Ilgo įkraunamų baterijų naudojimo paslaptis gali slypėti skirtumų glėbyje.Naujas ličio jonų elementų pakuotės degradacijos modeliavimas rodo būdą, kaip pritaikyti įkrovimą pagal kiekvieno elemento talpą, kad elektromobilių baterijos galėtų atlikti daugiau įkrovimo ciklų ir išvengti gedimų.

Tyrimas, paskelbtas lapkričio 5 dIEEE Transactions on Control Systems Technology, parodo, kaip aktyviai valdant elektros srovės, tekančios į kiekvieną pakuotės elementą, kiekį, o ne tolygiai tiekiant įkrovą, galima sumažinti susidėvėjimą.Šis metodas veiksmingai leidžia kiekvienai ląstelei gyventi geriausią ir ilgiausią gyvenimą.

Pasak Stanfordo profesoriaus ir vyresniosios studijų autorės Simonos Onori, pirminiai modeliai rodo, kad baterijos, valdomos naudojant naują technologiją, gali atlaikyti bent 20 % daugiau įkrovimo ir iškrovimo ciklų, net ir dažnai įkraunant greitąjį įkrovimą, o tai papildomai apkrauna akumuliatorių.

Dauguma ankstesnių pastangų pailginti elektromobilių akumuliatoriaus tarnavimo laiką buvo sutelktos į pavienių elementų konstrukcijos, medžiagų ir gamybos tobulinimą, remiantis prielaida, kad, kaip ir grandinės grandys, akumuliatoriaus paketas yra tik tiek, kiek jis yra silpniausias.Naujasis tyrimas prasideda supratimu, kad nors silpnosios grandys yra neišvengiamos – dėl gamybos netobulumų ir dėl to, kad kai kurios ląstelės degraduoja greičiau nei kitos, jas veikiant įtampai, pavyzdžiui, šilumai, joms nereikia nugriauti viso paketo.Svarbiausia yra pritaikyti įkrovimo tarifus pagal unikalų kiekvieno elemento pajėgumą, kad būtų išvengta gedimų.

„Jei tinkamai nesprendžiama, skirtingų elementų nevienalytiškumas gali pakenkti akumuliatoriaus ilgaamžiškumui, sveikatai ir saugai ir sukelti ankstyvą baterijos bloko gedimą“, - sakė Onori, Stanfordo Doerro energetikos mokslų inžinerijos docentė. Tvarumo mokykla.„Mūsų metodas suvienodina energiją kiekvienoje pakuotės ląstelėje, subalansuotai suteikdamas visas ląsteles į galutinę tikslinę įkrovimo būseną ir pagerindamas pakuotės ilgaamžiškumą.

Įkvėptas sukurti milijono mylių bateriją

Dalis impulsų naujiems tyrimams kilo nuo 2020 m. elektromobilių bendrovės Tesla paskelbto darbo su „milijonų mylių baterija“.Tai būtų baterija, galinti maitinti automobilį 1 milijoną mylių ar daugiau (reguliariai įkraunant), kol pasiekia tašką, kai, kaip seno telefono ar nešiojamojo kompiuterio ličio jonų akumuliatorius, elektromobilio akumuliatorius turi per mažai įkrovos, kad veiktų. .

Toks akumuliatorius viršytų tipinę automobilių gamintojų garantiją elektromobilių akumuliatoriams – aštuonerius metus arba 100 000 mylių.Nors baterijų paketai paprastai galioja ilgiau, nei galioja garantija, vartotojų pasitikėjimas elektra varomomis transporto priemonėmis galėtų sustiprėti, jei brangiai keičiami akumuliatoriai taptų vis retesni.Akumuliatorius, kuris vis dar gali išlaikyti įkrovą po tūkstančių įkrovimų, taip pat galėtų palengvinti tolimų reisų sunkvežimių elektrifikavimą ir vadinamųjų transporto priemonių prijungimo prie tinklo sistemas, kuriose EV akumuliatoriai kauptų ir išsiųstų atsinaujinančią energiją. elektros tinklas.

„Vėliau buvo paaiškinta, kad milijono mylių baterijos koncepcija iš tikrųjų nėra nauja chemija, o tik būdas valdyti akumuliatorių nenaudojant viso įkrovimo diapazono“, - sakė Onori.Susiję tyrimai buvo sutelkti į pavienius ličio jonų elementus, kurie paprastai nepraranda įkrovimo talpos taip greitai, kaip pilnos baterijos.

Susidomėjusi Onori ir du jos laboratorijos mokslininkai – doktorantas Vahidas Azimi ir doktorantas Anirudhas Allamas – nusprendė ištirti, kaip išradingas esamų tipų baterijų valdymas galėtų pagerinti viso akumuliatoriaus, kuriame gali būti šimtai ar tūkstančiai elementų, veikimą ir tarnavimo laiką. .

Aukšto tikslumo akumuliatoriaus modelis

Pirmiausia mokslininkai sukūrė didelio tikslumo kompiuterinį akumuliatoriaus veikimo modelį, kuris tiksliai atspindi fizinius ir cheminius pokyčius, vykstančius baterijos viduje per jos veikimo laiką.Kai kurie iš šių pokyčių išryškėja per kelias sekundes ar minutes, kiti – per mėnesius ar net metus.

„Mūsų žiniomis, jokiame ankstesniame tyrime nebuvo naudojamas mūsų sukurtas didelio tikslumo daugialypis akumuliatoriaus modelis“, - sakė Onori, Stanfordo energijos kontrolės laboratorijos direktorius.

Modeliavimas su modeliu parodė, kad šiuolaikinį akumuliatorių bloką galima optimizuoti ir valdyti, atsižvelgiant į jo sudedamųjų dalių skirtumus.Onori ir kolegos numato, kad jų modelis ateinančiais metais bus naudojamas kuriant akumuliatorių valdymo sistemas, kurias būtų galima lengvai pritaikyti esamose transporto priemonių konstrukcijose.

Naudingi ne tik elektriniai automobiliai.Beveik bet kuri programa, kuri „labai apkrauna akumuliatorių“, gali būti tinkama kandidatė į geresnį valdymą, atsižvelgiant į naujus rezultatus, sakė Onori.Vienas pavyzdys?Į droną panašūs orlaiviai su elektriniu vertikaliu kilimu ir tūpimu, kartais vadinami eVTOL, kuriuos kai kurie verslininkai tikisi naudoti kaip oro taksi ir teikti kitas miesto oro mobilumo paslaugas per ateinantį dešimtmetį.Vis dėlto vilioja kiti įkraunamų ličio jonų baterijų pritaikymai, įskaitant bendrąją aviaciją ir didelio masto atsinaujinančios energijos saugojimą.

"Ličio jonų baterijos jau pakeitė pasaulį tiek daug būdų", - sakė Onori.„Svarbu, kad iš šios transformacinės technologijos ir būsimų jos įpėdinių gautume kuo daugiau naudos.