Исследование. Какой ресурс батареи электромобиля?

16 мая, 202316 мая, 2023 Вадим Neflenor аккумуляторные батареи, высоковольтная батарея, исследования

Срок службы батареи — это важный вопрос для людей, которые ищут подержанную Tesla или другой бренд электромобиля. Источник питания — это литий-ионный модуль, который может составлять 50-70% стоимости электромобиля. Реальность такова, что если батарея выходит из строя, то и автомобиль перестает работать. Вот так, дорогие наши -читатели. Покупаете Теслу, приходит каюк источнику питания, и все… Поэтому важно дочитать статью до конца. Здесь мы напишем много интересного и полезного. И для начала следует популярно объяснить, что такое деградация батареи.

Определение деградации батареи электромобиля

Деградация батареи электромобиля – это процесс, в результате которого происходит уменьшение ее ёмкости и, следовательно, ухудшение работы всего транспортного средства. Это явление влияет на дальность пробега, время его зарядки и общую эффективность использования.

Причины деградации батареи

Основные причины деградации батареи включают в себя естественный износ материалов, эксплуатация на высоких и низких температурах, частую зарядку и разрядку, а также использование некачественного оборудования для зарядки. Например, батарея, постоянно работающая при высоких температурах, деградирует быстрее, чем при умеренных.

Влияние деградации на производительность батареи

Деградация батареи приводит к уменьшению ёмкости, что снижает дальность пробега электромобиля на одной зарядке. Это может повлиять на эффективность использования транспортного средства, особенно на длительных дистанциях. Кроме того, деградированная батарея заряжается медленнее, что увеличивает время ожидания между поездками.

Информация от исследователей

Основные выводы из исследований команды ученых-«батарееведов» от сообщества Recurrent:

Замены батарей происходят довольно редко. В среднем, из 15 000 электромобилей только в 1.5% были замены (за исключением крупных отзывов, как, например, Chevy Bolt).
Деградация не является линейной. Если машиной пользуются постоянно, при этом правильно заряжают, то емкость АКБ снижается минимально. Вот поэтому, господа и дамы, важно читать инструкцию.
Большинство замен происходят по гарантии. Например, новый Rivian имеет гарантийное обслуживание батареи на 281 635 километров или 10 лет. Минимальная гарантия составляет 8 лет или 160 934 километра. Хотя это в меньшей степени актуально для РФ, из-за политической обстановки.

Вот почему так важны отчеты от разных источников. Recurrent помогли нам получить представление о батарее электромобиля без дорогостоящих или инвазивных тестов. У нас в СНГ и в частности в РФ, с этим, как вы знаете туго. А все почему? Потому что вы не репостите наши статьи. Давайте поправим ситуацию, а мы выкатим более солидный материал? Надеемся на вас!

Сколько времени прослужит батарея этого электромобиля?

Единственный простой ответ — мы не знаем наверняка, потому что электромобили существуют не так давно, чтобы дать точный ответ. Пока все, что мы можем — это наблюдать за очевидным ухудшением состояния этих машин на дорогах.

Однако даже это наблюдение будет полезным. Замечено, что большинство электромобилей были на дорогах меньше шести лет, причем почти 30% были проданы в 2022 году.

Конечно все еще очень мало информации о том, как именно ВВБ деградируют за свой срок службы — автопроизводители утверждают, что она должна работать не менее 20 лет. Пока, кажется, что батареи электромобилей имеют гораздо более долгий срок службы, поскольку очень немногие из них были заменены, даже после окончания гарантийного срока в 160 934 километра. В среднем, это получается около 15-20 лет. Тут уж как кто ездит. Кому раз в месяц за картошкой за 40 км, а кому в офис каждый день.

Почему нам нужно беспокоиться о деградации батарей в электромобилях?

Большинство электромобилей используют литий-ионную батарею высокого напряжения, которая такая же, как и АКБ, найденные в других бытовых устройствах. Литий-ионные батареи начинают деградировать, как только они сошли с конвейера, и это влияет на запас хода по мере эксплуатации. Это неизбежная часть науки о батареях, которую вы, вероятно, заметили со своим мобильным телефоном и ноутбуком. Даже если вы никогда не используете такие АКБ, они медленно теряют мощность и эффективность со временем. Хорошая новость заключается в том, что источник питания вашего электромобиля намного сложнее и совершеннее других литий-ионных батарей в жизни и создана так, чтобы ее срок службы превышал гарантийный.

