Kodėl jūsų elektrinio automobilio akumuliatoriaus veikimo nuotolis mažėja greičiau, nei numatyta laboratoriniais bandymais, kai pradedate greitai įkrauti karštyje

Dvylika metų tyrinėjau elektromobilių ličio jonų baterijų paketus, ir skirtumas tarp laboratorinių ciklų duomenų ir to, kas iš tikrųjų vyksta kelyje, vis dar yra didesnis, nei dauguma žmonių tikisi. Akumuliatorių blokai, kurie po kelių tūkstančių kontroliuojamų ciklų klimato kameroje atrodo gerai, dažnai greičiau praranda talpą, kai yra reguliariai greitai įkraunami nuolatinės srovės įkrovikliais esant aplinkos temperatūrai virš 30 °C. Pagrindinė priežastis yra ne kalendorinis amžius, o didelių įkrovimo greičių ir padidėjusių elementų temperatūrų derinys, kurio šilumos valdymo sistema negali visiškai kontroliuoti per vienas po kito vykstančius įkrovimo ciklus.

Šiandien daugumoje elektromobilių akumuliatorių naudojami NMC arba LFP elementai su skysčiu aušinimu. Laboratorijoje galima tiksliai reguliuoti elementų temperatūrą ir riboti įkrovimo greitį, todėl talpos išsaugojimas po 1 000 ekvivalentiškų pilnų ciklų dažnai išlieka didesnis nei 90 %. Važiuojant kelyje aušinimo kontūrui tenka susidoroti tiek su elementų skleidžiama šiluma, tiek su šiluma, kurią perduoda aplinkos oras ir kelio danga. Kai karštą dieną vairuotojas prijungia automobilį prie 150–250 kW galios įkroviklio, elementų temperatūra gali pakilti iki 40-ųjų °C vidurio, net ir intensyviai veikiant aušinimo sistemai. Toks temperatūros diapazonas pagreitina šalutines reakcijas anodo ir katodo sąsajose.

Laboratoriniai duomenys, gauti atlikus kontroliuojamą palyginimą

Atlikome pagreitintus bandymus su dviem to paties gamybos partijos modulių rinkiniais. Vienas rinkinys buvo cikliškai įkraunamas 25 °C temperatūroje, taikant maksimalų 1C įkrovimo greitį. Kitas rinkinys buvo cikliškai įkraunamas esant 40 °C elementų temperatūrai, taikant įkrovimo greičius iki 2,5C, siekiant imituoti pakartotinį greitąjį nuolatinės srovės įkrovimą. Po 800 ekvivalentiškų pilnų ciklų 25 °C grupė prarado apie 6 % talpos. 40 °C aukšto įkrovimo greičio grupė prarado 11–13 %. Impedanso padidėjimas taip pat buvo didesnis aukštesnės temperatūros grupėje – maždaug 18 % palyginti su 9 %. Išardymo tyrimai po bandymų parodė, kad aukštos temperatūros ir didelio įkrovimo greičio elementų anoduose buvo storesni SEI sluoksniai ir daugiau ličio nusėdimo požymių. Absoliučiais skaičiais skirtumas nebuvo dramatiškas, tačiau jis buvo nuoseklus ir pakankamai didelis, kad paaiškintų, kodėl kai kurių transporto priemonių nuvažiuojamas atstumas pastebimai sumažėja gerokai anksčiau, nei odometras pasiekia ridos rodmenį, kurį, remiantis garantijos skaičiavimais, turėtų pasiekti.

Praktinis pavyzdys iš karšto klimato transporto parko

Pristatymų parkas, kurio transporto priemonės – elektriniai furgonai – eksploatuojami regione, kuriame dienos temperatūra dažnai siekia 35–38 °C, po maždaug 18 mėnesių pradėjo pranešti apie greitesnį nei tikėtasi nuvažiuojamo atstumo sumažėjimą. Furgonai dažniausiai buvo įkraunami naktį naudojant kintamosios srovės (AC) įkroviklį, tačiau vairuotojai taip pat du ar tris kartus per savaitę darbo pamainų metu naudodavo nuolatinės srovės (DC) greitojo įkrovimo įrenginius. Transporto priemonėse surinkti duomenys parodė, kad greitojo įkrovimo sesijų metu akumuliatorių elementų temperatūra dažnai siekė 42–46 °C, nors aušinimo sistema veikė. Vidutinis visos transporto priemonių parko talpos praradimas siekė apie 8–9 % per metus, o ne 3–4 %, kaip buvo numatyta gamintojo prognozėje, pagrįstoje švelnesniu eksploatacijos ciklu. Transporto priemonės, kurios buvo įkraunamos kintamosios srovės (AC) įkrovikliais ir vengė karščiausio dienos laiko, parodė maždaug perpus mažesnį praradimo rodiklį. Kai parke buvo įvesta paprasta taisyklė – riboti greitąjį DC įkrovimą, kai aplinkos temperatūra viršija 32 °C, ir po to baterijai suteikti 20–30 minučių aktyvaus aušinimo – metinis talpos praradimo rodiklis sumažėjo iki beveik 5 %. Pačios baterijos nepasikeitė; pasikeitė eksploatacijos ciklas.

Kas iš tikrųjų pastebima kasdieniame naudojime

Daugumos šiuolaikinių elektromobilių šilumos valdymo sistemos yra pritaikytos mišriam važiavimo režimui ir retam greitam įkrovimui, o ne pakartotiniams didelės galios įkrovimo ciklams esant aukštai aplinkos temperatūrai. Aušinimo skystis gali pašalinti šilumą, tačiau šis procesas vyksta su tam tikru vėlavimu, todėl modulio centre esančios baterijos ląstelės dažnai įkaista labiau nei jutikliai, esantys šalia aušinimo plokščių. Ilgaamžiškumo požiūriu LFP baterijų blokai geriau atlaiko karštį nei daugelis NMC baterijų blokų, tačiau, kai įkrovimo metu jų temperatūra reguliariai pakyla virš 40 °C, jie vis tiek praranda daugiau talpos, nei rodo ciklo duomenys, gauti esant kambario temperatūrai.

Realiu sąlygomis nuvažiuojamo atstumo sumažėjimas dar labiau didėja, nes vairuotojai pastebi šį sumažėjimą ir pradeda įkrauti dažniau, o tai sukelia daugiau greito įkrovimo ciklų. Laboratoriniai bandymai, kuriuose nurodoma, kad 1 000 ar 1 500 ciklų išlaikoma 80 % talpos, paprastai atliekami kontroliuojant temperatūrą ir taikant vidutinius įkrovimo greičius. Kai įtraukiama nuolatinė akumuliatoriaus elementų temperatūra, siekianti 40–45 °C, ir keli greitojo nuolatinės srovės įkrovimo ciklai per savaitę, senėjimo mechanizmai, susiję su laiku ir ciklais, veikia greičiau, nei rodo šie grafikai.

Jei karšto klimato sąlygomis elektrinio automobilio nuvažiuojamas atstumas mažėja greičiau nei tikėtasi, pirmiausia verta patikrinti, kaip dažnai automobilis įkraunamas greituoju nuolatinės srovės įkrovimu ir kokią temperatūrą baterijos elementai iš tikrųjų pasiekia per šias įkrovimo sesijas. Skirtumas tarp akumuliatorių paketo, kurio temperatūra išlieka apie 30 °C, ir to, kurio temperatūra apkrovos metu reguliariai siekia 45 °C, yra pakankamai didelis, kad per metus baterijos nusidėvėjimo greitis pasikeistų keliais procentais, net jei viskas kita atrodo normalu.