W przypadku każdego pojazdu elektrycznego zmniejszona pojemność akumulatora oznacza zmniejszenie realnego zasięgu pojazdu, ale istnieją również uzasadnione obawy, że stan akumulatora ma wpływ na wartość pojazdu (RV – wartość rezydualna pojazdu).

Wydaje się, że aktualnie to wyzwanie nie jest poważne i przeglądając popularne media, można przeczytać głównie clickbaitowe artykuły o “katastroficznych, masowych pożarach” i utyskiwania na zbyt mały zasięg (chociaż temat zasięgu ostatnio blednie w związku z zauważalnym wzrostem tego parametru w kolejnych modelach samochodów). W przypadku zakupu lub rozpoczęcia użytkowania nowego samochodu, zjawisko spadku parametrów baterii nie jest szczególnie wyeksponowane, bo najczęściej baterie objęte są 8-letnią gwarancją producenta, a to zazwyczaj perspektywa czasowa znacznie przekraczająca zakładany przez użytkownika okres eksploatacji.

Jednak w przypadku samochodów używanych, można przyjąć, że dane dotyczące degradacji akumulatora będą prawdopodobnie tak samo ważne, jak przebieg w przypadku pojazdów z silnikiem spalinowym, ponieważ nabywca samochodu używanego będzie chciał poznać stan pojazdu tzn. jego realną wartość użytkową i uniknąć ewentualnych kosztów wymiany baterii.

Spadek parametrów akumulatorów – dlaczego tak się dzieje?

Obniżenie parametrów baterii to inaczej degradacja lub starzenie, czyli utrata pojemności i mocy akumulatora, zachodząca w wyniku procesów chemicznych w jej ogniwach. Wskaźnikiem zużycia akumulatora jest parametr SoH – State of Health, czyli stan “zdrowia” akumulatora.

Akumulator ulega degradacji nawet gdy nie jest używany (starzenie się w miarę upływu czasu) oraz poprzez użytkowanie, czyli cykle ładowania, pracy, rozładowywania i ponownego ładowania (starzenie eksploatacyjne). Jedno i drugie jest nieuniknione.

Trzeba zaznaczyć, że środowiska naukowe, producenci samochodów, baterii i oprogramowania opisują różne (czasami sprzeczne ze sobą) modele i przyczyny degradacji akumulatorów samochodów elektrycznych. Jednak z tego obrazu wyłaniają się wspólne wnioski w tej kwestii.

Za wiodące czynniki obniżenia parametrów akumulatora uważa się temperaturę, poziom naładowania, głębokość i częstotliwość głębokiego rozładowania podczas kolejnych cykli, liczbę cykli oraz wartość prądu ładowania. Niektóre firmy przedstawiają również inne modele degradacji. Utrudnieniem jest fakt, że czynniki obciążające akumulator mają charakter zdecydowanie daleki od liniowego i wykazują silne interakcje między sobą. Strategia mająca na celu wydłużenie żywotności akumulatora polega na nieustannym utrzymywaniu tych czynników w optymalnym oknie.  

Technologia w służbie trwałości

Na tempo degradacji wpływa wiele czynników, w tym wiek, warunki otoczenia oraz sposób ładowania i rozładowywania akumulatora. Ale nie tylko. Osobną grupę czynników stanowi sama koncepcja budowy pojazdu elektrycznego. Najlepiej zbadane, opisane i przetestowane są doświadczenia koncernów Tesla i Nissan. Pokazują one różne koncepcje projektowania akumulatorów i utrzymania jak niższej degradacji. Do wyposażenia swoich pojazdów koncern Tesla wybrał akumulator, którego skład chemiczny gwarantuje długotrwałą eksploatację, oraz stosuje skomplikowany system zarządzania akumulatorem (BMS), który zawiera kompletny system kontroli temperatury. System BMS utrzymuje temperaturę akumulatora, poziom naładowania akumulatora oraz wartość prądu w bezpiecznych granicach w różnych sytuacjach oraz warunkach klimatycznych, skutkiem czego jest dość przyzwoita degradacja parametrów wynosząca maksymalnie 0,15% na 1600 km (1000 mil).

Inżynierowie Nissana wybrali do modelu Leaf akumulator o mniej trwałej chemii i zastosowali ograniczony system kontroli temperatury wyposażony tylko w pasywny system chłodzenia powietrzem. Rezultatem tego jest niższy koszt, ale również skrócenie żywotności akumulatora, a w niektórych warunkach, zwłaszcza w gorącym klimacie – jego przedwczesne starzenie.

