Обход ячеек может продлить ресурс батареи электромобиля

Подробно

Как батарея обходит слабые ячейки?

В обычном блоке ячейки соединены жёстко, поэтому ресурс всего блока ограничивает самая слабая из них. В схеме, которую изучали авторы, каждая ячейка вместе с двумя управляемыми переключателями образует отдельный узел. Один переключатель включает ячейку в цепь, второй пускает ток в обход неё. Система управления меняет соединения прямо во время работы батареи.

«В смоделированной нами архитектуре батарея может обойти ячейку, создающую проблему, и продолжить использовать остальные», - пояснил первый автор статьи Альберт Шкегро (Albert Škegro), аспирант кафедры электротехники Chalmers.

Статья называется «System-level assessment of dynamic reconfiguration for lifetime and cost outcomes in electric vehicle battery packs» (Nature Communications, том 17, статья 5980). Авторы: Альберт Шкегро, Торстен Вик (Torsten Wik) и профессор кафедры электротехники Чанфу Цзоу (Changfu Zou) из Chalmers, Бу Бийленга (Bo Bijlenga) из PHINIA Inc. (Омоль, Швеция) и Александер Бессман (Alexander Bessman) из Scania CV AB (Сёдертелье, Швеция).

Откуда взялись 20% прироста срока службы?

Исследователи сравнили обычные блоки с фиксированным соединением ячеек и реконфигурируемые блоки. Для этого использовались модели электрических характеристик и старения ячеек, проверенные на экспериментальных данных. Всего рассчитано 240 сценариев: 216 для литий-железо-фосфатных ячеек (LFP) и 24 для никель-марганец-кобальтовых (NMC). Каждый сценарий повторили 1000 раз методом Монте-Карло, задавая разброс исходных характеристик ячеек.

При некоторых сочетаниях условий расчётный срок службы вырос более чем на 20%, сильнее всего у высоковольтных легковых электромобилей и электрогрузовиков. Чтобы привязать расчёт к реальным машинам, авторы взяли параметры 20 автомобилей от 15 производителей. Сами эти автомобили с новой батареей не испытывались.

Важная оговорка: «более 20%» относится к идеализированному случаю, где каждой ячейкой можно управлять отдельно и оптимально. Авторы называют его верхней границей. Управлять группами ячеек проще, но выигрыш в этом случае меньше.

«Реконфигурация - не выбор между „включено“ и „выключено“. Это спектр; место, которое на нём выберет производитель, определит реализуемую долю потенциальной выгоды», - отметил Чанфу Цзоу.

Насколько позже придётся менять батарею 80 кВт·ч?

В примере университета взят электромобиль с батареей 80 кВт·ч, пробегом 12 000 км в год и ожидаемым сроком эксплуатации 18,8 года. В нём расчётная замена батареи откладывается примерно на 14 месяцев. В научной статье для базового сценария указана задержка на 1,1 года, а остаточная стоимость снятой батареи выше более чем на 19%. Обе цифры описывают один модельный пример с округлением, а не измерения на дорогах.

«Для частного владельца электромобиля это могло бы означать перенос замены батареи; для парка из сотен батарей отсрочка этих затрат на год может дать существенную экономию», - сказал Шкегро.

Сколько стоит реконфигурируемая батарея и когда она окупается?

По расчёту стоимости компонентов дополнительные переключатели и электроника составляют около 9,36% стоимости блока LFP и 8,47% блока NMC. Chalmers округляет это до примерно 9%. Расчёт сделан по ценам компонентов при партии в 1000 единиц, что сопоставимо с прототипным выпуском. Подтверждённой себестоимости массового производства пока нет.

«По анализу компонентов автомобильного класса дополнительное оборудование увеличило бы общую стоимость блока примерно на 9%; порог окупаемости - около 12%», - пояснил Цзоу.

В базовом сценарии модель даёт экономию €941 за срок эксплуатации автомобиля. Это разница в приведённых совокупных затратах на батарейные системы, а не цена батареи и не гарантированная экономия владельца. В самом благоприятном из рассмотренных сценариев расчётная экономия достигает €3584, в самом неблагоприятном появляются дополнительные затраты в €2258.

Выгода в модели вероятнее для блоков ёмкостью примерно от 50 кВт·ч (регрессионный порог - 49,72 кВт·ч). Если дополнительные начальные затраты превышают 11,82%, выгода становится менее вероятной. При надбавке меньше 7,16% и пробеге меньше 12 150 км в год реконфигурируемая батарея оказалась выгодной минимум в 99,7% проверенных сочетаний остальных параметров. Расчётная надбавка в 8,47–9,36% выше границы этой особенно благоприятной области.

Среди входных допущений экономической модели: десятилетний ресурс обычного блока, напряжение 800 В, базовая стоимость батареи €98,37 за кВт·ч, цена электроэнергии €0,24 за кВт·ч (Швеция, вторая половина 2024 года). Кроме того, принято, что обслуживание реконфигурируемого блока обходится вдвое дешевле обычного. Это предположения, а не наблюдавшиеся расходы владельцев.

Есть ли уже электромобили с такой батареей?

Нет. По данным Chalmers, существуют экспериментальные системы и демонстраторы реконфигурируемых батарей, но серийных легковых или грузовых машин с изученной архитектурой на рынке нет. Университет упоминает дорожные испытания прототипа у крупного производителя, но не называет компанию и не приводит результатов. Совпадает ли схема этого прототипа с идеализированной поячеечной моделью, проверить нельзя.

К возможным дополнительным плюсам авторы относят менее строгий подбор одинаковых ячеек на производстве и повторное использование снятого блока, например в стационарном накопителе энергии. В этой работе такие эффекты не измерялись.

Профильные издания тоже подчёркивают ограничения. Electrive.com 9 октября назвал результат симуляцией, а выигрыш свыше 20% - теоретическим пределом. Шведский Bilnytt предупредил, что иллюстрация Chalmers показывает принцип, а не готовый блок, и что эта цифра не получена в долгих испытаниях серийных машин.

Что известно о проблеме и похожих проектах?

Направление развивается в Chalmers не первый год. В 2020–2023 годах в проекте BattVolt университет вместе со Scania и другими партнёрами изучал силовую электронику и управление для динамического изменения соединений ячеек в батареях крупных электромобилей. 6 сентября 2023 года Шкегро, Цзоу и Вик представили на конференции EPE 2023 в Ольборге предыдущую работу о продлении ресурса через динамическую реконфигурацию. Она тоже строилась на моделировании.

Масштаб проблемы показала отдельная работа в Nature Energy от 25 августа 2026 года, одним из авторов которой был Цзоу. Исследователи проанализировали эксплуатационные данные 116 легковых электромобилей и 17 автобусов за более чем три года. Из-за различий между ячейками расчётный ресурс блока оказался на 17,7% короче среднего ресурса ячеек у легковых машин и на 22,8% у автобусов. Эта работа описывает проблему, но не испытывает предложенную архитектуру.

Параллельно Volvo Cars координирует проект SmartCell Extended Demonstrator (ноябрь 2025 - май 2027 года): в нём создают и проверяют демонстратор батареи с управлением на уровне ячеек. Шведское агентство Vinnova выделило на проект 8 137 500 шведских крон (≈69 млн руб.). Это отдельный проект, и отождествлять его со схемой, смоделированной в Chalmers, нельзя.

Пересчёт в рубли - по официальному курсу ЦБ РФ на 10.10.2026.