Život baterie aneb Jak jezdit na baterky co nejdál a co nejefektivněji

Článek z připravované brožury Příběhy chytrých pomocníků, 2. vydání

Tištěná verze brožury bude rozdávána účastníkům konference Smart city v praxi V na veletrhu AMPER 2020 v Brně.

24.2.2020 Baterie a akumulátory jsou dnes nedílnou součástí našich životů. Bez těchto elektrochemických zdrojů energie si dnes neumíme představit život. Jsou všude kolem nás, v každém mobilním telefonu, ovladači k televizi i v každém automobilu. S rozvojem elektromobility je ale slovo baterie nebo akumulátor stále více skloňované. Zde si ukážeme, jak rozumět bateriím a jejich efektivnímu používání v elektromobilitě, ať už jde o osobní a nákladní elektromobily nebo o elektrické autobusy.

Baterie a akumulátor

Je potřeba si nejprve vysvětlit rozdíl mezi baterií a akumulátorem.

Baterie je z pohledu elektrochemického zdroje energie soubor jednoho a více primárních článků, tedy těch, které se nedají opětovně dobíjet.

Akumulátor je elektrochemický zdroj, který se skládá z jednoho a více sekundárních článků, tedy těch, které je možno po vybití opakovaně nabíjet.

V ovladači k televizi se tedy většinou používají primární články, akumulátory v mobilních telefonech, startovací baterie v automobilech i baterie elektromobilů jsou sekundární články a měly by být správně označeny jako akumulátory. Dnes se ovšem pojmy „baterie“ a „akumulátor“ volně zaměňují a výraz „baterie“ je běžně používán pro sestavu dobíjecích článků, např. trakční baterie – tedy baterie sloužící jako zdroj energie k pohonu elektrického vozidla.

Životnost baterie – v elektromobilitě zásadní věc

Právě elektromobilita přináší spoustu otázek o tom, jak vlastně akumulátory správně používat, aby jejich uživatel dosáhl co nejdelší životnosti. Server Evropská enviromentální agentura (European Environment Agency, 2019) uvádí, že v roce 2018 dosáhl celkový podíl elektrických vozidel, tzn. plug-in hybridů (elektromobilů nabíjených zvenčí a zároveň vybavených spalovacím motorem) a vozidel s čistě elektrickým pohonem, výše 2 % z celkového množství 257 mil. vozidel. Zkušenosti s elektrickými vozidly u široké veřejnosti tedy nejsou veliké, a i mezi odbornou veřejností tak existuje spousta mýtů, které se bateriových pohonů týkají. Tím nejpalčivějším je životnost akumulátoru elektrického vozidla. Pojďme si vysvětlit, co tedy nejvíce ovlivní životnost trakční baterie elektrického vozidla a je jedno, zda se jedná o elektromobil či elektrobus.

Volba elektrochemického zdroje

První, co ovlivní životnost trakční baterie, je volba elektrochemického zdroje. Dnes jsou již téměř bez výjimky v elektromobilitě používány akumulátory na bázi lithia. Ne vždy tomu však bylo.

Druhou cestou bylo použití alkalických akumulátorů Ni-Cd nebo Ni-MH. Tato chemická složení již netrpěla degradací bez pravidelného dobíjení, tak jako u olověných baterií. Rozvoj elektromobility však plně umožnil až příchod akumulátorů na bázi lithia. I v oblasti samotných lithiových akumulátorů je mnoho podskupin podle použitých prvků v elektrodách a právě ty určují finální vlastnosti samotné trakční baterie.

První příklad ze života

První elektromobily používaly tradiční olověné baterie, které však nejsou ideální, protože velmi rychle degradují, pokud nejsou pravidelně dobíjeny do plné kapacity. Typickým příkladem takového elektromobilu jsou vozidla ŠKODA ELTRA 151L a 151 Pick-UP z počátku 90. let minulého století.

