Зарядка акумуляторів, їжа для розуму [Цикл акумуляторів №4 | 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 же тем – знову завдяки співпраці з Клаудіусом Єхле – доповненими даними з реального світу та уроками, отриманими за цей час.

Повна серія статей, оновлена до останньої миті, 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.

Уявлення про акумулятори як про круглі пляшки для вина, наповнені пінним пивом, як ми робили у попередній статті про рівень заряду, дуже допомагає зрозуміти повсякденні проблеми з оцінкою рівня заряду, проблеми балансування та раптове зупинення роботи. Але ця аналогія також значно допомагає зрозуміти типові запитання щодо зарядки акумуляторів, які ми розглянемо у цій статті.

Саме тут ми пояснимо – серед багатьох інших речей – як і чому подвоєння потужності зарядки не може скоротити час зарядки вдвічі, принаймні якщо мета – зарядити акумулятор до повного рівня.

Почнемо з конфігурацій зарядки на базах, тобто з автобусів чи вантажівок із досить великими акумуляторами (>300 кВт·год), які призначені для роботи протягом усього дня без або з лише кількома поповнювальними зарядками. Зазвичай хочеться, щоб акумулятор був на 100% вранці та залишався з певним запасом енергії наприкінці дня.

Чи є зарядка у депо розумним вибором?

Проте зарядка акумулятора до 100% перед початком дня не є настільки простою, як може здатися. Спочатку зарядний пристрій «домовляється» про майбутній процес зарядки з автомобілем за допомогою спеціального протоколу комунікації, що включає угоду щодо запланованої потужності заряджання, яку може надати зарядний пристрій, а також тієї, яку може прийняти акумулятор. Тут ми обмежимося частиною, пов’язаною з акумулятором, оскільки на цю делікатну та крихку частину комунікації можна було б написати безліч статей. Зокрема, ми пояснюємо ситуацію для акумуляторів нормального розміру, а не надзвичайно великих; для надто великих акумуляторів описана нижче частина, пов’язана з CV, зазвичай не так сильно впливає на процес заряджання.

Узгоджена постійна струм – ця фаза тому називається фазою постійного струму або просто фазою CC (див. графік праворуч). У аналогії з пивом склянка постійно наповнюється, і рівень наповнення зростає; піднімається як пиво, так і починає утворюватися піна – з електрохімічної точки зору починають накопичуватися «надпотенціали» на вимірюваній напрузі (якщо ви читали попередні статті, це пов’язано з міграцією великих іонів у електроди, що вимагає певних зусиль; це макроскопічно проявляється як зростання напруги, яке поступово зникає після припинення заряджання, так само як піна на пиві…).

Як тільки загальна висота наповнення, тобто пиво плюс піна, наближається до краю склянки, тобто напруга акумулятора досягає абсолютно максимально допустимої величини, зарядний пристрій та акумулятор швидко починають укладати новий профіль струму, який плавно змінюється та дозволяє загальній висоті наповнення залишатися майже постійною на верхньому рівні – це фаза постійної напруги або CV. По суті, поступове зменшення струму дозволяє пінній частині зменшуватися, тоді як рідка частина може продовжувати підніматися. Цей процес в цілому часто називається «зарядкою CCCV».

Уявіть, що ви просто припините заряджати, як тільки напруга вперше досягне максимуму – піна осіде, і, що досить несподівано, через 10–30 хвилин ваша склянка буде заповнена лише на 85%. Тож це абсолютно так само, як при наливанні пива: спочатку потрібно дозволити пиву течти, поки піна не досягне краю склянки, потім зменшити швидкість потоку, зберігаючи загальну висоту постійною (CV), змінюючи лише співвідношення рідини до піни.

