Jedno zużyte ogniwo nie musi ograniczać całej baterii. Nowy system zmienia połączenia wewnątrz pakietu i korzysta przede wszystkim ze sprawniejszych komórek.
Bateria samochodu elektrycznego składa się z setek, a czasem choćby z tysięcy ogniw. Nie starzeją się one jednak identycznie, a słabsze elementy mogą zacząć ograniczać możliwości całego pakietu, mimo iż większość przez cały czas pozostaje w dobrej kondycji. Naukowcy z Chalmers University of Technology chcą, żeby bateria przestała być sztywnym układem połączeń. Specjalne przełączniki pozwalają ominąć słabsze ogniwa i dalej korzystać z pozostałych. W odpowiednich warunkach może to wydłużyć życie całego zestawu o ponad 20 proc.
Cała bateria musi dostosować się do najsłabszego ogniwa
Pakiet trakcyjny nie jest jednym ogromnym akumulatorem. W rzeczywistości składa się z wielu mniejszych ogniw połączonych w moduły, a następnie w większy zestaw zapewniający napięcie potrzebne do napędzania samochodu. Największy problem pojawia się natomiast wraz z upływem czasu. Poszczególne ogniwa różnią się już w chwili opuszczenia fabryki, a później dodatkowo starzeją się w nieco innym tempie. Wpływają na to temperatura, położenie w pakiecie, historia ładowania i zwykłe różnice produkcyjne.
W klasycznej architekturze wiele ogniw połączonych jest szeregowo. Przez wszystkie płynie ten sam prąd, dlatego system zarządzania baterią musi pilnować, aby żadne z nich nie zostało nadmiernie naładowane albo rozładowane. Gdy jedno dochodzi do swojego limitu wcześniej od pozostałych, cały łańcuch musi zwolnić lub zakończyć pracę.
Nie oznacza to, iż pojedyncze słabsze ogniwo automatycznie kwalifikuje cały akumulator samochodu do wyrzucenia. W części konstrukcji można wymieniać całe moduły. Problemem są przede wszystkim różnice pomiędzy ogniwami ograniczają ilość energii, którą rzeczywiście można wykorzystać, i mogą przyspieszyć moment uznania całego pakietu za zbyt zużyty.
Duże badanie obejmujące ponad 500 tys. testów baterii pokazało niedawno, iż akumulatory elektryków zwykle degradują się wolniej, niż sugerują obiegowe historie. przez cały czas jednak ich ogniwa nie starzeją się idealnie równomiernie.
Słabe ogniwo można po prostu ominąć
Rozwiązaniem ma być bateria rekonfigurowalna. Zamiast raz na zawsze ustalać sposób połączenia ogniw, do układu dodaje się sterowane elektronicznie przełączniki. System zarządzania baterią może wtedy zmieniać drogę przepływu prądu. o ile konkretne ogniwo jest wyraźnie słabsze, można je czasowo wyłączyć z aktywnej części pakietu albo zmniejszyć jego udział w pracy. Pozostałe komórki przez cały czas dostarczają energię.
W opublikowanym badaniu naukowcy z Chalmers University of Technology wraz z badaczami ze Scanii i PHINIA sprawdzili, jakie korzyści taki układ może dać w różnych typach samochodów i baterii. Nie opracowali nowej chemii ogniwa ani cudownego materiału, który zatrzymuje jego starzenie. Zmienili po prostu (a może aż?) sposób zarządzania tym, co już znajduje się wewnątrz pakietu.
Najbardziej zaawansowany wariant pozwala kontrolować każde ogniwo oddzielnie. W symulacjach taka konstrukcja była w stanie wydłużyć życie baterii o ponad 20 proc. w wybranych pojazdach wysokiego napięcia, zwłaszcza ciężarówkach i samochodach elektrycznych o dużym zasięgu.
Ponad 20 proc. to jednak górna granica
Sterowanie każdym ogniwem z osobna wymaga bardzo dużej liczby przełączników, dodatkowej elektroniki i bardziej skomplikowanego systemu zarządzania. W seryjnym samochodzie bardziej prawdopodobne byłoby kontrolowanie grup ogniw. Konstrukcja byłaby prostsza i tańsza, ale nie pozwoliłaby wykorzystać całych teoretycznych 20 proc.
