Η συζήτηση γύρω από τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα περιστρέφεται συνήθως γύρω από τη χωρητικότητα της μπαταρίας, την αυτονομία WLTP και τη μέγιστη ισχύ φόρτισης. Αυτοί οι αριθμοί περιγράφουν μόνο ένα μέρος της εικόνας. Μια μπαταρία δεν λειτουργεί ως ένα ενιαίο ηλεκτροχημικό στοιχείο, αλλά αποτελείται από δεκάδες, εκατοντάδες ή ακόμη και χιλιάδες κυψέλες, οι οποίες πρέπει να φορτίζονται, να εκφορτίζονται και να γερνούν με όσο το δυνατόν μικρότερες αποκλίσεις. Νέα ερευνητικά δεδομένα δείχνουν ότι η κυψέλη με τη χειρότερη κατάσταση μπορεί να περιορίσει ολόκληρο το πακέτο, ακόμη και όταν όλες οι υπόλοιπες διατηρούν σημαντικό τμήμα της αρχικής τους απόδοσης. Η μεγαλύτερη σχετική μελέτη βασίστηκε σε 587,5 εκατ. σειρές δεδομένων από 116 ηλεκτρικά επιβατικά και 17 ηλεκτρικά λεωφορεία. Τα επιβατικά χρησιμοποιούσαν πρισματικές κυψέλες NMC, ενώ τα λεωφορεία πρισματικές κυψέλες LFP. Η παρακολούθηση ξεπέρασε τα 3 χρόνια και σε ορισμένα οχήματα κάλυψε έως 300.000km. Καταγράφηκαν η τάση και η θερμοκρασία κάθε κυψέλης, το ρεύμα, το SoC, η συνολική τάση του πακέτου, τα σφάλματα του συστήματος και οι πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν πόσο μεγάλη απόσταση μπορεί να χωρίζει τη μέση κατάσταση των κυψελών από την πραγματική απόδοση της μπαταρίας. Στα επιβατικά, η ανομοιομορφία μείωσε το αξιοποιήσιμο SoH του πακέτου κατά 6,2%, περιόρισε τη διάρκεια ζωής κατά 17,7% και μείωσε τη δυνατότητα παροχής ισχύος κατά 12,9%. Στα ηλεκτρικά λεωφορεία οι αντίστοιχες απώλειες έφτασαν το 7,5%, το 22,8% και το 15,1%. Τα πακέτα των αυτοκινήτων αξιοποίησαν τελικά μόνο το 80,7% της ενέργειας που θα μπορούσαν θεωρητικά να αποδώσουν οι κυψέλες τους σε ολόκληρη τη διάρκεια ζωής τους. Στα λεωφορεία το ποσοστό περιορίστηκε στο 72,9%. Αυτό συμβαίνει επειδή οι περισσότερες κυψέλες συνδέονται σε σειρά. Κατά τη φόρτιση, εκείνη με τη μικρότερη χωρητικότητα φτάνει πρώτη στο ανώτατο επιτρεπόμενο όριο τάσης. Το BMS είναι υποχρεωμένο να σταματήσει ή να περιορίσει τη φόρτιση για να αποτρέψει την υπερφόρτισή της, ακόμη και αν οι υπόλοιπες κυψέλες μπορούν να δεχθούν περισσότερη ενέργεια. Κατά την επιτάχυνση, η κυψέλη με τη μεγαλύτερη εσωτερική αντίσταση εμφανίζει τη μεγαλύτερη πτώση τάσης και θερμαίνεται εντονότερα. Το σύστημα μειώνει τότε την ισχύ ώστε να προστατεύσει ολόκληρο το πακέτο. Η αυτονομία, η απόδοση και η διάρκεια ζωής καθορίζονται επομένως από τα πιο επιβαρυμένα στοιχεία και όχι από τον μέσο όρο.