Дізнаймося більше про наслідки…

Які це має наслідки? Подивіться результати симуляції на діаграмі – одним із прямих наслідків є те, що подвоєння потужності заряджання не дозволяє скоротити час заряджання вдвічі, принаймні якщо мета – повністю зарядити пристрій. Насправді частина заряджання з постійною потужністю прискорюється, але не в 2 рази, оскільки рівень напруги піднімається набагато швидше, тож частина заряджання з змінною потужністю стає ще більш помітною. У прикладі через приблизно 900 секунд частина з змінною потужністю навіть не досягається (вона з’являтиметься пізніше), але при подвоєнні потужності цей етап досягається вже через приблизно 570 секунд, що зменшує споживану енергію на 24%. Подвоєння потужності втричі, очевидно, миттєво переводить систему у режим змінної потужності (режим постійної потужності стає непомітним), що призводить до споживання енергії менше, ніж удвічі! Зрозуміло, це лише приклад, і він може не бути применшливий до ваших конкретних пристроїв.

Акумулятори великих розмірів – і це особливо стосується пристроїв на основі технології LFP – не демонструють такого вираженого ефекту, як описано тут (оскільки можливо навіть не досягти фази CV, тобто це схоже на наливання приблизно 1 літра пива у склянку об’ємом 1,5 літра: ви майже не отримаєте достатньо піни, щоб вона досягла краю склянки).

Ви ще не розумієте? Сила заряджання в 3 рази не обов’язково скорочує час заряджання в 3 рази!

Цілком можливо, що фаза CV триватиме стільки ж часу, скільки і фаза CC. Щоб зарядити пристрій на 80%, може знадобитися стільки ж часу, скільки і на останні 20%! Спостерігайте за цим у своїх системах моніторингу: спочатку рівень заряду SoC зростає лінійно, потім поступово знижується, поки не досягне рівня 100%.

Заряджання через кабельну мережу над дорогою (як у трамваях чи деяких ідеях використання електроавтомобілів) також заслуговує на увагу: окрім очевидних інфраструктурних труднощів у підтримці такої мережі, справжньою проблемою є електрична схема транспортних засобів – більшість дорожніх автомобілів мають гумові шини, які не проводять електричний струм. Тому транспортні засоби на гумових шинах, які використовують кабельну мережу, потребують двох дротів над дорогою (що ще більше ускладнює інфраструктуру порівняно з поїздами на металевих шинах). Однак справжня проблема – це безпека: у транспортних засобах на металевих колесах електрична несправність (наприклад, дотик живого дроту до каркаса транспортного засобу, що піддає його високому напрузі) миттєво буде спрямована в землю через колеса; ризик того, що каркас чи корпус транспортного засобу опиниться під напругою, дуже низький. Але у транспортних засобах на гумових шинах електрична несправність може підвести весь транспортний засіб під напругу, і пасажир, який доторкнеться до корпусу, може отримати електричний удар.

Електричний удар. Внаслідок цього електропроводка таких транспортних засобів ускладнюється та збільшує витрати, що робить їх економічно більш недоцільними.

Якщо ви не бачите цього у своїх даних під час наближення до 100%, найімовірнішою причиною є те, що показник SoC, який ви бачите, не є справжнім, «реальним» SoC. Виробники та OEM-компанії розрізняють SoC, який передається (часто «оперативний SoC»), та «реальний», внутрішньо обчислений показник («технічний SoC»), що, звісно, особливо актуальне для великих акумуляторів, де корисна, оперативна мережева ємність суттєво відрізняється від технічно доступної ємності.

Функціональний показник SoC налаштовується так, щоб, наприклад, відображати 100%, коли реальний показник становить лише близько 90%. Не вдаючись у занадто детальні пояснення, існують вагомі причини для цього: (а) щоб мати певні резерви (для компенсації відомих похибок оцінки, див. попередню статтю), (б) щоб заощадити акумулятор (надто високі/низькі показники SoC часто шкодять його стану) та (в) щоб імітувати, здавалося б, однорідну поведінку протягом усього терміну служби шляхом поступового використання цих резервів. Отже, якщо зараз ви не бачите такої поведінки під час заряджання, ви можете її побачити пізніше – пам’ятайте, що час заряджання акумулятора автомобіля в майбутньому може зрости!

Практичні поради: не просто просіть доступ до даних акумулятора, а запитуйте потрібні сигнали з належною роздільною здатністю. Параметри, такі як SoC, SoH, струм, напруга та температура, повинні фіксуватися з достатньою частотою, щоб відображати реальну поведінку під час заряджання.