Innym sposobem, w jaki producenci chronią żywotność akumulatorów, jest utrzymywanie ich pojemności resztkowej, tak aby nigdy nie uległy całkowitemu rozładowaniu, ponieważ może to również spowodować obniżenie żywotności akumulatora. Z tego powodu producenci pojazdów czasami podają zarówno całkowitą pojemność akumulatora, jak i nieco mniejszą pojemność użytkową.

Obecnie stosuje się dwa najpopularniejsze typy akumulatorów litowo-jonowych: akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LFP) i akumulatory litowe NMC/NCA. W technologii NMC elektroda dodatnia składa się z niklu, manganu i kobaltu w różnych proporcjach. Elektroda ujemna jest grafitowa. To technologia o wysokiej gęstości energii. Ogniwa LFP cechują się wyższym poziomem bezpieczeństwa i wykorzystują powszechniejsze (tzn. łatwiej dostępne i tańsze) żelazo i fosfor, zamiast kobaltu, manganu i niklu i cechują się wyraźnie niższym współczynnikiem degradacji.

Użytkowanie ma duży wpływ na żywotność

Badania przeprowadzone przez specjalistów z londyńskiej firmy Altelium zajmującej się analizami, badaniem zużycia i obszarem gwarancji akumulatorów pojazdów elektrycznych wykazały, że standardowe ogniwo samochodowe może osiągnąć 80% wspomnianego SoH w przypadku intensywnego użytkowania już po około czterech latach, ale osiągnięcie tego samego stanu przy racjonalnym użytkowaniu może zająć nawet 15 lat.

Ciekawy przykład opisał na łamach brytyjskiego “Auto Technician” Alex Johns, były specjalista ds. obsługi floty samochodowej na lotnisku Gatwick a obecnie ekspert ds. Akumulatorów firmy Altelium.

„Naprawdę najważniejszą rzeczą jest sposób użytkowania. Jeśli jeździsz ciągle “na pełnych obrotach”, mocno hamujesz i ładujesz tylko na ultraszybkich ładowarkach DC – żywotność akumulatora może być o jedną czwartą krótsza niż w przypadku rozsądnego użytkowania. Wiem to, ponieważ zarządzałem flotą taksówek na lotnisku Gatwick, gdzie mieliśmy pięć Tesli Model S” – powiedział Alex Johns.

„Przemierzaliśmy każdym z nich po 160 000 km rocznie przez trzy lata, więc każdy z nich przejechał 480 000 km. Na koniec, ponieważ wdrożyliśmy odpowiednie zasady dotyczące ładowania DC nie więcej niż 30% a samochody pracowały w trybie chill/eco i prowadzono je dość delikatnie – pozostało nam 82% SoH i uważam to za wspaniałe” – dodał Alex Johns.

„To nie jest kwestia różnicy kilku procent trwałości akumulatora między samochodem delikatnie użytkowanym a intensywnie użytkowanym – to są setki procent. Jeśli użytkujesz samochód racjonalnie, możesz wydłużyć żywotność nawet o 400%” – podsumował Johns.

Wpływ szybkiego ładowania DC na trwałość akumulatora

Przeprowadzone badania dotyczące szybkiego ładowania akumulatorów pokazują, że wpływ tego typu ładowania rzeczywiście istnieje, ale jest bardzo ograniczony, zwłaszcza jeśli pojazd wyposażono w pełny system kontroli i regulacji temperatury baterii. W tym przypadku system zarządzania temperaturą nie pozwala na nadmierne nagrzewanie, zmniejszając odpowiednio moc ładowania w trakcie cyklu. Dodatkowo, częściowe ładowanie i rozładowanie przedłużają żywotność akumulatora ze względu na utrzymywanie akumulatora na optymalnym poziomie naładowania przez możliwie najdłuższy czas. W celu zoptymalizowania ładowania można stosować różne strategie, czasami jednak potrzebny jest kompromis, ze względu na wymogi zasięgu i charakter eksploatacji.

Floty firmowe – jak stan baterii wpłynie na wartości rezydualne?

Struktura rynku sprzedaży nowych samochodów w zakresie zakupów firmowych i prywatnych zmieniła się wyraźnie w ostatnich latach. Ze względu na wzrost cen nowych samochodów (wg najnowszego raportu IBRM Samar to średnio ponad 179 tys. zł) zdecydowanie wzrósł udział zakupów firmowych. Dlatego obszar wartości rezydualnych zyskuje na znaczeniu. Można sobie wyobrazić prostą w formie sytuację, gdy mamy dwa identyczne pojazdy o takim samym przebiegu, wieku i stanie. Jednak w jednym przypadku poziom SoH akumulatora wynosi 90%, a w drugim 70%. Nietrudno sobie wyobrazić, że pierwszy pojazd będzie miał wyższą wartość. Dlatego ważne jest, aby na całym rynku przyjęto powszechnie uzgodnione standardy, które umożliwią każdemu szybki, jasny i spójny wgląd na zrozumienie stanu pojazdu zarówno w sektorze samochodów używanych, jak i wyceny samochodów użytkowanych w ramach najmu długoterminowego lub leasingu bez końcowego wykupu. 

