Долговечность аккумуляторов: Электромобиль против Мобильного телефона

Электромобиль (EV) предъявляет новые требования к аккумулятору, и этот современный источник энергии удивительно хорошо справляется с этой новой задачей. Но мы задаемся вопросом: «Почему аккумулятор в наших мобильных телефонах служит всего три года, в то время как аккумулятор в электромобиле способен работать более 10 лет?» Не все ответы известны, и индустрия аккумуляторов переполнена невыполненными обещаниями. Прогресс достигается, но экономичное хранение электроэнергии остается одной из наших до сих пор нерешенных проблем в современном обществе.

Секрет долговечности аккумулятора электромобиля заключается в его увеличенном размере и работе только в среднем диапазоне с большим количеством «резервной емкости» в качестве запаса в верхнем и нижнем диапазонах. Частичное использование уменьшает нагрузку на аккумулятор, но оставляет ценный накопитель энергии недоиспользованным. Увеличение размера также увеличивает стоимость и вес, но эта резервная емкость в конечном итоге будет использована, когда емкость иссякнет.

Зарядка аккумулятора всего до 80% и разрядка до 20%, как это обычно делается с новым аккумулятором электромобиля, использует всего 60% емкости. Поскольку со временем способность к заряду снижается, бортовая система BMS требует большего заряда и меньшего разряда для достижения запаса хода. Эта корректировка остается незамеченной водителем, пока не будет замечено уменьшение запаса хода. Это происходит, когда расходуется «льготная емкость».

BMS для литиевых АКБ

Защищает батареи от перезаряда, глубокого разряда, перегрева и сверхвысокого тока

Victron VE.Bus BMS V2 – система управления литиевыми аккумуляторами LiFePO4 Smart

Умная система управления батареями LiFePO4 Smart от Victron

Купить

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart аккумуляторов Victron

 Компактная система управления батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), обеспечивающая базовую защиту аккумуляторов от глубокого разряда, чрезмерного заряда и перегрева.

Купить

Smart BMS CL 12/100 – интеллектуальная защита LiFePO4 батарей в 12В системах от Victron Energy

Совмещает ограничение тока от генератора, Bluetooth-мониторинг, аварийные выходы и модульное взаимодействие с другими устройствами Victron – всё в одном устройстве!

Купить

Посмотреть больше

Теоретически, для удовлетворения потребностей в энергии истощение аккумулятора требует полной зарядки и полной разрядки. В этот момент нагрузка на аккумулятор возрастает, а его емкость ускоренно падает, что приводит к уменьшению запаса хода. Это изменение предсказуемо и развивается в течение нескольких лет вождения. После того, как емкость аккумулятора снизится до 70%, электромобиль все еще можно использовать для коротких поездок на работу и выполнения поручений. В большинстве случаев снижение емкости лишь уменьшает запас хода, в то время как мощность остается высокой.

Мобильный телефон не использует льготный режим зарядки для продления срока службы аккумулятора. Из-за небольшого размера и длительного времени работы, аккумулятор полностью используется с самого начала. С точки зрения пользователя, лучше не разряжать мобильный телефон слишком глубоко, а заряжать его чаще. Срок службы аккумулятора также можно продлить частичным зарядом, но большинство зарядных устройств не имеют возможности установить лимит заряда. Конец заряда нужно контролировать вручную. Производители телефонов встраивают устаревшие устройства, что часто связано с неисправным сенсорным экраном или желанием новых функций.

Большинство аккумуляторов для электромобилей имеют 8-летнюю гарантию или лимит пробега 160 000 км (100 000 миль). Автопроизводители в Калифорнии обязаны продлить гарантию до 10 лет или 240 000 км (150 000 миль). Целью USABC (Консорциума передовых аккумуляторов США) является 15-летний срок службы аккумулятора и 1000 циклов к 2020 году. Исследовательские лаборатории уже сообщают о 2000 полных циклов разрядки (EFC). С 2000 циклами по 250 км (156 миль) каждый, аккумулятор электромобиля будет пригоден для пробега 500 000 км (312 000 миль). Но испытания, проведенные в лаборатории, как правило, показывают лучшие результаты, чем в реальных условиях.

Рисунок 1 ограничивает запас хода нового аккумулятора, добавляя льготную емкость, обозначенную зеленым цветом. Примерно после 900 циклов верхняя льготная емкость расходуется. Программная настройка может продлить срок службы аккумулятора, добавив больше льготной емкости, как показано на графике, но это уменьшает запас хода.

Когда вся льготная емкость исчерпана, гипотетический аккумулятор требует полного заряда и более глубокого разряда, чтобы достичь запаса хода. Именно тогда уменьшение запаса хода становится заметным год за годом.