А як щодо оплати за можливості?

Хоча можливість швидкого заряджання є перевагою, існують й інші виклики. Зазвичай акумулятор не заряджається до 100% (лише вранці, як зазначалося раніше), а лише постійно поповнюється меншою кількістю енергії (<200 кВт·год). Піна майже не досягає краю, тому немає інтенсивної фази постійного струму – лише змінний. Це більше схоже на періодичне доливання води чи червоного вина. Для швидкого заряджання потужність зазвичай досить висока. Тож, хоча немає фази постійного струму, яка могла б «заблокувати» швидке заряджання, високі імпульси можуть спричиняти підвищення напруги через опір (тут аналогія зі склянкою та рідиною трохи не доречна – можливо, краще уявити ігристе вино: ви наливаєте його, піна дуже швидко піднімається дуже високо та зникає майже за кілька секунд). У міру зниження якості акумулятора опір зростає, і ці піки напруги також збільшуються. Висновок: можливість швидкого заряджання має переваги, принаймні з точки зору часу заряджання, але...

Вони страждають від подовження часу зарядки, спричиненого деградацією.

Нарешті: індуктивне заряджання…

Одне зауваження щодо індуктивного заряджання, при якому фізичне підключення для гальванічного з’єднання замінюється бездротовою передачею енергії через простір. Це чудова ідея, адже практично не буде потреби у позиціонуванні та ручній обробці. Можна навіть заряджати автомобіль під час їзди. Але вступає в силу фізика: співвідношення енергії, яка потрапляє до транспортного засобу, та тієї, що втрачається через особливості неефективності індукції – простіше кажучи, та, що перетворюється на нагрівання навколишнього середовища – залежить переважно від (а) відстані між приймачем та передавачем та (б) частоти змінного електромагнітного індукційного поля.

Щоб індуктивне заряджання не стало неконкурентоспроможним з економічної точки зору, потрібно або (а) скоротити відстань між передавачем/приймачем до кількох міліметрів, і/або (б) підвищити частоту, а отже, розмір котушки та її вагу. В ідеалі мідна котушка (вагою кілька сотень кілограмів!) має знаходитися на відстані кількох міліметрів від передавача. Це виявилося та залишається технологічно настільки складним завданням, що досі не було знайдено жодного економічно доцільного та масштабованого рішення, і майже 100% усіх акумуляторів заряджаються за допомогою прямих з’єднань.

У кінцевому підсумку ми закликаємо всіх відкрито обговорювати варіанти та наслідки різних підходів до заряджання зі своїми постачальниками оригінального обладнання. Дуже корисно вимагати максимальної прозорості щодо базових сигналів акумулятора та зарядного пристрою, а також періодичної інформації про його деградацію, адже ми вже знаємо, як деградація впливає на кожен аспект акумулятора.

Коротко

Акумулятори на літій-іонних елементах демонструють цікавий ефект: кількість енергії, яку можна зарядити за певний час, залежить від потужності заряджання; наприклад, подвоєння потужності заряджання не обов’язково скорочує час заряджання вдвічі.

Значення SoC, яке ви бачите („операційне/чисте SoC“), здебільшого не є справжнім значенням SoC, і на це є вагомі причини.

У застосуваннях заряджання в складах чи будь-де ще, де акумулятор заряджається до 100% (справді до 100%), і де акумулятор не є надто великим, використовується певна форма заряджання CCCV.

Особлива закономірність CCCV призводить до того, що подвоєння чи потроєння потужності заряджання не скорочує час зарядки вдвічі чи на третину.

Заряджання за можливості здебільшого відбувається у режимі CC, тому воно не схильне до цієї закономірності, але є схильним до зростання опору через

* тобто характеристики OCV, див. статтю №3

** тобто надпотенціал/динамічні напруги

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

Стаття „Заряджання акумуляторів – нагода для роздумів [The Battery Cycle #4 | 2026 RELEASE]“ вперше опублікована на Sustainable Bus.