Jak długo działają akumulatory EV? - w Recurrent zbadali to

Żywotność baterii to poważne pytanie, ponieważ ludzie coraz częściej kupują używaną Teslę lub inne auto elektryczne. Akumulator to czarna skrzynka litowo-jonowa, która może stanowić 50-70% wartości samochodu elektrycznego. Rzeczywistość jest taka, że jeśli akumulator umiera, to samo dzieje się z samochodem.

Naukowcy firmy Recurrent zajmujący się akumulatorami aut elektrycznych wyrazili następujące opinie:

• Wymiana baterii jest dość rzadka. W społeczności Recurrent liczącej 15 000 samochodów tylko 1,5% zostało wymienionych (poza dużymi wycofaniami, takimi jak Chevrolet Bolt).
• Zużycie nie jest liniowe. Krzywe degradacji baterii ilustrują, jak dobrze te baterie wytrzymują w czasie. Na początku jest trochę spadków, potem przez dłuższy czas się wyrównuje.
• Większość wymian odbywa się w ramach gwarancji. Na przykład nowy Rivian ma zasięg baterii na 175 000 mil lub 10 lat. Minimalna federalna gwarancja w USA wynosi 8 lat lub 100 000 mil.
• Z tego względu raporty okresowe są niezbędne. Powtarzalność może dać wgląd w akumulator EV bez kosztownych lub inwazyjnych testów.

Jak długo wytrzyma taka bateria EV? Jedyną prostą odpowiedzią zdaniem ekspertów Recurrent jest to, że nie wiemy na pewno, ponieważ samochody elektryczne nie istnieją wystarczająco długo, abyśmy mogli to stwierdzić. Najlepsze, co możemy zrobić, to obserwować widoczną degradację tych samochodów na drodze.

Jednak nawet ta obserwacja może okazać się wyzwaniem, ponieważ większość pojazdów elektrycznych jeździ po drogach znacznie mniej niż sześć lat, a prawie 30% z nich sprzedano w 2022 r.

Wciąż nie wiadomo, w jaki sposób ulegają one degradacji w ciągu swojego życia – według producentów samochodów powinno to trwać nawet 20 lat. Jak dotąd wydaje się, że akumulatory EV mają znacznie dłuższą żywotność, niż ktokolwiek sobie wyobrażał, ponieważ bardzo niewiele z nich zostało wymienionych, nawet po wygaśnięciu 8-letniego okresu gwarancji na 100 000 mil.

Dlaczego musimy się martwić degradacją baterii w pojazdach elektrycznych? Większość samochodów elektrycznych opiera się na wysokonapięciowym akumulatorze litowo-jonowym, który jest takim samym rodzajem akumulatora, jaki można znaleźć w innych urządzeniach gospodarstwa domowego. Baterie litowo-jonowe zaczynają się zużywać zaraz po ich wyprodukowaniu, co wpływa na dostępny zasięg w miarę starzenia się samochodów. Jest to nieunikniona część nauki o bateriach, którą da się zauważyć w telefonie komórkowym i laptopie. Nawet jeśli nigdy nie używamy akumulatorów litowo-jonowych, z czasem powoli tracą one moc i wydajność.

Dobrą wiadomością jest to, że akumulator EV jest znacznie bardziej złożony i wyrafinowany niż inne akumulatory litowo-jonowe w naszej codzienności i jest zbudowany tak, aby zapewnić, że jego żywotność przekracza gwarancję, jak nie więcej.

Znalezienie dokładnej odpowiedzi na pytanie o żywotność baterii jest skomplikowana, ponieważ:

1. Baterie to skomplikowane systemy. Nie możemy ich obserwować bezpośrednio i musimy polegać na interfejsie komputerowym, który przekazuje nam informacje o ich kondycji, stanie naładowania i nie tylko.
2. O ogniwach baterii wiemy więcej niż o pakietach baterii. Większość rygorystycznych testów naukowych akumulatorów litowo-jonowych przeprowadza się na pojedynczych ogniwach, a nie na zaawansowanych technologicznie systemach stosowanych w pojazdach elektrycznych.

