Ocena sprawności akumulatorów trakcyjnych
Adobe Stock – RomasetAkumulatory litowo-jonowe w miarę upływu czasu tracą pojemność. Tempo tego procesu często zależy od sposobu ich użytkowania.
- Wzrost rezystancji wewnętrznej ogniw: jak rozpoznać, że nadciąga koniec eksploatacji danego akumulatora?
- Specyfika starzenia się akumulatorów trakcyjnych – poszczególne fazy procesu.
- Techniki i tajniki powstawania akumulatorów.
- Dwie metody testowania stopnia rozładowania.
W samochodach z napędem elektrycznym wolniej zużywają się poszczególne komponenty, więc takie pojazdy wymagają rzadszych napraw niż te z silnikiem spalinowym. Mają jednak drogi akumulator trakcyjny, który z upływem czasu traci na wydajności. Określenie stopnia zużycia takiego akumulatora w używanym samochodzie jest trudne, zwłaszcza na podstawie jedynie danych diagnostyki pokładowej (on-board diagnostics – OBD).
Wiarygodna ocena stanu akumulatora wymaga użycia odpowiednich narzędzi diagnostycznych, a także porównania uzyskanych parametrów z informacjami, które znajdują się w bazie danych producenta akumulatora. W procesie analizy brane są pod uwagę takie parametry, jak:
- wiek pojazdu,
- przebieg,
- liczba cykli ładowania,
- aktualna rezystancja wewnętrzna poszczególnych ogniw akumulatora.
Przy określaniu rzeczywistej pozostałej pojemności akumulatora (state of health – SOH) powyższe informacje są jednak tylko częścią równania. Konieczne jest bowiem uwzględnienie szerszego kontekstu i przeprowadzenie dokładniejszej analizy. Podczas analizy akumulatora ważne jest zapamiętanie, że bateria trakcyjna, która staje się nieodpowiednia do użytku w pojeździe, niekoniecznie jest uszkodzona.
Kiedy akumulator osiąga tzw. koniec eksploatacji (end of life – EOL) i jego SOH ma wartość 70–80%, oznacza to, że ilość energii elektrycznej, która może być zmagazynowana w akumulatorze, zmniejsza się do 70–80% nominalnej wartości podanej przez producenta. Wzrost rezystancji wewnętrznej ogniw uniemożliwia skuteczne gromadzenie i przekazywanie energii, co skutkuje ograniczeniem zasięgu samochodu. Nie oznacza to, że akumulator całkowicie stracił swoją użyteczność. Nadal może doskonale pełnić rolę zasobnika energii w stacjonarnych systemach, które magazynują energię dla instalacji solarnych.
| UWAGA! |
| Szybkość starzenia się akumulatora trakcyjnego zależy od wielu różnych czynników. Do dokładnej oceny stanu jego zużycia nie wystarczą informacje o wieku akumulatora i przebiegu pojazdu. |
Proces starzenia się akumulatorów
Baterie ulegają stopniowemu zużyciu nawet wtedy, gdy nie są używane. Procesy chemiczne prowadzą bowiem do degradacji elektrolitu, katody i anody. Tempo tego procesu jest jednak bardzo wolne, dlatego starzenie się „kalendarzowe” praktycznie nie ma znaczenia w przypadku samochodów elektrycznych.
Żeby zrozumieć proces starzenia się akumulatora trakcyjnego i jakie są możliwości określenia jego wskaźnika SOH, warto przeanalizować różne parametry.
1. Liczba cykli ładowania
Kluczową rolę w procesie starzenia się baterii trakcyjnej odgrywa liczba cykli ładowania. Obejmuje ona pełne cykle ładowania i rozładowania (bez ładowań częściowych). Przy tym liczba pełnych cykli ładowania może zależeć od składu chemicznego baterii trakcyjnych. Np. ogniwa niklowo-manganowo-kobaltowe (NMC) w odpowiednich warunkach mogą wytrzymać ok. 1000 cykli, a ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP) – ponad 3000. Rzeczywista liczba cykli ładowania zależy jednak od wielu czynników, które znacząco wpływają na trwałość akumulatorów.
