По мере роста числа и использования электромобилей (ЭМ) внимание смещается с простого использования аккумуляторов на понимание того, как их эксплуатация влияет на долговечность и экологичность. Старение аккумулятора определяет, как долго аккумулятор может оставаться полезным в автомобиле, как часто требуется его замена и какое воздействие на окружающую среду накапливается в течение жизненного цикла. Недавний обзор Дженнифер Лейон (2025) обобщает существующие исследования о влиянии стратегий зарядки на старение аккумуляторов. 1 В данной статье суммируются основные результаты, с акцентом на то, как эксплуатационные решения, зарядная инфраструктура и управление температурным режимом могут способствовать увеличению срока службы аккумуляторов ЭМ.
Что означает старение батареи
Старение аккумулятора электромобиля обычно измеряется по состоянию его работоспособности (SOH), которое объединяет два основных показателя:
- Уменьшение емкости: уменьшение количества энергии, которое может хранить аккумулятор.
- Рост сопротивления: увеличение внутреннего сопротивления, которое ограничивает выходную мощность и эффективность.
В основе этих процессов лежат такие механизмы, как рост межфазного слоя твёрдого электролита (SEI), механическое напряжение в электродах, пробой электролита и осаждение лития на аноде. Эти процессы ускоряются при определённых условиях, особенно при высокой температуре, высокой степени заряженности (SOC) и высоких скоростях зарядки.
Быстрая зарядка и ее последствия
Быстрая зарядка важна для удобства пользователя, но она несет в себе определенные риски.
Высокий ток повышает температуру аккумулятора и, в некоторых случаях, приводит к литированию при зарядке при низких температурах или высоком уровне заряда. Это литирование снижает ёмкость и может создавать проблемы безопасности.
В обзоре подчёркивается, что быстрая зарядка сама по себе не является вредной при правильном управлении. Такие меры, как предварительная термоподготовка в холодную погоду, активное охлаждение во время зарядки в жаркую погоду и плавно снижающиеся профили тока, снижающие ток по мере роста уровня заряда, могут ограничить деградацию.
Управление состоянием заряда
Один из наиболее последовательных выводов, полученных в ходе исследований, — преимущество эксплуатации аккумуляторов в умеренных диапазонах SOC, часто около 20–80%. Высокий уровень SOC ускоряет нежелательные побочные реакции и структурные изменения, в то время как глубокие циклы зарядки от почти полного разряда до полного создают повышенную нагрузку на электродные материалы. Стратегии зарядки, избегающие длительных периодов зарядки при очень высоком уровне SOC или обеспечивающие полную зарядку только при необходимости для длительных поездок, продлевают срок службы аккумулятора, не снижая при этом его эксплуатационных характеристик.
Температура как центральный фактор
Температура сильно влияет на календарное старение (деградация с течением времени) и циклическое старение (деградация, вызванная зарядом/разрядом).
- Высокие температуры ускоряют побочные химические реакции и рост SEI.
- Низкие температуры увеличивают сопротивление и повышают вероятность литирования во время зарядки.
Умная зарядка и синхронизация
В обзоре подчёркивается, что графики зарядки могут учитывать потребности как электросети, так и аккумуляторов. Например:
- Согласование зарядки с периодами доступности возобновляемой энергии сокращает выбросы.
- Окончание зарядки незадолго до запланированного времени отъезда водителя сокращает время ожидания при высоком уровне заряда.
- Интеллектуальные системы зарядки, которые объединяют в себе планирование отправлений и интеграцию возобновляемых источников энергии, могут помочь сбалансировать устойчивость аккумуляторных батарей и энергетических систем.
Использование технологии «транспорт-сеть» (V2G)
Двунаправленная зарядка, или зарядка от автомобиля к сети (V2G), иногда считается вредной для аккумуляторов, поскольку она увеличивает частоту циклов. Обзор Лейона показывает, что воздействие во многом зависит от того, как она организована.
Глубокие и частые циклы V2G могут увеличить износ, но контролируемый V2G, работающий в диапазоне средних уровней заряда, с короткими циклами и контролем температуры, оказывает лишь незначительное влияние на старение. Это означает, что V2G может быть реализован при тщательном контроле и по-прежнему может поддерживать более широкие цели энергетической системы.
Методы, продлевающие срок службы батареи
В рассмотренных исследованиях несколько методов зарядки неизменно оказываются полезными. Использование среднего уровня заряда для ежедневных поездок с сохранением 100% заряда для дальних поездок снижает нагрузку на электродные материалы. Использование переменного тока или маломощного постоянного тока для повседневного использования также помогает, при этом быстрая зарядка используется только в случае необходимости, а не для ежедневной практики.
Разрешение системе управления аккумуляторной батареей (BMS) постепенно снижать зарядку вблизи высоких уровней SOC, планирование зарядки незадолго до использования вместо того, чтобы оставлять автомобиль полностью заряженным на ночь, а также включение функций терморегулирования во время зарядки при экстремальных температурах — все это способствует более медленному снижению емкости и более стабильной работе в течение длительного времени.
Последствия для заинтересованных сторон
Значение этих результатов различается в зависимости от заинтересованных групп. Водителям и операторам автопарков рекомендуется поддерживать умеренные ежедневные показатели уровня заряда аккумуляторов, проводить предварительную подготовку аккумуляторов перед использованием быстрых зарядных устройств в холодном климате и не оставлять полностью заряженные автомобили под прямыми солнечными лучами в жарком климате.
Автопроизводители и разработчики систем могут сыграть ключевую роль, предоставляя удобные настройки пределов уровня заряда (SOC) и функции планирования отправлений, улучшая интеграцию между терморегулированием и управлением зарядкой, а также совершенствуя профили снижения заряда для минимизации риска литий-ионного покрытия в холодных условиях. Для коммунальных предприятий и политиков важна разработка интеллектуальных программ зарядки, которые снижают нагрузку на сеть, одновременно ограничивая время ожидания при высоком уровне заряда. В случае продвижения V2G необходимо ввести ограничения на окна SOC и температуры, а также проводить политику, способствующую обмену данными и независимым исследованиям для уточнения моделей деградации.
Соображения устойчивого развития
Методы зарядки влияют на производительность автомобиля и воздействие на окружающую среду. Более длительный срок службы аккумулятора снижает потребность в новых аккумуляторах, уменьшая воздействие горнодобывающей промышленности и производства на окружающую среду.
Аккумуляторы, вышедшие из эксплуатации с более высоким уровнем SOH, лучше подходят для вторичного использования в стационарных хранилищах, что продлевает их срок службы и сокращает количество отходов. Кроме того, интеллектуальная зарядка, синхронизированная с производством возобновляемой энергии, снижает выбросы на этапе использования. Таким образом, стратегии зарядки, щадящие аккумуляторы, способствуют достижению более широких целей устойчивого развития, выходящих за рамки непосредственного улучшения эксплуатационных характеристик транспортного средства.
Заключение
Старение аккумулятора определяется тем, как, когда и при каких условиях происходит зарядка.
В обзоре Лейона за 2025 год подчёркиваются три основополагающих принципа: поддержание уровня заряда аккумуляторов в умеренных пределах, тщательный контроль температуры и ограничение экстремальных условий зарядки. Хотя быстрая зарядка и V2G создают дополнительную нагрузку, обе эти проблемы можно контролировать с помощью продуманной конструкции и эксплуатационных политик. Для водителей, автопроизводителей и политиков внедрение этих практик может продлить срок службы аккумуляторов, повысить надёжность и снизить воздействие электромобилей на окружающую среду.
