Балансування нерівномірностей, або чому автобус на основі LFP іноді зупиняється [Цикл акумулятора №5 | Випуск 2026]

П’ять років тому, завдяки порадам Клаудіуса Єхле, генерального директора компанії volytica diagnostics GmbH, ми розпочали серію статей „Цикл акумулятора“, метою якої було пролити світло на складнощі літій-іонних акумуляторів.

Ця серія надала величезну кількість цінних порад для всіх, хто працює у сфері електромобільності.

Тепер, через п’ять років, ми повертаємося до цих самих тем – знову завдяки співпраці з Клаудіусом Єхле – доповненими даними з реального світу та уроками, отриманими за цей час.

Повна серія статей, оновлена до останньої версії, також публікується у спеціальному монографічному випуску, який супроводжує номери журналу Sustainable Bus (та його сестринських платформ Sustainable Truck & Van та Powertrain International) протягом усього 2026 року.

Ми раді отримати ваші запитання, відгуки та пропозиції за адресою info@sustainable-bus.com.

Автор фотографії: Forsee Power

Акумулятор — це не одна клітина, хоча у повсякденному спілкуванні ми іноді хочемо зводити його до цього. В ідеалі він мав би поводитися як одна клітина, але, як завжди, насправді все складніше.

У системі акумуляторів десятки, а зазвичай сотні окремих клітин підключаються послідовно (тобто плюс однієї клітини підключається до мінус наступної тощо), утворюючи ланцюг. Кожна додаткова клітина підвищує загальну напругу системи. Оскільки «сила» дорівнює «напруга × струм», подвоєння напруги (шляхом підключення клітин послідовно) зменшує необхідний струм удвічі, а оскільки діаметр кабелів визначається переважно максимальним струмом, підвищення напруги системи шляхом послідовного підключення клітин фактично допомагає зменшити розміри, вагу та вартість кабелів. Ось так просто*. Якщо нам потрібна більша ємність, ми додаємо цілі ланцюги паралельно.

Але через цей простий трюк виникають нові проблеми: дисбаланс, нехомогенність, недоступна енергія та необхідність її збалансування.

Нехомогенність: експеримент уяви

Якщо ми відступимо від системи, де всі клітини однакові, ми зіткнемося з серйозними проблемами, які ми пояснимо тут. Як завжди, ми почнемо з простих аналогій, які (майже) ідеально підходять для повсякденних розмов. Розгляньмо систему з однією ниткою (це абсолютно так само працює і з системами з кількома нитками) та уявімо її — увага: це метафора — як каскад уже описаних склянок, які з’єднані між собою.

Чи погодитеся ви з тим, що, доки немає витоків, кількість рідини, що надходить зверху, повністю проходить без змін крізь кожну окрему клітину?

Отже, якщо зараз усі мають точно однакову ємність (SoH, у наступних статтях) та починають з однакової висоти наповнення (напруги), то у всіх буде однаковий початковий рівень заряду (SoC). Якщо струм протікає через каскад, кожна клітинка в цьому ідеальному прикладі наповнюється/спорожнюється саме такою ж кількістю рідини. Якщо продовжувати їх розряджати, усі вони одночасно наблизяться до 0% SoC**. Навпаки, якщо продовжувати їх наповнювати, усі вони одночасно будуть на 100% заповнені.

Акумулятор раптово спорожнюється. Наслідком є аварійне вимкнення системи, яке ми іноді називаємо подією раптового спаду заряду (SDE) – автомобіль, який ще кілька хвилин тому мав значний та стабільний рівень заряду, раптово зупиняється, а рівень заряду падає до 0%. До речі: якщо ви прочитали всі попередні статті, ви маєте уявлення, чому саме акумулятори типу LFP схильні до такого ефекту.

Балансування – це ключ!

Що зараз робить механізм балансування? Дуже просто: схема балансування в системі керування акумулятором має стежити за тим, щоб у всіх елементах був однаковий рівень заряду, ідеально — постійно, щоб найслабкіший елемент не обмежував загальну продуктивність у описаний спосіб. Найпростіший, але водночас найпоширеніший підхід часто називається пасивним балансуванням, і він здається марнотратним: головна логіка визначає рівень заряду «поганого» елемента та розряджає всі інші елементи****. Так, у наведеному вище прикладі система пасивного балансування почала б втрачати приблизно 5% енергії з усіх 99 справних елементів, майже «висмоктуючи» її з них*****. Ця енергія втрачається.

Існують також активні системи балансування, які є набагато складнішими та самі схильні до збоїв через свою складність, крім того, вони вимагають значних інвестицій. В результаті всі 100 акумуляторних елементів опиняються при однаковому рівні заряду, але завдяки активному перенесенню зайвого заряду з 99 інших елементів для підтримки того, що має проблеми, жоден заряд не втрачається під час цього процесу.

Коли відбувається балансування?

У великих та дуже завантажених стаціонарних системах активне балансування починає знаходити застосування. Однак простота та надійність пасивних систем все ще роблять їх оптимальним вибором майже у всіх застосуваннях, включаючи автобуси та вантажівки. Тож, для простоти, наведене нижче стосується лише пасивних систем.

