Главная / Авто / От чего зависит срок службы аккумулятора электромобиля

От чего зависит срок службы аккумулятора электромобиля

Все мы ежедневно сталкиваемся с аккумуляторами – они установлены в наши смартфоны, ноутбуки. Не является секретом, что стандартный срок службы батареи составляет примерно 600 циклов заряда/разряда, т. е. порядка двух лет при ежедневной зарядке. В то же время срок службы аккумулятора электромобиля, в котором, как предполагается, используются те же Li-Ion батареи, исчисляется годами. В чем секрет? На ресурсе evobsession.com мне попался любопытный материал, с которым, в вольном переводе, я и предлагаю ознакомиться.

Суть проблемы

Ежедневно пользуясь смартфоном, особенно если он эксплуатируется активно и за день успевает разрядиться «в ноль», спустя пару лет замечаем, что аккумулятор «сдает» и его начинает не хватать на выполнение тех задач, с которыми ранее он вполне справлялся. Это значит, что он отслужил свое и требует замены.

Обычно это происходит через 2-3 года активной эксплуатации. В то же время аккумуляторы, устанавливаемые в электромобили, популярность которых активно растет, служат годами. Та же Tesla дает гарантию на свои батареи 8 лет, а то и больше.

Каким образом удается столь заметно продлить срок службы аккумуляторов без существенного падения их емкости? Интересующиеся темой наверняка читали, что многие университеты и исследовательские лаборатории ведут работы по улучшению Li-Ion аккумуляторов, меняют их конструкцию, используют разные материалы и химические соединения, модернизируют электроды, защищая их из разрушения путем нанесения на них различных покрытий.

Тем не менее, это все работа на перспективу. Те решения, которые действительно улучшают характеристики аккумуляторов, в лучшем случае доберутся до производства через год-два-три, а то и больше. Мы же имеем дело с батареями сейчас, и причина их долговечности также вызывает вопросы.

срок службы аккумулятора электромобиля

Например, в аккумуляторах Tesla используются элементы 18650, которые просты, дешевы, доступны и вполне надежны. Есть одно «но» — они создавались для установки в портативную технику, а вот для работы в тяговых аккумуляторных батареях не предназначались вовсе.

Тем не менее, в теслах они используются, и срок жизни у них не измеряется 600 циклами или парой-тройкой лет. Почему?

Пытаемся разобраться с причинами долголетия батарей

Для начала давайте немного разберемся с физикой работы литий-ионного аккумулятора. В частности, с циклами зарядки и разрядки. Не секрет, что цикл циклу рознь, и от этого напрямую зависит долговечность батареи. Для того чтобы максимально сократить ей жизнь, достаточно разряжать ее полностью (чего литиевые батареи не любят), а потом заряжать на 100%. Да, возможности аккумулятора будут использоваться по максимуму, но за счет его долговечности.

Можно изменить режим использования, например, не допуская разряд менее 50% от номинальной емкости, или эксплуатировать аккумулятор в диапазоне от 25% до 85% емкости. А если сместить этот «рабочий» диапазон в интервал от 25% до 50%?

Давайте взглянем на следующую табличку:

Диапазон заряда-разряда Количество циклов
100%-25% 2010
100%-40% 2800
100%-50% 2800
85%-25% 4500
75%-25% 7100
75%-45% 10000
75%-65% 12000

Какой вывод можно сделать? Оптимальным режимом с точки зрения количества циклов и процента использования емкости аккумулятора является вариант 85%-25%, т. е. режим, при котором батарея не разряжается ниже 25% от номинальной емкости и заряжается не более, чем до 85%.

Всегда ли ноль – это ноль?

Давайте примем как данность тот факт, что информацию о состоянии аккумулятора, о том, насколько он заряжен или разряжен, мы получаем от некоей системы управления батареей, которая заведует этими процессами (пополнением и расходованием накопленной энергии), а также информированием пользователя.

Скорее всего, сообщение о том, что аккумулятор «заправлен» на 100% отнюдь не означает, что это действительно так. В реальности он может быть заряжен только, например, до 80%, а пользователю сообщается, что, мол, все, больше в него не влезает. Аналогично и с разрядом.

