Рівень стресу: що завдає болю? [Цикл акумулятора №7 | 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.

Ласкаво просимо до нової статті серії „Цикл життя акумулятора“ – серії статей, присвятованих роз’ясненню цього „чорного ящика“ простою мовою, але з технічною точністю. У нашій попередній статті ми пояснили концепцію стану здоров’я акумулятора (або SOH) та чому її слід використовувати дуже обережно. Оскільки статті цієї серії пов’язані між собою, ми настійно рекомендуємо ознайомитися з усіма попередніми статтями (включаючи інформацію про відмінності між технологіями NMC, LFP, LTO, SOC, процесами заряджання та балансування).

Попередня стаття була присвятована одному з ключових наслідків деградації – зниженню ємності. Усе в цій галузі обертається навколо цього аспекту, але ми не торкалися питання: що насправді завдає шкоди? Що впливає на швидкість деградації та які заходи можна вжити для уповільнення зниження ємності?

Що таке „ємність“ та SoH?

Як ми дізналися у попередній статті, ємність, яку людина «спостерігає» під час щоденної експлуатації, часто називають «операційною» або «чистою» ємністю акумулятора, і вона програмно зроблена доступною за допомогою програмного забезпечення BMS. Таким чином, вона не є «за своєю суттю» автоматично пропорційною технічно доступній, теоретичній електрохімічній ємності акумуляторної системи. Перша навіть може залишатися постійною протягом років (філософія «Споживати буфер»: див. попередню статтю!), тоді як друга, технічна ємність, з часом знижується, хоча користувач про це не здогадується.

Той факт, що BMS може або не розкривати повний потенціал акумулятора – існують вагомі причини для цього! – ніколи не повинен вводити в оману власника чи оператора щодо того, щоб не експлуатувати акумулятор у недостатньо оптимальних, напружених умовах.

То які саме фактори безпосередньо впливають на деградацію, а отже, принаймні опосередковано — на ємність та продуктивність, які є у повсякденному житті?

Коротка відповідь: існує лише кілька універсальних правил. Загалом кожен тип акумуляторної клітини має свою унікальну чутливість до способу використання та зовнішніх факторів. Деякі типи клітин розроблені для роботи при низьких температурах, інші — для високих струмів тощо, а оскільки в житті зазвичай немає нічого безкоштовного, оптимізація в одній сфері призводить до втрат у іншій — детальніше про це пізніше.

Старіння за календарем проти старіння від циклів

По-перше, давайте розглянемо поняття календарного (або графічного) старіння та циклічного старіння. Коли акумулятор не використовується, тобто через нього не протікає струм, він деградує лише внаслідок календарного старіння. Як тільки починає протікати струм, до цього процесу додається циклічне старіння. Обидва види старіння призводять до зниження ємності (та збільшення опору) через те, що іони незворотно «гинуть», застрягаючи у побічних реакціях, які, звісно, залежать від різних факторів. Тому ми називаємо ці фактори впливаючими. Зазвичай іони незворотно реагують з іншими матеріалами в елементі (наприклад, з електролітом), утворюючи пасивні залишки*. Існують також інші форми залишків, які можуть стати небезпечними.

Впливаючі фактори є досить універсальними, проте їхній індивідуальний вплив сильно відрізняється:

• Температура – тобто температура елемента, а не температура навколишнього середовища**

SoC – У періоди без роботи (календарне старіння) темпи старіння залежать від рівня SoC, при якому зберігається акумулятор. Під час роботи (циклічне старіння) темпи старіння залежать від діапазону SoC, тобто від меж заряду між верхньою та нижньою циклічною межею.

Струм (лише під час циклічного старіння) – струм заряджання та розряджання

Часто механічні навантаження, такі як вібрації та тиск, (правильно) включаються до цього списку; наразі ми їх проігноруємо.

Температура та термін служби акумулятора

Як ці фактори впливають на швидкість зниження ємності? Це залежить від чутливості хімічної суміші елемента, причому ця залежність часто є сильно нелінійною. Більшість хімічних сумішей елементів краще зберігаються при низькій температурі, що уповільнює календарне старіння (знижуючи ймовірність побічних реакцій).