Στα επιβατικά της μελέτης, οι διαφορές παρέμεναν σχετικά μικρές έως τα 170.000km. Μετά από αυτό το σημείο, αρκετές κυψέλες εισέρχονταν στην περιοχή επιταχυνόμενης γήρανσης και η απόκλιση από τις υπόλοιπες μεγάλωνε απότομα. Σε ένα από τα οχήματα το φαινόμενο εμφανίστηκε μετά τα 240.000km, ενώ άλλα διατήρησαν καλή ομοιομορφία έως τα 300.000km. Ακόμη και αυτοκίνητα του ίδιου μοντέλου παρουσίασαν μεγάλες διαφορές, αποδεικνύοντας ότι το ιστορικό θερμοκρασίας, οι κύκλοι φόρτισης, τα επίπεδα τάσης και η ποιότητα κατασκευής επηρεάζουν το αποτέλεσμα. Η σύγκριση NMC και LFP δεν πρέπει να διαβαστεί ως απλή νίκη της μιας χημείας απέναντι στην άλλη. Τα λεωφορεία είχαν 156 κυψέλες ανά πακέτο, έναντι 95 στα επιβατικά, γεγονός που δυσκολεύει τη διατήρηση κοινής θερμοκρασίας. Επιπλέον, το BMS των επιβατικών εκτελούσε συνεχή παθητική εξισορρόπηση κατά τη φόρτιση. Η διαφορά τάσης μεταξύ των κυψελών τους παρέμενε συνήθως κάτω από 100mV ακόμη και σε προχωρημένο στάδιο γήρανσης. Στα λεωφορεία, όπου δεν εφαρμοζόταν αντίστοιχη εξισορρόπηση, η διαφορά έφτανε τα 300mV. Η σχεδίαση και το λογισμικό του πακέτου μπορεί συνεπώς να είναι εξίσου σημαντικά με τη χημική του σύνθεση. Κεντρικό ρόλο έχει και το σύστημα θερμικής διαχείρισης. Η σύγχρονη βιβλιογραφία τοποθετεί την επιθυμητή περιοχή λειτουργίας των κυψελών κοντά στους 20°C έως 35°C, με διαφορά θερμοκρασίας μικρότερη από 5°C μέσα στο πακέτο. Δεν αρκεί να παραμένει χαμηλή μόνο η μέγιστη θερμοκρασία. Αν μια πλευρά της μπαταρίας λειτουργεί διαρκώς θερμότερη από την άλλη, οι κυψέλες σε εκείνη τη θέση γερνούν ταχύτερα, αυξάνουν την εσωτερική τους αντίσταση και καταλήγουν να περιορίζουν ολόκληρο το σύστημα. Η υδρόψυξη παραμένει η επικρατέστερη λύση λόγω της υψηλής θερμοχωρητικότητας του υγρού και της δυνατότητας να απομακρύνει μεγάλες ποσότητες θερμότητας από περιορισμένο χώρο. Η αποτελεσματικότητά της εξαρτάται όμως από τη γεωμετρία της ψυχόμενης πλάκας, τη διατομή και τη διάταξη των καναλιών, την παροχή της αντλίας, τη θερμοκρασία εισόδου και την επαφή με τις κυψέλες. Η απλή αύξηση της παροχής μπορεί να μειώσει τη μέγιστη θερμοκρασία, αλλά αυξάνει την κατανάλωση της αντλίας και δεν εγγυάται μικρότερη θερμοκρασιακή απόκλιση. Ένα κακοσχεδιασμένο κύκλωμα μπορεί να ψύχει αποτελεσματικά τις πρώτες κυψέλες και να τροφοδοτεί τις τελευταίες με ήδη θερμότερο υγρό.
Η κατανάλωση του συστήματος ψύξης επηρεάζει και την πραγματική αυτονομία. Αντλίες, συμπιεστές, ανεμιστήρες και ηλεκτρικές αντιστάσεις τροφοδοτούνται από την μπαταρία. Η ιδανική στρατηγική δεν επιδιώκει απλώς τη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία, αλλά την καλύτερη ισορροπία ανάμεσα στην ασφάλεια, την ομοιομορφία, τη διάρκεια ζωής και την ενεργειακή κατανάλωση. Γι’ αυτό αναπτύσσονται ψυχόμενες πλάκες με μικροκανάλια, άμεση ψύξη μέσω ψυκτικού μέσου και συστήματα immersion cooling, στα οποία οι κυψέλες έρχονται σε επαφή με ηλεκτρικά μονωτικό υγρό. Η θερμοκρασία δυσκολεύει παράλληλα τον ακριβή υπολογισμό της