Информирование от 0% оставшегося заряда в действительно означает, что в аккумуляторе осталось еще сколько-то процентов резерва, предохраняющего батарею от повреждения. Наверняка кто-то из владельцев электромобилей замечал, что, разрядив аккумулятор до 0%, которые высвечиваются на дисплее, удается проехать еще несколько километров.

Предположим, что аккумулятор заряжается максимум до 80%, оставляя некоторый резерв, но владельцу электромобиля сообщается о 100%, что позволяет преодолеть указанное в характеристиках расстояние. Со временем, по мере деградации ячеек, из которых состоит аккумулятор, уровень заряда может подниматься до 90%, задействуя часть резервной области.

При этом внешне это никак не проявляется, и пользователю по-прежнему сообщается о заряде на 100% при неизменном пробеге на одной «заправке». Получается, что аккумулятор здоров, как и прежде? Внешне – да, хотя внутри процесс деградации все же идет. Вот только зачем об этом сообщать владельцу электромобиля? Аккумулятор имеет прежнюю емкость? Да. Пробег не уменьшился? Да. Какие претензии?

Правда, бесконечно это продолжаться не может, и в какой-то момент резервная область оказывается израсходованной. Вот в этот момент начинается явная деградация ячеек аккумулятора, которую скрывать уже не получится. Начинает падать и максимальный пробег.

Но весь фокус заключается в том, что до этого момента может пройти уже несколько лет, и с этой проблемой столкнется уже другой владелец данного электромобиля. Обещанный же срок службы вполне может подходить к концу. Кстати, ускорить деструктивные процессы в аккумуляторе, когда он уже имеет «за плечами» n-е количество лет может и злоупотребление системами быстрой зарядки.

Та же Tesla рекомендует для пополнения заряда батареи не пользоваться постоянно быстрой зарядкой.

Управление напряжением

Выше был упомянут один из способов продлить срок службы аккумулятора. Надо сказать, чего-то нового тут нет, ибо схожий принцип используется, скажем, в компьютерной технике. Жесткие диски, SSD накопители имеют определенный запас резервных дорожек/ячеек, которые задействуются по мере выхода из строя основных.

Применительно к аккумуляторам есть и еще один метод продления его срока службы – управление напряжением используемых ячеек. Полностью заряженная, ячейка имеет напряжение примерно 4.2В. Снижение уровня напряжения до 3В и ниже означает полный ее разряд.

Давайте посмотрим еще на одну табличку:

Напряжение ячейки, В Количество циклов Емкость, %
4.25 200-300 105-110
4.20 300-500 100
4.15 400-700 90-95
4.10 600-1 000 85-90
4.05 850-1 500 80-85
4.00 1 200-2 000 70-75
3.90 2 400-4 000 60-65
3.80 35-40
3.70 <30

Опять-таки, что видим? Снижение напряжения с 4.2 до 3.9 увеличивает количество циклов перезарядки более чем в 5 раз. К сожалению, это не дается даром. Вслед за снижением напряжения падает емкость и, как следствие, максимальный пробег на одном заряде. Как можно это компенсировать? Увеличением размеров аккумуляторов, физических размеров. Аккумуляторы больше, за счет этого восстанавливается заданный уровень емкости и обеспечивается требуемый пробег.

Этим и объясняется, что батареи аккумуляторов электромобилей такие большие и тяжелые. Их можно сделать меньше, или обеспечить больший пробег, но тогда придется жертвовать долговечностью.

Ограничения скорости заряда

К сожалению, для тех, кому не терпится побыстрее зарядить аккумулятор, чтобы отправиться в путь, существуют ограничения на скорость «заправки» батареи. Идеальной ситуацией кажется вариант, когда для зарядки аккумулятора емкостью 50 кВт*ч используется мощность 50 кВт. В итоге весь процесс займет час.