Ale wiele informacji można uzyskać z badań starszych modeli Nissana LEAF i Tesli Model S, które są w ruchu od prawie dekady. Wyniki badań są zachęcające: wygląda na to, że akumulatory pojazdów elektrycznych mają w sobie dużo życia.

W ostatnich latach miały miejsce dwa poważne wycofania akumulatorów, oba związane z podobnymi wadami w Chevrolecie Bolt EV i EUV oraz Hyundaiu Kona Electric. Remedium na oba te wycofania był szeroko zakrojony program wymiany baterii objęty przez producentów. Jednak poza tymi dwoma przykładami wymiana baterii w społeczności Recurrent pozostaje rzadkością.

Na poniższych wykresach przedstawiono liczbę zgłoszonych przez właścicieli wymian akumulatorów w społeczności Recurrent obejmującej około 15 000 kierowców:

Oprócz dwóch godnych uwagi przypadków gwarancji producenta, LEAF i Model S, jak można się było spodziewać, mają najwyższy odsetek wymian akumulatorów, ponieważ są to jedne z najstarszych modeli we flocie społeczności Recurrent. Należy jednak zauważyć, że samochody we flocie okresowej mogą być nowsze niż średni wiek samochodów na drogach. Dotyczy to zwłaszcza Nissana LEAF, ponieważ we wczesnych modelach brakuje usług telematycznych, których Recurrent używa do transmisji danych.

Poniżej opisano te same wymiany baterii według roku modelowego. Starsze samochody generalnie mają więcej wymian akumulatorów niż nowsze.

Szczyt wymiany akumulatorów w 2017 r. wynika z wycofania Chevroleta Bolta, w ramach którego priorytetem wymiany akumulatorów były modele z 2017 r. Podobnie wycofanie Hyundaia Kony EV dotyczyło modeli z 2019 r. i niektórych modeli z 2020 r., co wyjaśnia wzrost w 2019 r.

W Recurrent zaobserwowano zwiększoną liczbę wymian baterii niezwiązanych z akcjami serwisowymi w:

• Tesli Model S z 2013 r. (8,5%)
• Tesli Model S z 2014 r. (7,3%)
• Tesli Model S z 2015 r. (3,5%)
• Nissanie LEAF  z 2011 r. (8,3%)
• Nissanie LEAF  z 2012 r. (3,5%)

Poniższe dane od Recurrent przedstawiają, jak zasięg EV zmienia się w czasie, wykorzystując rzeczywiste obserwacje naszej społeczności około 15 000 kierowców. Te wykresy pokazują, jak przewidywany zasięg przy 100% naładowaniu zmienia się wraz z licznikiem kilometrów. Należy pamiętać, że licznik przebiegu jest używany jako wskaźnik zastępczy dla wieku pojazdu, ponieważ data produkcji akumulatorów i pojazdu nie jest znana.

Na poniższych wykresach cieniowanie wokół ciemniejszych linii środkowych wskazuje odchylenie standardowe danych Recurrent. Oznacza to, że szacunkowy zasięg większości pojazdów mieści się w zacienionej części. Ciemniejsza, środkowa linia to średnia wszystkich danych.

Można również zauważyć drgania na początku każdej krzywej. Wynika to na ogół z mniejszej ilości danych na temat samochodów z bardzo małą liczbą przejechanych kilometrów.

Nissan LEAF

Nissan LEAF jest najstarszym seryjnie produkowanym pojazdem elektrycznym, który wciąż jest na drogach, i który doczekał się największej liczby wymian akumulatorów. Jednak wiele wymian LEAF-ów z wczesnych lat modelowych zostało objętych przez Nissana po tym, jak odkryli, że ich oryginalny skład chemiczny akumulatorów szybko tracił ładunek w gorącym otoczeniu. Jednak szybko przeszli na bardziej pojemną baterię, która odniosła wielki sukces.

W odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób firma planuje wykorzystać stare akumulatory LEAF, Nic Thomas, dyrektor marketingu Nissana na Wielką Brytanię, powiedział Forbesowi: Sprzedajemy samochody elektryczne od 12 lat. Nie mamy dużego zapasu baterii, które moglibyśmy przerobić na coś innego. Inne komentarze firmy obejmują jeden z 2019 roku dyrektora zarządzającego Renault-Nissan Energy Services, Francisco Carranza, który oszacował, że akumulatory mogą wytrzymać 22 lata.

Tesla Model S

Tesla Model S jest drugim najstarszym pojazdem elektrycznym na rynku masowym, więc logiczne jest, że liczba wymiany akumulatorów w nim jest wyższa niż w Tesli z późniejszego roku modelowego. Chociaż krzywa degradacji dla 100 kWh Modelu S idealnie pasuje do początku wyidealizowanej krzywej degradacji baterii, to samo nie dotyczy Modelu S z mniejszym akumulatorem.

Tesla Model 3

Tesla Model 3 jest w ruchu od 2018 roku i również wykazuje klasyczny spadek przewidywanego zasięgu przez pierwsze 20 000 mil, zanim trend się ustabilizuje. Należy zwrócić uwagę, że wahania danych, takie jak wzrost zasięgu przy 60 000, 80 000 i 90 000 mil w modelu 62 kWh, odzwierciedlają zmiany w symulacjach komputerowych Recurrent i zmiany w oprogramowaniu Tesli, a nie rzeczywisty wzrost zasięgu.

BMW i3

Pomimo mniejszego akumulatora i zasięgu, który według współczesnych standardów byłby niski, starsze akumulatory BMW i3 radziły sobie dość dobrze. Najmniejszy, akumulator o pojemności 22 kWh, został wypuszczony w USA w 2014 r. Pakiety o pojemności 33 kWh zostały wprowadzone w 2017 r. Oba przejechały średnio 100 000 mil, pozostawiając około 80% pierwotnej pojemności. Nowsze pakiety 42 kWh zostały wypuszczone w 2019 roku mają mniejszy przebieg. Jednak przy założeniu podobnej chemii akumulatorów, degradacja powinna być podobna jak w mniejszych pojemnościach.

Chevrolet Volt

Chevrolet Volt to pojazd hybrydowy typu plug-in, który charakteryzuje się mniejszą degradacją baterii dzięki delikatniejszemu użytkowaniu i niższemu procentowi użytecznej pojemności niż akumulatory w pełni elektryczne. Jednak nadal warto się mu przyjrzeć, ponieważ Recurrent ma przyzwoitą próbkę samochodów o dużym przebiegu.

Modele, na które warto zwrócić uwagę

Hyundai Ioniq 5 i Ford Mustang Mach-E to nowsze modele w świecie pojazdów elektrycznych, ale oba spotkały się z dużym zainteresowaniem. Recurrent uważnie obserwuje, jak zmienia się ich zasięg w czasie. Będzie to szczególnie interesujące, ponieważ oba modele są nowe z bezpłatnym szybkim ładowaniem. Ponieważ Recurrent pracuje nad zrozumieniem długoterminowego wpływu szybkiego ładowania na degradację zasięgu, skupiono się na pojazdach, które w dużym stopniu polegały na ładowaniu prądem stałym.

Innym sposobem, w jaki można zrozumieć oczekiwaną żywotność głównych akumulatorów pojazdów elektrycznych, jest sprawdzenie, jak długo producenci ją gwarantują. Gwarancje EV są bardzo podobne do innych gwarancji samochodowych, z wyjątkiem części dotyczącej akumulatora! A ponieważ bateria jest tak ważna, należy przeczytać dokładnie swoją gwarancję. W przypadku używanych samochodów, które nie są objęte gwarancją, dodatkowa ochrona może być dostępna u producenta lub stron trzecich.