Однак, зокрема клітини NMC сильно страждають під час заряджання при низьких температурах (

Нанесення літію, тепловий вибух…

Акумулятори типу Li-Ion можна вважати безпечними. «Самозаймання», якщо воно взагалі можливе, можна припустити лише у разі накопичення внутрішніх мікроскопічних дефектів до критичного рівня. Простими словами, іони літію переміщуються від одного полюса до іншого всередині елемента, тоді як електрони подорожують цим шляхом через електричну схему транспортного засобу. За нормальних умов іони мігрують до протилежного електрода, щоб знову поєднатися з електронами, які вже пройшли цей шлях. Однак у холодну погоду, при високому струмі (швидке заряджання) та/або коли електрод вже майже повністю заряджений, ця міграція стає настільки ускладненою, як посадка в уже переповнений літак ще з тридцятьма мандруючими пасажирами. Тож за таких умов електрохімічно часто більш вигідним є утворення металевих відкладень на електроді – літієвого покриття, що є «поганою формою» залишків.

Практичні поради: 1) Плануйте пасивне балансування. Після зарядки до 100 % дотримуйтесь рекомендацій виробника щодо часу бездіяльності, щоб BMS міг ефективно збалансувати акумуляторні елементи. 2) Запитуйте детальні дані для діагностики акумулятора. Вимагайте інформацію про діапазон заряду, 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.

Постійне повторення цього процесу призводить до накопичення таких дефектів, які можуть досягати рівня проникнення в волокна та спричиняти внутрішні короткі замикання (дендрити). Це, у свою чергу, може генерувати тепло, що сприяє прискоренню хімічних процесів, що призводить до утворення ще більшої кількості тепла та газів – це самовідтворюваний процес, який називається «термічним вибухом». Така ситуація розвивається стрімко протягом менше ніж п’яти хвилин, що зрештою призводить до різкого вивільнення газів у вигляді густих білих хмар пар, насичених електролітом.

Примітка: умови, які сприяють процесу покриття, контролюються лише частково системою керування акумуляторами транспортного засобу. Оператор несе відповідальність за моніторинг та підтримку стану акумуляторів, так само як ретельне зберігання, обробка та розсудливий моніторинг легкозаймистих рідин є безумовною найкращою практикою.

Вступає в дію SoC

Отже, хоча струм та температура зазвичай створюють складну взаємодію, а чутливість до температури часто відрізняється при лінійному та циклічному старінні, справжні несподіванки приносить SoC!

Система керування може суттєво вплинути на термін служби акумулятора – як під час бездіяльності пристрою під час паркування (календарне старіння), так і протягом діапазону роботи пристрою (циклічне старіння). Хоча це лише один із сотень прикладів, це добре ілюструє потенціал, який прихований у цьому факторі: на наступній діаграмі показана еволюція деградації двох майже ідентичних сценаріїв використання акумулятора високої якості типу NMC. У обох випадках використовується приблизно 50% ємності акумулятора (що не є рідкістю); перший сценарій (зелений) передбачає використання акумулятора у верхній половині діапазону (100>50>100>…%, тобто повернення акумулятора напівповним до складу), тоді як у другому сценарії (фіолетовий) акумулятор використовується до майже повного розряду (50>0%). Вплив на деградацію є неймовірним: акумулятор у другому сценарії прослужить у 2–3 рази довше, ніж акумулятор у першому, що дозволяє знизити загальну вартість володіння більш ніж на 50%.

Хто наважиться — той переможе! Справді? Що стосується цих особливостей, узагальнення є дуже небезпечними. Може існувати багато елементів, які реагують зовсім по-різному – одне з часто цитуваних правил полягає у тому, що, уникаючи діапазонів високого (›90%) та низького (‹10%) рівня заряду, можна значно подовжити термін служби. Однак не в цьому прикладі – це не показано, але робота «у середині» (75›25›75›…%) навіть демонструє трохи швидшу деградацію, ніж у синьому варіанті!

Про рівень навантаження акумулятора

Це звучить складно, заплутано та майже некеровано. І справді, навіть кваліфікований фахівець не може оцінити, наскільки стресовим є певний профіль використання, навіть при його ручному аналізі – тобто шляхом оцінки профілю C-rate, динаміки температури та діапазонів SoC та порівняння їх із багатовимірною матрицею чутливості типу акумулятора*****.

Щоб зменшити складність, існує поняття «рівня стресу» – просте число, яке вказує спостерігачеві, чи є певний випадок використання більш чи менш стресовим порівняно з номінальним контрольним випадком (таким як стандартні умови проектування та гарантії, наприклад «Кінець терміну служби через 8 років») – рівень стресу 1,0 означає, що відповідний випадок має приблизно такий самий рівень стресу, як і планувалося, а рівень стресу 2,0 означає, що акумулятор під впливом цих факторів, ймовірно, деградує приблизно вдвічі швидше, ніж планувалося.