Это в теории. На практике все несколько иначе. Какое-то время действительно идет зарядка с такой скоростью, но по мере заполнения ячеек ток, а, соответственно, и мощность, будут падать, и уложиться в час не получится. Это при условии, что целью является зарядка аккумулятора до 100%.

Манипулирование реальной емкостью, уровнем заряда, напряжением, до которого заряжаются ячейки батареи, усовершенствование ее конструкции плюс резервирование ячеек, влекущее за собой увеличение физических габаритов аккумуляторов, позволяет уменьшать время зарядки, но до определенного предела.

Регулировка скорости разряда

Хорошо, с резервными ячейками и напряжением понятно, как и со скоростью зарядки, злоупотребление которой тоже становится причиной ускорения деградации ячеек. Но ведь аккумулятор еще и разряжается, и делать это может с разной скоростью. Что, если и это процесс взять под контроль?

А он и взят. Давайте предположим, что имеется аккумуляторная ячейка емкостью 1500 мА*ч, т. е. в течение часа обеспечивается ток в 1500 мА, выразим это коэффициентом 1С. Соответственно, ток в 750 мА может выдаваться в течение двух часов (0.5С), 375 мА в течение 4 часов (0.25С).

Если разряжать батарею со скоростью 0.25С, то она прослужит дольше, если ее будут нагружать и разряжать со скоростью 1С. Этим процессом также ведает система управления аккумулятором. Она не позволяет превышать некую заданную скорость разряда, что благотворно сказывается на долговечности.

Что делать, если требуется получить высокие значения тока, скажем, при разгоне электромобиля? Раз лимитирована скорость разряда одной ячейки, чтобы получить нужное итоговое значение, надо использовать n-ое их количество, включенных параллельно. В итоге опять приходим к увеличению размеров батареи в целом.

Аккумулятор на неиспользуемом электромобиле

Бывают ситуации, когда электромобиль простаивает в гараже. Что происходит с батареей? Тут важное значение имеет температура окружающего воздуха. При значениях выше 25°C деградация ячеек присутствует даже при полной зарядке, и чем жарче – тем этот процесс идет быстрее.

Давайте посмотрим на таблицу:

Температура, °C Емкость через 1 год при заряде 40%, % Емкость через 1 год при заряде 100%, %
0 98 94
25 96 80
40 85 65
60 75 60 (через 3 месяца)

Вывод, который можно сделать – если вы живете в местности с жарким климатом, или температура в гараже часто бывает высокой, то не стоит оставлять надолго электромобиль с полностью заряженным аккумулятором.

Един в двух лицах

В итоге получаем, что аккумулятор в электромобиле вроде бы один, но его два. Один – физический, все параметры которого известны только производителю, а второй – тот, про который предоставляется информация владельцу. Этакая виртуальная батарея, являющаяся подмножеством физической.

срок службы аккумулятора электромобиля

Первая – большая, емкая, позволяющая проехать долго, но и на зарядку которой тоже пришлось бы потратить много времени. Беда в том, что прослужила бы она не так долго, как хотелось бы нам, и тем более производителям. Гарантия в 8 лет выглядит эффектно и с маркетинговой точки зрения очень выигрышно, но она оказывается нереальной, если предоставить владельцу доступ ко всем возможностям аккумулятора.

И тогда появляется вторая — более хилая, менее емкая, не обеспечивающая того максимального пробега на одной зарядке, который мог бы быть, но зато заряжающаяся быстрее и, что наиболее важно, выдерживающая гарантийный срок эксплуатации, не опускаясь до недопустимого уровня деградации ячеек.

В результате никто не в накладе. Производитель может установить большой гарантийный срок и не разориться на бесплатной замене отнюдь не дешевого узла, а потребители могут быть уверены, что при соблюдении правил эксплуатации аккумулятора, он с большой долей вероятности отработает заявленный срок без заметного ухудшения своих характеристик.

Кстати, все это хорошо коррелируется с ситуацией, когда компания Tesla на период прохождения последних ураганов в США позволила владельцам электромобилей этой марки получить обновление программного обеспечения, которое временно увеличивало максимальный пробег, активируя эти, а, возможно, и другие скрытые резервы батарей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *