Kāpēc jūsu elektromobiļa akumulatora darbības rādiuss samazinās ātrāk, nekā paredzēts laboratorijas testos, tiklīdz sākat ātro uzlādi karstumā

Esmu divpadsmit gadus pētījis litija-jonu akumulatoru blokus elektromobiļos, un atšķirība starp laboratorijas ciklu datiem un to, kas faktiski notiek uz ceļa, joprojām ir lielāka, nekā vairums cilvēku gaida. Akumulatoru bloki, kas pēc dažiem tūkstošiem kontrolētu ciklu klimata kamerā izskatās labi, bieži vien parāda straujāku jaudas zudumu, tiklīdz tiek pakļauti regulārai ātrai līdzstrāvas uzlādēšanai apkārtējā temperatūrā virs 30 °C. Galvenais iemesls nav akumulatora kalendārais vecums — tas ir augsto uzlādes ātrumu un paaugstināto elementu temperatūru apvienojums, ko siltuma vadības sistēma nespēj pilnībā kontrolēt, veicot uzlādes sesijas viena pēc otras.

Lielākajā daļā mūsdienu elektromobiļu akumulatoru bloku tiek izmantotas NMC vai LFP šūnas ar šķidruma dzesēšanu. Laboratorijas apstākļos ir iespējams precīzi kontrolēt šūnu temperatūru un ierobežot uzlādes ātrumu, tāpēc kapacitātes saglabāšanās pēc 1 000 ekvivalentu pilnu ciklu bieži vien pārsniedz 90 %. Braucot pa ceļu, dzesēšanas kontūram jānodrošina gan elementu radītās siltuma novadīšana, gan apkārtējā gaisa un ceļa siltuma absorbēšana. Kad autovadītājs karstā dienā pieslēdzas 150–250 kW lādētājam, elementu temperatūra var sasniegt 40 °C vidusdaļu, pat ja dzesēšanas sistēma strādā ar pilnu jaudu. Šāds temperatūras diapazons paātrina blakusreakcijas anoda un katoda saskares vietās.

Laboratorijas rādītāji no kontrolēta salīdzinājuma

Mēs pakļāvām paātrinātai testēšanai divus moduļu komplektus no vienas un tās pašas ražošanas partijas. Vienu komplektu testēja 25 °C temperatūrā ar maksimālo uzlādes ātrumu 1C. Otru komplektu testēja 40 °C elementu temperatūrā ar uzlādes ātrumiem līdz 2,5C, lai simulētu atkārtotu ātro līdzstrāvas uzlādi. Pēc 800 ekvivalentiem pilniem cikliem 25 °C grupa bija zaudējusi aptuveni 6 % no jaudas. 40 °C augstā strāvas blīvuma grupa bija zaudējusi 11–13 %. Impedances pieaugums karstajā grupā arī bija lielāks — aptuveni 18 % pret 9 %. Pēc testa veiktajiem izjaukšanas pārbaudījumiem tika konstatēti biezāki SEI slāņi un vairāk liecību par litija nogulsnēšanos uz anodiem augsttemperatūras, augstas strāvas blīvuma elementos. Absolūtos skaitļos atšķirība nebija dramatiska, taču tā bija konsekventa un pietiekami liela, lai izskaidrotu, kāpēc daži transportlīdzekļi zaudē ievērojamu brauciena attālumu jau krietni pirms odometra rādītājs sasniedz nobraukumu, kurā saskaņā ar garantijas aprēķiniem tam vajadzētu notikt.

Praktisks piemērs no autoparka, kas darbojas karstā klimatā

Piegāžu autoparks, kurā izmanto elektriskos mikroautobusus reģionā, kurā dienas temperatūra regulāri sasniedz 35–38 °C, pēc aptuveni 18 mēnešiem sāka ziņot par ātrāku nekā gaidīts braucamā attāluma samazināšanos. Kravas furgoni galvenokārt tika uzlādēti naktī, izmantojot maiņstrāvas (AC) uzlādi, taču autovadītāji darba maiņu laikā divas vai trīs reizes nedēļā izmantoja arī līdzstrāvas (DC) ātrās uzlādes iekārtas. Transportlīdzekļu datu reģistratori liecināja, ka šajās ātrās uzlādes sesijās akumulatoru elementu temperatūra bieži sasniedza 42–46 °C, kaut arī dzesēšanas sistēma darbojās. Vidējais jaudas zudums visā autoparkā bija aptuveni 8–9 % gadā, nevis 3–4 %, kā to bija prognozējis ražotājs, pamatojoties uz mazāk intensīvu ekspluatācijas ciklu. Transportlīdzekļiem, kurus uzlādēja ar maiņstrāvu un izvairījās no dienas karstākajām stundām, šis rādītājs bija aptuveni divas reizes mazāks. Tiklīdz autoparkā tika ieviests vienkāršs noteikums — ierobežot līdzstrāvas ātrās uzlādes izmantošanu, ja apkārtējā temperatūra pārsniedz 32 °C, un pēc tam akumulatoru blokam nodrošināt 20–30 minūtes aktīvas dzesēšanas —, gada jaudas zuduma rādītājs samazinājās līdz aptuveni 5 %. Paši akumulatoru bloki nebija mainījušies; mainījās ekspluatācijas cikls.

Kas patiesībā izpaužas ikdienas lietošanā

Lielākajā daļā pašreizējo elektromobiļu siltuma vadības sistēmas ir projektētas, ņemot vērā gan braukšanu, gan neregulāru ātro uzlādi, nevis atkārtotas lieljaudas uzlādes sesijas augstā apkārtējā temperatūrā. Dzesēšanas šķidrums spēj novadīt siltumu, taču šajā procesā rodas kavēšanās, un moduļa centrā esošās šūnas bieži vien kļūst karstākas nekā sensori pie dzesēšanas plāksnēm. No ilgmūžības viedokļa LFP akumulatoru bloki labāk iztur siltumu nekā daudzi NMC bloki, taču, ja uzlādes laikā to temperatūra regulāri pārsniedz 40 °C, tie zaudē lielāku jaudu, nekā liecina dati par cikliem istabas temperatūrā.

Reālais nobraukuma samazinājums vēl vairāk pastiprinās, jo autovadītāji pamanījuši jaudas kritumu un sāk uzlādēt akumulatoru biežāk, kas rada vairāk straujas uzlādes ciklu. Laboratorijas testos, kuros tiek norādīti 1 000 vai 1 500 cikli līdz 80 % jaudas, parasti tiek pieņemts, ka temperatūra ir kontrolēta un uzlādes intensitāte ir mērena. Ja pievieno ilgstošu akumulatora elementu temperatūru 40–45 °C diapazonā un vairākas ātrās līdzstrāvas uzlādes nedēļā, kalendārā un ciklu novecošanās mehānismi summējas ātrāk, nekā to parāda šie grafiki.

Ja elektromobilim karstā klimatā brauciena attālums samazinās ātrāk nekā gaidīts, vispirms ir vērts pārbaudīt, cik bieži tiek veikta ātrā līdzstrāvas uzlāde un kādas temperatūras akumulatoru elementi faktiski sasniedz šo uzlādes sesiju laikā. Atšķirība starp akumulatoru bloku, kura temperatūra saglabājas ap 30 °C, un tādu, kas slodzes apstākļos regulāri sasniedz 45 °C, ir pietiekami liela, lai degradācijas ātrums palielinātos par vairākiem procentiem gadā, pat ja viss pārējais šķiet normāls.