2. Głębokość rozładowania i stan naładowania
Sposób ładowania istotnie wpływa na trwałość baterii trakcyjnej. Wiąże się to z dwoma kluczowymi parametrami – głębokością rozładowania (depth off discharge – DOD) i stanem naładowania (state of charge – SOC). Oba te parametry określają w procentach, jak duża część całkowitej pojemności akumulatora jest w danym momencie wykorzystywana.
Ich ekstremalne wartości – takie jak DOD na poziomie 100% i SOC na poziomie 100% – również przyspieszają proces starzenia się baterii. Ogniwa bowiem nie korzystają z pełnego naładowania ani całkowitego rozładowania. Takie skrajne stany niosą ze sobą duże obciążenie dla poszczególnych ogniw, przyczyniając się do szybszego procesu starzenia się baterii.
Negatywnie na trwałość akumulatora wpływać może też częste szybkie ładowanie i gwałtowne przyspieszanie pojazdu z dużym obciążeniem. Natomiast do wydłużenia trwałości ogniw może się przyczynić ładowanie prądem zmiennym o niższej mocy. Do łagodnego, stopniowego ładowania akumulatorów często wykorzystuje się stacje ładowania o mocy 11 kW i 22 kW.
3. Temperatura
Istotnie na proces starzenia się akumulatora wpływają warunki termiczne, na których działanie jest on narażony. Generalnie najlepsza dla pracy akumulatora jest temperatura ok. 20°C. W bardzo zimnych warunkach bowiem procesy elektrochemiczne zachodzą bardzo wolno, co negatywnie wpływa na wydajność akumulatora. W przypadku niskich temperatur systemy zarządzania temperaturą starają się więc podgrzewać akumulatory.
Z kolei zbyt wysokie temperatury trwale uszkadzają skład chemiczny ogniw, co negatywnie wpływa na trwałość akumulatora. Według badań przeprowadzonych przez TÜV Rheinland, jeśli ogniwa są stale narażone na temperaturę 30°C, starzeją się ok. 2-krotnie szybciej w porównaniu z ekspozycją na 20°C.
Podczas jazdy odpowiednie chłodzenie ogniw zapewnia system zarządzania temperaturą akumulatora. Zarządza on także prądem rozładowania, aby kontrolować wzrost temperatury. Z tego powodu niektóre pojazdy elektryczne mogą przyspieszać do maksymalnych prędkości tylko przez ograniczony czas (zamiast wielokrotnie w krótkich odstępach czasu), co ma na celu kontrolowanie temperatury ogniw.
Ilustracja 1. Sposób użytkowania samochodu elektrycznego może znacząco wpływać na żywotność akumulatora trakcyjnego (patrz tabela: Zmiany współczynnika SOH przy różnych sposobach użytkowania pojazdu). Do jej określenia specjaliści ds. akumulatorów z firmy Twaice wykorzystali dane symulacyjne z elektrycznego pojazdu Golf, którego roczny przebieg wynosił 15 000 km. Źródło: Raven Media.
Wysokie zapotrzebowanie na energię powoduje intensywne wytwarzanie ciepła w ogniwach podczas zarówno ładowania, jak i rozładowywania. Brak właściwego systemu zarządzania temperaturą może prowadzić do trwałych uszkodzeń elektrod, przyspieszając proces starzenia się ogniw. W efekcie maleje ich pojemność i zwiększa się ich wewnętrzna rezystancja. Każda bateria trakcyjna do samochodów elektrycznych ma podaną przez producenta pojemność brutto i pojemność netto, podawaną przez producenta.
Pojemność brutto (pojemność całkowita) wskazuje maksymalną pojemność, którą teoretycznie akumulator może zgromadzić. Natomiast pojemność netto (pojemność użyteczna) odnosi się do rzeczywistej ilości energii, która jest dostępna podczas jazdy. Ta wartość energii jest również widoczna na wyświetlaczu komputera pokładowego. Czasami producenci zostawiają znacznie większy zapas i stosują fabryczne zabezpieczenia, które uniemożliwiają bezpośrednie odczytanie rzeczywistej, maksymalnej pojemności akumulatora.
Oznacza to, że akumulator (o naładowaniu na poziomie 100%) ma jeszcze wolny bufor, który pozwala na ładowanie. Pewien bufor z energią ma także akumulator z SOC wynoszącym 0%. Z kolei wskaźnik DOD wskazuje maksymalny możliwy stopień rozładowania, który zwykle dla akumulatorów trakcyjnych mieści się w przedziale 80–90%. Oznacza to, że akumulator może być rozładowany do 10–20% swojej pojemności brutto. Rozmiar tej rezerwy ma kluczowe znaczenie dla trwałości akumulatora. Innymi słowy: im większy zapas, tym dłużej bateria będzie sprawna.