Počet nabíjecích cyklů

Životnost trakční baterie je definována dvěma ukazateli.

Prvním je kalendářní životnost, což je teoretická doba, po kterou akumulátor udržovaný na plný stav dobíjení vydrží, než dosáhne úrovně 80 % své původní kapacity.

Druhým ukazatelem, a pro potřeby elektromobility mnohem důležitějším, je cyklická životnost. Cyklická životnost znamená, kolik cyklů nabití a vybití daný akumulátor vydrží, pokud se bude opakovaně nabíjet a vybíjet. Množství takových cyklů pak závisí na hloubce vybití (DOD) a na průměrné teplotě bateriových článků v průběhu života. Příklad definice cyklické životnosti lithiového akumulátoru pro chemickou variantu lithium-titanátové baterie (LTO) je zobrazen v tabulce.

Cyklická životnost LTO akumulátoru v závislosti na hloubce vybití DOD a průměrné teplotě článků

Další druhy lithiových akumulátorů mají charakteristiku své cyklické životnosti odlišnou.

Zmíněné lithium-titanátové akumulátory (LTO) mají nejvíce cyklů, v našem případě 39 000, při pravidelném vybití 80 % energie baterie (80 % DOD). LTO akumulátory jsou také vhodné na aplikace, kde je potřeba vysoký výkon, tedy velmi rychlé dobíjení a vybíjení, avšak mají menší hustotu energie (Wh/kg) než ostatní druhy lithiových akumulátorů, proto nejsou vhodné na aplikace s velmi dlouhým dojezdem na jedno nabití.

Naopak lithium magnesium kobaltové (NMC) akumulátory mají hustotu energie ve Wh/kg jednu z nejvyšších, a proto jsou vhodné na aplikace, kde je potřeba velký dojezd na jedno nabití.

Naproti tomu jde cyklická životnost. Někteří výrobci uvádějí až 6000 cyklů při pravidelném využití 80 % energie akumulátoru (80 % DOD). Abychom dosáhli podobné životnosti jako u LTO trakčních baterií, je potřeba adekvátně navýšit kapacitu NMC trakční baterie a pravidelně využívat jen její část.

Nevýhodou u všech současných lithiových akumulátorů s vysokou energetickou hustotou je také jejich neschopnost zejména rychlého nabíjení. Některé typy jsou schopny nabíjení až 2C, což znamená, že nabíjecí výkon (kW) může být dvakrát větší, než je kapacita baterie v KWh.

Naproti tomu nejvýkonnější LTO baterie jsou schopny dosahovat nabíjecích výkonů 8C. Převedeno na dobu nabíjení to znamená, že LTO baterie se z 0 na 100 % nabije za 7,5 minuty, kdežto NMC baterie za 30 minut.

Problematika doby nabíjení však musí zahrnovat ještě jeden ukazatel, a tím je teplota článků. Při nabíjení vysokými výkony rychle roste teplota článků vlivem tepelných ztrát, které jsou způsobeny růstem vnitřního odporu článků při vyšších proudech, resp. výkonech nabíjení. Z pohledu celého systému trakční baterie to znamená, že systémy pro rychlé dobíjení (2C u NMC a 8C u LTO baterií) musí mít adekvátně dimenzovaný chladicí systém.

V dnešní době se často setkáváme s názorem, že rychlé dobíjení trakčním bateriím škodí. Průzkum společnosti Geotab (viz graf na obrázku), který se soustředil na několik oblastí hodnocení trakčních baterií, upozornil na fakt, že u osobních elektromobilů trakční baterie trpí rychlým dobíjením rychlejším poklesem celkové kapacity trakčního akumulátoru.

