Zašto baterija vašeg električnog automobila gubi domet brže nego što laboratorijski testovi predviđaju kad počnete brzo puniti na vrućini

Proveo sam dvanaest godina proučavajući litij-ionske baterijske pakete u električnim vozilima, a jaz između podataka o ciklusima u laboratoriju i onoga što se zapravo događa na cesti i dalje je veći nego što većina ljudi očekuje. Paketi koji nakon nekoliko tisuća kontroliranih ciklusa u klimatskoj komori izgledaju u redu često pokazuju brži gubitak kapaciteta kad se redovito brzo puni istosmjernom strujom na okolini iznad 30 °C. Glavni pokretač nije kalendarska starost – već kombinacija visokih brzina punjenja i povišenih temperatura ćelija koje sustav za upravljanje temperaturom ne kontrolira u potpunosti tijekom uzastopnih ciklusa.

Većina današnjih baterijskih paketa za električna vozila koristi NMC ili LFP ćelije s tekućim hlađenjem. U laboratoriju možete strogo kontrolirati temperaturu ćelija i ograničiti brzinu punjenja, pa zadržavanje kapaciteta nakon 1.000 ekvivalentnih punih ciklusa često ostaje iznad 90%. Na cesti rashladna petlja mora se nositi i s toplinom iz ćelija i s toplinom koju upija iz okolnog zraka i ceste. Kada vozač priključi vozilo na punjač snage 150–250 kW po vrućem danu, temperature ćelija mogu porasti do sredine 40-ih °C, čak i uz intenzivno hlađenje. Taj raspon temperatura ubrzava sporedne reakcije na sučelima anode i katode.

Laboratorijski podaci iz kontrolirane usporedbe

Proveli smo ubrzano testiranje dviju serija modula iz iste proizvodne serije. Jedna je serija ciklirana na 25 °C s maksimalnom stopom punjenja od 1 C. Druga je serija ciklirana na temperaturi ćelije od 40 °C sa stopama punjenja do 2,5 C kako bi se simuliralo ponovljeno brzo punjenje istosmjernom strujom. Nakon 800 ekvivalentnih punih ciklusa grupa na 25 °C izgubila je oko 6 % kapaciteta. Grupa na 40 °C s visokom stopom punjenja izgubila je 11–13 %. Porast impedancije također je bio veći u grupi na visokim temperaturama — otprilike 18 % naspram 9 %. Raspakiranjem nakon testiranja otkriveni su deblji slojevi SEI-ja i više dokaza o taloženju litija na anodama ćelija s visokom temperaturom i brzim punjenjem. Razlika nije bila dramatična u apsolutnim vrijednostima, ali je bila dosljedna i dovoljno velika da objasni zašto neki automobili gube primjetan domet mnogo prije nego što odbrojavanje prijeđe kilometražu na kojoj bi, prema jamstvenim uvjetima, trebali.

Praktičan slučaj iz flote u vrućoj klimi

Flota za dostavu koja koristi električne kombije u regiji u kojoj dnevne temperature redovito dosežu 35–38 °C počela je prijavljivati gubitak dometa brži od očekivanog nakon otprilike 18 mjeseci. Prikolice su se uglavnom punile preko noći naizmjeničnom strujom, ali su vozači tijekom smjena dva ili tri puta tjedno koristili i DC brze punjače. Podaci s vozila pokazali su da su temperature ćelija tijekom tih brzih punjenja često dosezale 42–46 °C, iako je sustav hlađenja bio aktivan. Prosječni gubitak kapaciteta u čitavoj floti pratio je oko 8–9 % godišnje, umjesto 3–4 % koliko je proizvođač predvidio za blaži radni ciklus. Vozila koja su ostala na AC punjenju i izbjegavala najtopliji dio dana pokazala su otprilike polovicu te stope. Nakon što je flota uvela jednostavno pravilo – ograničiti DC brzo punjenje kada je temperatura okoline iznad 32 °C i nakon toga 20–30 minuta aktivno hladiti bateriju – godišnja stopa gubitka snizila se na oko 5 %. Same baterije nisu se promijenile; promijenio se ciklus rada.

Što se zapravo pojavljuje u svakodnevnoj upotrebi

Termalni upravljački sustavi u većini trenutnih električnih automobila dimenzionirani su za kombinaciju vožnje i povremenog brzog punjenja, a ne za ponovljene sesije visoke snage u visokim okolišnim temperaturama. Hladilo može ukloniti toplinu, ali postoji kašnjenje, a ćelije u središtu modula često se zagrijavaju više nego senzori blizu hladnih ploča. LFP paketi bolje podnose toplinu s aspekta trajnosti od mnogih NMC paketa, ali i dalje gube više kapaciteta kada se tijekom punjenja redovito zagrijavaju iznad 40 °C nego što to sugeriraju podaci o ciklusima pri sobnoj temperaturi.

Gubitak dometa u stvarnom svijetu također se gomila jer vozači primijete pad i počnu češće puniti, što dovodi do više događaja brzorazinskog punjenja. Laboratorijski testovi koji navode 1.000 ili 1.500 ciklusa do 80 % kapaciteta obično pretpostavljaju kontroliranu temperaturu i umjerene brzine punjenja. Kad se uz to dodaju stalne temperature ćelija u rasponu od 40 do 45 °C i više DC brzih punjenja tjedno, mehanizmi starenja po kalendaru i ciklusima zbrajaju se brže nego što ti grafikon prikazuju.

Ako električni automobil gubi domet brže nego što se očekivalo u vrućoj klimi, prve stvari koje vrijedi provjeriti su koliko često se puni istosmjernom brzinom i koje temperature ćelija zapravo dosežu tijekom tih sesija. Razlika između paketa koji ostaje blizu 30 °C i onog koji redovito doseže 45 °C pod opterećenjem dovoljno je velika da stopu degradacije pomakne za nekoliko posto godišnje, čak i kad sve ostalo izgleda normalno.