To dlatego wielu producentów zaleca, żeby do codziennego użytku ładować akumulator jedynie do 80% jego całkowitej pojemności. Z tego też względu niektóre pojazdy elektryczne pozwalają na ustawienie maksymalnego poziomu naładowania akumulatora przez komputer pokładowy pojazdu. Z kolei dolny poziom naładowania nie powinien spaść poniżej 20% w lecie ani 40% zimą.
Ilustracja 2. Podczas ładowania jony litu przemieszczają się z katody do anody (w anodzie magazynowe są elektrony z zewnętrznego źródła zasilania). Podczas rozładowywania z anody uwalniane są elektrony, które zasilają zewnętrzne odbiorniki energii. W miarę starzenia się baterii następuje zużywanie się materiałów i rozkład chemiczny elementów, które odpowiadają za magazynowanie energii. Źródło: Raven Media.
W przypadku planowania dłuższej podróży i potrzeby naładowania akumulatora do 100% zaleca się skorzystanie z timera, żeby maksymalne ładowanie przeprowadzić tuż przed wyjazdem. Natomiast kiedy pojazd pozostaje przez dłuższy czas zaparkowany, zaleca się ładowanie akumulatora jedynie do poziomu 30–80%.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Technologie produkcji akumulatorów
Tempo zużywania się baterii zależy również od technologii przyjętej przez producenta. W zasadzie istnieją dwie różne technologie w produkcji akumulatorów trakcyjnych, które różnią się głównie w kwestii pojemności brutto i netto. Niektórzy konstruktorzy już na etapie produkcji akumulatora przygotowują odpowiednio duży bufor, żeby chronić baterię i zapewnić jej w ten sposób jak najdłuższą żywotność.
Wykorzystując tę technologię, są w stanie wykorzystać w przyszłości powyższą rezerwę poprzez odpowiednią aktualizację, żeby zrekompensować utratę pojemności poszczególnych ogniw. Takie rozwiązanie umożliwia zwiększenie okresu użytkowania akumulatorów. Warunkiem jest jednak to, że użytkownicy pojazdów systematycznie nie będą ładować tych baterii do 100% lub nie będą doprowadzali do ich mocnego rozładowania.
W przypadku drugiej opcji producenci oferują większą pojemność techniczną akumulatora, co umożliwia osiągnięcie przez auto większych zasięgów. Wtedy jednak sposób ładowania ma większy wpływ na trwałość akumulatora. Znacząco bowiem proces starzenia się jego ogniw przyspiesza utrzymywanie poziomu naładowania w przedziale 80–20%.
Producent w ww. sytuacji nie ma możliwości kompensowania utraty wydajności ogniw poprzez dostosowanie bufora. Niektórzy producenci pojazdów ciężarowych pozwalają jednak użytkownikom na samodzielne definiowanie tego parametru. W skrajnych przypadkach producenci uwalniają jedynie 65% pojemności brutto, żeby zapewnić ogniwom jak najdłuższą żywotność i dać pojazdom niezawodny zasięg przez cały okres użytkowania.
Często jednak producenci samochodów nie udostępniają publicznie informacji na temat zastosowanej technologii. Jeśli jednak różnica między pojemnością brutto a netto wynosi ponad 10%, producent stosuje prawdopodobnie pierwsze rozwiązanie. Natomiast producenci, którzy wybierają drugą technologię, zazwyczaj prezentują różnicę, która między pojemnością brutto a netto wynosi ok. 5%.
Uproszczony proces ładowania i rozładowywania ogniwa akumulatora litowo-jonowego.
Akumulatory z ograniczonym parametrem DOD charakteryzują się zwykle znacznie dłuższą żywotnością niż te, które mogą ulegać całkowitemu rozładowywaniu. Źródło: Raven Media.
Ocena parametru SOH
Ocena „stanu zdrowia” akumulatora trakcyjnego jest wyzwaniem ze względu na wiele czynników, które wpływają na proces starzenia się baterii. W wielu pojazdach system zarządzania akumulatorem (battery management system – BMS) udostępnia szacunkową wartość pojemności akumulatora (SOH), opartą na danych z OBD.
