Μια αρχιτεκτονική μπαταριών που επιτρέπει την αλλαγή των συνδέσεων μεταξύ των κυψελών θα μπορούσε να καθυστερήσει την αντικατάσταση της μπαταρίας ενός ηλεκτρικού οχήματος και να μειώσει το συνολικό κόστος χρήσης του. Αυτό προκύπτει από μελέτη ερευνητών του Chalmers, η οποία δημοσιεύθηκε στο Nature Communications και εξετάζει τόσο τη διάρκεια ζωής όσο και την οικονομική βιωσιμότητα τέτοιων συστημάτων. Τα αποτελέσματα βασίζονται σε μοντέλα και δεν αποτελούν επιβεβαιωμένες επιδόσεις αυτοκινήτων μαζικής παραγωγής.
Η αφετηρία της έρευνας είναι ότι οι κυψέλες μιας μπαταρίας δεν είναι απολύτως ίδιες: διαφορές εμφανίζονται κατά την κατασκευή και μπορεί να μεγαλώνουν με τη χρήση και τη γήρανση. Στις συμβατικές συστοιχίες, όπου οι συνδέσεις παραμένουν σταθερές, η πιο αδύναμη κυψέλη μπορεί να περιορίζει ολόκληρη την μπαταρία. Ο υποψήφιος διδάκτορας Άλμπερτ Σκέγκρο (Albert Škegro) παρομοιάζει το πρόβλημα με πεζοπόρους δεμένους με σχοινί, που αναγκάζονται να ακολουθούν τον πιο αργό. Ξεχωριστή μελέτη στο Nature Energy, με δεδομένα από ηλεκτρικά αυτοκίνητα και λεωφορεία, ποσοτικοποίησε την επίδραση αυτών των διαφορών στην απόδοση και τη διάρκεια ζωής.
Η νέα μελέτη εξετάζει συστοιχίες μεταβαλλόμενης συνδεσμολογίας, οι οποίες χρησιμοποιούν διακόπτες και συστήματα ελέγχου για να απομονώνουν μια κυψέλη που αρχίζει να περιορίζει το σύνολο. Έτσι μπορούν να συνεχίζουν να αξιοποιούν τη χωρητικότητα των υπόλοιπων κυψελών. Στην πιο λεπτομερή και ιδεατή εκδοχή του μοντέλου, η πιθανή παράταση της διάρκειας ζωής ξεπερνά το 20% για ορισμένα οχήματα υψηλής τάσης. Οι ερευνητές τονίζουν ότι πρόκειται για θεωρητικό ανώτατο όριο, με ανεξάρτητο έλεγχο κάθε κυψέλης και βέλτιστη αξιοποίηση αυτής της δυνατότητας.
Στις πρακτικές εφαρμογές είναι πιθανότερο να ελέγχονται ομάδες κυψελών μαζί, καθώς αυτό χρειάζεται λιγότερα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και είναι ευκολότερο να υλοποιηθεί. Η απλούστευση, ωστόσο, περιορίζει το όφελος που μπορεί να επιτευχθεί. Όπως εξηγεί ο καθηγητής Τσανγκφού Ζου (Changfu Zou), οι κατασκευαστές μπορούν να επιλέξουν διαφορετικούς βαθμούς αναδιαμόρφωσης, με διαφορετικά αποτελέσματα. Γι’ αυτό η ομάδα δεν δίνει ένα ενιαίο ποσοστό παράτασης ζωής για εμπορικές μπαταρίες, ενώ απουσιάζουν ακόμη μακροχρόνιες μελέτες παρακολούθησης σε όλη τη διάρκεια ζωής ενός οχήματος.
Για να αποτυπώσουν πιο συγκεκριμένα το πιθανό όφελος, οι ερευνητές εξέτασαν ένα ηλεκτρικό όχημα με μπαταρία 80 κιλοβατωρών, ετήσια διαδρομή 12.000 χιλιομέτρων και αναμενόμενη διάρκεια ζωής 18,8 ετών. Με αυτές τις παραδοχές, το μοντέλο μεταθέτει την αντικατάσταση της μπαταρίας κατά περίπου 14 μήνες. Η συστοιχία διατηρεί επίσης μεγαλύτερη υπολειμματική αξία όταν αφαιρείται, επειδή έχει υποστεί μικρότερη υποβάθμιση. Ο Σκέγκρο επισημαίνει ότι η καθυστέρηση μιας τέτοιας δαπάνης θα μπορούσε να έχει ιδιαίτερη σημασία για στόλους εκατοντάδων οχημάτων, αλλά το αποτέλεσμα εξαρτάται από το μέγεθος της μπαταρίας, τα χιλιόμετρα και τον τρόπο χρήσης.
Το μεγαλύτερο περιθώριο οφέλους εντοπίζεται σε οχήματα υψηλής τάσης, όπως ηλεκτρικά αυτοκίνητα μεγάλης αυτονομίας και ηλεκτρικά φορτηγά. Όσο περισσότερες κυψέλες συνδέονται σε σειρά, τόσο αυξάνεται η πιθανότητα κάποια να γηράσκει ταχύτερα ή να παρουσιάσει πρόβλημα που περιορίζει το σύστημα. Η δυνατότητα παράκαμψης της αποκτά συνεπώς μεγαλύτερη αξία. Σύμφωνα με τα μοντέλα, τα οφέλη αυξάνονται αισθητά κατά τη μετάβαση από συστήματα χαμηλής τάσης σε αρχιτεκτονική 400 βολτ και συνεχίζουν να μεγαλώνουν σε υψηλότερες τάσεις, με βραδύτερο όμως ρυθμό.
Η τεχνολογία απαιτεί περισσότερους διακόπτες, συνδέσεις και προηγμένα συστήματα ελέγχου, αυξάνοντας την αρχική τιμή της συστοιχίας. Η τεχνοοικονομική ανάλυση της ομάδας εκτιμά ότι, με εξαρτήματα κατάλληλα για αυτοκίνητα, το πρόσθετο υλικό αυξάνει το συνολικό κόστος περίπου κατά 9%. Οι ερευνητές λένε ότι η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και η υψηλότερη υπολειμματική αξία μπορούν να αντισταθμίσουν αυτή την επιβάρυνση σε πολλές συνθήκες χρήσης. Η ανάλυση τοποθετεί το όριο οικονομικής ισορροπίας περίπου στο 12% πρόσθετου κόστους, πάνω από το οποίο το οικονομικό όφελος γίνεται λιγότερο πιθανό.
Ιδιαίτερα ισχυρό εμφανίζεται το οικονομικό αποτέλεσμα όταν η αρχική επιβάρυνση παραμένει κάτω από περίπου 7% και η ετήσια διαδρομή είναι μικρότερη από 12.150 χιλιόμετρα. Μέσα σε αυτά τα όρια, η αρχιτεκτονική ήταν οικονομικά συμφέρουσα στο τουλάχιστον 99,7% των σεναρίων που εξετάστηκαν, παρά τις μεταβολές των υπόλοιπων παραμέτρων. Για σύγκριση, το κείμενο αναφέρει ότι ένα ιδιωτικό επιβατικό αυτοκίνητο στη Σουηδία διανύει κατά μέσο όρο περίπου 11.400 χιλιόμετρα ετησίως. Η σημερινή εκτίμηση κόστους βασίζεται σε τιμές εξαρτημάτων για παραγωγή 1.000 μονάδων, ενώ οι ερευνητές αναμένουν χαμηλότερες τιμές στους μεγαλύτερους όγκους της αυτοκινητοβιομηχανίας.
Η μεταβαλλόμενη συνδεσμολογία ερευνάται εδώ και περίπου μία δεκαετία από εταιρείες αυτοκινήτων και μπαταριών και έχει ήδη χρησιμοποιηθεί σε σταθερά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Στην αυτοκίνηση υπάρχουν πειραματικές εφαρμογές, όπως το SmartCell της Volvo Cars, ενώ ένας μεγάλος κατασκευαστής έχει αρχίσει δοκιμές πρωτοτύπου επιβατικού αυτοκινήτου σε πραγματικές οδικές συνθήκες. Ωστόσο, δεν κυκλοφορεί ακόμη επιβατικό αυτοκίνητο ή φορτηγό μαζικής παραγωγής με τον τύπο αρχιτεκτονικής που εξετάζει η μελέτη.
Πέρα από την οικονομία, η ομάδα εντοπίζει πιθανές εξοικονομήσεις υλικών και ενέργειας. Μια μπαταρία που διαχειρίζεται μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ κυψελών θα μπορούσε να μειώσει την ανάγκη για αυστηρό έλεγχο και αντιστοίχιση τους κατά την κατασκευή. Η ίδια δυνατότητα θα μπορούσε να διευκολύνει τη δεύτερη χρήση της συστοιχίας, για παράδειγμα σε σταθερή αποθήκευση ενέργειας, επιτρέποντας την επαναχρησιμοποίηση μεγαλύτερου μέρους της ως ενιαίας μονάδας. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η αποφυγή πρόωρης απόσυρσης αποτελεί όφελος βιωσιμότητας, καθώς διατηρεί περισσότερο χρόνο σε χρήση τα υλικά και την ενέργεια που έχουν ήδη επενδυθεί στην μπαταρία.
Σχόλια