Standardowa gwarancja w USA wynosi 8 lat lub 100 000 mil, ale producenci mogą zdecydować, jaki procent oryginalnej pojemności baterii zostanie zapewniony przez ten czas. Uzyskanie rzeczywistej pojemności baterii nie zawsze jest łatwe, a producenci często chcą, aby ich centra serwisowe weryfikowały wadliwe pakiety. Jednak te gwarancje określają oczekiwanie, że bateria powinna zachować określoną ilość energii przez określony czas.

Przykładowe gwarancje producenta:

• Gwarancje na akumulatory Tesli różnią się nieco między modelem 3 standardowym, z dalekim zasięgiem i modelem S/X. Gwarantuje się, że akumulator modelu 3 Standard Range pozostanie w 70% oryginalnej pojemności przez 100 000 mil lub 8 lat, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej. Inne poziomy wyposażenia Modelu 3 i Modelu Y Tesli mają 70% gwarancję do 120 000 mil lub 8 lat. Model S i X mają te same 8 lat, ale 150 000 mil.
• Chevrolet (GM) ma standardową 8-letnią gwarancję na 100 000 mil na „elementy napędu elektrycznego” modeli Bolt, Volt i Malibu. Uznaje, że w okresie gwarancyjnym możliwa jest degradacja o 10-40%.
• Hyundai szczycił się „Najlepszą gwarancją w Ameryce” w latach 2012-2019 z dożywotnią, choć niezbywalną gwarancją na akumulator. Gwarancja obejmuje awarie, które w dużej mierze są nieokreślone w dokumentacji. Od 2020 r. akumulator gwarantuje utrzymanie 70% pojemności przez 10 lat lub 100 000 mil.
• BMW gwarantuje 70% oryginalnej pojemności przez 8 lat lub 100 000 mil, z możliwością przeniesienia na nowych właścicieli.
• VW gwarantuje 70% oryginalnej pojemności przez 8 lat lub 100 000 mil.

Te gwarancje powinny potwierdzać, że akumulatory pojazdów elektrycznych działają dość długo, a wraz z rozwojem technologii powinniśmy spodziewać się akumulatorów, które będą wykazywać jedynie niewielką degradację przez dziesięciolecia lub setki tysięcy mil.

Baterie litowo-jonowe były przedmiotem wielu badań. Podczas gdy większość naukowych podstaw tego zrozumienia pochodzi z eksperymentów laboratoryjnych na ogniwach akumulatorowych, zasady ogólnie obowiązują w przypadku większych pakietów stosowanych w samochodach.

Baterie wytwarzają energię w wyniku reakcji chemicznej. Ponieważ reakcje chemiczne zachodzą w fizycznym ogniwie, zachodzą również niepożądane lub odpadowe reakcje. Jest to nieuniknione i nie oznacza, że coś jest nie tak z baterią. Niektóre z tych reakcji ubocznych mogą nawet wydłużyć żywotność baterii, jeśli inne warunki są sprzyjające. Najlepszymi praktykami pozwalającymi uniknąć degradacji baterii są rzeczy, które albo zmniejszają fizyczne napięcie związane z reakcjami chemicznymi na baterii, albo uniknąć rzeczy, które przyspieszają reakcje chemiczne.

