Рішенням для того, щоб акумулятор електромобіля прослужив довше, може бути від’єднання деяких елементів.
Акумулятори електромобілів складаються з сотень чи тисяч елементів, які старіють не однаково. З часом деякі з них втрачають свою ємність швидше, ніж інші, і ця різниця може обмежити продуктивність всього акумулятора. Команда шведських дослідників працює над рішенням, яке дозволить зменшити вплив цього нерівномірного зносу без необхідності заміни всього акумулятора.
Пропозиція полягає у зміні способу підключення елементів акумулятора під час його роботи. Завдяки електронним вимикачам та системі керування, здатній адаптувати підключення, акумулятор міг би перестати залежати від найбільш деградованих елементів та краще використовувати ті, що все ще зберігають значну частину своєї ємності. Це рішення може виявитися особливо корисним для електромобілів з великою автономністю та електроавтомобілів вантажних.
Від’єднання найбільш деградованих елементів для кращого використання акумулятора
У звичайній батареї елементи під’єднані згідно з певною електричною схемою. Хоча не всі вони піддаються деградації від часу або кілометражу з однаковою швидкістю, ті, що втрачають свої характеристики раніше, можуть обмежити кількість енергії, яку можна отримати від усієї батареї. Це одна з причин, чому погіршення стану частини батареї може вплинути на її автономність, навіть якщо решта елементів зберігають відносно гарний стан.
Архітектура, яку досліджують вчені Технологічного університету Чалмерса у Швеції, має на меті вирішити цю проблему за допомогою реконфігуруваної батареї. Система включає електронні вимикачі, які дозволяють від’єднувати елементи, що показують гіршу продуктивність, та змінювати їхні з’єднання, щоб решта продовжували працювати. Таким чином, деградований елемент більше не обов’язково обмежуватиме продуктивність усієї батареї.
Щоб оцінити пропозицію, команда скористалася експериментально підтвердженими моделями акумуляторів та масштабними симуляціями. Дослідники проаналізували різні хімічні склади, електричні конфігурації, умови використання та закономірності старіння, включаючи варіації між елементами акумулятора, за допомогою 1.000 симуляцій Монте-Карло для кожного сценарію. У дослідженні також було розглянуто 20 типових моделей електромобілів від 15 різних виробників.
Результати свідчать про те, що потенційне покращення, як правило, зростає з напругою акумулятора. Це робить цю технологію особливо привабливою для транспортних засобів із великою кількістю елементів-батарей, під’єднаних послідовно, таких як електромобілі з великою автономністю та вантажівки. Однак для досягнення максимальної користі знадобиться індивідуальний контроль кожного елемента-батареї, що додасть складності та витрат. Тому комерційне застосування, ймовірно, використовуватиме контроль груп елементів-батарей, щоб утримувати систему в розумних межах.
Ще до 14 місяців перед заміною акумулятора
Один із прикладів, проаналізованих дослідниками, передбачає використання акумулятора ємністю 80 кВт·год. У цьому сценарії транспортний засіб, який проїжджає близько 12 000 кілометрів на рік, досягне терміну заміни акумулятора, характерного для звичайного акумулятора, через десять років. Це відбувається не через збої в роботі, а через зниження ємності та, відповідно, запасу ходу. Завдяки системі з можливістю реконфігурації цей момент відкладається приблизно на 14 місяців завдяки кращій ефективності використання елементів, які зберігають більш сприятливий стан.
Дослідження також перевірило, чи може подовження терміну служби компенсувати додаткові витрати на електронні компоненти. Результати свідчать про те, що ця пропозиція може бути економічно доцільною для акумуляторів ємністю понад 50 кВт·год, при відносно помірній щорічній пробігу, за умови, що початкове підвищення вартості залишається нижчим за 7,16%. Більша тривалість служби також може сприяти збереженню залишкової вартості автомобіля, хоча цей ефект залежатиме від реальних умов експлуатації та ринку вживаних автомобілів.
Ще однією потенційною перевагою було б зменшення необхідності дуже точного вибору та підбору елементів під час виробництва. Якщо система зможе пристосовуватися до різниць у продуктивності, які з’являються з часом, виробники матимуть більше можливостей для керування варіаціями між окремими елементами. Крім того, дозволяючи довше використовувати елементи, які все ще мають корисну ємність, ця архітектура може сприяти повторному використанню акумуляторів, вийнятих з транспортних засобів, у стаціонарних системах зберігання енергії.
Проте варто розміщувати результати у відповідному контексті. Покращення понад 20% є теоретичним лімітом за оптимальних умов, а не гарантованою перевагою для кожного електромобіля. Хоча технологія пройшла дослідження та випробування з промисловими прототипами, вона ще не доступна у серійних автомобілях. Для перевірки, наскільки може збільшитися термін служби та чи компенсує отримана економія додану складність, знадобляться тривалі випробування в реальних умовах.
Дослідження, проведене за співпраці з компаніями галузі, такими як Scania та PHINIA, було опубліковане у науковому журналі Nature Communications. Якщо результати будуть підтверджені для комерційних автомобілів, ця ідея може стати новим шляхом для зниження вартості електромобілів: замість того, щоб покладатися виключно на покращення хімії акумуляторних елементів, можна також подовжити термін їх служби завдяки розумнішому управлінню електроенергією.
Джерело | Nature