Batériový manažment v elektromobiloch doteraz sledoval články najmä nepriamo. Meral napätie, prúd a teplotu, no ich vnútorný stav poznal len cez výpočty a následné kontroly. Vedci z Technickej univerzity v Grazi a Vrije Universiteit Brussel to chcú zmeniť. V rámci európskeho projektu Nemo vyvinuli modely a algoritmy, ktoré majú sledovať stav batérie priamo v systéme vozidla — bez toho, aby musel technik vyberať batériu z auta a pripájať ju k externému analyzátoru.
Doterajšie testy vedeli pomerne dobre ukázať, koľko kapacity batéria stratila oproti pôvodnému stavu. Menej už prezrádzali o tom, čo sa mení vo vnútri jednotlivých článkov. Je to podobné, ako keby servis videl, že tlak v pneumatike pomaly klesá, no nevedel, či ide o ventil, trhlinu alebo poškodený bok. Práve sem mieria nové modely — nemajú len zmerať následok, ale lepšie odhadnúť stav samotného článku.
Poškodený článok má systém odhaliť skôr, než sa z neho stane problém
Tím z Inštitútu bezpečnosti vozidiel TU Graz sa sústredil predovšetkým na bezpečnosť. V laboratóriu Battery Safety Center mechanicky deformoval batériové články, aby simuloval poškodenie, ku ktorému môže dôjsť napríklad pri parkovaní alebo náraze do spodnej časti vozidla. Takto získané dáta poslúžili na trénovanie modelov, ktoré majú systému riadenia batérie pomôcť rozpoznať poškodenie samostatne a upozorniť na potrebu servisu.
Na získavanie dát z vnútra článku má slúžiť technológia nazvaná elektrochemická impedančná spektroskopia (EIS). Do batériového článku sa vyšle slabý elektrický signál a systém sleduje jeho odozvu pri rôznych frekvenciách. Z tejto odozvy sa dá vyčítať, ako sa mení vnútorný odpor a ďalšie elektrochemické vlastnosti článku. Nejde teda o pohľad kamerou ani o ultrazvuk, ale o elektrické meranie, ktoré môže prebiehať priamo v systéme vozidla namiesto samostatnej kontroly mimo auta.
Napučiavanie článkov nie je len fyzikálna kuriozita
Grázski vedci riešili aj iný, menej viditeľný problém. Batériové články sa pri nabíjaní a vybíjaní fyzicky zväčšujú a zmenšujú. Lítiové ióny sa presúvajú medzi elektródami a menia objem aktívnych materiálov vo vnútri článku. Ak sa články rozťahujú príliš, rastie mechanický tlak v celom batériovom module, čo môže viesť k prasklinám, deformáciám a v horšom prípade k internému skratu alebo lokálnemu prehrievaniu.
Tím preto vytvoril model, ktorý predpovedá zmeny hrúbky článku počas cyklu nabíjania a vybíjania aj vtedy, keď je článok mechanicky stlačený v batériovom module. Vedecká časť projektu ukazuje, že model dokáže zachytiť tzv. reverzibilné napučiavanie čerstvých článkov, teda také zmeny objemu, ktoré vznikajú počas bežnej práce batérie a následne sa opäť menia späť. V konkrétnom validačnom teste predpovedal zmenu hrúbky pri vybíjaní rýchlosťou 1C s priemernou chybou 6,87 percenta oproti experimentu.
Model bol overený na čerstvých prizmatických článkoch NMC 631/grafit s kapacitou 75 Ah pri kontrolovanej teplote. To je podstatné obmedzenie. Autori sami upozorňujú, že jeho parametre nemusia zostať platné pre zostarnuté články, kde sa mikroštruktúra elektród mení po mnohých cykloch. Ak by mal systém v budúcnosti presnejšie predpovedať aj životnosť batérie, musel by sa doplniť o degradačné modely a otestovať na článkoch v rôznom stave opotrebovania.
Brusel riešil starnutie, Graz bezpečnosť
Kým grázsky tím sa venoval bezpečnosti a mechanickým zmenám, algoritmy pre sledovanie starnutia a životnosti batérie vznikli na Vrije Universiteit Brussel. Obe časti sa potom spojili do rozšíreného systému riadenia batérie. Cieľom je, aby BMS nehovoril len „kapacita klesla o X percent“, ale aby poskytol detailnejší obraz o tom, čo sa vo vnútri článkov mení. To môže v budúcnosti umožniť upravovať nabíjanie alebo vybíjanie tak, aby sa batéria menej namáhala a starla pomalšie.
Z pohľadu automobiliek je podstatné aj to, že rozšírený systém riadenia batérie by nemusel výrazne narásť na veľkosti ani hmotnosti. Nie je to však iba otázka softvéru. Pre EIS merania treba doplniť senzory a upraviť ich integráciu do BMS, takže cesta k sériovej výrobe bude závisieť aj od toho, ako jednoducho sa táto technológia zmestí do existujúcich batériových modulov.
Demonštrátor už majú. Teraz sa ukáže, či sa technológia zmestí do sériových áut
Projekt Nemo zahŕňal okrem oboch univerzít aj priemyselných partnerov — Infineon Technologies Austria, Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (IAV), Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM), TTTech pre cloudovú implementáciu a ICONS. Financovanie zabezpečila Európska únia spolu so Švajčiarskym štátnym sekretariátom pre vzdelávanie, výskum a inovácie.
V projekte už vznikol demonštrátor na úrovni batériového modulu. Nadväzujúci vývoj má ukázať, či sa technológia dá preniesť z laboratória bližšie k priemyselnému nasadeniu. Práve tam sa rozhodne, či pôjde len o sľubný výskumný model, alebo o základ pre batérie, ktoré budú vedieť upozorniť na problém skôr, než ho vodič pocíti na dojazde, výkone alebo bezpečnosti auta.
