«Умная» плата управления продлевает срок жизни Li-Ion-аккумулятора. Как это работает?

Литиевые батареи имеют много достоинств, но недостатки у них тоже значительные: не самый большой срок службы, невысокая надежность и прочее. Но недавно стало известно о новом проекте, который позволяет решить эти проблемы. Речь о нейронном модуле, встроенном в плату управления элементом. Подробности — под катом.

Что это за разработка?

Команда инженеров компаний Eatron Technologies и Syntiant смогла создать плату управления элементом питания (Battery management System, BMS), которая увеличивает емкость батареи на 10%, а срок службы — примерно на 25%. Добиться этого удалось благодаря новой функции — отслеживанию состояния работоспособности (SoH — State of Health) и состояния заряда (SoC — State of Charge) батареи.

Батареи с обычной платой можно перезаряжать до 1 000 раз, потом начинается деградация элемента питания. А вот BMS с нейронным модулем увеличивает это значение до 625–1 250 циков, что весьма неплохо. Подходит новый контроллер и для батарей других типов. Так, элементы LiFePO4, которые обычно работают в электромобилях и автодомах, выдерживают уже около 5 000 циклов, после чего начинается деградация. А вот новая BMS увеличивает этот показатель до 6 250.

Применяемая технология базируется на разработке Syntiant. Инженеры компании создали специализированный нейропроцессор NDP120 (Neural Decision Processor). Он ведет мониторинг параметров эксплуатации батареи в режиме реального времени. Еще периодически применяется метод предиктивной диагностики — он позволяет выявлять потенциальные проблемы с аккумулятором еще до того, как они превратятся в неразрешимые, вроде деградации. Так что повышается и надежность.

Нейромодуль выбирает один из алгоритмов, которые предотвращают сбой и повышают безопасность. Стоит отметить, что разработка — не просто научное исследование. Ее реализовали представители коммерческих компаний. Понимая необходимость внедрения новинки в существующие решения с минимальными затратами, они создали BMS, которая не требует радикальной переделки схемотехники современных батарей. Минимум модификаций — и аккумулятор становится «умным».

Такие BMS с нейронными модулями планируют использовать не для миниатюрных батарей для смартфонов и ноутбуков, а для аккумуляторов, которые обеспечивают движение электромобилей и электрических летательных аппаратов. Свою разработку авторы представили в Штутгарте (Германия) на специализированной выставке The Battery Show Europe 2024 — она проходила с 18 по 20 июня 2024 г.

Что еще?

Кроме нейронных модулей, различные производители создают новые типы самих аккумуляторов. Так, группа ученых из нескольких университетов, Чалмерса, Линчепигского и Карлстадского, предложила новую технологию, которая базируется на цинке. Не на чистом металле, конечно, а на специфическом полимере, где основа — Zn. Его использование позволяет обеспечить безопасность батарей. Они не взрываются, как некоторые литиевые, не горят и не боятся технологий быстрой зарядки.

Продолжительность работы таких аккумуляторов весьма велика: после 8 000 циклов, по словам авторов проекта, они сохраняют около 80% от изначальной емкости. И это при том, что их можно много тысяч раз заряжать ускоренно. Литиевые элементы такого «не любят», но цинковым все нипочем. Кажется, единственное, что не по нраву новым аккумуляторам — это источники питания с мощностью меньше стандартной.

Но и тут ничего смертельного. Если даже использовать слабый источник питания, то после 2 000 циклов емкость батареи нового типа упадет до 75%. Это не катастрофа — некоторые литиевые аккумуляторы, особенно в ноутбуках, просто не доживают до такого возраста. Плюс ко всему цинковые элементы питания не боятся жары или холода, так что их емкость остается примерно равной в течение долгого срока эксплуатации.

Еще есть натриевые элементы питания, разработкой которых занимается сразу несколько компаний. Натриево-ионные батареи могут иметь меньшую энергетическую плотность по сравнению с другими типами аккумуляторов, но ценовое преимущество и безопасность делают их привлекательными для потребителя. Компания China Southern Power Grid Energy Storage в городе Наньнин на юго-западе Китая ввела в эксплуатацию целую накопительную электростанцию на 10 МВт⋅ч, работающую на натрий-ионных батареях.

У Na-Ion-батарей есть несколько преимуществ по сравнению с Li-Ion. Например, натрий можно добывать из соленой воды, которая есть практически везде. В то время как литий имеет более ограниченное географическое распространение. Кроме того, использование натриевых батарей позволяет не зависеть от таких дорогих материалов, как никель, кобальт, медь и графит, что будет способствовать стабилизации цен и уменьшению общей стоимости батарей.

В целом, индустрии элементов питания нужны новые типы аккумуляторов или технологии, улучшающие характеристики уже существующих. Проблема в том, что литий добывается лишь в нескольких странах. А с ростом спроса на батареи со стороны автомобильной индустрии стоимость этого металла постепенно увеличивается. Элементы питания из более дешевых компонентов значительно снизили бы цену такого продукта.