Исторические данные Tesla показывают снижение емкости примерно на 5% после 80 000 км (50 000 миль). Производители электромобилей внимательно следят за производительностью аккумуляторов и вносят коррективы, когда это необходимо для продления срока службы. В некоторых случаях это предполагает добавление дополнительной емкости, но это уменьшает запас хода. Корректировка выполняется путем обновления программного обеспечения в сервисном центре или онлайн для современных моделей Tesla. Некоторые обновления являются обязательными для сохранения гарантии и продления срока службы аккумулятора.

На рисунке 2 показан запас хода модели Tesla EV с аккумулятором емкостью 85 кВт·ч, как указано в социальных сетях. В разделе 1 показан стабильный запас хода до 95 000 миль по показаниям одометра. В разделе 2 демонстрируется уменьшение запаса хода на 5%, а в разделе 3 показано обновление программного обеспечения на уровне 130 000 миль. Это уменьшает запас хода примерно на 10% за счет увеличения емкости.

Старение аккумулятора

Старение аккумулятора — это сложный процесс, который не всегда можно предсказать. Использование зависит от возраста, количества циклов, скорости зарядки, уровней нагрузки и температуры. Мюнхенский университет (TUM) провел масштабные испытания, имитирующие аккумуляторы в электромобиле. Тестовый аккумулятор — это литий-ионный аккумулятор NCA в корпусе 18650, такой же элемент, что и в электромобиле Tesla. Материал катода этого элемента — никель, кобальт и алюминий, анод — графит; 18640 определяет размер элемента, который составляет 16 мм в диаметре и 64 мм в длину.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Календарное старение

На рисунке 3 исследуется снижение емкости как часть календарного старения в течение 700 дней при различных уровнях состояния заряда (SoC) и температур.

Наибольшие постоянные потери емкости зарегистрированы при высоком напряжении заряда, высоком SoC и повышенной температуре. Ни один из литий-ионных элементов не заряжался до 4,20 В/элемент для достижения полного SoC, как это делалось с аккумулятором мобильного телефона, поскольку потеря емкости была бы значительной. Отчеты показывают, что при надлежащих условиях потеря емкости при хранении может быть ниже 10% за 15 лет. Календарное старение и циклическое снижение емкости являются накопительными. Потеря не является линейной; наибольшее падение происходит в начале, а со временем замедляется. Эксперты считают, что высокая потеря емкости при повышенных температурах главным образом вызвана календарным старением, а не циклическим.

Зарядка

Зарядка забирает литий с катода и интеркалирует его на анод. Процесс наиболее эффективен, когда аккумулятор имеет низкий заряд; принятие заряда замедляется до насыщения. Аналогией может быть быстрое поглощение пищи, когда мы голодны.

Ультрабыстрая зарядка, или boost-зарядка, должна выполняться при правильных условиях. Эффективность зарядки зависит от SoC и температуры аккумулятора. Со старением аккумулятора внутреннее сопротивление и баланс элементов ухудшаются, и скорость зарядки должна соответственно замедляться. Интеллектуальное зарядное устройство должно считывать состояние аккумулятора (SoH) и применять только столько тока заряда, сколько аккумулятор может разумно поглотить. Так же, пожилой человек вполне может пробежать марафон, если его нагрузка контролируется. Определение максимального тока зарядки является сложной задачей, и эффективные технологии диагностики аккумулятора все еще находятся в разработке.

Зарядные устройства для электрокаров

Зарядные устройства от известного производителя с гарантией 5 лет

Зарядное устройство для электромобиля Victron EV Charging Station

Обеспечивает до 22 кВт мощности в трехфазном режиме или до 7,3 кВт в однофазном, поддерживает работу с GX-устройствами и VRM, имеет встроенный Wi-Fi, Bluetooth, сенсорный дисплей и кольцо световой индикации.

Купить

Зарядная станция для электромобилей Victron EV Charging Station NS

Это идеальное решение для тех, кто хочет заряжать электромобиль от солнца, управлять процессом с телефона или GX-устройства, контролировать статистику через VRM-портал, и при этом иметь надежное и стильное устройство.

Купить

Черная передняя часть для EV Charging Station NS

 Сменная лицевая часть корпуса для зарядной станции Victron Energy EV Charging Station NS. Также предусмотрена версия белого цвета.

Купить

Посмотреть больше

Энергетические элементы следует заряжать с током заряда ниже 1C. При токе 1C литий-ионный аккумулятор заряжается примерно до 90% за один час с током, равным номинальной емкости аккумулятора в А·ч. Зарядка аккумулятора емкостью 85 кВт·ч при 1C потребляет 85 кВт, что соответствует мощности пяти среднестатистических домохозяйств. Превышение тока более 1C увеличивает нагрузку, что отражается в быстрой деградации емкости. Сверхбыстрая зарядка наиболее эффективна в диапазоне SoC 20–50%. Встроенная система BMS применяет полное повышение тока только на этом уровне, где восприятие заряда наивысшее, прежде чем снизить ток до более умеренного уровня.

