Учёные из Китая и Швеции раскрыли важную особенность работы аккумуляторов в электромобилях: срок службы всей батареи нередко определяет всего одна «слабая ячейка». Масштабное исследование провели специалисты под руководством профессора Чэнь Чжунвэя (Даляньский институт химической физики) и профессора Цзоу Чанфу (Технологический университет Чалмерса).
В течение более чем трёх лет исследователи собирали и анализировали данные по реальным автомобилям: в выборку вошли легковые машины с никель‑марганец‑кобальтовыми аккумуляторами и автобусы с литий‑железо‑фосфатными. Некоторые транспортные средства успели проехать до 300 000 километров.
Суть проблемы в том, что элементы внутри батареи изнашиваются неравномерно. Из‑за различий в материалах, условиях производства, температуре и режимах эксплуатации одни ячейки стареют быстрее других. В результате при зарядке «отстающая» ячейка первой упирается в предел напряжения, а при интенсивной работе — в лимиты по безопасности. Как только самый слабый элемент исчерпывает ресурс, всю батарею приходится снимать с эксплуатации, даже если остальные ячейки ещё вполне работоспособны.
Чтобы отделить реальные закономерности старения от случайных факторов (вроде сезонных колебаний или разной степени заряда), учёные применили модель на базе нейронных сетей. Она позволила оценить, как меняются ёмкость и внутреннее сопротивление ячеек в стандартизированных условиях.
Результаты оказались показательными: заметные различия в износе начинали проявляться примерно после 170 000 километров пробега. В легковых авто общее состояние аккумуляторов ухудшалось на 6,2 %, в автобусах — на 7,5 %. При этом срок службы батарей сокращался на 17,7 % и 22,8 % соответственно по сравнению с потенциалом отдельных элементов. Кроме того, из‑за дисбаланса мощности падали на 12,9 % (легковые) и 15,1 % (автобусы).
Любопытно и другое: даже при выводе батареи из эксплуатации значительная часть её энергетического потенциала оставалась невостребованной. У легковых автомобилей это около 19,3 %, у автобусов — 27,1 %. То есть почти пятая, а то и почти треть возможной энергии так и не использовалась.
По словам профессора Чэня, исследование впервые количественно оценило эффект «наименее работоспособной ячейки» именно в реальных условиях эксплуатации. Это открывает путь к более эффективному управлению ресурсом аккумуляторов. Среди возможных решений — улучшение стабильности производства, грамотная группировка ячеек, системы балансировки, контроль температуры и использование реконфигурируемых аккумуляторных систем.