Довговічність акумуляторів: Електромобіль проти Мобільного телефону

Електромобіль (EV) ставить нові вимоги до акумулятора, і це сучасне джерело енергії дивовижно добре справляється з цим новим завданням. Але ми запитуємо: «Чому акумулятор у наших мобільних телефонах служить лише три роки, тоді як акумулятор в електромобілі здатний працювати понад 10 років?» Не всі відповіді відомі, і індустрія акумуляторів переповнена невиконаними обіцянками. Прогрес досягається, але економічне зберігання електроенергії залишається однією з наших досі невирішених проблем у сучасному суспільстві.

Секрет довговічності акумулятора електромобіля полягає в його збільшеному розмірі та роботі лише в середньому діапазоні з великою кількістю «резервної ємності» як резерву у верхньому та нижньому діапазонах. Часткове використання зменшує навантаження на акумулятор, але залишає цінний накопичувач енергії недовикористаним. Збільшення розміру також збільшує вартість та вагу, але ця резервна ємність зрештою буде використана, коли ємність вичерпається.

Зарядка акумулятора лише до 80% та розрядка до 20%, як це зазвичай робиться з новим акумулятором електромобіля, використовує лише 60% ємності. Оскільки з часом здатність до заряду знижується, бортова система BMS вимагає більшого заряду та меншого розряду для досягнення запасу ходу. Це коригування залишається непоміченим водієм, доки не буде помічено зменшення запасу ходу. Це відбувається, коли витрачається «пільгова ємність».

BMS для літієвих АКБ

Захищає батареї від перезаряду, глибокого розряду, перегріву та надвисокого струму

Victron VE.Bus BMS V2 – система управління літієвими акумуляторами LiFePO4 Smart

Розумна система керування батареями LiFePO4 Smart від Victron

Купити

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart акумуляторів Victron

 Компактна система керування батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), що забезпечує базовий захист акумуляторів від глибокого розряду, надмірного заряду та перегріву.

Купити

Smart BMS CL 12/100 – інтелектуальний захист LiFePO4 батарей у 12В системах від Victron Energy

Поєднує обмеження струму з генератора, Bluetooth-моніторинг, аварійні виходи та модульну взаємодію з іншими пристроями Victron – все в одному пристрої!

Купити

Подивитися більше

Теоретично, для задоволення потреб у енергії виснаження акумулятора потрібне повне заряджання та повне розряджання. У цей момент навантаження на акумулятор зростає, а його ємність прискорюється, що призводить до зменшення запасу ходу. Ця зміна є передбачуваною та розвивається протягом кількох років водіння. Після того, як ємність акумулятора знизиться до 70%, електромобіль все ще можна використовувати для коротких поїздок на роботу та виконання доручень. У більшості випадків зниження ємності лише зменшує запас ходу, тоді як потужність залишається високою.

Мобільний телефон не використовує пільговий режим заряджання для подовження терміну служби акумулятора. Через невеликий розмір та тривалий час роботи, акумулятор повністю використовується з самого початку. З точки зору користувача, краще не розряджати мобільний телефон занадто глибоко, а заряджати його частіше. Термін служби акумулятора також можна подовжити частковим зарядом, але більшість зарядних пристроїв не мають можливості встановити ліміт заряду. Кінець заряду потрібно контролювати вручну. Виробники телефонів вбудовують застарілі пристрої, які часто пов'язані з несправним сенсорним екраном або бажанням нових функцій.

Більшість акумуляторів для електромобілів мають 8-річну гарантію або ліміт пробігу 160 000 км (100 000 миль). Автовиробники в Каліфорнії зобов'язані продовжити гарантію до 10 років або 240 000 км (150 000 миль). Метою USABC (Консорціуму передових акумуляторів США) є 15-річний термін служби акумулятора та 1000 циклів до 2020 року. Дослідницькі лабораторії вже повідомляють про 2000 повних циклів розрядки (EFC). З 2000 циклами по 250 км (156 миль) кожен, акумулятор електромобіля буде придатний для пробігу 500 000 км (312 000 миль). Але випробування, проведені в лабораторії, як правило, показують кращі результати, ніж у реальних умовах.

Рисунок 1 обмежує запас ходу нового акумулятора, додаючи пільгову ємність, позначену зеленим кольором. Приблизно після 900 циклів верхня пільгова ємність витрачається. Програмне налаштування може подовжити термін служби акумулятора, додавши більше пільгової ємності, як показано на графіку, але це зменшує запас ходу.

Коли вся пільгова ємність вичерпана, гіпотетичний акумулятор потребує повного заряду та глибшого розряду, щоб досягти запасу ходу. Саме тоді зменшення запасу ходу стає помітним рік за роком.

Історичні дані Tesla показують зниження ємності приблизно на 5% після 80 000 км (50 000 миль). Виробники електромобілів уважно стежать за продуктивністю акумуляторів і вносять корективи, коли це необхідно для подовження терміну служби. У деяких випадках це передбачає додавання додаткової ємності, але це зменшує запас ходу. Коригування виконується шляхом оновлення програмного забезпечення в сервісному центрі або онлайн для сучасних моделей Tesla. Деякі оновлення є обов'язковими для збереження гарантії та подовження терміну служби акумулятора.

На рисунку 2 показано запас ходу моделі Tesla EV з акумулятором ємністю 85 кВт·год, як зазначено в соціальних мережах. У розділі 1 показаний стабільний запас ходу до 95 000 миль за показниками одометра. У розділі 2 демонструється зменшення запасу ходу на 5%, а в розділі 3 показано оновлення програмного забезпечення на рівні 130 000 миль. Це зменшує запас ходу приблизно на 10% за рахунок збільшення ємності.

Старіння акумулятора

Старіння акумулятора — це складний процес, який не завжди можна передбачити. Використання залежить від віку, кількості циклів, швидкості заряджання, рівнів навантаження та температури. Мюнхенський університет (TUM) провів масштабні випробування, що імітують акумулятори в електромобілі. Тестовий акумулятор — це літій-іонний акумулятор NCA в корпусі 18650, такий самий елемент, що й в електромобілі Tesla. Матеріал катода цього елемента — нікель, кобальт та алюміній, анод — графіт; 18640 визначає розмір елемента, який становить 16 мм у діаметрі та 64 мм у довжину.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Календарне старіння

На рисунку 3 досліджується зниження ємності як частина календарного старіння протягом 700 днів за різних рівнів стану заряду (SoC) та температур.

Найбільші постійні втрати ємності зареєстровані при високій напрузі заряду, високому SoC та підвищеній температурі. Жоден з літій-іонних елементів не заряджався до 4,20 В/елемент для досягнення повного SoC, як це робилося з акумулятором мобільного телефону, оскільки втрата ємності була б значною. Звіти показують, що за належних умов втрата ємності при зберіганні може бути нижчою за 10% за 15 років. Календарне старіння та циклічне зниження ємності є накопичувальними. Втрата не є лінійною; найбільше падіння відбувається на початку, а з часом сповільнюється. Експерти вважають, що висока втрата ємності за підвищених температур головним чином спричинена календарним старінням, а не циклічним.

Зарядка

Заряджання забирає літій з катода та інтеркалює його на анод. Процес найефективніший, коли акумулятор має низький заряд; прийняття заряду сповільнюється до насичення. Аналогія може бути швидким поглинанням їжі, коли ми голодні.

Ультрашвидка зарядка, або boost-зарядка, повинна виконуватися за правильних умов. Ефективність зарядки залежить від SoC та температури акумулятора. Зі старінням акумулятора внутрішній опір та баланс елементів погіршуються, і швидкість зарядки повинна відповідно уповільнюватися. Інтелектуальний зарядний пристрій повинен зчитувати стан акумулятора (SoH) і застосовувати лише стільки струму заряду, скільки акумулятор може розумно поглинути. Так само, літня людина цілком може пробігти марафон, якщо її навантаження контролюється. Визначення максимального струму зарядки є складним завданням, і ефективні технології діагностики акумулятора все ще перебувають у розробці.

Зарядні пристрої для електрокарів

Зарядні пристрої від відомого виробника з гарантією 5 років

Зарядний пристрій для електромобіля Victron EV Charging Station

Забезпечує до 22 кВт потужності в трифазному режимі або до 7,3 кВт в однофазному, підтримує роботу з GX-пристроями та VRM, має вбудований Wi-Fi, Bluetooth, сенсорний дисплей і кільце світлової індикації.

Купити

Зарядна станція для електромобілів Victron EV Charging Station NS

Це ідеальне рішення для тих, хто хоче заряджати електромобіль від сонця, керувати процесом з телефону або GX-пристрою, контролювати статистику через VRM-портал, та водночас мати надійний і стильний пристрій.

Купити

Чорна передня частина для EV Charging Station NS

 Змінна лицьова частина корпусу для зарядної станції Victron Energy EV Charging Station NS.Також передбачена версія білого кольору.

Купити

Подивитися більше

Енергетичні елементи слід заряджати зі струмом заряду нижче 1C. При струмі 1C літій-іонний акумулятор заряджається приблизно до 90% за одну годину зі струмом, що дорівнює номінальній ємності акумулятора в А·год. Заряджання акумулятора ємністю 85 кВт·год при 1C споживає 85 кВт, що відповідає потужності п'яти середньостатистичних домогосподарств. Перевищення струму понад 1C збільшує навантаження, що відображається у швидкій деградації ємності. Надшвидка зарядка найефективніша в діапазоні SoC 20–50%. Вбудована система BMS застосовує повне підвищення струму лише на цьому рівні, де сприйняття заряду найвище, перш ніж знизити струм до більш помірного рівня.

