Elektromobilių baterijų įkrovimo ciklai

Kas tie įkrovimo ciklai ir kodėl apie juos visi kalba

Kai perki elektromobilį, vienas iš pirmųjų dalykų, kuriuos girdėsi, bus kažkas apie baterijos ciklus. Pardavėjai mėgsta pabrėžti, kad baterija išlaikys 1000 ar net 2000 ciklų, bet ką tai iš tikrųjų reiškia? Paprasčiausiai tariant, vienas įkrovimo ciklas – tai pilnas baterijos iškrovimas nuo 100% iki 0% ir vėl įkrovimas iki 100%. Tačiau realybėje niekas taip nebevažinėja, ir čia prasideda įdomiausia dalis.

Baterijos ciklas nesuskaičiuojamas kiekvieną kartą, kai prijungiate kabelį prie elektromobilio. Jei šiandien nukrovėte bateriją nuo 80% iki 30% (tai yra 50%), o rytoj dar kartą tiek pat – tai bus vienas pilnas ciklas, ne du. Sistema skaičiuoja sumuotą energijos kiekį, kuris praeina per bateriją. Tai labai svarbu suprasti, nes daugelis žmonių klystamai mano, kad kiekvienas prijungimas prie įkroviklio „suėda” vieną ciklą.

Šiuolaikiniai elektromobiliai naudoja ličio jonų baterijas, kurios veikia visai kitaip nei senosios nikelio-kadmio baterijos jūsų senajame mobiliajame telefone. Jos neturi „atminties efekto”, todėl galite ramiai krauti bateriją bet kuriuo metu, neišlaukdami pilno iškrovimo. Tiesą sakant, dažnas dalinis krovimas net geriau baterijos sveikatai nei nuolatinis krovimas nuo nulio iki pilnos.

Kaip litžio jonų baterijos sensta

Elektromobilio baterija nėra vienas didelis elementas – tai šimtai ar net tūkstančiai mažų ličio jonų elementų, sujungtų į modulius. Tesla Model 3, pavyzdžiui, turi apie 4400 atskirų elementų. Kiekvienas iš šių elementų veikia pagal tą patį principą: ličio jonai juda tarp dviejų elektrodų – anodo ir katodo – per elektrolitą. Kai kraunate bateriją, jonai juda viena kryptimi, kai naudojate energiją – kita.

Problema ta, kad kiekvienas toks judėjimas nėra tobulas. Laikui bėgant, elektrodų paviršiuje formuojasi mikroskopiniai sluoksniai, kurie trukdo jonams judėti. Kai kurie jonai tiesiog „įstringa” ir nebegali dalyvauti procese. Elektrolitinė skystis taip pat palaipsniui degraduoja. Visa tai reiškia, kad baterijos talpa pamažu mažėja.

Įdomu tai, kad ne tik naudojimas dėvi bateriją. Net jei jūsų elektromobilis stovėtų garaže visiškai nenaudojamas, baterija vis tiek sensta. Tai vadinama kalendoriniu senėjimu. Cheminiai procesai vyksta net tada, kai niekas nevažiuoja. Tiesa, šis senėjimas yra daug lėtesnis nei tas, kuris vyksta aktyviai naudojant automobilį.

Kodėl gamintojų skelbiami skaičiai skiriasi nuo realybės

Kai Nissan sako, kad jų Leaf baterija išlaikys 1000 ciklų, jie turi omenyje laboratorines sąlygas. Tai reiškia idealią temperatūrą (paprastai apie 20-25°C), vidutinį krovimo greitį ir naudojimą be ekstremalių situacijų. Realybėje jūsų baterija gali išlaikyti ir daugiau, ir mažiau ciklų, priklausomai nuo to, kaip su ja elgiatės.

Šaltis yra vienas didžiausių baterijos priešų. Kai temperatūra nukrenta žemiau nulio, chemijos procesai lėtėja, ir baterija negali nei atiduoti, nei priimti tiek energijos, kiek galėtų šiltesnėmis sąlygomis. Jei reguliariai kraunate šaltą bateriją dideliu galingumu, tai gerokai pagreitina jos degradaciją. Štai kodėl daugelis elektromobilių turi baterijos šildymo sistemas, kurios įsijungia prieš greitą krovimą.

Karštis taip pat nėra draugas. Kai baterija įkaista virš 40-45°C, cheminis senėjimas pagreitėja eksponentiškai. Automobiliai, kurie reguliariai naudojami karštame klimate be geros aušinimo sistemos, praranda talpą daug greičiau. Pirmos kartos Nissan Leaf turėjo būtent šią problemą – jų baterijos neturėjo aktyvaus aušinimo, ir Arizonoje ar Teksase jie prarasdavo talpą dvigubai greičiau nei Oregone ar Vašingtone.