Як уже зазначалося, система балансування спочатку мусить визначити рівень заряду кожної клітини. Як ви дізналися з попередньої статті, це особливо складно для електроніки в динамічних чи «пухких» умовах, тобто під час роботи або заряджання, а також для батарей із плоскими кривими OCV – як-от LFP. Тому система балансування потребує тривалих періодів бездіяльності без жодного потоку енергії, і ще більше задоволена, якщо рівень заряду дуже високий, адже «скляна форма» більшості типів батарей дозволяє здійснювати точний перетворення напруги у рівень заряду, коли батарея майже повна (або порожня, до речі). Чим довше триває бездіяльність, тим більше дисбалансу можна усунути через витоки енергії.

Практичні поради: 1) Плануйте пасивне балансування. Після зарядки до 100% дотримуйтесь рекомендацій виробника щодо часу простою, щоб BMS міг ефективно збалансувати акумуляторні елементи. 2) Запитуйте детальні дані для діагностики акумулятора. Попросіть інформацію про діапазон SoC, напруги елементів та показники відхилень, бажано на рівні окремих елементів або принаймні за модулем чи секцією. 3) Вказуйте це у тендерах. Вимагайте чітко визначеної стратегії балансування, максимального рівня дисбалансу елементів та довгострокового доступу до необроблених даних акумулятора.

Тепер ви розумієте, чому виробники рекомендують тривалий період простою відразу після зарядки до 100%? Саме так: простій при високому рівні SoC сприяє балансуванню – чим довше, тим краще.

Ми ще не відповіли на запитання, чому всі акумуляторні елементи не поводяться однаково. Ми навели приклад, коли один елемент трохи менш наповнений, ніж інші (тобто SoC). Насправді ситуація дуже складна через безліч взаємодій. Щоб навести одну з ключових причин – яка є самостверджуючоюся – це недосконалість виробництва, нерівномірні потоки охолодження/нагрівання, проблеми з з’єднанням, дефекти електроніки тощо. Через це деякі елементи деградують трохи швидше, ніж інші – справді лише трохи – що призводить до розбіжностей у їхній ємності (SoH). При постійному заряджанні та розряджанні ці розбіжності у SoH спричиняють те, що показники SoC усіх елементів починають відхилятися один від одного, подібно до прикладу, наведеного спочатку.

Щоб усе стало ще гірше, клітина, яка трохи менша за інші, переживає більший струм на одиницю ємності (C-rate), що посилює навантаження від деградації та робить її ще меншою за решту. Крім того, у неї, ймовірно, зростає опір, що призводить до підвищення температури. Також страждає діапазон SoC. Таким чином, «клітина-пре-лайм» ймовірно продовжуватиме незворотний спад.

Хоча система балансування постійно намагається вирівняти SoC, вона не може вплинути на незворотне розширення SoH. Це можна пом’якшити за допомогою системи балансування протягом кількох місяців чи років — принаймні оператор не відчуватиме безпосередньо цього процесу. Але в певний момент час балансування стане настільки довгим, щоб повністю вирівняти все, що це серйозно вплине на роботу. Або, якщо його тривалість буде занадто короткою, ризик виникнення SDEs значно зросте.

Що ж робити?

OEM-виробники та виробники добре усвідомлюють те, про що ми написали вище, і системи зазвичай добре оснащені відповідними механізмами балансування. Проте вкрай важливо, щоб клієнти усвідомлювали проблему дисбалансу та ризик недостатньої продуктивності системи через неї для кожного активу, а також щоб дотримувалася належна стратегія балансування та рекомендації OEM-виробника.

Коротко

Системи акумуляторів є складними. Вони складаються з сотень елементів, які імітують єдине ціле: якщо цього не відбувається, неможливо отримати всю наявну енергію.

У найгірших ситуаціях дисбалансовані системи можуть раптово почати «витрачати енергію самостійно» під час раптових інцидентів виснаження, що призводить до раптових, дорогих та потенційно небезпечних зупинок у дорозі.

Балансування вимагає часу та певних умов. Його здебільшого проводять під час тривалих фаз безробіття після повного заряджання.

Причини дисбалансу та нерівномірності є складними. Попередній дисбаланс може призвести до самовідтворюваної внутрішньої деградації, яка погіршує проблему.

Рекомендується дотримуватися рекомендацій виробника та самостійно стежити за нерівномірністю (оборотною та незворотною) та ефективністю балансування.

* Багато читачів можуть заперечувати – електроніка високої потужності також працює краще при вищих напругах! Це правда, але переважно з подібних причин, тобто через щільність струму.

** Зауважте, що наразі ми уявляємо цей процес як надзвичайно швидкий, тобто що опір елементів є надзвичайно низьким, і знову ж таки однаковим для кожного елемента. У реальності це, звісно, не так.

*** Насправді це 49,95% (1×45% + 99×50%), але показник SoC ніколи не вказується з двома десятковими знаками.

**** Насправді кожну клітинку з показником SoC > lemon розряджають за допомогою невеликих нагрівальних резисторів.

****** Насправді цей процес іноді називають «витіканням», а схему, що використовується, — «резисторами для витікання».

Стаття «Усунення нерівномірностей, або чому автобус на основі LFP іноді зупиняється» [The Battery Cycle #5 | 2026 RELEASE] вперше опублікувалася на Sustainable Bus.