Závislost kapacity baterie na rychlém nabíjení stejnosměrným proudem

Tento graf však nebere v potaz konstrukci trakčních baterií, protože do průzkumu byly zahrnuty jak elektromobily, které mají pasivní chlazení trakční baterie, tak i ty, které mají pokročilé kapalinové chlazení. Takové baterie se budou velmi lišit v průměrné teplotě článků. Baterie s pasivním chlazením budou mít teplotu článků v průběhu života výrazně vyšší, a tudíž jejich pokles celkové kapacity bude výrazně rychlejší oproti trakčním bateriím s aktivním kapalinovým chlazením.

Druhý příklad ze života

Cyklické životnosti LTO baterií se využívá zejména v parciálních trolejbusech, tedy trolejbusech s bateriovými zásobníky energie pro provoz mimo trolej. Takové vozidlo si mnohokrát denně prodlouží linku za hranice dosahu trakčního vedení a na malou trakční baterii je schopno ujet 10 až 15 km v závislosti na velikosti vozidla. Uživatelé tak mohou ideálně prodloužit linku bez nutnosti budování trakčního vedení. I přes to, že v reálných aplikacích je denně takových cest za hranice dosahu trakční linky více než 10, trakční baterie mají ambici reálně dosáhnout životnosti vozidla.

Na obrázku je parciální trolejbus Škoda Castellon a baterie od firmy Altairnano, používaná mimo jiné u těchto trolejbusů

Třetí příklad ze života

Příkladem využití rychlého dobíjení LTO baterií jsou průběžně dobíjené elektrobusy. V české republice se aplikací této technologie v elektrobusu můžeme setkat ve městě Ostrava, které na lince Ostrava-Svinov – Klimkovice provozuje dva elektrobusy s trakčními bateriemi LTO.

Celá linka je koncipována tak, že na konečné stanici Ostrava- Svinov je rychlodobíjecí stanice s výkonem přesahujícím 400 kW, která během pěti minut nabije trakční baterie na další hodinu jízdy.

Vozidlu stačí relativně malá kapacita trakční baterie s kapacitou okolo 80 kWh, protože i tak vozidlo na celý okruh využívá cca 50% instalované kapacity. I přes to, že baterie udělá 12 až 15 cyklů nabití - vybití denně, je plánovaná životnost trakční baterie více než deset let.

Fotografie elektrobusu Ekova Electron 12 u rychlonabíjecí stanice a jeho střešní kontejner s bateriemi

Jak prodloužit životnost baterie

Celkovou životnost baterie můžeme prodloužit několika kroky.

Prvním je volba správné technologie pro konkrétní aplikaci. Pokud uvažujeme o elektrobusu, pak první otázkou je, zda se jedná o čistě městský provoz, či zda se jedná o vozidlo určené pro delší trasy.

Dalším krokem je určení strategie rozvoje nabíjecí infrastruktury s ohledem na předpokládanou frekvenci dobíjení. Jinou životnost bude mít baterie, která se dobíjí pravidelně v provozu, v extrémním případě na každé zastávce, a jinou životnost bude mít baterie, která se po celodenním provozu bude dobíjet v noci v depu. Pro časté nabíjení v provozu lze volit technologii LTO, která je schopna pojmout vysoké množství energie v krátkém čase a jejíž vysoká cyklická životnost umožní dosažení životnosti trakční baterie na úrovni životnosti vozidla. Pro delší dojezdy a noční dobíjení je naopak vhodná jiná trakční baterie.

Posledním krokem je volba velikosti trakční baterie, tedy množství energie v kWh. Jelikož dostupná kapacita akumulátorů v průběhu života klesá, musí být navržena trakční baterie tak, aby poskytla požadovanou energii i na konci své životnosti. Jednoduše řečeno, aby elektrovozidlo ujelo na konci životnosti požadovanou trasu. Zde se nemusíme nutně vázat na obecně platný názor, že konec životnosti baterie je dosažení 80 % její původní kapacity. U lithiových akumulátorů lze tuto hranici posouvat níže, řekněme až k 60 %, protože pokles celkové kapacity u lithiových akumulátorů je zhruba lineární.