Елемент живлення міцніший і може заряджатися швидше, ніж енергетичний елемент. Елементи живлення зазвичай використовуються для електроінструментів. Вони забезпечують високий струм, мають широкий діапазон температур, але зберігають менше енергії, ніж енергетичний елемент.

Якщо ви занадто часто використовуєте надшвидку зарядку акумулятора електромобіля, система управління (BMS) може назавжди знизити струм на кілька кіловат. Замість 120 кВт на зарядному пристрої Supercharger, потужність заряджання може впасти до 90 кВт, що подовжить час заряджання приблизно на 5 хвилин. Це програмне налаштування, яке може застосовувати виробник електромобілів, не призначене для того, щоб перешкоджати використанню Supercharger, а для того, щоб адаптуватися до стану акумулятора для забезпечення безпеки та продовження терміну служби.

Такий пильний огляд може здивувати власників електромобілів. Одного разу водій заряджав свій автомобіль 245 разів на зарядній станції Supercharger, витрачаючи 6600 кВт·год енергії. Це незвично, оскільки більшість власників електромобілів використовують зарядний пристрій 2-го рівня вдома, для зарядки якого потрібно близько п'яти годин, використовуючи близько 7 кВт енергії.

Температура акумулятора також визначає швидкість його заряджання. На рисунку 4 показано залежність швидкого заряджання від температури. Оскільки молоко довго залишається свіжим у холодильнику, літій-іонний акумулятор також віддає перевагу прохолодній температурі зберігання, але заряджання та розряджання дають найкращі результати за підвищеної кімнатної температури. При 40°C (104°F) акумулятор заряджається за одну годину порівняно з 1,5 годинами при 5°C; однак, акумулятор розряджається швидше, ніж при помірних 25°C; Однак при високих 50°C (122°F) зарядний пристрій перемикається на половинну потужність з міркувань безпеки. Потужність заряджання також необхідно зменшувати під час заряджання нижче нуля, оскільки використання за низьких температур призводить до деградації анода.

Існують побоювання щодо впливу рекуперативного гальмування на акумулятор. Було продемонстровано, що короткі перезарядки під час гальмування не шкодять акумулятору навіть за низьких температур від 10°C до 0°C (від 50°F до 32°F). Втрата ємності є результатом високих рівнів заряду та глибоких розрядів, а не загальної пропускної здатності заряду. Регенеративне гальмування є корисним. Суперконденсатори для буферизації піків навантаження не потрібні. Потужність, що створюється регенеративним гальмуванням, зазвичай менше 1 Кл.

Вплив на завантаження

На рисунку 5 показано зниження ємності під час циклічного розряду/розрядки за низького, середнього та високого рівня SoC, а також за різних температур. Ці показники показані кольоровими суцільними лініями. Графік також ілюструє календарне старіння, яке представлено пунктирними лініями з меншою втратою ємності, ніж під час циклічного розряду/розрядки.

Високі втрати під час циклічного розряджання/заряджання літій-іонних акумуляторів за низьких температур є несподіванкою. Рисунок 5c забезпечує лише 500 циклів при 10°C (50°F) з високим SoC. Експерти з акумуляторів натякають на літійне покриття; елементи, заряджені високими струмами, постраждали найбільше. Це явище було підтверджено як домінуючий механізм старіння, що впливає на анод. Літій-іонні акумулятори слід розігріти до комфортної температури близько 25°C (77°F) з робочою температурою до 40°C (104°F). Цікаво, що літієве покриття демонструє деякі ефекти регенерації під час періодів простою.

Зворотне зменшення ємності

Швидка зарядка літій-іонного акумулятора понад заданий рівень заряду призводить до утворення літієвих пластин. Літій видаляється та накопичується на аноді, створюючи дефіцит, який знижує ємність. Дослідження показали, що втрата літію є основною причиною втрати ємності, що особливо помітно під час швидкої зарядки за низьких температур. Літій накопичується у верхніх ділянках анода, який не має катодного аналога.

Чим довше елемент перебуває на високому рівні заряду (SoC), тим більше відбувається літієвого покриття і тим більше втрачається ємності. Але цю накопичену ємність можна частково відновити. Певна кількість ємності повертається в робочий режим, коли елемент перебуває на низькому або середньому рівні заряду (SoC) протягом днів і місяців. Ефект відновлення ще не до кінця вивчений і потребує подальших досліджень.

