Kuvittele akkupaketti, joka vielä pitää varausta mutta ei enää pysty suoriutumaan vaadituista tehtävistä. Tämä tapahtuu useammin kuin kuljettajat ymmärtävät. Uudet kenttätiedot osoittavat, että pieni vähemmistö nopeasti vanhenevista soluista voi määrätä, milloin koko sähköajoneuvon akkupaketti poistetaan käytöstä, jolloin yllättävän suuri osa varatusta energiasta jää hyödyntämättä.
Tutkijat, jotka seurasivat todellisia sähköajoneuvoja yli kolmen vuoden ajan (henkilöautoissa nikkeli-mangaani-koboltti (NMC)-solut ja busseissa litium-rautafosfaatti (LFP)-solut), havaitsivat, että vierekkäisten solujen väliset erot harvoin pysyvät pieninä ikuisesti. Solut kokevat eri mikroilmastoja, niille kertyy hieman erilaisia valmistustoleransseja ja ne kohtaavat erilaisia virtoja ajon ja latauksen aikana. Kymmenien tuhansien kilometrien aikana nämä pienet erot voivat kasvaa. Useissa henkilöautoissa noin 170 000 kilometrin kohdalla jotkut solut alkavat jäädä muita jälkeen nopeammin, mikä voimistaa epätasapainoa paketin sisällä.
Miksi yksi heikko solu merkitsee niin paljon? Useimmissa paketeissa solut on kytketty sarjaan. Tämä rakenne tarkoittaa, että paketin käyttökelpoinen jännite ja virta rajoittuvat heikoimpiin osiin. Latauksessa matalan kapasiteetin solu saavuttaa jänniterajansa ennen muita. Purkautumisessa tai suurilla tehoilla korkeamman resistanssin solu kuumenee tai saavuttaa toimintarajansa aiemmin kuin naapurinsa. Tulos: pakettia rajoitetaan suojellakseen muutamaa kamppailevaa solua, ei siksi että suurin osa soluista olisi loppuunkulunut.
Tämän kvantifioimiseksi ryhmä analysoi tavanomaista ajoneuvojen telemetriaa: jännite-, virta-, lämpötila- ja varausastekirjauksia, ja yhdisti fysiikkapohjaiset akkumallit neuroverkkoihin perustuvaan estimaatioon. He korjasivat kausivaihtelut ja ajo-olosuhteet varmistaakseen oikeudenmukaisen vertailun solujen välillä. Aineisto sisälsi ajoneuvoja, jotka olivat kulkeneet jopa 300 000 km, tarjoten harvinaisen ikkunan pitkäaikaiseen kenttäoloissa tapahtuvaan vanhenemiseen.
Luvut ovat pysäyttäviä. Epätasainen vanheneminen vähensi paketin käyttökelpoista kuntoa noin 6,2 % henkilöautoissa ja 7,5 % busseissa. Kun tutkijat vertasivat paketin eläkkeellejäämispäiviä yksittäisten solujen keskimääräiseen käyttöikään, pakettien elinkaaret olivat noin 17,7 % lyhyempiä autoissa ja 22,8 % lyhyempiä busseissa. Tehonluovutuskin heikentyi: sisäisen resistanssin erot leikkasivat saatavilla olevaa tehoa noin 12,9 % autoissa ja 15,1 % busseissa. Paketin elinkaaren aikana autoissa käytettiin noin 80,7 % solujen potentiaalisesta energiasta; busseissa käytettiin vain noin 72,9 %, jolloin lähes viidesosa tai jopa yli neljännes potentiaalisesta kapasiteetista jäi käyttämättömäksi, kun heikoimmat solut määrittivät käytöstäpoistopisteen.
Muutama heikko solu voi määrätä koko akkupaketin kohtalon.
Nämä havainnot kantavat käytännön seurauksia. Paketin arviointi pelkästään solujen keskimääräisen kunnon perusteella jättää ongelman huomaamatta. Joillakin kalustolla vanheneminen oli selvästi voimakkaampaa kuin toisilla, mikä viittaa siihen, että tasapainotusstrategioilla, lämpötilanhallinnalla ja soluryhmittelyllä on todellista merkitystä. Tutkimus osoittaa kohti ratkaisuja, jotka kuulostavat yksinkertaisilta mutta eivät ole käytännössä triviaalit: tiukemmat valmistustoleranssit, älykkäämpi solujen lajittelu ennen kokoonpanoa, aggressiivisempi tai adaptiivinen aktiivinen tasapainotus, parannettu lämmönhallinta solujen pitämiseksi samassa käyttöikkunassa ja jopa uudelleenkonfiguroitavat pakettirakenteet, jotka pystyvät muuttamaan sarja-parallelliyhteyksiä solujen eriytyessä.
Myös järjestelmäinsinöörin näkökulma on tärkeä. Parempi sensoreiden käyttö ja per-solu-diagnostiikka, yhdistettynä ennakoiviin malleihin jotka tunnistavat nopeasti eriytyvät poikkeamat varhain, voisi antaa kalustoille mahdollisuuden pidentää käyttöikää ja palauttaa energiaa, joka nykyisin jää hyödyntämättä. Suunnittelijoille viesti on selvä: käyttöiän maksimointi ei ole vain keskivertosolukemian parantamista, vaan suorituskyvyn hajonnan kaventamista paketin sisällä.
Nature Energy -lehdessä julkaistu työ, jota johtivat tutkijat Dalian Institute of Chemical Physicsistä ja Chalmersin teknillisestä korkeakoulusta, muotoilee uudelleen tapamme ajatella sähköautojen akkujen käytöstäpoistoa. Se esittää käytännönläheisen, laajavaikutteisen kysymyksen: puristammeko nykyakuista jokaisen viimeisen joulen, vai jättävätkö muutamat heikot lenkit arvon pöydälle?
"Olen ravitsemustieteilijä ja haluan auttaa ihmisiä syömään paremmin. Genomissa jaan tutkimuksiin perustuvia vinkkejä ravinnosta ja elämäntavoista."
Keskustelu
Jätä kommentti
Kommentit
Ei vielä kommentteja. Ole ensimmäinen.