Ciepło

Wczesne akumulatory LEAF-a nauczyły Recurrent czegoś ważnego o długowieczności akumulatorów litowych — nie lubią ciepła. Najwcześniejsze akumulatory LEAF nie miały aktywnego płynu chłodzącego, co oznaczało, że pojazdy elektryczne w gorącym klimacie ulegały degradacji szybciej niż oczekiwano, a wiele z nich wymagało wymiany akumulatora. Chociaż wielu producentów samochodów wyciągnęło wnioski z wczesnego błędu Nissana i zainstalowało system zarządzania temperaturą w swoich akumulatorach, nadal prawdą jest, że akumulatory działają dłużej, jeśli są utrzymywane w możliwie najniższej temperaturze. Ponieważ nie wszystkie systemy zarządzania temperaturą działają tak samo, oznacza to parkowanie w cieniu, chłodzenie samochodu przed ładowaniem i rozważenie bardziej aktywnego chłodzenia, jeśli mieszkasz w gorącym klimacie.

Ładowanie

Ładowanie baterii to proces fizyczny, który przenosi jony litu i elektrony w ogniwach. Przy szybszym ładowaniu procesy fizyczne zachodzą z większą siłą, a materiały baterii są narażone na większe obciążenia fizyczne lub mikrouszkodzenia. Przy ładowaniu bardzo wysokim napięciem, takim jak szybkie ładowanie prądem stałym, generowane jest również dużo ciepła, co nie jest idealne dla żywotności baterii. Szybkie ładowanie prądem stałym to podwójny cheeseburger z bekonem ładowania: świetne w podróży, ale najlepiej unikać go codziennie. Większość akumulatorów jest przystosowana do zwykłego ładowania poziomu 2 lub 220 V.

Poziom rozładowania

Poziom rozładowania odnosi się do tego, ile baterii zużywasz między ładowaniami. Na przykład, jeśli masz akumulator 100 kWh, poziom rozładowania 80 kWh stanowi 80% pojemności akumulatora. Badania laboratoryjne pokazują, że ogniwa baterii działają znacznie dłużej, jeśli poziom rozładowania jest niewielki, a konwencjonalna mądrość sugeruje utrzymywanie ładunku w przedziale około 50%, gdzie bateria jest chemicznie najbardziej stabilna. Innymi słowy, zamiast zużywać 50% baterii przed ponownym ładowaniem, możesz zużyć 20% baterii, naładować, a następnie użyć kolejnych 30%.

Monitorowanie baterii EV

Właścicielom pojazdów elektrycznych Recurrent oferuje monitorowanie baterii, które każdego dnia sprawdza kilka statystyk baterii, aby porównać je z tysiącami podobnych pojazdów. Dla kupujących samochody używane, Recurrent oferuje bezpłatne raporty o stanie pojazdów elektrycznych w setkach dealerów w całych Stanach Zjednoczonych.

Wielkim pytaniem, które wypada z rozmowy o żywotności baterii, jest to, co będzie dalej z tymi wszystkimi bateriami litowo-jonowymi. Materiał i praca włożone w ich wytworzenie nie są bez znaczenia, a wiele chemikaliów jest drogich, toksycznych i trudnych do wydobycia i ponownego użycia.

Co producenci samochodów mogą zrobić ze starymi akumulatorami do pojazdów elektrycznych i co stanie się z górami akumulatorów używanych w przyszłych pojazdach elektrycznych?

Jedną z kwestii jest to, że w miarę degradacji akumulatorów dochodzi do punktu, w którym nie są już przydatne w samochodach, ale nadal mogą przechowywać i wytwarzać energię elektryczną do innych zastosowań, które nie wymagają takiej samej mocy. Nissan ma projekty wykorzystania starych akumulatorów LEAF do zasilania latarni ulicznych, a GM używa akumulatorów do tworzenia kopii zapasowych centrów danych w Michigan. Istnieje nadzieja, że połączenie starszych akumulatorów pojazdów elektrycznych zapewni magazynowanie energii odnawialnej, wesprze odporność sieci lub posłuży jako awaryjne źródło zasilania. Ponieważ producenci pojazdów opracowują plany odzyskania i ponownego użycia akumulatorów, mogą się znaleźć w innych branżach i pracować nad elektryfikacją czegoś więcej niż tylko pojazdów.

Źródło: Recurrent