Greitas krovimas ir jo įtaka baterijos ilgaamžiškumui

Dabar pasikalbėkime apie tai, kas daugeliui kelia didžiausią nerimą – greitąjį krovimą. Kai kraunate elektromobilį 150 kW ar net didesniu galingumu, į bateriją per labai trumpą laiką įstumiate milžinišką energijos kiekį. Tai sukelia šilumą ir mechaninį stresą baterijos elementams. Ličio jonai tiesiog neturi laiko tvarkingai „įsirikiuoti” į elektrodo struktūrą, todėl kai kurie jų gali sukelti nepageidaujamus šalutinius procesus.

Tačiau čia svarbu suprasti proporcijas. Jei greitai kraunate kartą per savaitę ilgoje kelionėje, tai neturės didelio poveikio. Problema kyla tada, kai greitas krovimas tampa kasdienybe. Tyrimai rodo, kad baterija, kuri 80% laiko kraunama greitai, gali prarasti apie 10-15% daugiau talpos per tuos pačius metus, palyginti su baterija, kuri dažniausiai kraunama lėtai namuose.

Šiuolaikiniai elektromobiliai turi išmaniąsias baterijos valdymo sistemas (BMS), kurios stebi kiekvieno elemento būklę ir reguliuoja krovimo greitį pagal temperatūrą ir baterijos būseną. Kai baterija šalta, sistema automatiškai sumažina krovimo galią. Kai baterija jau beveik pilna (virš 80%), krovimo greitis taip pat sulėtėja. Tai daroma būtent tam, kad apsaugotų bateriją nuo pernelyg didelio streso.

Kaip maksimaliai išlaikyti baterijos sveikatą

Geriausias būdas prailginti baterijos gyvavimą – laikytis vadinamosios „20-80 taisyklės”. Tai reiškia, kad kasdien turėtumėte laikyti baterijos įkrovą tarp 20% ir 80%. Kodėl? Nes kraštutinės įkrovos būsenos – labai pilna arba labai tuščia baterija – sukelia didžiausią stresą elementams. Kai baterija 100% įkrauta, elektrodo struktūra yra maksimaliai „įtempta” ličio jonais. Kai ji beveik tuščia, vyksta priešingi procesai, kurie taip pat nėra idealūs.

Praktiškai tai reiškia, kad turėtumėte nustatyti savo elektromobilio krovimo limitą ties 80% kasdieniniam naudojimui. Beveik visi šiuolaikiniai elektromobiliai turi šią funkciją. Pilnai iki 100% kraukite tik tada, kai tikrai reikia viso nuotolio ilgai kelionei. Ir net tada, jei įmanoma, išvažiuokite iš karto po krovimo, o ne laikykite automobilio su 100% įkrauta baterija garaže kelias dienas.

Dar vienas svarbus patarimas – stenkitės vengti baterijos iškrovimo iki pačių dugninių procentų. Jei matote, kad lieka 10-15%, geriau sustokite pakrauti, nei važiuokite iki paskutinio procento. Gilūs iškrovimai, ypač kartu su dideliu galingumu (pavyzdžiui, greitai važiuojant autostradata), yra ypač žalingi.

Temperatūros valdymas ir sezoniniai niuansai

Žiemą elektromobilio savininkų laukia papildomi iššūkiai. Šalta baterija ne tik laiko mažiau energijos, bet ir pati gali būti pažeidžiama, jei su ja netinkamai elgiamasi. Jei turite galimybę, žiemą laikykite elektromobilį šiltame garaže. Net kelių laipsnių skirtumas gali reikšmingai paveikti baterijos būklę.

Daugelis elektromobilių turi funkcijas, kurios leidžia iš anksto „paruošti” automobilį prieš išvykstant. Tai reiškia, kad automobilis įsijungia šildymą ir sušildo ne tik saloną, bet ir bateriją, dar būdamas prijungtas prie įkroviklio. Tai puiki funkcija, nes energija šildymui imama iš tinklo, o ne iš baterijos, ir kartu baterija pasiekia optimalią darbo temperatūrą.

Vasarą, jei įmanoma, stenkitės parkuoti šešėlyje. Automobilis, išstovėjęs visą dieną kaitroje, gali turėti baterijos temperatūrą 50°C ar net daugiau. Jei tuomet dar prijungsite greitąjį kroviklį, baterija patirs rimtą stresą. Geriau palaukite, kol automobilis atvės, arba kraukite lėčiau.