Силовой элемент прочнее и может заряжаться быстрее, чем энергетический элемент. Силовые элементы обычно используются для электроинструментов. Они обеспечивают высокий ток, имеют широкий диапазон температур, но хранят меньше энергии, чем энергетический элемент.

Если вы слишком часто используете сверхбыструю зарядку аккумулятора электромобиля, система управления (BMS) может навсегда снизить ток на несколько киловатт. Вместо 120 кВт на зарядном устройстве Supercharger, мощность зарядки может упасть до 90 кВт, что продлит время зарядки примерно на 5 минут. Эта программная настройка, которую может применять производитель электромобилей, не предназначена для того, чтобы препятствовать использованию Supercharger, а для того, чтобы адаптироваться к состоянию аккумулятора для обеспечения безопасности и продления срока службы.

Такой пристальный обзор может удивить владельцев электромобилей. Однажды водитель заряжал свой автомобиль 245 раз на зарядной станции Supercharger, потратив 6600 кВт·ч энергии. Это необычно, поскольку большинство владельцев электромобилей используют зарядное устройство 2-го уровня дома, для зарядки которого требуется около пяти часов, используя около 7 кВт энергии.

Температура аккумулятора также определяет скорость его зарядки. На рисунке 4 показана зависимость быстрой зарядки от температуры. Поскольку молоко долго остается свежим в холодильнике, литий-ионный аккумулятор также предпочитает прохладную температуру хранения, но зарядка и разрядка дают лучшие результаты при повышенной комнатной температуре. При 40°C (104°F) аккумулятор заряжается за один час по сравнению с 1,5 часами при 5°C; однако, аккумулятор разряжается быстрее, чем при умеренных 25°C; Однако при высоких 50°C (122°F) зарядное устройство переключается на половинную мощность из соображений безопасности. Мощность зарядки также необходимо уменьшать во время зарядки ниже нуля, так как использование при низких температурах приводит к деградации анода.

Существуют опасения относительно влияния рекуперативного торможения на аккумулятор. Было продемонстрировано, что короткие перезарядки во время торможения не вредят аккумулятору даже при низких температурах от 10°C до 0°C (от 50°F до 32°F). Потеря емкости является результатом высоких уровней заряда и глубоких разрядов, а не общей пропускной способности заряда. Рекуперативное торможение полезно. Суперконденсаторы для буферизации пиков нагрузки не нужны. Мощность, создаваемая рекуперативным торможением, обычно меньше 1 Кл.

Влияние на загрузку

На рисунке 5 показано снижение емкости во время циклической разрядки/зарядки при низком, среднем и высоком уровне SoC, а также при различных температурах. Эти показатели показаны цветными сплошными линиями. График также иллюстрирует календарное старение, которое представлено пунктирными линиями с меньшей потерей емкости, чем во время циклической разрядки/зарядки.

Высокие потери во время циклической разрядки/зарядки литий-ионных аккумуляторов при низких температурах являются неожиданностью. Рисунок 5c обеспечивает всего 500 циклов при 10°C (50°F) с высоким SoC. Эксперты по аккумуляторам намекают на литиевое покрытие; элементы, заряженные высокими токами, пострадали больше всего. Это явление было подтверждено как доминирующий механизм старения, влияющий на анод. Литий-ионные аккумуляторы следует разогреть до комфортной температуры около 25°C (77°F) с рабочей температурой до 40°C (104°F). Интересно, что литиевое покрытие демонстрирует некоторые эффекты регенерации во время периодов простоя.

Обратимое уменьшение емкости

Быстрая зарядка литий-ионного аккумулятора сверх заданного уровня заряда приводит к образованию литиевых пластин. Литий удаляется и накапливается на аноде, создавая дефицит, который снижает емкость. Исследования показали, что потеря лития является основной причиной потери емкости, что особенно заметно во время быстрой зарядки при низких температурах. Литий накапливается в верхних участках анода, который не имеет катодного аналога.

Чем дольше элемент находится на высоком уровне заряда (SoC), тем больше происходит литиевого покрытия и тем больше теряется емкости. Но эту накопленную емкость можно частично восстановить. Определенное количество емкости возвращается в рабочий режим, когда элемент находится на низком или среднем уровне заряда (SoC) в течение дней и месяцев. Эффект восстановления еще не до конца изучен и требует дальнейших исследований.

Ученые считают, что литий, который был дислоцирован в неактивные области и имеет закупоренные поры на аноде, может быть восстановлен в течение одного года бездействия. Исчезнувший литий должен снова раствориться и активироваться путем распределения, но механизм восстановления до конца не изучен и требует дальнейших исследований.

