Mikor megy tönkre az akkumulátor?

Az akkumulátorok az életkor előrehaladtával lassan veszítenek teljesítményükből és tárolókapacitásukból.

Akárcsak az embereknél, az öregedés az akkumulátoroknál is eltérően megy végbe, és szinte lehetetlen mérni vagy modellezni a hanyatláshoz hozzájáruló összes kölcsönhatásban lévő mechanizmust. Ennek eredményeként az elektromos autók töltöttségi szintjének bölcs kezeléséhez és a hatótávolság becsléséhez használt rendszerek többsége szinte vak az akkumulátor belső működésében bekövetkező változásokkal szemben.

Ehelyett inkább úgy működnek, mint egy orvos, aki kezelést ír fel anélkül, hogy ismerné a páciens szívének és tüdejének állapotát, és azt, hogy a környezet, az életmód, a stressz és a szerencse milyen különleges módon pusztította vagy kímélte meg őket. Ha elég éven át használtunk laptopot vagy telefont, akkor első kézből láthatjuk, hogy ez hova vezet: az akkumulátor hátralévő élettartamára vonatkozó becslések idővel egyre jobban eltérnek a valóságtól.

A Stanford Egyetem tudósai által kifejlesztett modell most lehetőséget kínál az újratölthető akkumulátor valós állapotának valós idejű előrejelzésére. Az új algoritmus egyesíti az érzékelőadatokat a lítium-ion akkumulátorcellákat lebontó fizikai folyamatok számítógépes modellezésével, hogy előre jelezze az akkumulátor fennmaradó tárolókapacitását és töltési szintjét.

“Becslési célokra olyan elektrokémiai paramétereket használtunk ki, amelyeket korábban sohasem” – mondta Simona Onori, a Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth) energiaforrás-mérnöki adjunktusa. A kutatás szeptember 11-én jelenik meg az IEEE Transactions on Control Systems Technology folyóiratban.

Az új megközelítés elősegítheti az utat a kisebb akkumulátorcsomagok és a nagyobb hatótávolság felé az elektromos járművekben. Az autógyártók manapság tartalékkapacitást építenek be, hogy kalkulálhassanak valamilyen ismeretlen mértékű gyengüléssel, ami többletköltséget és többletanyagot jelent, beleértve azokat is, amelyek szűkösek vagy mérgezőek. Az akkumulátor tényleges kapacitásának jobb becslése kisebb puffert tesz lehetővé.

„Modellünknél továbbra is fontos, hogy körültekintőek legyünk azzal kapcsolatban, hogyan használjuk az akkumulátorrendszert” – magyarázta Onori. „De ha biztosak vagyunk abban, hogy mennyi energiát képes tárolni az akkumulátor a teljes életciklusa során, akkor többet használhatunk ki ebből a kapacitásból. Rendszerünk felfedi, hol vannak a shatárok, így az akkumulátorok pontosabban üzemeltethetők.”

Az ebben a modellben szereplő előrejelzések pontossága – a lap szerint a kísérletekből származó tényleges akkumulátor-élettartam 2 százalékán belül –  megkönnyítheti és olcsóbbá teheti a régi elektromos autók akkumulátorainak üzembe helyezését. „A mostanihoz hasonlóan az elektromos autókból kivont akkumulátorok minősége és teljesítménye nagyon eltérő lesz” – folytatta Onori. „Nincs megbízható és hatékony módszer ezek szabványosítására, tesztelésére vagy tanúsítására oly módon, hogy versenyképesek legyenek a helyhez kötött tárolásra szabott új akkumulátorokkal szemben.”

A régi feltételezések elvetése

Minden akkumulátornak két elektródája van – a katód és az anód – amelyeket egy elektrolit, általában folyadék vesz körül. Az újratölthető lítium-ion akkumulátorban a lítium-ionok oda-vissza ingáznak az elektródák között töltés és kisütés közben. Egy elektromos autó több száz vagy több ezer ilyen kis akkumulátorcellával működhet, amelyeket egy nagy akkumulátorcsomagba szerelnek össze, mely általában a jármű összköltségének körülbelül 30 százalékát teszi ki.

“A hagyományos akkumulátor-menedzsment rendszerek jellemzően olyan modellekre támaszkodnak, amelyek feltételezik, hogy az egyes elektródákban lévő lítium mennyisége soha nem változik” – mondta Anirudh Allam, a tanulmány vezető szerzője, az energiaforrás-mérnökök PhD-hallgatója. “A valóságban azonban a lítium elveszik a mellékreakciók miatt, ahogy az akkumulátor leromlik, ezért ezek a feltételezések pontatlan modelleket eredményeznek.”

Onori és Allam a lítiumkoncentráció folyamatosan frissített becsléseivel és minden elektródához külön algoritmussal tervezték meg rendszerüket, amely az érzékelő mérései alapján igazodik a rendszer működése közben. Valósították algoritmusukat reális forgatókönyvekben, szabványos iparági hardver használatával.

Az úton

A modell a mai elektromos autókban futó akkumulátor-kezelő rendszerekben található érzékelők adataira támaszkodik. “Algoritmusunk integrálható a jelenlegi technológiákba, hogy azok intelligensebben működjenek” – mondta Onori. Elméletileg sok már forgalomban lévő autóban fel lehet szerelni az algoritmust az elektronikus vezérlőegységére, de az ilyen jellegű frissítés költsége valószínűbbé teszi, hogy az autógyártók fontolóra veszik az algoritmust a még nem gyártott járművekre is.

A csapat kísérleteiket az elektromos járművekben általánosan használt lítium-ion akkumulátorokra összpontosították (lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid), hogy megbecsüljék a kulcsfontosságú belső változókat, például a lítiumkoncentrációt és a cellakapacitást. De a keret elég általános ahhoz, hogy más típusú lítium-ion akkumulátorokra is alkalmazható legyen, és figyelembe vegye az akkumulátor romlásának egyéb mechanizmusait.

„Megmutattuk, hogy az algoritmusunk nem csak egy szép elméleti munka, amely számítógépen is futhat. Inkább egy praktikus, megvalósítható algoritmus, amelyet ha holnap elfogadnak és alkalmaznak az autókban, hosszabb élettartamú akkumulátorokat, megbízhatóbb járműveket és kisebb akkumulátorcsomagokat eredményezhet” – zárta gondolatait Onori.