Asymetrickou teplotní modulací k rychlému nabíjení elektromobilů

Lithium Iontové baterie poskytují celou řadu výhod a obecně dobrý výkon pro velkou řadu aplikací. Problém nastává když teplota trakční baterie elektromobilu poklesne pod optimální teplotu pro nabíjení. Řidič může být nepříjemně překvapen dlouhou dobou nabíjení. Lze tyto vlastnosti využít v náš prospěch?

Co je problém

S klesající teplotou klesá i mobilita nosičů náboje v Li-ion bateriích a roste viskozita elektrolytu, to je dáno fyzikálními principy. Pokud je baterie nabíjena za snížené teploty, BMS neboli systém managementu baterie musí zajistit optimální proud nabíjení tak, aby nebyla zkracována životnost baterie a její bezpečnost kvůli hrozícímu pokovování anody lithiem. Například rozsah teplot při kterém je nabíjení povoleno je od 0 do +45 stupňu Celsia. Pro vybíjení je rozsah širší, od -20 do +60 stupňů Celsia pro článek od firmy LG typ MJ1 18650 s kapacitou 3500 mAh. Vybíjení je obecně menší problém, než nabíjení.

Nabíjení se může protáhnout

Pokud řidič elektromobilu vyráží za chladného počasí na cestu a po již krátké době se chystá zastavit na nabíjecí stanici, může být nepříjemně překvapen. Pokud systém BMS vyhodnotí teplotu baterie jako příliš nízkou k nabíjení, elektromobil bude muset nejprve baterii ohřát na vhodnou teplotu. To může trvat i desítky minut. Většina běžných případů není tak extrémních a uživatel se setká pouze se sníženým nabíjecím výkonem. Tomuto stavu se přezdívá #ColdGate.

U elektromobilů, které nedisponují responzivním ohřívačem baterie lze aplikovat „YoYo driving“. Jedná se o styl, který doporučuje norský EV guru Bjorn Nyland. Jedná se o opakovanou silnou akceleraci následovanou silnou rekuperací. Vysoké proudy trakční baterie zpravidla vytvoří na vnitřním odporu po několika kilometrech jízdy dostatek tepla umožňující dosažení uspokojivého nabíjecího výkonu. Pokud máte v autě spolujezdce, nezapomeňte je upozornit na to, co na ně chystáte.

Využití zvýšené teploty baterie ke komfortu řidiče

Podaří-li se baterii včas ohřát před nabíjením na požadovanou teplotu, nabíjecí výkon vás může mile potěšit. Mnohokrát se může jednat o rozdíl okolo hodiny času stráveného na nabíjecí stanici. Řidič však musí udělat několik kroků, aby se elektromobil stihl připravit na nabíjení. Řidič musí auto předehřát skrz aplikaci, to funguje například u Tesly a u Volkswagenu (ID.3), nebo zadat do navigace u Tesly nejbližší Tesla Supercharger. U jiných elektromobilů není zatím s touto funkcí počítáno a tak nezbyde než řídit YoYo stylem.

HPC a Tesla model 3

Například v elektromobilu Tesla model 3 je baterie ohřáta před nabíjením na nabíječkách poskytující vysoký výkon (nad 50 kW) až na teplotu okolo 50 stupňů celsia, a tím lze dosáhnout nabíjecího výkonu až 270 kW u verze s prodlouženým dojezdem. V praxi se jedná o rychlost nabíjení skoro čtyřnásobkem kapacity, konkrétně 3,6C.

Žádný jiný výrobce elektromobilů zatím nemá tak robustní nabíjecí výkon vzhledem ke kapacitě baterie. Například nabíjení z 5 % na 80 % zabere při optimálních podmínkách v nabíjecí síti Ionty cca 23 minut, za tu dobu lze dobít přibližně 280 kilometrů dálničního dojezdu, nebo zhruba 340 km dojezdu „okreskovou“ rychlostí.

Teplotní management a #Rapidgate

Na trhu jsou však i elektromobily bez jakékoliv možnosti chlazení baterie. Jmenujme například elektromobily Nissan LEAF, Volkswagen E-golf, E-up, Honda E a tak podobně. U těchto elektromobilů se projevuje jev zvaný #RapidGate, tedy stav kdy je nabíjecí výkon omezen vysokou teplotou baterie. Projevuje se hlavně v horkém létě a nebo po několika po sobě jdoucích rychlonabíjeních bez přestávek. Praktický limit dosažitelné vzdálenosti je u Nissan LEAF zhruba 650 km za den. Pak je již nabíjení velmi pomalé a oproti maximálním 45 kW se můžete dostat až na 11 kW v extrémních příkladech.

Výhody a nevýhody

Teplo, respektive teplota baterie je jeden z nejdůležitějších parametrů ovlivňující životnost Li-ion baterií. To se týká více méně všech typů baterií, ale míra vlivu je různá. V tomto ohledu mají velkou výhodu elektromobily s kapalinovým chlazením baterie. Jmenujme například Tesla model S, X, 3, Y, Audi E-Tron a další.

Při využití asymetrické teplotní modulace baterie dochází krátkodobě ke zvýšení teploty baterie na relativně vysokou úroveň. V tomto čase také dochází k akcelerované degradaci a rychlejšímu stárnutí baterie. Avšak tím, že je tato doba omezená na nezbytné minimum, je poškození minimální, nikoliv však zanedbatelné. Teplo je po nabití odvedeno chladicím systémem z baterie do okolí, nebo v případě elektromobilů vybavených rekuperací tepla do kabiny cestujících.

Metoda není vhodná pro každé chemické složení baterie, společnost Tesla používá speciální aditiva v elektrolytu, která zajišťují jeho dobrou tepelnou odolnost a časovou stálost. Přímý dopad je hlavně ekonomický, protože baterie je „zbytečně“ ohřívána, což stojí energii. Je tedy nutné připočítat několik kilowatthodin navíc, které byly použity na ohřev. Odměnou za to je krátký čas strávený na nabíjecí stanici. Pokud ale neplánujete se svou Teslou model 3 vybavenou tepelným čerpadlem vyrazit hned po rychlonabíjení na cestu za chladného dne a užít si naakumulovaného tepla v baterii, tak toto teplo postupně přejde do okolí bez smysluplného využití.