. 2) Запрашивайте детальные данные для диагностики аккумулятора. Укажите диапазон заряда, напряжение каждого элемента и показатели отклонений, желательно на уровне отдельных элементов или как минимум по модулям/стрингам. 3) Укажите это в тендерах. Требуйте четко определенной стратегии балансирования, максимального допустимого отклонения напряжения элементов и долгосрочного доступа к необработанным данным аккумулятора.

Постоянное повторение этого процесса приводит к накоплению таких дефектов, которые могут достигнуть степени проникновения в нити, вызывая внутренние короткие замыкания (дендриты). Это, в свою очередь, может генерировать тепло, что способствует ускорению химических процессов, что приводит к образованию ещё большего количества тепла и газов — это самосамообеспечивающийся процесс, называемый «термическим срывом». Такая ситуация становится катастрофической менее чем за пять минут, в конечном итоге приводя к взрывному выделению газов в виде густых белых облаков пара, пропитанных электролитом.

Примечание: условия, способствующие нанесению покрытия, контролируются системой управления аккумуляторами транспортного средства лишь частично. Оператор несет ответственность за мониторинг и поддержание состояния аккумуляторов, так же как тщательное хранение, обращение и разумный мониторинг легковоспламеняющихся жидкостей считаются безусловной наилучшей практикой.

Здесь вступает в игру SoC

Таким образом, хотя сила тока и температура обычно создают сложную взаимосвязь, а чувствительность к температуре зачастую различается при линейном и циклическом старении, настоящие сюрпризы приносит SoC!

Совокупный уровень нагрузки может существенно повлиять на срок службы аккумулятора — как в состоянии покоя во время парковки (календарное старение), так и в диапазоне нагрузок, при котором используется устройство (циклическое старение). Хотя это лишь один из сотен примеров, он наглядно показывает потенциал, скрытый в этом факторе: на следующем рисунке представлена динамика ухудшения качества двух практически идентичных сценариев использования высококачественной ячейки NMC. В обоих случаях используется примерно 50% емкости аккумулятора (что не является редкостью); первый сценарий (зеленый) предполагает использование верхней половины емкости (100>50>100>…%, то есть возвращение аккумулятора в место хранения на половину заполненным), тогда как второй сценарий (фиолетовый) характеризуется более интенсивным использованием: аккумулятор сначала заполняется на 50%, а затем практически полностью разряжается (50>0%). Влияние этого на ухудшение качества поразительно: срок службы второго аккумулятора будет в 2–3 раза дольше, чем у первого, что позволяет снизить общую стоимость владения более чем на 50%.

Побеждает смелый! Правда? Что касается этих особенностей, обобщения очень опасны. Может существовать множество ячеек, реагирующих совершенно по-разному – одним из часто цитируемых правил является то, что избегание режимов высокого (>90%) и низкого (

О уровне нагрузки на аккумулятор

Это звучит сложно, запутанно и практически неконтролируемо. Да, даже квалифицированный эксперт не может оценить степень стресса определённого профиля использования, даже при ручном анализе — то есть путём оценки профиля C-rate, динамики температуры и диапазонов SoC и сравнения их с многомерной матрицей чувствительности типа аккумулятора*****.

Чтобы уменьшить сложность, существует понятие «уровня стресса» — простое число, которое указывает наблюдателю, насколько тот или иной случай использования более или менее стрессовым по сравнению с эталонным случаем (например, стандартными условиями проектирования и гарантии вроде «окончание срока службы через 8 лет»): уровень стресса 1,0 означает, что данный случай примерно настолько же стрессовый, как и планировалось, а уровень стресса 2,0 означает, что аккумулятор под действием указанных факторов, вероятно, изнашивается примерно в два раза быстрее, чем планировалось.

Существуют инструменты, которые могут автоматически анализировать уровень нагрузки в платформе мониторинга. Эти инструменты полезны для оценки рисков и потенциала, а также для адаптации сценариев использования.

