Miért csökken az elektromos autó akkumulátorának hatótávolsága gyorsabban, mint amit a laboratóriumi tesztek jósolnak, ha melegben gyors töltést indítunk?

Tizenkét évet töltöttem azzal, hogy elektromos járművek lítium-ion akkumulátorcsomagjait vizsgáltam, és a laboratóriumi ciklusadatok és a valós közúti viszonyok közötti eltérés még mindig nagyobb, mint amire a legtöbb ember számít. Azok az akkumulátorcsomagok, amelyek néhány ezer ellenőrzött ciklus után még jól működnek a klímakamrában, gyakran gyorsabb kapacitásvesztést mutatnak, ha 30 °C feletti környezeti hőmérsékleten rendszeresen egyenáramú gyorstöltést alkalmaznak. Ennek fő oka nem a használati idő, hanem a magas töltési arányok és a megnövekedett cellahőmérséklet kombinációja, amelyet a hőkezelő rendszer nem tud teljes mértékben szabályozni egymást követő töltési ciklusok során.

A mai elektromos járművek akkumulátorcsomagjainak többsége folyadékhűtéses NMC- vagy LFP-cellákat használ. Laboratóriumi körülmények között az cellák hőmérséklete szigorúan szabályozható, és a töltési sebesség is korlátozható, így a kapacitásmegtartás 1 000 ekvivalens teljes ciklus után gyakran 90% felett marad. Útközben a hűtőkörnek egyszerre kell megbirkóznia az akkumulátorcellákból származó hővel, valamint a környezeti levegőből és az útfelületről származó hőfelhalmozódással. Ha egy vezető forró napon csatlakozik egy 150–250 kW-os töltőhöz, a cellák hőmérséklete akár a 40 °C-os tartomány közepére is emelkedhet, még akkor is, ha a hűtőrendszer teljes erővel működik. Ez a hőmérsékleti tartomány felgyorsítja az anód és a katód határfelületén zajló mellékreakciókat.

Egy kontrollált összehasonlításból származó laboreredmények

Ugyanabból a gyártási tételből származó két modulkészletet vetettünk alá gyorsított tesztelésnek. Az egyik készletet 25 °C-on, legfeljebb 1C-s töltési sebességgel ciklusoztuk. A másik készletet 40 °C-os cellahőmérsékleten, legfeljebb 2,5C-s töltési sebességgel ciklusoztuk, hogy szimuláljuk az ismételt egyenáramú gyorstöltést. 800 ekvivalens teljes ciklus után a 25 °C-os csoport kapacitása körülbelül 6%-kal csökkent. A 40 °C-os, nagy áramú csoport kapacitása 11–13%-kal csökkent. Az impedancia-növekedés is nagyobb volt a magas hőmérsékletű csoportban – nagyjából 18% szemben a 9%-kal. A teszt utáni szétszerelések során a magas hőmérsékletű, nagy áramfelvételű cellák anódjain vastagabb SEI-rétegek és több lítium-lerakódás nyomai voltak láthatók. A különbség abszolút értékben nem volt drámai, de következetes és elég nagy ahhoz, hogy megmagyarázza, miért veszítenek egyes járművek észrevehető hatótávolságot jóval azelőtt, hogy a kilométeróra elérné azt a futásteljesítményt, amelynél a garancia számításai szerint ennek történnie kellene.

Gyakorlati példa egy meleg éghajlati viszonyok között üzemelő járműparkból

Egy olyan régióban, ahol a nappali hőmérséklet rendszeresen eléri a 35–38 °C-ot, elektromos kisteherautókat üzemeltető szállítási flotta körülbelül 18 hónap elteltével a vártnál gyorsabb hatótávolság-csökkenésről számolt be. A kisteherautókat többnyire éjszaka váltakozó árammal töltötték, de a járművezetők a műszakok alatt hetente két-három alkalommal egyenáramú gyorstöltőket is használtak. A fedélzeti adatok szerint a gyors töltés során az akkumulátorcellák hőmérséklete gyakran elérte a 42–46 °C-ot, annak ellenére, hogy a hűtőrendszer működött. A flotta átlagos kapacitásvesztése évente körülbelül 8–9% volt, a gyártó enyhébb üzemciklusra vonatkozó előrejelzésében szereplő 3–4% helyett. Azok a járművek, amelyek kizárólag váltakozó áramú töltést használtak, és elkerülték a nap legmelegebb időszakát, nagyjából ennek a felét mutatták. Miután a flotta bevezetett egy egyszerű szabályt – azaz korlátozták az egyenáramú gyorstöltést, ha a környezeti hőmérséklet meghaladta a 32 °C-ot, és utána 20–30 percig aktív hűtést biztosítottak az akkumulátorcsomagnak –, az éves kapacitásvesztés mértéke 5% közelébe csökkent. Maguk az akkumulátorcsomagok nem változtak; a terhelési ciklus változott.

Mi látszik valójában a mindennapi használat során

A legtöbb jelenlegi elektromos autó hőkezelő rendszereit úgy méretezték, hogy megfeleljenek a normál vezetési körülmények és az alkalmi gyors töltés kombinációjának, nem pedig a magas környezeti hőmérséklet mellett végzett ismételt nagy teljesítményű töltési ciklusoknak. A hűtőfolyadék ugyan elvezeti a hőt, de ez késleltetve történik, és a modul közepén lévő cellák gyakran melegebbek, mint a hűtőlemezek közelében elhelyezkedő érzékelők. Az LFP-akkumulátorcsomagok élettartam szempontjából jobban bírják a hőt, mint sok NMC-akkumulátorcsomag, de ha töltés közben rendszeresen 40 °C fölé melegednek, akkor is nagyobb kapacitásveszteséget szenvednek el, mint amit a szobahőmérsékleti ciklusadatok alapján várnánk.

A valós használat során tapasztalható hatótávolság-csökkenés tovább fokozódik, mivel a járművezetők észreveszik a csökkenést, és gyakrabban kezdik el tölteni az akkumulátort, ami további nagyáramú töltési eseményeket eredményez. Azok a laboratóriumi tesztek, amelyek 1 000 vagy 1 500 ciklust jelentenek 80%-os kapacitásig, általában szabályozott hőmérsékletet és mérsékelt töltési sebességet feltételeznek. Ha ehhez hozzáadjuk a 40 °C-os alsó és középső tartományban tartósan fennálló cellahőmérsékletet és a heti többszöri egyenáramú gyorstöltést, akkor a naptári és ciklusos öregedési mechanizmusok gyorsabban halmozódnak fel, mint amit azok a grafikonok mutatnak.

Ha egy elektromos autó forró éghajlaton a vártnál gyorsabban veszít a hatótávolságából, akkor először érdemes ellenőrizni, hogy milyen gyakran vesz részt egyenáramú gyorstöltésen, és hogy a cellák hőmérséklete ezek során valójában milyen értékeket ér el. Az a különbség, hogy az akkumulátorcsomag hőmérséklete 30 °C körül marad-e, vagy terhelés alatt rendszeresen eléri a 45 °C-ot, elég nagy ahhoz, hogy a teljesítményromlás mértéke évente több százalékkal is megváltozzon, még akkor is, ha minden más normálisnak tűnik.