Wspólne i transparentne podejście do oceny stanu akumulatora pomogłoby operatorom w skutecznym zarządzaniu flotą, zapewniając jednocześnie bardziej przewidywalne wartości pojazdu w każdym punkcie cyklu życia.

W jaki sposób firmy mogą zarządzać degradacja akumulatorów swojej floty?

Akumulatory pojazdów BEV mają już wbudowane technologie zarządzania, które chronią je przed najbardziej skrajnymi zjawiskami degradacji. Należą do nich wspomniane wyżej systemy zarządzania temperaturą, które zapewniają, że akumulator działa i ładuje się w optymalnych temperaturach, bez nadmiernego nagrzewania. Istnieją jednak również działania, które mogą podjąć decydenci i kierowcy w zakresie floty firmowej.

Niektóre floty firmowe mają ograniczenia biznesowe, które będą potencjalnie sprzeczne z najlepszymi praktykami w zakresie kondycji akumulatorów. W takich okolicznościach przydatne może być odpowiednie zarządzanie pojazdami oraz stałe lub choćby cykliczne monitorowanie SoH akumulatorów. W kwestii zarządzania można przekazywać pojazdy innym kierowcom lub zmieniać trasy, po której jeżdżą, aby zachować średni SoH całej floty, tak aby po zakończeniu użytkowania, wszystkie pojazdy floty były w podobnym stanie.

Jednak zdobycie danych może nie być proste, bo producenci bardzo niechętnie podchodzą do kwestii ich udostępniania, chociaż wszystkie nowoczesne pojazdy elektryczne monitorują stan akumulatora. Istnieją jednak rozwiązania, które czerpią dane z magistrali pojazdu przez moduł wpięty w gniazdo OBD, umożliwiając analizę akumulatora, w tym jego aktualnego stanu oraz sposobu jego użytkowania i ładowania przez cały okres eksploatacji.

Floty powinny również unikać całkowitego ładowania akumulatora lub jego zbyt niskiego poziomu, ponieważ ma to również negatywny wpływ na żywotność akumulatora. W szczególności szkodliwe jest pozostawienie pojazdu na długo w stanie głębokiego rozładowania.

Podsumowanie

Poruszyliśmy wiele wątków i łatwo się poczuć zagubionym w ilości informacji, dlatego poniżej prezentujemy krótkie podsumowanie czynników wpływających na żywotność akumulatorów.

• Użytkowanie i ładowanie: racjonalne użytkowanie samochodu bez ciągłego wykorzystywania pełni mocy, utrzymywanie poziomu energii akumulatora w zakresie od 20% do 80% i zapobieganie głębokiemu rozładowaniu to kluczowe czynniki na które użytkownik BEV ma wpływ.
• Pokładowy system zarządzania akumulatorem: BMS (Battery Management System) monitoruje i zarządza energią w pojeździe. System chroni baterię przed przegrzaniem, głębokim rozładowaniem lub nadmiernym naładowaniem np. podczas długiego zjazdu ze wzniesienia z równoczesnym odzyskiwaniem energii oraz utrzymuje równomierne napięcie pomiędzy modułami.
• System utrzymywania temperatury: zbyt niska lub zbyt wysoka (szczególnie ta druga) temperatura nie służy żywotności baterii. System utrzymania temperatury w zależności od sytuacji ogrzewa lub chłodzi ogniwa, aby zachować optymalną temperaturę pakietu dla zwiększenia żywotności.
• Technologia bateryjna: według zapowiedzi koncernów, w ciągu kilku najbliższych lat do użytku wejdą akumulatory ze stałym elektrolitem, które mają być rewolucją w zakresie gęstości energetycznej i trwałości. Z obecnie wykorzystywanych technologii, akumulatory LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe) są wyraźnie trwalsze niż NMC (niklowo-manganowo-kobaltowe). 

Jak łatwo wywnioskować, na żywotność akumulatorów wpływ mają inżynierowie (oraz księgowi) z koncernów samochodowych, producenci baterii, programiści od systemów BMS, rekuperacji i ładowania, słowem – jako użytkownicy nie mamy wpływu na ten czynnik. Natomiast użytkując lub zarządzając na co dzień flotą firmową, mamy znaczny wpływ na żywotność baterii. Warto zadbać o utrzymywanie odpowiedniego poziomu naładowania, zapobiegać głębokiemu i długotrwałemu rozładowaniu oraz racjonalnie korzystać z pedału przyspieszenia i hamulca.

elektromobilni.pl