Влияние температуры и напряжения на заряд и состояние литий‑ионных модулей в лёгких электрических транспортных средствах

Почему жаркие дни важны для батарей электровелосипедов

Электровелосипеды и самокаты обещают более чистые и удобные поездки, но батареи, которые их питают, тихо терпят трудности из‑за тепла. В этом исследовании заглянули внутрь блока аккумуляторов лёгкого электрического транспортного средства, чтобы понять, как реальная езда и разные температуры — от комфортной комнатной до пустынной жары — меняют ёмкость батареи и её долговечность. Результаты помогают объяснить, почему в очень жаркие дни пробег сокращается и почему более продуманное охлаждение и зарядка необходимы для безопасной и долговечной городской электромобильности.

Взгляд внутрь малого электрического средства

Исследователи сосредоточились на распространённом типе лёгкого электрического транспортного средства, близком к электровелосипеду с мотор‑помощью, оснащённом 48‑вольтовым литий‑ионным пакетом, собранным из 52 небольших цилиндрических элементов. Вместо того чтобы рассматривать пакет как единую «чёрную коробку», его разобрали, чтобы каждый элемент можно было измерить на специальном стенде. Для каждого элемента определяли, сколько заряда он может хранить и насколько он «здоров» по сравнению с новым. Затем пакет собрали снова, установили транспортное средство на ролики и провели стандартный цикл вождения, используемый для испытаний мотоциклов, имитируя городскую езду с остановками и разгонами до более высокой скорости.

Контролируемое повышение температуры

Чтобы увидеть, как температура меняет поведение батареи, команда поместила весь пакет в герметичный металлический шкаф, где можно было зафиксировать окружающую температуру на 25, 35, 45 или 65 градусах Цельсия. Пока транспортное средство «ездило» на роликах, датчики в реальном времени регистрировали напряжение, ток и температуру как по внешней оболочке пакета, так и в его центре. После каждого набора испытаний при заданной температуре пакет снова разбирали, чтобы перепроверить ёмкость заряда и состояние каждого отдельного элемента. Изображения с тепловой камеры дали прямое представление о том, как тепло накапливается и распространяется внутри модуля во время использования и зарядки.

Что происходит с зарядом и состоянием по мере нагрева

При умеренных температурах — примерно 25–35 °C — батарея вела себя хорошо. Пакет мог заряжаться почти до целевого напряжения, и моделируемая езда расходовала энергию равномерно, с лишь небольшим повышением температуры. В этом диапазоне состояние заряда (насколько батарея заполнена) и состояние здоровья (сколько ёмкости осталось по сравнению с новой) оставались в желаемых пределах. Но по мере повышения температуры до 45 °C и особенно до 65 °C появлялись проблемы. Напряжение в пакете быстрее падало в течение цикла езды, что означало бы меньший пробег. Некоторые элементы заметно теряли долю первоначальной ёмкости, опускаясь ниже общепринятых границ пригодности для дальнейшей эксплуатации в транспорте.

Тепло прячется в центре

Тепловые снимки и данные датчиков показали, что тепло распределяется неравномерно. Центральные элементы модуля постоянно работали горячее, чем боковые. При мягком тесте при 25 °C самая тёплая точка внутри пакета достигала чуть ниже 30 °C, но в тесте при 65 °C горячее ядро поднялось выше 80 °C. Во время зарядки ситуация ухудшалась: пакет удерживал тепло в середине, одновременно нагреваясь и электроника защиты, и кабели. При наивысшей температуре система управления батареей прерывала заряд раньше, чтобы предотвратить повреждение, что защищало пакет, но также приводило к тому, что некоторые элементы оставались недозаряженными относительно других. Это нарушение баланса дополнительно сокращало доступную энергию и ускоряло старение наиболее нагруженных элементов.

Выводы для дизайна: безопаснее и дольше

В целом исследование показывает, что батареи лёгких электрических транспортных средств комфортно работают лишь в относительно узком температурном окне — примерно 25–35 °C. Выше этого диапазона они быстрее теряют энергию, стареют интенсивнее и образуют неравномерные горячие зоны — особенно в центре пакета — в то время как защитная электроника испытывает затруднения при поддержании безопасности. Для пользователей это означает сокращение пробега и более высокий риск преждевременной замены батареи в жарком климате. Для разработчиков и городских планировщиков результаты подчёркивают необходимость простых, но эффективных систем охлаждения или вентиляции, продуманных компоновок пакетов, которые избегают перегрева сердцевины, и тщательного мониторинга состояния отдельных элементов. При внедрении этих мер малые электрические транспортные средства смогут обеспечивать более чистые перевозки без ущерба для безопасности и срока службы батарей.

Цитирование: Quintana, J.M., Paredes-Rojas, J.C., Vázquez-Medina, R. et al. Temperature and voltage effects on the charge and health of lithium-ion battery modules in light electric vehicles. Sci Rep 16, 9408 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40094-5

Ключевые слова: литий‑ионные аккумуляторы, электровелосипеды, температура батареи, состояние батареи, тепловое управление