Деградация батарей электромобилей. Прогноз износа на основе анализа 6000 моделей.

Если вы когда-либо задумывались о приобретении электромобиля, то абсолютно точно сталкивались с такими вопросами, как:

  • Сколько он стоит?
  • Какой у него запас хода?
  • Сколько прослужит батарея?

Ключом к ответу на эти вопросы являются характеристики батареи и скорость ее деградации. Ведь именно она является самой дорогой деталью в автомобиле на электротяге и напрямую влияет на все эти показатели. Сегодня мы поговорим именно об этом, поскольку зачастую, спрашивая «сколько проработает мой аккумулятор», вы будете слышать информацию по гарантии. В среднем она составляет 8 лет или 150-200 тысяч километров пробега (в зависимости от производителя), но ведь это не совсем то, что вы хотели узнать. Верно?

И даже тот факт, что с 2010 года стоимость среднего блока литий-ионных аккумуляторов упала более чем на 80% (то есть больше чем в 5 раз) не обеспечивает достаточной уверенности. Ведь всегда лучше знать наперед, как быстро ваш аккумулятор будет терять емкость и как этот процесс можно замедлить.

Компания Geotab Inc. собрала и проанализировала статистику 6300 электромобилей, принадлежащих как юридическим, так и физическим лицам. Общий объем изученных данных составил 1 800 000 дней. На основе результатов анализа, она запустила на своем сайте бесплатный инструмент, позволяющий сравнить среднюю потерю емкости аккумуляторов для электромобилей различных марок, моделей и даже годов выпуска. Именно эти данные внесли некоторую ясность в вопрос, на который до сих пор сложно получить однозначный ответ:

Сколько же может проработать батарея электромобиля, какова ее деградация и зависит ли ее износ от условий использования?

Нужно заметить, что данные графиков представляют усредненные значения, полученные аналитическим путем. Они помогают наглядно увидеть, как происходит деградация батарей электромобилей с течением времени. Но не являются точным прогнозом для конкретного авто. Иначе говоря: они дают представление и понимание, а не жесткую гарантию.

Рисунок 1: Скриншот рабочей области аналитического сервиса.

Итак, давайте разберемся:

1. Терминология.

Деградация батареи электромобиля – является естественным процессом. Заключается в уменьшении объема заряда, который батарея способна хранить и выдавать. Обычно, аккумуляторы электромобилей могут выдавать больше мощности, чем нужно силовому агрегату, поэтому деградация проявляется, в основном, как снижение емкости (со временем батарея способна хранить все меньше и меньше энергии).

SOH (State Of Health, %) – показатель, использующийся для оценки состояния батареи. На русском языке может звучать, как: степень работоспособности аккумулятора. Обозначает его остаточную емкость, измеряется в %, т.к. изначально SOH любого электромобиля равен 100%. НЕ имеет единой формулы исчисления и пороговой величины, после прохождения которой аккумулятор будет считаться нерабочим – все индивидуально и зависит от конкретного разработчика.

Следует также отличать его от «запаса хода» (дистанция, которую машина может проехать на выдаваемых кВтч), который постоянно меняется в зависимости от уровня заряда, рельефа местности, использования вспомогательных систем, стиля вождения, количества пассажиров и веса перевозимого груза.

2. Что влияет на состояние литий-ионных аккумуляторов?

Принято выделять следующие факторы:

  • Время
  • Производитель и конструктивные особенности
  • Работа на высоком и низком уровне заряда
  • Эксплуатация (циклы зарядки)
  • Высокие температуры
  • Высоки токи

Предлагаем вам рассмотреть каждый из них подробнее.

а. Время:

Ключевые моменты, которые стоит учитывать:

  • Износ батарей происходит медленно – в первую очередь анализ более 6000 моделей электромобилей показал, что деградация их батарей не так велика, чтобы вызывать серьезное беспокойство. Аккумуляторы отличаются хорошей живучестью и, если такая динамика будет сохраняться, большинство из них переживет сами автомобили.
  • Батареи, как и люди, «стареют» – ожидаемо, чем старше машина, тем ниже емкость ее батареи. Однако средняя деградация по всем маркам и моделям не превышает 2,3 % в год. Таким образом, покупая электромобиль с запасом хода в 200 километров, за 5 лет вы потеряете всего 23 километра, что вряд ли доставит серьезные неудобства.
  • Линейность деградации – на большинстве графиков потеря емкости выглядит линейно, но на практике это не совсем так. Поначалу происходит относительно резкое падение, которое затем постепенно замедляется. В конце срока службы батареи происходит еще одно заметное снижение емкости.

    Рисунок 2: Обычная кривая деградации выглядит примерно так. 