Według firmy Twaice – specjalizującej się w analizie akumulatorów – dokładność tego oszacowania maleje wraz z wiekiem akumulatora. Wpływa na to wiele czynników, głównie wynika to z nieprecyzyjnego pomiaru współczynnika SOC przez system BMS. Zamiast tego BMS oblicza tę wartość, korzystając z kombinacji pomiarów rzeczywistych (np. napięcia) i zapisanych w systemie modeli obliczeniowych.
Jak wspomniano wcześniej, rzetelna analiza SOH akumulatora trakcyjnego wymaga porównania danych z OBD z danymi, które są dostępne w bazie danych producenta. Zawiera ona bowiem wartości parametrów z innych akumulatorów tego samego typu, a także parametry innych rodzajów akumulatorów elektrochemicznych. Takie porównania danych umożliwiają trafniejsze oszacowanie SOH i wydajności baterii.
Ten rozległy zestaw danych jest analizowany przez algorytmy, które obliczają SOH. Otrzymane informacje są także wysyłane do zewnętrznych baz danych, co pozwala na stałe ulepszanie modeli analitycznych. Dzięki temu obliczenia SOH uwzględniają aktualne procesy starzenia się baterii, których BMS pojazdu nie może dokładnie zanalizować bez ciągłego połączenia on-line. Żeby umożliwić warsztatom samochodowym niezawodną i niezależną od producenta ocenę SOH akumulatora trakcyjnego, dostawcy urządzeń diagnostycznych oferują analizę, która opiera się na bazie danych.
Proces diagnostyczny obejmuje gromadzenie danych, które dotyczą akumulatora i instalacji elektrycznej pojazdu, podczas każdego procesu ładowania lub rozładowywania. Te informacje są następnie przesyłane do wewnętrznej bazy danych. Specjalistyczne narzędzia diagnostyczne wykorzystują je tam do precyzyjnego obliczenia wartości współczynnika pojemności SOH baterii.
Istnieją dwie procedury diagnostyki akumulatorów, z których każda wymaga innego stopnia zaangażowania. Pierwsza procedura polega na wysłaniu użytkownikowi samochodu specjalnie skonfigurowanego urządzenia testowego, które jest dopasowane do konkretnego pojazdu. Użytkownik ma obowiązek naładować akumulator pojazdu do pełna (czyli 100%) i podłączyć urządzenie do samochodu przez interfejs OBD.
Następnie przez 7 dni kierowca ma rozładować akumulator do poziomu SOC poniżej 10% w standardowym trybie użytkowania. Moduł analityczny rejestruje miliony punktów danych, które są analizowane i przesyłane do zewnętrznej bazy danych. 2 dni po zakończeniu testu kierowca otrzymuje certyfikat sprawdzenia akumulatora z dokładnie określonym współczynnikiem SOH.
Zmiany współczynnika SOH przy różnych sposobach użytkowania pojazdu.
Druga metoda to szybki test, podczas którego urządzenie skanujące w ciągu około 3 min odczytuje dane z pojazdu na postoju i przesyła je do zewnętrznej bazy danych. Następnie wartości parametrów są porównywane z danymi referencyjnymi. Kierowca otrzymuje wyniki natychmiast po zakończeniu analizy. Ta druga, przyspieszona procedura nie podaje jednak wartości SOH.
Informuje jedynie o ogólnym stanie akumulatora – wskazując, czy wymaga on szczegółowej diagnostyki i ewentualnych napraw. Inne firmy, takie jak Gutmann lub Mahle, przeprowadzają pomiary parametrów akumulatora w trakcie jego ładowania. Test trwa ok. 1 godz., a uzyskane wyniki pomiarów są porównywane z danymi referencyjnymi przechowywanymi w bazie danych.
Dzięki tej metodzie możliwe jest porównanie stanu badanego akumulatora z innymi akumulatorami tego samego typu, które wcześniej zarejestrowano w bazie danych. Przedstawiciele obu firm twierdzą, że ta metoda umożliwia uzyskanie wiarygodnej wartości współczynnika SOH.
Artykuł powstał na podstawie materiałów czasopisma „autoFachmann”.