Čtvrtý příklad ze života

Na našich příkladech reálného využití trakčních baterií lze ukázat jaký je stav trakční baterie po několika letech provozu. Nejstarší parciální trolejbusy s LTO bateriemi výrobce Škoda Electric jezdí již od roku 2014. Dle aktuálních měření stavu baterií z roku 2019 je pokles kapacity trakční baterie do 2 %.

U rychlodobíjecích elektrobusů výrobce Ekova Electric, které jezdí v Ostravě, je po ujetí cca 80 000 kilometrů aktuální pokles kapacity méně než jedno procento oproti původní kapacitě na počátku životnosti. Vzhledem k faktu, že obě aplikace využívají cca 50 % instalované kapacity, mají před sebou trakční baterie na těchto vozidlech dlouhou životnost. V těchto případech lze plánovat konec životnosti někde na hranici 70 % zůstatkové kapacity trakční baterie.

Závěrem

Život baterie je tedy otázkou volby správné technologie pro konkrétní aplikaci, a to nejen druhu akumulátoru, ale samotného celku trakční baterie, včetně její velikosti a správné technologie chlazení. Samotnou životnost pak může ovlivnit sám uživatel, a to zejména správným nabíjením. U lithiových akumulátorů se po konci použití ve vozidlech jako součást trakčních baterií nabízí další použití ve stacionárních úložištích, kde mohou sloužit ještě řadu let.

Ing. František Šťastný, nano power a.s.

Foto a obrázky © nano power a.s., není-li uvedeno jinak

www.altairnano.cz

 Přečtěte si také:

Technický a provozní stav nabití baterií (SOC): užitečné údaje i zdroj nedorozumění

19.2.2020 Z propagačních materiálů elektromobilů se nezřídka dočteme úctyhodné údaje o kapacitě baterií, a následně o dojezdu vozidla na jedno nabití. Praxe však obvykle bývá jiná. Kromě netrakční spotřeby, což je samostatný problém, zde zpravidla hraje důležitou roli rozdíl mezi tzv. technickým a provozním stavem nabití (SOC z anglického „state of charge“). Nad tímto rozdílem se v lednu 2020 ve svém článku zamýšlí odborníci z nizozemské firmy ViriCiti, která je dodavatelem inteligentních systémů pro podporu elektromobility. Zde z něj uvádíme některé užitečné poznatky.

Celý článek zde

Elektrické autobusy: problém jménem netrakční spotřeba a jeho možné řešení

13.1.2020 Spotřeba elektrické energie u jakéhokoli elektrického vozidla zahrnuje jednak trakční spotřebu – tedy energii pro vlastní pohon, a jednak netrakční spotřebu – tedy energii pro všechna ostatní zařízení vozidla. Zejména u bateriových elektrobusů může právě netrakční spotřeba představovat problém, protože významně ovlivňuje dojezd vozidla na jedno nabití baterií.

Celý článek zde

Göteborg má další projekt „života po životě“ baterií z elektrobusů Volvo

18.12.2019 Trakční baterie v elektrických vozidlech, jak známo, postupně degradují – tedy snižuje se jejich využitelná kapacita. Pokud tato kapacita klesne na cca 70 – 80 % nebo méně, stává se jejich použití ve vozidle neekonomickým a hlavně nepraktickým. Mohou však stále dobře posloužit jako stacionární zásobníky energie, zejména v kombinaci s obnovitelnými zdroji pro vyrovnávání rozdílů ve výrobě a spotřebě. Průkopníkem tohoto využití je výrobce elektrobusů Volvo, o jehož projektu ve švédském Göteborgu se lze dočíst v naší brožuře Příběhy chytrých pomocníků. V prosinci 2019 byl v Göteborgu zahájen další podobný projekt a opět s účastí Volvo.