    К счастью для автовладельцев, лишь немногие изученные батареи достигли той точки, в которой наблюдается резкое снижение емкости. По этой же причине пока невозможно точно сказать, в какой момент оно начинается.

    b. Производитель и конструкция:

    На графиках разница между некоторыми марками электромобилей видна невооруженным глазом. Данные говорят о том, что разные батареи по-разному ведут себя с течением времени, и зависит это от моделей и годов выпуска машин. Почему же в одних аккумуляторы теряют емкость быстрее, чем в других? Кроме всего прочего, на это влияет химический состав и управление температурой аккумуляторов.

    Хотя все электромобили используют литий-ионные батареи, их химический состав отличается (одно из заметных отличий – материалы электродов). А от него напрямую зависит то, как аккумулятор реагирует на нагрузки. Кроме химического состава ячеек, способы контроля температуры в разных авто также не одинаковые. В одних батареи нагреваются и/или охлаждаются за счет воздуха, а в других - с помощью жидкости.

    Давайте сравним модель с жидкостной системой охлаждения Tesla Model S (2015) и модель, которая имеет пассивную систему воздушного охлаждения Nissan Leaf (2015). 

    Рисунок 3: Сравнение деградации батарей для Tesla Model S (2015) с жидкостным охлаждением и Nissan Leaf (2015) с воздушным охлаждением.

    На графике мы видим, что средний показатель деградации у Nissan составляет 4,2% в год, тогда как у Tesla он равен 2,3%. Из чего можно сделать вывод, что контроль температуры является одним из способов защиты от потери емкости.

    c. Работа на высоком и низком уровне заряда:

    Еще одна причина, по которой аккумуляторы разных производителей имеют разную «живучесть», - отличие в способе контроля SOC (уровень заряда). Эксплуатация почти полностью заряженной/ разряженной батареи также влияет на ее состояние. Чтобы снизить это влияние, многие производители добавляют буфер, который блокирует доступ к крайним областям аккумулятора. Выглядит это примерно так:

    Рисунок 4: Защитные буферы, контролирующие диапазон зарядки электромобилей.

    Помимо использования защитных буферов в верхней и нижней части диапазона аккумуляторов, многие производители также ограничивают ежедневную зарядку показателем ниже 100%, т.е. с точки зрения чистой химии, при состоянии заряда в 100% батарея не является полностью заряженной, а при 0% - полностью разряженной.

    Многие автовладельцы даже не догадываются о том, что не имеют доступа к самому нижнему порогу диапазона SOC – эта мера безопасности также помогает замедлить деградацию батареи.

    Следует заметить, что из-за периодических беспроводных обновлений ПО размер буфера может меняться время от времени. Такую ситуацию заметили некоторые владельцы Tesla в 2019 году. Жалобы на снижение запаса хода дошли до производителя, и он подтвердил – причиной стало обновление, направленное на «защиту батареи и продление срока ее службы».  

    Некоторые автомобилестроители идут другим путем и делают этот функционал настраиваемым и открытым. Таким образом, уже сам пользователь выбирает момент окончания заправки. Например, 75% вместо 100%. Получившаяся произвольная область (на графике выше она обозначена буквой В) дополняет обязательный буфер (обозначенный как А), предохраняющий батарею от эксплуатации в зоне наивысшей деградации.

    Давайте для примера рассмотрим Chevrolet Volt, который имел сравнительно большие верхние и нижние защитные буферы (А и D на графике выше), особенно в моделях ранних годов выпуска. С годами буферы SOC стали уменьшать, но даже с учетом этого – график наглядно показывает, насколько дольше сохраняется срок службы его аккумулятора. Не последнюю роль в том, что батарея Chevrolet Volt служит дольше среднего, играет и жидкостное охлаждение. И все же, мы можем сделать однозначный вывод: несмотря на то, что большие буферы уменьшают запас доступной энергии, они продлевают жизнь батарее.   

    Рисунок 5: Износ батареи Chevrolet Volt в сравнении с другими автомобилями.

    Это интересно: Ограничение доступа к крайним областям диапазона не только продлевает «жизнь» аккумуляторам, но и повышает безопасность вождения. При почти полной зарядке/разрядке батарея не способна получать и выдавать возможный максимум энергии, что напрямую влияет на поведение машины и ее управляемость.  

    d. Эксплуатация и циклы зарядки:

    Распространенным заблуждением является уверенность в том, что частая эксплуатация электромобиля отрицательно влияет на емкость батарей. Но, согласитесь, вы же не покупали машину для того, чтобы сидеть в ней и пить кофе?

    Судя по результатам анализа, активная езда оказывает незначительное влияние на деградацию батарей, а значит – переживать на этот счет не имеет смысла. Если постоянно не превышать стандартный дневной пробег, повышенного износа аккумулятора не будет. А вот тем, кто при этом пользуется быстрыми зарядками, следует задуматься, однако, об этом мы поговорим чуть ниже.