Роль BMS

Уже много лет ведутся дискуссии о том, является ли задачей электроники аккумулятора (BMS) контроль факторов, влияющих на его работу, и поддержание их в установленных пределах. Да, это действительно её задача. Она предотвращает вредное использование, которое может создать непосредственную угрозу безопасности («очень высокая нагрузка»). Однако, за исключением крайне редких случаев, она не предназначена и не проектируется для выдачи рекомендаций относительно «наиболее оптимального» уровня нагрузки.

Другими словами: я не позволю вам выпить две бутылки красного вина, но не буду рекомендовать вместо этого выпить чашку имбирного чая.

Интересно, что глобальная тенденция заключается в постоянном повышении плотности энергии (увеличении дальности действия), за что часто приходится дорого платить, сокращая срок службы. Да, средний уровень стабильности снижается! Это особенно характерно для аккумуляторов легковых автомобилей, но рано или поздно это также может повлиять на тяжелую технику. В любом случае, высокая чувствительность всех типов литиево-ионных аккумуляторов к внешним факторам должна насторожить всех нас и повысить осведомленность о огромном потенциале оптимизации, который может оставаться неиспользованным во многих сферах применения.

Кратко

1. У каждого подтипа литиево-ионных аккумуляторов есть своя уникальная и зачастую сложная чувствительность к внешним факторам – причем календарное старение (хранение) необходимо отличать от циклического старения (эксплуатация).

В обоих случаях ионы Li принимают другие формы, из-за чего становятся неактивными – это всегда приводит к более или менее заметному снижению емкости (и увеличению сопротивления), а иногда даже к образованию опасных остатков (нанесению плёнки Li).

Таким образом, разные условия использования влекут за собой разный уровень нагрузки (или темпы деградации), и простое подсчёт количества циклов или времени эксплуатации никогда не позволит дать точную оценку степени деградации!

Другими словами, необходимо регулярно и независимо проверять емкость и уровень заряда батареи.

Это также требует повышенной осведомлённости как о возможных опасностях (возникновение проблем с безопасностью, см. вставку и следующие статьи), так и о возможном влиянии различных факторов на скорость деградации – например, путём мониторинга уровня нагрузки на батарею.

Небольшие корректировки профилей использования могут значительно снизить нагрузку на аккумулятор и помочь увеличить срок его службы на 10–50%, а в некоторых крайних случаях даже вдвое или более!

* Этот осадок часто называют «интерфейсом твердого электролита» (SEI), поскольку он образует интерфейс между твердыми электродами и электролитом.

** Температура элемента, конечно же, никогда не является полностью независимой от температуры окружающей среды. Особенно в системах аккумуляторов без контроля температуры (без активного нагрева/охлаждения) температура элемента напрямую зависит от условий окружающей среды. Даже если система находится под активным контролем, температура элемента после длительного периода без работы будет приближаться к температуре окружающей среды.

*** «Коэффициент C» — это нормализованный ток; вместо указания значения 20 А, которое может быть слишком велико для небольшой батареи (например, 2 А·ч), но незначительным для крупной батареи на 1000 А·ч, часто ток делится на номинальную ёмкость: 10 C в первом случае и 0,02 C во втором. Следовательно, 1 C означает полное разрядку за 1 час.

**** Зарядка и разрядка при коэффициенте 1 C, полный диапазон уровня заряда (0 – 100% – 0%), температура меняется.

***** Эту матрицу чувствительности часто называют картой напряжений. Из-за огромных масштабов и сложности её, как правило, не знают, по крайней мере частично, ни производители отдельных элементов батареи, ни производители систем. Поскольку она позволяет реализовать значительный потенциал оптимизации, её также часто держат в секрете.

Статья «Уровень напряжений: что вызывает проблемы? [Цикл батареи №7 | Выпуск 2026 г.]» впервые опубликована на Sustainable Bus.