Почему «стареет» аккумулятор электромобиля и как отсрочить его деградацию: причины и способы решения проблемы
Понимание механизма старения литий-ионных батарей имеет решающее значение для оптимизации работы аккумулятора электромобиля. Рассмотрим типы электромобилей. Выясним, как отсрочить деградацию аккумулятора. Разберем причины и способы решения проблемы.
Слабое звено
Литий-ионные батареи (LiBs) с высокой плотностью энергии привлекают все большее внимание из-за своей экологичности и широко используются в электромобилях по всему миру. Однако в процессе эксплуатации со временем неизбежно возникают эффекты деградации батарей, такие как угасание емкости и внутреннее сопротивление. Это создает большие проблемы для автовладельцев и производителей.
Несмотря на многочисленные исследования ученых, связующие звенья между эксплуатацией и деградацией батареи в электромобилях, а также механизмы старения до конца не установлены. На это влияет множество факторов – от конструкции автомобиля и используемых шин до температуры воздуха и манеры вождения.
Между тем определенные выводы уже сделаны. Нехитрые приемы помогут продлить срок работы аккумуляторов.
В зависимости от первичного источника энергии, электромобили делятся на 3 типа:
- аккумуляторные электромобили (BEV);
- гибридные электромобили (HEV);
- подключаемые гибридные электромобили (PHEV).
Аккумуляторные электромобили
BEV полностью питаются электрической энергией от батарей. Внешняя энергия поступает только при подключении авто к электросети для зарядки, бортовая электроэнергия не вырабатывается.
HEV — наиболее распространенная технология в электромобилях, сочетающая двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электромотор. В их трансмиссии ископаемое топливо является единственной внешней энергией, питающей ДВС, а энергия для зарядки аккумулятора получается в процессе торможения. Электромотор используется для приведения автомобиля в движение на короткое расстояние или для поддержки основного двигателя (например, на светофоре).
Таким образом, HEV требуют наименьшей емкости аккумулятора, которая составляет от 1,3 до 1,6 кВт⋅ч. В гибридах нет зарядного разъема для подключения к электросети, что обычно рассматривается как мера экономии топлива. Поэтому требования к емкости и размеру батареи относительно низкие. Деградация также не является актуальной проблемой.
Силовой агрегат PHEV аналогичен силовому агрегату HEV и состоит из ДВС и электрического двигателя. Однако главное отличие заключается в том, что PHEV можно подключить к внешнему источнику для зарядки. Кроме того, аккумулятор подключаемого гибрида заряжается в процессе рекуперативного торможения.
PHEV имеют батареи с большей емкостью, и, таким образом, они могут увеличить пробег автомобиля при использовании только электричества. Традиционно этот тип автомобилей работает на 50% бензина и 50% электричества. Емкость аккумулятора для PHEV обычно составляет от 4,5 до 10 кВт⋅ч.
«Старение» батареи может стать проблемой, так как ее емкость и без того невелика. Зато ее замена обойдется не так дорого, как у классических электромобилей.
Срок службы аккумулятора
Он напрямую зависит от используемых материалов. У производителей есть выбор между несколькими технологиями. Каждая из них имеет свои слабые и сильные стороны. Обычно гарантия составляет 8 лет, или 160 000 км пробега. Например, у компании Tesla.
Деградация батареи начинается с первых же дней эксплуатации. Она выражается постепенным, но неуклонным сокращением количества энергии, которую LiBs способна хранить и выдавать рабочим органам. Этот параметр называется State Of Health (SOH) и измеряется в киловатт-часах. У нового аккумулятора он равен 100%. Но со временем снижается.
К другим значимым факторам, вызывающим «старение» аккумулятора, относятся:
- эксплуатация электромобиля в жаркую погоду;
- все большее и большее число циклов зарядки/разрядки;
- полная разрядка батареи;
- езда при низком уровне заряда LiBs.
Даже если аккумулятором не пользоваться, внутри него продолжают происходить химические реакции. Емкость со временем падает, независимо от интенсивности использования. В современных новых батареях SOH уменьшается на 2,3% в год. Если рассматривать на практике, то запас хода моделей Nissan Leaf II и Kia Niro-EV за 5 лет снизится с 240 до 213 км.
Как замедлить процессы «старения»
Электролит, находящийся в аккумуляторных батареях, чутко реагирует на температуру окружающей среды. Невозможно запретить пользоваться электромобилем знойным летом. Но можно снизить темпы деградации, если при зарядке избегать перегрева LiBs. Эксперты рекомендуют использовать обычную (медленную) зарядку. А также не оставлять транспортное средство на открытом солнце.
Быстрая зарядка постоянным током хороша на трассе в дальних поездках, когда нет времени ждать. В повседневной жизни ее желательно использовать как можно реже.
В электромобилях стоят те же литий-ионные аккумуляторы, что и в смартфонах. Соответственно, для них применимы те же правила эксплуатации. А именно, не стоит заряжать батарею до 100%, а также разряжать до нуля. Оптимальный диапазон заряда — от 20 до 80 процентов. Полная зарядка допустима только при поездках на дальнее расстояние.
Важное значение имеет манера езды. Резкие ускорения и рваный темп перегружают батарею. Также надо учитывать грузоподъемность транспортного средства. Чем больше пассажиров и грузов, тем тяжелее электромотору.