Кажется, существует сходство с эффектом «памяти» никель-кадмиевого аккумулятора. Кристаллическое образование, возникающее во время полного заряда никель-кадмиевого аккумулятора, также приводит к потере емкости, которую можно устранить, используя аккумулятор для физических нагрузок.

Аккумуляторы NiCd

Надежные никель-кадмиевые аккумуляторы для резервного питания и построения крупных энергетических систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Надежная работа при высоких разрядных токах. Устойчивость к перезаряду, глубокому разряду и ударам

Купить

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Герметичный корпус с клапаном — обслуживание 1 раз в 3–5 лет. Надежная конструкция с сроком службы более 20 лет

Купить

EBM700 / KMP700 1,2В 700Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Серия аккумуляторов EBM/KMP оптимизирована для работы при разрядах от 30 минут до 2 часов, но может применяться и при более длительных нагрузках

Купить

Посмотреть больше

Если гипотеза верна, восстановить изношенный литий-ионный аккумулятор также можно, дав ему отдохнуть при низком уровне заряда SoC. Однако это может быть непрактичным, поскольку аккумулятору требуется определенное время отдыха. Пользователи устройств с питанием от аккумуляторов не дадут своим любимым устройствам заслуженный отпуск для восстановления; однако, восстановление произойдет без вмешательства пользователя при определенных обстоятельствах. Аккумуляторы действительно отражают человеческие качества.

Рост внутреннего сопротивления

Кроме снижения емкости, старение аккумулятора также связано с ростом внутреннего сопротивления. Сопротивление и снижение емкости не коррелируют. Это означает, что состояние аккумулятора (SoH) невозможно эффективно проверить, измеряя только сопротивление. Емкость является ведущим показателем исправности, но емкость труднее проверить на лету, чем сопротивление.

На рисунке 6 показано внутреннее сопротивление литий-ионного элемента NCA 18650 во время циклического нагрева до 40ºC (104ºF). Измерения сопротивления проводятся методами переменного и постоянного тока, двух методов, которые дают разные результаты. Метод переменного тока обычно использует 1000 герц для измерения импеданса, а полученные показатели отражены в зеленой рамке на рисунке 6. Числа остаются неизменными во время циклической разрядки и не отражают истинного резистивного состояния аккумулятора, что касается подачи энергии в электромобиль. Сопротивление постоянному току является более надежным методом и измеряется путем наблюдения за падением напряжения под нагрузкой.

Краткое содержание

Характеристики старения литий-ионного аккумулятора сложны и включают уровни заряда, скорость зарядки, глубину разряда и температуру. Подобно живому организму, долговечность основана на сочетании событий, учитывающих использование и условия окружающей среды. SoC выше 80% способствует снижению емкости, в то время как глубокий разряд увеличивает внутреннее сопротивление. Литий-ионные аккумуляторы должны транспортироваться с 30% SoC; рекомендуемое длительное хранение составляет от 40 до 50%. Поддержание литий-ионных аккумуляторов на высоком уровне SoC влияет на срок службы батареи больше, чем циклическая работа в среднем диапазоне SoC.

Будущие электромобили могут адаптировать зарядку аккумулятора к распорядку дня пользователя. Подобно будильнику, с понедельника по пятницу электромобиль переходит в режим ежедневных поездок, заряжая аккумулятор только для поездок на работу и обратно. Выходные дни выполняются по программе вождения, введенной в приложении на смартфоне владельца электромобиля.

Срок службы литий-ионного аккумулятора продлевается при работе при умеренной температуре. Аккумулятор электромобиля следует прогреть до комфортной температуры около 25°C (77°F) для зарядки и движения. Это отличается от хранения или парковки, где температура должна быть 10°C (50°F). Зарядка и эксплуатация литий-ионного аккумулятора при низкой температуре вызывает нагрузку, явление, которое не в такой же степени касается других химических веществ.

Сочетание низкой глубины цикла разрядки-зарядки и низкого уровня зарядки-разрядки приводит к самому долгому сроку службы аккумулятора, но это не использует в полной мере большой, тяжелый и дорогой аккумулятор. Чтобы избежать увеличения сопротивления из-за глубокого разряда, встроенная система управления аккумулятором (BMS) всегда сохраняет определенный резерв емкости, ошибочно показывая «разряжен». Резервная емкость также защищает аккумулятор во время зарядки высоким током, поскольку полностью разряженный литий-ионный аккумулятор не выдерживает сверхбыстрой зарядки. Для наилучших результатов заряжайте аккумулятор чаще, не доводя его до полной зарядки.

Простые советы по продлению срока службы аккумулятора EV

Лабораторные наблюдения