Придумать точный ответ на вопрос о продолжительности жизни аккумулятора сложно, поскольку:

Аккумуляторы — это сложные системы. Не возможно наблюдать за ними напрямую и приходится полагаться на разный софт для получения информации об их состоянии, уровне заряда и других параметрах.
Больше известно об отдельных элементах аккумулятора, чем о самих блоках. Большинство научных тестов на литий-ионные аккумуляторы проводятся на отдельных элементах батарей, а не на высокотехнологичных системах, используемых в электромобилях.

Много информации можно извлечь из исследований старых моделей Nissan LEAF и Tesla Model S, которые уже почти десять лет находятся в эксплуатации. Результаты обнадеживают: аккумуляторы электромобилей вполне способны работать долго, но при соблюдении условий зарядки.

Большинство аккумуляторов до сих пор используются в автомобилях

В последние годы было два крупных отзыва аккумуляторов, оба связаны со схожими дефектами блоков в Chevrolet Bolt EV, EUV и Hyundai Kona Electric. Решением обеих этих проблем стала масштабная программа замены, начатая производителями. Кроме этих двух отзывов, замены аккумуляторов в сообществе владельцев электрокаров остаются редкостью.

Помимо двух заметных случаев гарантийной отзывной кампании от производителей, LEAF и Model S, как и ожидалось, имеют наивысший процент замены аккумуляторов, поскольку они являются одними из старейших моделей в автопарке. Однако важно отметить, что автомобили, взятые для исследований, могут быть новее среднего возраста машин на дорогах. Это особенно важно для Nissan LEAF, поскольку у ранних моделей отсутствуют телематические услуги, которые используют для подключения к данным.

Ниже рассмотрены замены аккумуляторов по годам выпуска моделей. Старые машины, в общем случае, подвергаются замене источника питания чаще, что логично.

Пик замен в 2017 году связан с отзывом Chevrolet Bolt, при котором приоритет был дан моделям 2017 года. Аналогично, отзыв Hyundai Kona EV был для моделей 2019 и некоторых моделей 2020 года, что объясняет всплеск в 2019 году.

Видно увеличенное количество замен аккумуляторов не по отзывам в:

2013 Tesla Model S (8.5%)
2014 Tesla Model S (7.3%)
2015 Tesla Model S (3.5%)
2011 Nissan LEAF (8.3%)
2012 Nissan LEAF (3.5%)

При наличии старый электромобиль и желанию узнать о процессе или стоимости замены аккумулятора, у нас есть полезная инфа, которая последует далее!

Данные об аккумуляторах

Ниже делимся данными, показывающими, как меняется дальность хода электромобилей с течением времени, используя реальные наблюдения. Эти графики показывают, как меняется прогнозируемая дальность при 100% заряде с учетом пробега. Обратите внимание, что использован пробег как индикатор «возраста» автомобиля, поскольку дата изготовления батарей и электромобиля неизвестна.

На приведенных ниже графиках тень вокруг темных, центральных линий указывает на стандартное отклонение данных. Это означает, что большинство моделей будут показывать оценки продолжительности хода, которые попадают в затененную область. Темная центральная линия — это среднее значение всех данных.

Также можно заметить некоторые колебания в начале каждой кривой. Это обычно связано с недостатком данных о моделях с очень маленьким пробегом.

Nissan LEAF

Nissan LEAF — старейший серийно производимый электромобиль, который все еще на дорогах, и он имеет наибольшее количество замен высоковольтной батареи. Однако многие из них для первых моделей LEAF были скрыты компанией Nissan после обнаружения, что их первоначальная ВВБ быстро теряла заряд в жаркой среде. Они быстро перешли на более надежный аккумулятор, который показал отличные результаты.

Фактически, в ответ на вопрос о том, как компания планирует использовать старые аккумуляторы LEAF, Ник Томас, директор по маркетингу Nissan в Великобритании, сказал Forbes:

«Почти все аккумуляторы, которые мы когда-либо делали, до сих пор находятся в автомобилях, и мы продаем электромобили уже 12 лет. У нас нет большого запаса АКБ, который мы могли бы превратить во что-то другое».