Існують інструменти, які можуть автоматично аналізувати рівень навантаження в платформі моніторингу. Ці інструменти корисні для оцінки ризиків та потенціалу, а також для адаптації сценаріїв використання.

Роль BMS

Вже багато років триває дискусія щодо того, чи є завданням електроніки акумулятора (BMS) контролювати фактори, що впливають на нього, та тримати їх під контролем. Так, це саме його завдання. Він запобігатиме шкідливому використанню, яке може створити негайну загрозу безпеці („дуже високе навантаження“). Однак, за винятком дуже рідких випадків, він не призначений і не створений для надання рекомендацій щодо „найоптимальнішого“ рівня навантаження.

Іншими словами: я не дозволю вам випити дві пляшки червоного вина, але не пораджу замість цього випити одну чашку імбирного чаю.

Цікаво, що світова тенденція спрямована на все вищу щільність енергії (більша дальність дії), за що часто доводиться дорого платити, жертвуючи терміном служби. Так, середня стабільність знижується! Це особливо стосується акумуляторів для легкових автомобілів, але рано чи пізно це може вплинути й на вантажні транспортні засоби. У будь-якому разі, сильна та значна чутливість усіх типів літій-іонних акумуляторів до впливових факторів має насторожити всіх нас та підвищити обізнаність щодо величезного потенціалу оптимізації, який може залишатися невикористаним у багатьох сферах застосування.

Коротко

1. Кожен підтип літій-іонних акумуляторів має свою унікальну та часто складну чутливість до зовнішніх факторів – причому календарне старіння (зберігання) потрібно відрізняти від циклічного старіння (експлуатація).

Обидві ситуації призводять до того, що іони Li набувають іншої форми та стають неактивними – що завжди спричиняє більш-менш значне зниження ємності (та підвищення опору), а іноді навіть до утворення небезпечних залишків (нанесення шару Li).

Таким чином, різні умови використання призводять до різного рівня навантаження (або темпів деградації), і просте підрахунок кількості циклів чи тривалості експлуатації ніколи не дозволить зробити адекватну оцінку деградації!

Іншими словами: ємність та рівень заряду все одно потрібно регулярно та незалежно перевіряти.

Це також вимагає підвищеної уваги як до небезпек (можлива поява проблем з безпекою, див. додаткові статті), так і до впливу різних факторів на швидкість деградації – наприклад, шляхом моніторингу рівня навантаження акумулятора.

Незначні корективи профілів використання можуть суттєво зменшити навантаження на акумулятор та допомогти подовжити термін служби пристрою на 10–50%, а в деяких екстремальних випадках навіть удвічі або більше!

* Його часто називають „інтерфейсом твердого електроліту“ (SEI), оскільки цей залишок утворює інтерфейс між твердими електродами та електролітом.

** Температура акумулятора, звісно, ніколи не є повністю незалежною від температури навколишнього середовища. Особливо в системах акумуляторів без контролю температури (без активного нагрівання/охолодження) температура акумулятора безпосередньо залежить від температури навколишнього середовища. Навіть якщо система контролюється активно, температура акумулятора після тривалого періоду вимкнення наближатиметься до температури навколишнього середовища.

*** «Коефіцієнт C» — це нормалізована сила струму; замість того, щоб говорити про 20 А — що може бути значною величиною для маленької (наприклад, акумулятора на 2 А·год), але незначною для великого акумулятора на 1000 А·год — часто силу струму ділять на номінальну ємність: 10C у першому випадку та 0,02C у другому. Отже, 1C означає: розряд до порожнього стану протягом 1 години.

**** Заряджання та розряджання при 1C, повний діапазон SoC (0 – 100% – 0%), температура змінюється

***** Цю матрицю чутливості часто називають картою напруг. Через її величезний обсяг та складність виробники як окремих акумуляторів, так і цілих систем часто не знають її принаймні частково. А оскільки вона дозволяє досягти значних можливостей оптимізації, її також часто тримають у таємниці.

Стаття «Рівень напруги: що завдає шкоди? [Цикл акумулятора №7 | Випуск 2026]» вперше опублікована на Sustainable Bus.