Батарея электромобиля стареет не целиком: учёные нашли её скрытого «убийцу»

Когда батарея электромобиля теряет запас хода, кажется естественным предположить, что весь аккумулятор постепенно «износился». Но исследование реальных автомобилей и автобусов показывает более интересную картину. В момент, когда батарейный блок уже считается существенно деградировавшим, значительная часть составляющих его ячеек может оставаться вполне работоспособной. Проблема в другом: вся система начинает зависеть от наиболее слабых элементов.

Современная тяговая батарея — это не один гигантский аккумулятор. Она состоит из множества отдельных литий-ионных ячеек, электрически объединённых в модули и блоки. Производители стараются сделать их максимально одинаковыми, однако абсолютной идентичности добиться невозможно. Немного различаются ёмкость, внутреннее сопротивление, температура и другие характеристики, а после тысяч циклов зарядки и разрядки первоначально небольшие расхождения способны увеличиваться.

Исследователи из Технологического университета Чалмерса, Китайской академии наук, Пекинского технологического института и Zeekr Technology Europe решили выяснить, насколько серьёзна эта проблема не в лаборатории, а на настоящих дорогах. Они проанализировали данные двух эксплуатировавшихся автопарков: 116 легковых электромобилей с аккумуляторами NMC и 17 электрических автобусов с батареями LFP. Наблюдения охватывали более трёх лет, а пробег некоторых машин достигал 300 тысяч километров.

Это особенно ценно, поскольку лабораторные испытания неизбежно упрощают жизнь аккумулятора. На дороге всё сложнее: жара сменяется морозом, машина стоит в пробке, ускоряется, заряжается с различной мощностью, иногда долго остаётся почти полностью заряженной или, наоборот, разряженной. Именно такую биографию батареи и получили исследователи вместо идеализированного стендового теста.

Учёные оценивали два ключевых параметра отдельных ячеек — их оставшуюся ёмкость и внутреннее сопротивление. Первый показывает, сколько заряда элемент способен хранить, второй связан с тем, насколько эффективно он может отдавать мощность. Чтобы отделить реальное старение от временного влияния температуры, уровня заряда и тока, исследователи дополнительно применили модели машинного обучения.

Результат оказался весьма существенным. Накопившаяся неоднородность элементов сокращала расчётный срок службы аккумуляторных блоков примерно на 18–23%, а их мощностные возможности — приблизительно на 13–15%. Иными словами, батарея могла бы потенциально работать заметно дольше, если бы все её элементы старели более синхронно.

Причину легко представить на примере гирлянды, где состояние всей цепи определяется проблемным звеном. При последовательном соединении элементов система должна соблюдать безопасные пределы для каждой ячейки. Если одна из них достигает минимально допустимого напряжения раньше остальных, электроника вынуждена ограничить дальнейший разряд всего блока. Хотя соседние элементы ещё располагают запасом энергии, воспользоваться им полностью нельзя.

Именно поэтому особенно впечатляет другой результат работы. К моменту, когда аккумуляторные блоки достигали критериев окончания автомобильной эксплуатации, около пятой части потенциального энергетического ресурса оставалось неиспользованным в легковых машинах, а у автобусов — более четверти. Это не означает, что автомобиль на каждой поездке терял 20–27% заряда. Речь идёт о совокупном ресурсе относительно здоровых элементов, которым батарея уже не могла полноценно воспользоваться из-за более слабых соседей.

На первый взгляд решение известно давно — балансировка. Электроника батареи следит за уровнем заряда отдельных ячеек и пытается уменьшать различия между ними. Но исследование выявило принципиальную деталь: обычный дисбаланс уровня заряда уменьшал доступную ёмкость, как правило, менее чем на 2%. Гораздо серьёзнее оказалось различие именно в скорости старения элементов.

Это меняет взгляд на задачу системы управления батареей. Недостаточно постоянно приводить ячейки примерно к одинаковому уровню заряда. В идеале электроника должна распределять нагрузку так, чтобы они ещё и старели максимально равномерно. Получается своеобразная командная гонка: бесполезно заставлять всех участников одновременно выйти на старт, если один из них изнашивается намного быстрее остальных.

Причины неравномерного старения могут появляться на разных этапах жизни батареи. Небольшой разброс характеристик закладывается ещё при производстве элементов. Затем свою роль играют их подбор и группировка, различия температуры внутри большого аккумуляторного блока, электрические нагрузки и эффективность охлаждения. Даже несколько градусов разницы в течение многих лет эксплуатации способны изменить траекторию деградации отдельных участков батареи.

Одним из наиболее интересных решений могут стать реконфигурируемые аккумуляторные системы. В обычной батарее электрическая архитектура в значительной степени фиксирована. В реконфигурируемой системе электроника способна изменять использование отдельных ячеек или их групп в зависимости от состояния. Ослабевший элемент можно меньше нагружать, а ресурс более здоровых использовать эффективнее.

Такой подход превращает батарею из относительно пассивной конструкции в адаптивную энергетическую систему. Она получает возможность учитывать индивидуальное состояние своих компонентов почти так же, как интеллектуальная система распределяет работу между машинами с разной производительностью. Исследователи уже изучают, насколько динамическая реконфигурация способна продлевать срок эксплуатации и компенсировать дополнительную стоимость сложной электроники.

Практическое значение работы выходит далеко за пределы запаса хода конкретного электромобиля. Батарея является одним из наиболее дорогих и ресурсоёмких компонентов машины. Если срок её полезной эксплуатации удаётся увеличить без пропорционального увеличения количества лития, никеля, графита и других материалов, уменьшаются стоимость владения и потребность в производстве новых аккумуляторов.

Исследование также показывает, почему простой показатель «здоровья батареи» не всегда рассказывает всю историю. Два аккумуляторных блока с одинаковой средней остаточной ёмкостью могут находиться в совершенно разном состоянии: один состоит из относительно однородных ячеек, а в другом несколько слабых элементов уже ограничивают десятки более здоровых.

В будущем поэтому важным показателем может стать не только то, сколько процентов первоначальной ёмкости сохранила батарея, но и насколько равномерно распределён этот ресурс между её ячейками. Возможно, следующая крупная прибавка к долговечности электромобилей появится не благодаря революционной химии аккумуляторов, а благодаря умению электроники эффективнее распоряжаться уже имеющейся батареей.

Получается парадокс: старый аккумулятор может быть гораздо «моложе», чем кажется автомобилю. Значительная часть его элементов ещё способна работать, но несколько наиболее деградировавших ячеек заставляют систему раньше ограничивать весь блок. Поэтому борьба за долговечность электромобилей всё больше превращается в борьбу не только с общим старением батареи, но и с неравномерностью этого старения.