διαθέσιμης ενέργειας. Το SoC δεν μετριέται απευθείας όπως η στάθμη ενός ρεζερβουάρ. Το BMS το υπολογίζει χρησιμοποιώντας τάση, ρεύμα, θερμοκρασία και ηλεκτροχημικά μοντέλα. Στο κρύο αυξάνεται η εσωτερική αντίσταση και μειώνεται προσωρινά η διαθέσιμη χωρητικότητα. Η ένδειξη μπορεί να αποκλίνει, ιδιαίτερα όταν η μπαταρία έχει γεράσει και το σύστημα συνεχίζει να υπολογίζει το SoC χρησιμοποιώντας την ονομαστική χωρητικότητα μιας καινούργιας κυψέλης. Μια νέα μέθοδος υπολογισμού που διορθώνει ταυτόχρονα τη γήρανση και την επίδραση της θερμοκρασίας δοκιμάστηκε στους 4°C με σκόπιμο αρχικό σφάλμα SoC 10%. Το τελικό RMSE περιορίστηκε στο 1,35%, ενώ σε πρόσθετες διαταραχές παρέμεινε μεταξύ 1,35% και 2,40%. Η ακρίβεια αυτή έχει άμεση πρακτική αξία. Επιτρέπει πιο αξιόπιστη πρόβλεψη αυτονομίας, ασφαλέστερη αξιοποίηση της μπαταρίας κοντά στο 0%, καλύτερη προθέρμανση πριν από ταχεία φόρτιση και ακριβέστερο περιορισμό ισχύος όταν οι κυψέλες είναι κρύες ή φθαρμένες. Η διαχείριση δεν σταματά μέσα στο αυτοκίνητο. Καθώς αυξάνεται ο αριθμός των EV, η ώρα και η ισχύς φόρτισης αποκτούν σημασία για τα τοπικά δίκτυα. Αν δεκάδες αυτοκίνητα συνδεθούν μόλις οι οδηγοί επιστρέψουν στο σπίτι, η ταυτόχρονη ζήτηση μπορεί να ξεπεράσει τις δυνατότητες του μετασχηματιστή. Μια νέα μέθοδος κατανεμημένου ελέγχου επιτρέπει σε κάθε κατοικία να προγραμματίζει τη φόρτιση χωρίς να κοινοποιεί αναλυτικά δεδομένα κατανάλωσης ή χρήσης του οχήματος.
Οι επιμέρους ελεγκτές ανταλλάσσουν μόνο κωδικοποιημένες προτεραιότητες και αξιολογήσεις ενεργειών. Στις προσομοιώσεις δεν καταγράφηκε καμία υπέρβαση του ορίου ισχύος του μετασχηματιστή. Η ζητούμενη φόρτιση ολοκληρώθηκε σε ποσοστό άνω του 93%, ενώ το κόστος μειώθηκε έως 11,78% με τιμολόγηση ανά χρονική ζώνη. Σε σενάριο με πολύ χαμηλή νυχτερινή χρέωση, η εξοικονόμηση έφτασε το 86,14%. Τα ευρήματα δείχνουν ότι η ελεγχόμενη φόρτιση μπορεί να επιτρέψει την εξυπηρέτηση περισσότερων αυτοκινήτων χωρίς άμεση και ακριβή ενίσχυση κάθε τοπικού δικτύου. Η ίδια δυνατότητα μπορεί να αξιοποιηθεί για την απορρόφηση της παραγωγής φωτοβολταϊκών. Μελέτη σε πραγματικό δίκτυο διανομής εξέτασε τον χρονικό προγραμματισμό της φόρτισης ώστε τα αυτοκίνητα να χρησιμοποιούν το τοπικό πλεόνασμα ενέργειας. Στα σενάρια της δοκιμής εξαλείφθηκε η αντίστροφη ροή ενεργού ισχύος προς το δίκτυο. Αντί η παραγωγή να περιορίζεται ή να εξάγεται σε ώρες χαμηλής ζήτησης, αποθηκευόταν στις μπαταρίες των οχημάτων. Το ηλεκτρικό αυτοκίνητο εξελίσσεται έτσι σε ενεργό τμήμα του ενεργειακού συστήματος. Για να λειτουργήσει όμως αποδοτικά σε όλη τη διάρκεια ζωής του χρειάζεται πολύ περισσότερα από μια μεγάλη μπαταρία. Απαιτεί κυψέλες με μικρές κατασκευαστικές αποκλίσεις, αποτελεσματική εξισορρόπηση, ομοιόμορφη ψύξη, ακριβή υπολογισμό SoC και φόρτιση προσαρμοσμένη στις δυνατότητες του δικτύου. Η πραγματική τεχνολογική πρόοδος δεν θα μετρηθεί μόνο σε kWh και kW, αλλά στο ποσοστό της μπαταρίας που παραμένει αξιοποιήσιμο μετά από εκατοντάδες χιλιάδες χιλιόμετρα.