Вчені вважають, що літій, який був дислокований у неактивні області та має закупорені пори на аноді, може бути відновлений протягом одного року бездіяльності. Зниклий літій повинен знову розчинитися та активуватися шляхом розподілу, але механізм відновлення до кінця не вивчений і потребує подальших досліджень.

Здається, існує схожість з ефектом «пам’яті» нікель-кадмієвого акумулятора. Кристалічне утворення, що утворюється під час повного заряду нікель-кадмієвого акумулятора, також призводить до втрати ємності, яку можна усунути, використовуючи акумулятор для фізичних навантажень.

Акумулятори NiCd

Надійні нікель-кадмієві акумулятори для резервного живлення та побудови великих енергетичних систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Надійна робота при високих розрядних струмах. Стійкість до перезаряду, глибокого розряду та ударів

Купити

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Герметичний корпус з клапаном — обслуговування 1 раз на 3–5 років. Надійна конструкція з довговічністю до 20+ років

Купити

EBM700 / KMP700 1,2В 700Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Серія акумуляторів EBM/KMP оптимізована роботу при розрядах від 30 хвилин до 2 годин, але може виконувати задачі при більш тривалих розрядах

Купити

Подивитися більше

Якщо гіпотеза правильна, відновити зношений літій-іонний акумулятор також можна, давши йому відпочити при низькому рівні заряду SoC. Однак це може бути непрактичним, оскільки акумулятору потрібен певний час відпочинку. Користувачі пристроїв з живленням від акумуляторів не дадуть своїм улюбленим пристроям заслужену відпустку для відновлення; однак, відновлення відбудеться без втручання користувача за певних обставин. Акумулятори справді відображають людські якості.

Зростання внутрішнього опору

Окрім зниження ємності, старіння акумулятора також пов'язане зі зростанням внутрішнього опору. Опір та зниження ємності не корелюють. Це означає, що стан акумулятора (SoH) неможливо ефективно перевірити, вимірюючи лише опір. Ємність є провідним показником справності, але ємність важче перевірити на льоту, ніж опір.

На рисунку 6 показано внутрішній опір літій-іонного елемента NCA 18650 під час циклічного нагріву до 40ºC (104ºF). Вимірювання опору проводяться методами змінного та постійного струму, двох методів, які дають різні результати. Метод змінного струму зазвичай використовує 1000 герц для вимірювання імпедансу, а отримані показники відображені в зеленій рамці на рисунку 6. Числа залишаються незмінними під час циклічного розряджання та не відображають справжнього резистивного стану акумулятора, що стосується подачі енергії в електромобіль. Опір постійному струму є більш надійним методом і вимірюється шляхом спостереження за падінням напруги під навантаженням.

Короткий зміст

Характеристики старіння літій-іонного акумулятора є складними та включають рівні заряду, швидкість заряджання, глибину розряду та температуру. Подібно до живого організму, довговічність базується на поєднанні подій, що враховують використання та умови навколишнього середовища. SoC вище 80% сприяє зниженню ємності, тоді як глибокий розряд збільшує внутрішній опір. Літій-іонні акумулятори повинні транспортуватися з 30% SoC; рекомендоване тривале зберігання становить від 40 до 50%. Підтримка літій-іонних акумуляторів на високому рівні SoC впливає на термін служби батареї більше, ніж циклічна робота в середньому діапазоні SoC.

Майбутні електромобілі можуть адаптувати зарядку акумулятора до розпорядку дня користувача. Подібно до будильника, з понеділка по п'ятницю електромобіль переходить у режим щоденних поїздок, заряджаючи акумулятор лише для поїздок на роботу та назад. Вихідні дні виконуються за програмою водіння, введеною в додатку на смартфоні власника електромобіля.

Термін служби літій-іонного акумулятора подовжується при роботі за помірної температури. Акумулятор електромобіля слід прогріти до комфортної температури близько 25°C (77°F) для заряджання та руху. Це відрізняється від зберігання або паркування, де температура має бути 10°C (50°F). Заряджання та експлуатація літій-іонного акумулятора за низької температури викликає навантаження, явище, яке не такою ж мірою стосується інших хімічних речовин.

Поєднання низької глибини циклу розрядки-розрядки та низького рівня зарядки-розрядки призводить до найдовшого терміну служби акумулятора, але це не використовує повною мірою великий, важкий та дорогий акумулятор. Щоб уникнути збільшення опору через глибокий розряд, вбудована система управління акумулятором (BMS) завжди зберігає певний резерв ємності, помилково показуючи «розряджений». Резервна ємність також захищає акумулятор під час заряджання високим струмом, оскільки повністю розряджений літій-іонний акумулятор не витримує надшвидкого заряджання. Для найкращих результатів заряджайте акумулятор частіше, не доводячи його до повного заряджання.

Прості поради щодо подовження терміну служби акумулятора EV

Лабораторні спостереження