Как и у людей, старение протекает по-разному от одной батареи к другой, и практически невозможно измерить или смоделировать все взаимодействующие механизмы, которые способствуют снижению. В результате большинство систем, используемых для разумного управления уровнями заряда и оценки запаса хода в электромобилях, почти не замечают изменений во внутренней работе аккумулятора.
Вместо этого они действуют больше как врач, назначающий лечение, не зная о состоянии сердца и легких пациента, а также о том, как окружающая среда, образ жизни, стресс и удача опустошили или пощадили их. Если у вас есть ноутбук или телефон в течение достаточного количества лет, вы, возможно, видели, к чему это ведет: оценки оставшегося времени работы от батареи со временем все больше расходятся с реальностью.
Теперь модель, разработанная учеными из Стэнфордского университета, позволяет предсказать истинное состояние аккумуляторной батареи в режиме реального времени. Новый алгоритм объединяет данные датчиков с компьютерным моделированием физических процессов, которые разрушают элементы литий-ионной батареи, чтобы предсказать оставшуюся емкость аккумулятора и уровень заряда.
«Мы использовали электрохимические параметры, которые никогда раньше не использовались для целей оценки», – сказала Симона Онори, доцент кафедры энергетики в Стэнфордской школе наук о Земле, энергии и окружающей среде (Stanford Earth). Исследование появляется в сентябре.
11 место в журнале IEEE Transactions on Control Systems Technology.
Новый подход может помочь проложить путь к меньшим аккумуляторным блокам и большему запасу хода в электромобилях.
Сегодня автопроизводители наращивают запасные мощности в ожидании некоторого неизвестного количества выцветания, что приводит к дополнительным расходам и материалам, в том числе дефицитным или токсичным. Более точные оценки фактической емкости батареи позволят уменьшить буфер.
«В нашей модели по-прежнему важно быть осторожным с тем, как мы используем систему батарей», – пояснил Онори. "Но если у вас есть больше уверенности в том, сколько энергии ваша батарея может удерживать на протяжении всего жизненного цикла, вы можете использовать больше этой емкости. Наша система показывает, где находятся края, поэтому батареи могут работать с большей точностью."
Точность прогнозов в этой модели – в пределах 2 процентов от фактического времени автономной работы, полученного в результате экспериментов, согласно статье – также может упростить и удешевить использование старых аккумуляторов электромобилей для хранения энергии для электросети. «В настоящее время аккумуляторы, снятые с производства электромобилей, будут сильно различаться по качеству и характеристикам», – сказал Онори. «Не существовало надежного и эффективного метода их стандартизации, тестирования или сертификации, который позволил бы им конкурировать с новыми батареями, специально созданными для стационарного хранения."
Отказ от старых предположений
Каждая батарея имеет два электрода – катод и анод – между электролитом, обычно жидким. В перезаряжаемой литий-ионной батарее ионы лития перемещаются между электродами во время зарядки и разрядки.
Электромобиль может работать на сотнях или тысячах этих маленьких аккумуляторных элементов, собранных в большой аккумуляторный блок, который обычно составляет около 30 процентов от общей стоимости транспортного средства.
Традиционные системы управления батареями обычно основаны на моделях, которые предполагают, что количество лития в каждом электроде никогда не меняется, – сказал ведущий автор исследования Анируд Аллам, аспирант в области энергетики. «На самом деле, однако, литий теряется из-за побочных реакций при разложении батареи, – сказал он, – поэтому эти предположения приводят к неточным моделям."
Онори и Аллам разработали свою систему с постоянно обновляемыми оценками концентраций лития и специальным алгоритмом для каждого электрода, который регулируется на основе измерений датчика по мере работы системы.
Они проверили свой алгоритм в реалистичных сценариях с использованием стандартного промышленного оборудования.
В дороге
Модель основана на данных с датчиков, обнаруженных в системах управления батареями, которые сегодня используются в электромобилях на дорогах. «Наш алгоритм может быть интегрирован в современные технологии, чтобы они работали более разумно», – сказал Онори.
По ее словам, теоретически многие автомобили, уже находящиеся на дороге, могут иметь алгоритм, установленный на их электронных блоках управления, но расходы на такого рода модернизацию повышают вероятность того, что автопроизводители рассмотрят алгоритм для автомобилей, которые еще не производятся.
Команда сосредоточила свои эксперименты на типе литий-ионной батареи, обычно используемой в электромобилях (оксид лития, никеля, марганца, кобальта), для оценки ключевых внутренних переменных, таких как концентрация лития и емкость элементов.
Но структура является достаточно общей, чтобы ее можно было применить к другим типам литий-ионных аккумуляторов и для учета других механизмов деградации аккумуляторов.
«Мы показали, что наш алгоритм – это не просто хорошая теоретическая работа, которую можно запустить на компьютере», – сказала она. «Скорее, это практичный, реализуемый алгоритм, который, если он будет внедрен и использован в автомобилях завтра, может привести к возможности иметь батареи с более длительным сроком службы, более надежные автомобили и меньшие аккумуляторные блоки."