Badacze podkreślają więc, iż rekonfiguracja nie jest rozwiązaniem typu wszystko albo nic. Producent może zdecydować, jak szczegółowo chce kontrolować pakiet i znaleźć kompromis między dodatkowym kosztem a wydłużeniem jego życia.
Nowa architektura sama w sobie nie jest oczywiście darmowa. Przełączniki, sterowniki i okablowanie zwiększają cenę początkową baterii, mogą powodować dodatkowe straty energii i tworzą nowe elementy, które również trzeba zaprojektować z myślą o niezawodności. Korzyść pojawia się dopiero wtedy, gdy dłuższe życie pakietu i większa wartość samochodu po kilku latach zrekompensują te dodatkowe wydatki.
W zwykłym elektryku udało się uzyskać dodatkowe 14 miesięcy
Naukowcy policzyli również, o ile zwiększy ich sposób żywotność akumulatorów. Przyjęli samochód z baterią o pojemności 80 kWh, który przejeżdża około 12 tys. km rocznie. W modelu klasyczny pakiet osiągał przyjęty próg wymiany po około 10 latach. Rekonfigurowalna bateria dochodziła do tego samego punktu dopiero po mniej więcej 11 latach, czyli około 14 miesięcy później.
Nie brzmi to już tak spektakularnie jak ponad 20 proc., ale przy najdroższym pojedynczym podzespole samochodu dodatkowy rok eksploatacji ma znaczenie. Jeszcze większego nabiera w firmie posiadającej setki ciężarówek, autobusów czy samochodów dostawczych. Dłużej eksploatowany pakiet zachowuje też wyższą wartość. Po zakończeniu pracy w samochodzie część baterii może dostać drugie życie jako stacjonarny magazyn energii.
Stan baterii ma już dziś ogromne znaczenie dla wartości używanego samochodu elektrycznego. Parametr SoH, czyli stan zdrowia akumulatora, potrafi powiedzieć o takim aucie więcej niż sam przebieg.
Fabryka też ma na tym skorzystać
Rekonfigurowalna architektura może rozwiązać jeszcze jeden problem, zanim samochód w ogóle wyjedzie na drogę. Producenci poświęcają sporo czasu w selekcjonowanie ogniw i zestawianie ze sobą egzemplarzy o możliwie podobnych parametrach. Ma to ograniczyć sytuację, w której jedna komórka od początku odstaje od reszty.
Jeżeli elektronika potrafi później aktywnie radzić sobie z różnicami, wymagania dotyczące tak dokładnego dopasowania można częściowo zmniejszyć. Sam pakiet staje się odporniejszy na naturalne rozbieżności między ogniwami.
To tak naprawdę radykalnie zmienia sposób myślenia o rozwoju baterii. Branża zwykle koncentruje się przede wszystkim na nowych elektrolitach, anodach, katodach i chemiach zapewniających większą gęstość energii. Tymczasem część dodatkowego życia można odzyskać bez zmiany samego ogniwa. Wystarczy przestać zmuszać każde z nich do identycznej pracy przez cały okres eksploatacji. Nieprzypadkowo potencjał jest największy w pojazdach wysokiego napięcia. Im więcej ogniw połączonych szeregowo, tym większa szansa, iż różnice pomiędzy nimi zaczną wpływać na cały zestaw.
Na razie takich baterii nie znajdziemy oczywiście w seryjnych samochodach. Rozwiązania rekonfigurowalne są testowane w prototypach badawczych i przemysłowych, a dodatkowa elektronika przez cały czas komplikuje ich masową produkcję. o ile jednak uda się ją opanować, przyszłe baterie mogą starzeć się zupełnie inaczej niż dzisiejsze. Nie dlatego, iż każde ogniwo nagle stanie się doskonałe. Bateria po prostu nauczy się nie polegać bezwarunkowo na tym, które zużyło się najszybciej.
*Źródło grafiki wprowadzającej: Bl∡ke, Pexels / Canva Pro