Tesla Model S

Model S от Tesla — второй серийно производимый «старичок», поэтому логично, что у него больше замен аккумуляторов, чем у более поздних моделей компании. Хотя кривая деградации для Model S с аккумулятором на 100 кВт*ч идеально совпадает с началом идеализированной кривой деградации аккумулятора, подобная ситуация не повторяется для Model S с меньшим аккумуляторным блоком.

Tesla Model 3

Tesla Model 3 существует на рынке с 2018 года и также демонстрирует классическое снижение прогнозируемого запаса хода на первых 32 000 километрах, после чего тренд стабилизируется. Обратите внимание, что присутствуют колебания в данных, например увеличение запаса хода на 96 000, 128 000 и 144 000 километров в модели на 62 кВт*ч, эио отражает изменения в компьютерных моделях и изменения в программном обеспечении Tesla, а не реальные увеличения запаса хода.

BMW i3

Несмотря на меньший аккумуляторный блок и запас хода, который считается низким по современным стандартам, старые аккумуляторы BMW i3 довольно хорошо держатся. Самый маленький, на 22 кВтч, был выпущен в США в 2014 году. Блоки на 33 кВтч были представлены в 2017 году. Оба в среднем достигают 160 000 километров с 80% оставшейся первоначальной емкости. Более новые блоки на 42 кВт*ч были выпущены в 2019 году и, скорее всего, были приобретены больше как модели ежедневного использования, поэтому у них пробег меньше. Однако, предполагая аналогичную химию аккумулятора, деградация должна быть схожей.

Chevrolet Volt

Chevy Volt — гибридный автомобиль с возможностью подзарядки, который обычно показывает меньшую деградацию аккумулятора из-за более щадящего использования и меньшего процента используемой емкости, чем у батарей электромобилей. Все же стоит взглянуть на его график, так как есть данные достаточного количества автомобилей с большим пробегом.

Модели, на которые стоит обратить внимание

Hyundai Ioniq 5 и Ford Mustang Mach-E — новые модели в мире электромобилей, обе привлекли много внимания. Мы внимательно следим за тем, как меняется их запас хода со временем. Это будет особенно интересно, поскольку обе модели в новом состоянии поставляются с бесплатной быстрой зарядкой. Пока сообщество изучает долгосрочное влияние быстрой зарядки на деградацию запаса хода, сосредоточимся на автомобилях, которые активно использовали DC зарядку.

Деградация батареи Hyundai Ioniq 5 за все время

Падение емкости батареи Ford Mustan Mach-E с течением времени

Что говорят гарантии о батареях

Другой способ понять ожидаемый срок службы высоковольтных аккумуляторов электромобилей — посмотреть, какую производители дают гарантию. У электромобилей она очень похожа на обычную, за исключением части, касающейся аккумулятора. И поскольку ВВБ так важен, обязательно внимательно прочтите гарантийные документы. Для подержанных автомобилей, на которые гарантия не распространяется, дополнительная защита может быть доступна от производителя или от третьих лиц.

Образцы гарантий производителей

На батареи Tesla гарантийные обязательства различаются между Model 3 Standard Range, Long Range и Model S/X. На аккумулятор Model 3 Standard Range обещается сохранение 70% исходной емкости на протяжении 160 000 километров или 8 лет, в зависимости от того, что наступит раньше. У других комплектаций Model 3 и Tesla Model Y гарантия в 70% действует до 193 000 километров или 8 лет. У Model S и X та же гарантия в 8 лет, но до 241 000 километров.
Chevy (GM) предлагает стандартную гарантию на 8 лет или 160 000 километров для «компонентов электрического привода» моделей Bolt, Volt и Malibu. При этом признается, что деградация аккумулятора на 10-40% возможна в течение срока гарантии.
Hyundai с 2012 по 2019 год хвастался «Лучшей гарантией в Америке» с пожизненной, хотя и непередаваемой, гарантией на аккумулятор. Гарантия распространяется на неисправности, которые не указаны в документации. С 2020 года гарантируется, что аккумулятор сохранит 70% емкости в течение 10 лет или 160 000 километров.
BMW гарантировали 70% исходной емкости на протяжении 8 лет или 160 000 километров, гарантия передается новым владельцам.
VW гарантировали 70% исходной емкости на протяжении 8 лет или 160 000 километров.