    Рисунок 6: Интенсивность эксплуатации не оказывает значительного влияния на скорость деградации.

    e. Работа при высоких температурах:

    Литий-ионные аккумуляторы электромобилей, как и многих других устройств и электроники, не любят критических температур. Считается, что высокие температуры негативно влияют на них. Так будет ли срок службы батареи на электромобиле в жаркой Аризоне ниже, чем в холодной Норвегии?

    Чтобы выяснить это, машины были сгруппированы, исходя из климатических условий их эксплуатации:

    • Умеренный климат (температура выше 27 ℃ или ниже -5 ℃ менее 5 дней в году);
    • Жаркий климат (температура выше 27 ℃ более 5 дней в году).

    И, к сожалению, показания графика подтверждают теоретические догадки – в жарком климате батарея действительно изнашивается гораздо быстрее. 

    Рисунок 7: Влияние климата на деградацию батарей электромобилей.

    f. Типы зарядок и высокие токи:

    Помимо всего вышесказанного, при анализе были учтены и типы зарядки, используемые для данных электромобилей. Североамериканские зарядные станции оборудованы зарядками трех основных типов:

    • Тип 1 (Level 1) – 120 Вольт. Обычная домашняя зарядка;
    • Тип 2 (Level 2) – 240 Вольт. Вариант для личных и корпоративных авто;
    • DCFC – быстрая зарядка с постоянным током.

    В большинстве европейских стран выделяют зарядку переменным током (аналог Level 2 в Северной Америке) и постоянным (DCFC).

    И хотя оптимальным видом зарядки электромобиля считается использование Level 2, разница между первым типом и вторым не такая уж большая.

    Рисунок 8: Сравнительная потеря емкости батареи для зарядки от станции 1го и 2го типа.

    А вот тем автолюбителям, кто часто пользуется быстрой зарядкой, стоит поостеречься. Именно ее постоянное применение ведет к гораздо более заметному ускорению деградации. Чтобы зарядить аккумулятор быстрее, используются более высокие токи, приводящие к повышению температуры. И то и другое сильно перегружает батарею. Многие производители советуют ограничить число быстрых зарядок в месяц, чтобы продлить жизнь аккумулятору.

    Для наглядности было проведено сравнение показателей электромобилей, находящихся в равных условиях эксплуатации в жарком климате. Классификация проводилась по частоте использования DCFC:

    • Никогда;
    • Иногда (1-3 раза в месяц);
    • Часто (более 3 раз в месяц).

    Рисунок 9: В жарком климате или климате с выраженной сезонностью деградация батареи напрямую зависит от частоты использования DCFC (быстрой зарядки).

    На графике видна разница даже между автомобилями, владельцы которых никогда не пользовались быстрой зарядкой или пользовались ей редко. Данные актуальны для жаркого климата или климата с выраженной сезонностью. Хотя, не исключено влияние и других факторов (ведь речь идет не о контролируемом эксперименте), но все же основным током зарядки должен быть переменный (Level 2).

    3. Подведем итоги:

    Как же можно продлить жизнь батареи вашего авто?

    Разобравшись в том, что деградация батареи электромобиля зависит от множества факторов, начиная от модели и года выпуска, а заканчивая внешними климатическими условиями, возникает резонный вопрос – что со всем этим делать? И хотя большинство водителей не сталкивается с заметными потерями емкости, поскольку в нормальных условиях она составляет около 2,3 % в год, а в близких к идеальным - не превышает 1,6 %, есть вещи, которые следует помнить. Ну, или периодически о них вспоминать: 

    • Избегайте простоев авто с полностью заряженной или полностью разряженной батареей. В идеале, SOC (уровень заряда) должен находиться в пределах от 20% до 80%, особенно при длительных перерывах в эксплуатации. Заряжайте аккумулятор до предела только перед дальней поездкой.
    • Помните, что активная эксплуатация не является проблемой, поэтому не нужно бояться частой езды. Длительные простои в гараже не очень полезны для электромобиля, а регулярные поездки, напротив, не причиняют никакого вреда.
    • Постарайтесь свести к минимуму число быстрых зарядок от постоянного тока (DCFC). Иногда они неизбежны, но для ночной «подпитки» авто обычно достаточно и более «легких» вариантов.
    • Мы не можем контролировать климат, но надо стараться избегать сильной жары. Например, выбирать места в тени на парковке.

    И наконец: не стоит слишком сильно беспокоиться по мелочам. Современные электромобили оснащены хорошими батареями, и небольшая потеря емкости вряд ли как-то повлияет на ваши повседневные поездки. У электромобилей много достоинств, и на этот маленький недостаток можно просто закрыть глаза.

    Источник: GEOTAB.COM

    13 декабря 2019 года, автор Шарлотта Аргью