Ką daryti su sena baterija ir antrinio gyvenimo koncepcija

Kai elektromobilio baterija praranda 20-30% savo pradinės talpos, ji paprastai laikoma netinkama automobiliui. Bet tai nereiškia, kad ji netinkama visiškai. Tokia baterija vis dar gali saugoti 70-80% energijos ir puikiai tinka kitoms reiškoms. Čia ir atsiranda antrinio gyvenimo (second life) koncepcija.

Daugelis įmonių perka naudotas elektromobilių baterijas ir panaudoja jas stacionarioms energijos kaupimo sistemoms. Pavyzdžiui, jos gali kaupti saulės elektrinių energiją arba padėti stabilizuoti elektros tinklą. Tokiose aplikacijose baterijos nebereikia greitai atiduoti didelės galios, nereikia vežiotis, todėl ir reikalavimai yra žymiai mažesni. Baterija, kuri nebetinka automobiliui, gali dar 10-15 metų tarnauti tokiose sistemose.

Nissan, BMW, Renault ir kiti gamintojai jau turi projektų, kur senos elektromobilių baterijos naudojamos stadionų, gamyklų ar net ištisų gyvenviečių energijos saugojimui. Tai ne tik ekologiška, bet ir ekonomiškai naudinga – tokios baterijos kainuoja gerokai pigiau nei naujos, specialiai energijos saugojimui sukurtos sistemos.

Kas laukia ateityje ir naujų technologijų horizontai

Baterijų technologijos nestovi vietoje. Jau dabar rinkoje atsiranda pirmieji automobiliai su ličio-geležies-fosfato (LFP) baterijomis, kurios yra atsparesinės ir ilgaamžiškesnės nei tradicinės ličio jonų baterijos. Jos gali atlaikyti daugiau ciklų, mažiau jautrios temperatūrai ir saugesnės. Tiesa, jų energijos tankis šiek tiek mažesnis, bet daugeliui kasdienio naudojimo tai nėra problema.

Dar tolimesnėje ateityje mus laukia kietojo elektrolitų baterijos (solid-state). Jos pažada ne tik didesnį energijos tankį ir greitesnį krovimą, bet ir gerokai ilgesnį gyvavimą – kalbama apie 3000-5000 ciklų su minimalia degradacija. Tokios baterijos galėtų išlaikyti visą automobilio eksploatacijos laiką be jokio pastebimo talpos sumažėjimo. Tačiau masine gamyba dar toli – optimistiškiausi prognozuoja, kad jos pasieks rinką apie 2027-2028 metus.

Įdomu ir tai, kad kai kurie gamintojai eksperimentuoja su baterijomis, kurias būtų galima remontuoti modulių lygmenyje. Vietoj to, kad keistumėte visą baterijos paketą, galėtumėte pakeisti tik tuos modulius, kurie degradavo labiausiai. Tai gerokai sumažintų remonto kaštus ir pratęstų automobilio gyvavimą.

Kodėl nereikia per daug nerimauti dėl ciklų

Po viso šio pasakojimo apie degradaciją, temperatūras ir krovimo strategijas, gali pasirodyti, kad elektromobilio baterija – tai trapi ir sudėtinga priežiūros reikalaujanti sistema. Iš tikrųjų viskas paprasčiau. Šiuolaikinės baterijos yra labai patikimos ir ištvermingos. Dauguma gamintojų siūlo garantijas, kurios dengia 8 metus arba 160,000-200,000 kilometrų, garantuodami, kad baterija išlaikys bent 70% pradinės talpos.

Realūs duomenys iš eksploatuojamų automobilių rodo, kad vidutiniškai elektromobiliai praranda apie 2-3% talpos per pirmuosius metus, o vėliau degradacija sulėtėja iki maždaug 1% per metus. Tai reiškia, kad po 10 metų jūsų elektromobilis vis dar turės apie 85-90% pradinės talpos. Jei pradžioje važiavote 400 km, po dešimtmečio važiuosite 340-360 km – vis dar visiškai naudojamas nuotolis.

Svarbiausia suprasti, kad baterija nėra kažkas, ko reikia bijoti ar į ką reikia investuoti nepagrįstai daug dėmesio. Laikykitės kelių paprastų principų – venkite kraštutinumų, neperkaiskite ir nešaldykite baterijos be reikalo, o visa kita sistema pasirūpins pati. Elektromobilio baterija yra daug patikimesnė už vidaus degimo variklio sudėtingą mechaninę sistemą su šimtais judančių dalių. Tiesiog važiuokite ir mėgaukitės tylia, sklandžia elektrinės trakcijos patirtimi, o apie ciklus pagalvokite tik tada, kai bus praėję bent penki metai.