Эти гарантии косвенно подтверждают, что аккумуляторы электромобилей служат довольно долго, и по мере улучшения технологий можно ожидать увеличения их срока службы. Возможно, где-то в будущем уже есть аккумулятор, способный прослужить миллион километров!

Состояние аккумулятора и как его защитить

Литий-ионные аккумуляторы были предметом многочисленных исследований. Хотя большая часть научной информации исходит из лабораторных экспериментов над элементами батарей, принципы, как правило, применимы и к большим сборным батареям, используемым в электромобилях и гибридах.

Аккумуляторы вырабатывают энергию посредством химической реакции. Поскольку они физически протекают в ячейке, там также происходят отходные реакции. Это неизбежно, и это не значит, что с аккумулятором что-то не так. Некоторые из этих побочных реакций даже могут помочь аккумулятору прослужить дольше, при определенных условиях. Лучшие практики для сокращения деградации — это такие вещи, которые либо снижают нагрузку химических реакций на компоненты батарей, либо позволяют избежать их ускорения этих реакций.

Тепло

Первые аккумуляторы LEAF научили важной вещи о жизни литиевых батарей — они не любят жару. У самых ранних ВВБ LEAF не было активного охлаждения, электромобили в жарких климатических условиях деградировали быстрее, чем ожидалось, и многим пришлось заменить батарею. Хотя автопроизводители учли ранние ошибки Nissan и установили термическое управление в своих источниках питания, по-прежнему верно, что аккумуляторы прослужат дольше, если их держать в прохладе. Поскольку не все системы термического управления работают одинаково, парковку в тени и охлаждение автомобиля перед зарядкой стоит рассматривать как меры необходимые, а не желательные.

Зарядка

Зарядка аккумулятора — это физический процесс, при котором ионы и электроны лития перемещаются внутри ячеек. При более быстрых скоростях зарядки физические процессы происходят более интенсивно, и на материалы аккумулятора оказывается больше физического воздействия или микроповреждений. При очень высоком напряжении, например от быстррй зарядке постоянным током, также генерируется много тепла, что не желательно. Быстрая зарядка постоянным током подходит для дорожной поездки, но лучше избегать таких ситуаций. Большинство аккумуляторов предназначены для регулярной зарядки уровня 2 или от 220В.

Глубина разряда

Глубина разряда относится к тому, сколько энергии аккумулятора используется между зарядками. Например, если у вас аккумулятор на 100 кВтч, глубина разряда 80 кВтч составит 80% емкости аккумулятора. Лабораторные исследования показывают, что элементы аккумулятора прослужат гораздо дольше, если глубина разряда мала, и общепринятое мнение предлагает держать заряд в диапазоне около 50%, где аккумулятор химически наиболее стабилен. Другими словами, вместо того чтобы использовать 50% вашего аккумулятора перед перезарядкой, вы можете использовать 20% аккумулятора, перезарядить его, а затем использовать еще 30%.

Вторая жизнь аккумулятора

Большой вопрос, который возникает в разговоре о сроке службы аккумуляторов — что будет с ними после. Материалы и работа, затраченные на изготовление, значительны, а многие химикаты дороги, токсичны, их сложно извлечь и повторно использовать.

Одним из вариантов является то, что по мере деградации ВВБ достигают точки, когда они больше не пригодны для электромобилей, но все еще могут накапливать и хранить электроэнергию для других применений, которые не требуют высокой мощности.

Nissan реализует проекты по использованию старых аккумуляторов LEAF для энергоснабжения уличного освещения, а GM использует аккумуляторы для резервного питания дата-центров. Существует надежда, что объединение старых аккумуляторов электромобилей обеспечит хранение возобновляемой энергии, поддержку устойчивости электросети или будет служить резервным источником питания в чрезвычайных ситуациях.

При разработке планов по возврату и повторному использованию аккумуляторов автопроизводители могут обнаружить, что они расширяют свое присутствие в других отраслях и работают над электрификацией уже не только транспортных средств.