Dlaczego akumulator Twojego samochodu elektrycznego traci zasięg szybciej niż przewidują testy laboratoryjne, gdy zaczniesz szybkie ładowanie w wysokich temperaturach
Od dwunastu lat zajmuję się badaniem akumulatorów litowo-jonowych w pojazdach elektrycznych i różnica między danymi z cykli laboratoryjnych a tym, co faktycznie dzieje się na drodze, wciąż jest większa, niż większość ludzi się spodziewa. Akumulatory, które po kilku tysiącach kontrolowanych cykli w komorze klimatycznej wydają się być w dobrym stanie, często wykazują szybszą utratę pojemności, gdy są regularnie poddawane szybkiemu ładowaniu prądem stałym w temperaturze otoczenia powyżej 30°C. Głównym czynnikiem nie jest wiek kalendarzowy — jest to połączenie wysokich prędkości ładowania i podwyższonych temperatur ogniw, których system zarządzania temperaturą nie jest w stanie w pełni kontrolować podczas sesji ładowania przeprowadzanych jedna po drugiej.
Większość współczesnych zestawów akumulatorów do pojazdów elektrycznych wykorzystuje ogniwa typu NMC lub LFP z chłodzeniem cieczą. W warunkach laboratoryjnych można ściśle kontrolować temperaturę ogniw i ograniczać szybkość ładowania, dzięki czemu zachowanie pojemności po 1 000 ekwiwalentnych pełnych cykli często utrzymuje się na poziomie powyżej 90%. Podczas jazdy obieg chłodziwa musi radzić sobie zarówno z ciepłem pochodzącym z ogniw, jak i z ciepłem pochłanianym z otaczającego powietrza oraz nawierzchni drogi. Gdy kierowca podłącza pojazd do ładowarki o mocy 150–250 kW w upalny dzień, temperatura ogniw może wzrosnąć do około 40°C, nawet przy intensywnej pracy układu chłodzenia. Taki zakres temperatur przyspiesza reakcje uboczne na granicach faz anody i katody.
Wyniki laboratoryjne z kontrolowanego badania porównawczego
Poddaliśmy przyspieszonym testom dwa zestawy modułów pochodzących z tej samej partii produkcyjnej. Jeden zestaw poddano cyklom przy temperaturze 25°C z maksymalnym współczynnikiem ładowania wynoszącym 1C. Drugi zestaw poddano cyklom przy temperaturze ogniw wynoszącej 40°C z współczynnikami ładowania sięgającymi 2,5C w celu symulacji wielokrotnego szybkiego ładowania prądem stałym. Po 800 równoważnych pełnych cyklach grupa testowana w temperaturze 25°C straciła około 6% pojemności. Grupa testowana w temperaturze 40°C przy wysokim współczynniku ładowania straciła 11–13%. Wzrost impedancji był również wyższy w grupie testowanej w wyższej temperaturze — około 18% w porównaniu z 9%. Analiza po zakończeniu testów wykazała grubsze warstwy SEI oraz więcej śladów osadzania się litu na anodach ogniw poddanych działaniu wysokiej temperatury i wysokiego natężenia ładowania. Różnica nie była dramatyczna w wartościach bezwzględnych, ale była stała i wystarczająco duża, aby wyjaśnić, dlaczego niektóre pojazdy tracą zauważalny zasięg na długo przed osiągnięciem przez licznik przebiegu wartości, przy której zgodnie z obliczeniami gwarancyjnymi powinny to zrobić.
Przykład z praktyki: flota w klimacie gorącym
Flota dostawcza korzystająca z elektrycznych samochodów dostawczych w regionie, gdzie temperatury w ciągu dnia regularnie sięgają 35–38°C, zaczęła zgłaszać szybszy niż oczekiwano spadek zasięgu po około 18 miesiącach. Samochody były ładowane głównie w nocy za pomocą prądu przemiennego (AC), ale kierowcy korzystali również z szybkich ładowarek prądu stałego (DC) dwa lub trzy razy w tygodniu podczas zmian. Dane pokładowe wykazały, że podczas tych sesji szybkiego ładowania temperatura ogniw często osiągała 42–46°C, mimo że układ chłodzenia był aktywny. Średni spadek pojemności w całej flocie wynosił około 8–9% rocznie zamiast 3–4%, jak sugerowały łagodniejsze prognozy producenta dotyczące cyklu eksploatacji. Pojazdy, które były ładowane wyłącznie prądem przemiennym i unikały najgorętszej pory dnia, wykazywały spadek o około połowę mniejszy. Gdy w flocie wprowadzono prostą zasadę – ograniczenie szybkiego ładowania prądem stałym, gdy temperatura otoczenia przekraczała 32°C, oraz zapewnienie akumulatorowi 20–30 minut aktywnego chłodzenia po zakończeniu ładowania – roczny wskaźnik utraty pojemności spadł do poziomu bliskiego 5%. Same akumulatory nie uległy zmianie; zmienił się cykl eksploatacji.
Co faktycznie widać w codziennym użytkowaniu
Systemy zarządzania temperaturą w większości współczesnych samochodów elektrycznych są zaprojektowane z myślą o mieszanym trybie jazdy i sporadycznym szybkim ładowaniu, a nie o powtarzających się sesjach ładowania z dużą mocą w warunkach wysokiej temperatury otoczenia. Płyn chłodzący może odprowadzać ciepło, ale występuje opóźnienie, a ogniwa znajdujące się w środkowej części modułu często nagrzewają się bardziej niż czujniki umieszczone w pobliżu płyt chłodzących. Z punktu widzenia trwałości akumulatory LFP radzą sobie z ciepłem lepiej niż wiele akumulatorów NMC, ale nadal tracą więcej pojemności, gdy podczas ładowania są regularnie poddawane temperaturom powyżej 40°C, niż wynikałoby to z danych dotyczących cyklu pracy w temperaturze pokojowej.
Spadek zasięgu w rzeczywistych warunkach dodatkowo się pogłębia, ponieważ kierowcy zauważają ten spadek i zaczynają ładować akumulator częściej, co powoduje wzrost liczby cykli ładowania z dużą prędkością. Testy laboratoryjne, w których podaje się 1 000 lub 1 500 cykli do 80% pojemności, zazwyczaj zakładają kontrolowaną temperaturę i umiarkowane natężenie ładowania. Gdy dodamy do tego utrzymujące się temperatury ogniw w zakresie od niskich do średnich 40s °C oraz wielokrotne szybkie ładowania prądem stałym w ciągu tygodnia, mechanizmy starzenia kalendarzowego i cyklicznego sumują się szybciej, niż pokazują to wykresy.
Jeśli zasięg samochodu elektrycznego zmniejsza się szybciej niż oczekiwano w gorącym klimacie, w pierwszej kolejności warto sprawdzić, jak często korzysta on z szybkiego ładowania prądem stałym oraz jakie temperatury faktycznie osiągają ogniwa podczas tych sesji. Różnica między akumulatorem, którego temperatura utrzymuje się na poziomie około 30°C, a takim, który pod obciążeniem regularnie osiąga 45°C, jest na tyle duża, że może wpłynąć na tempo degradacji o kilka procent rocznie, nawet jeśli wszystko inne wydaje się być w normie.