Jak si „srovnat svoje smart noty“: nabízíme interaktivní školení smart city pro města, obce a regiony

Řada českých měst a obcí má v současné době zájem o postavení „smart city“ či „chytré obce“ a k tomuto postavení již často podniká konkrétní kroky. Problém je, že pojem smart city provází v ČR (ostatně i jinde ve světě) řada nedorozumění – od pojímání smart city jako pouhého „digitálního města“ po technické výstřelky typu „chytré“ lavičky. V této situaci se provozovatelé našeho portálu, firma Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services, rozhodli nabídnout městům, obcím a dalším institucím zainteresovaným na rozvoji „smart“ konceptu krátké interaktivní školení pro praktickou realizaci tohoto konceptu v jejich konkrétních podmínkách.

Smart city v praxi: první kniha českého autora o konceptu smart city a jeho zavádění v každodenním životě

Chytrým městem, obcí, či regionem, označovaným souhrnně pojmem „smart city“, rozumíme koncept strategického řízení, při němž jsou využívány moderní technologie z oblasti energetiky a služeb, mobility a informatiky pro ovlivňování kvality života ve městě, a následně k dosahování hospodářských a sociálních cílů. Nejde tedy o pouhé „digitální město“ nebo o nepromyšlené pořizování nákladných moderních technologií pro potřebu měst a regionů, jak je tento pojem někdy mylně interpretován. Zhruba stopadesátistránková barevná publikace Smart city v praxi s bohatým obrazovým doprovodem je přednostně určena jako praktická příručka těm, pro něž koncept smart city představuje každodenní práci řídících pracovníků a specialistů při vytváření strategie chytrého města a při jejím naplňování pomocí projektů moderních technologií. 

Více o knize včetně možnosti zakoupení zde

Konference „Elektrické autobusy pro město“ se již od svého prvního běhu v říjnu 2013 vyprofilovala jako zcela ojedinělá prezentační a vzdělávací akce i jako místo vzájemné výměny aktuálních zkušeností mezi profesionály z elektrické osobní dopravy. Díky svému zaměření na konkrétní téma, konkrétní prezentující a konkrétní publikum se tato konference stala prostředkem přímé komunikace mezi výrobci elektrobusů a trolejbusů (včetně jejich komponent a infrastruktury) a jejich provozovateli a uživateli. V neposlední řadě zde hrají důležitou roli i zástupci institucí, které rozhodují o financování této dopravy, nebo mají v tomto ohledu aktuální a spolehlivé informace. Konference „Efektivní elektromobilita v organizacích“ je první konferencí svého druhu v ČR, prezentující elektromobily jako dopravní prostředek pro organizace soukromého a veřejného sektoru, ne tedy a priori jako luxusní nebo zábavní předmět pro elektromobilní nadšence a jejich sdružení. Obsah konference je cíleně zaměřen na organizace a správce jejich vozového parku.  Konference „Smart city v praxi“ je zaměřena především na ty zástupce měst a obcí a veřejných organizací, kteří se budou rozhodovat o volbě konkrétních řešení od konkrétního dodavatele pro definování a naplňování investičních projektů, jimiž je koncept smart city v daném městě realizován.

Pozvánky na tyto konference a zprávy z těchto a dalších konferencí naleznete v naší rubrice Konference zde

Consulting Services: Naše odborné služby

Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services je konzultační firma v oblasti inovativních technologií pro dopravu a smart city (včetně energetiky a vodíkových technologií), která rovněž provozuje informační portály www.smartcityvpraxi.cz a www.proelektrotechniky.cz a organizuje odborné akce. V rámci našich odborných služeb Vám nabízíme vypracování strategie smart city, spolupráci na vytváření strategických dokumentů, vytváření a realizace projektů pro smart city, další odborné konzultační služby (studie, průzkumy, analýzy), vytváření a realizace dalších projektů s inovativními technologiemi (automatická vozidla, vodíkové technologie, elektromobilita aj.), specializované vzdělávací akce „na klíč“, prezentační a autorské služby (prezentace na konferencích, portálech). Celý článek zde