Wpływ temperatury na baterie oraz ładowanie samochodów elektrycznych

Samochody elektryczne, jako ekologiczna alternatywa dla tradycyjnych spalinowych, są coraz popularniejsze na świecie, a także i w Polsce. Jednak poważny problem stanowią ich baterie, które są nie tylko bardzo drogie, ale i wrażliwe na temperaturę. Wydajność tego magazynu energii znacznie spada zimą, szczególnie podczas mrozów, ponadto znane są liczne przypadku pożarów aut elektrycznych, wywołane właśnie ich bateriami.

 Dlatego każdy kierowca oraz potencjalny nabywca pojazdu elektrycznego powinien rozumieć, jak temperatura wpływa na działanie, wydajność oraz bezpieczeństwo tego typu pojazdów. W artykule skupimy się na kwestii baterii trakcyjnych, wykorzystywanych w samochodach elektrycznych oraz ich odpowiedniego ładowania.

Specyfika baterii litowo-jonowych, stosowanych w pojazdach elektrycznych

Bateria litowo-jonowa (Li-Ion) to akumulator elektryczny, w którym jedna z elektrod jest wykonana z porowatego węgla, a druga z tlenków metali, zaś rolę elektrolitu stanowi ciecz zawierająca sole litu (Li) rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników lub ciało stałe. Tego typu akumulatory mogą zmagazynować kilka razy więcej energii, niż akumulatory ołowiowe o tym samym ciężarze i rozmiarach, wykorzystywane w tradycyjnych samochodach z silnikiem spalinowym. Ponadto nie występuje w nich efekt pamięci oraz leniwej baterii. Dzięki tym zaletom baterie Li-Ion od lat stosowane są, jako źródła energii w telefonach komórkowych. Niestety baterie tego typu posiadają również swoje wady. Należą do nich przede wszystkim wysoka cena, duża wrażliwość na zmiany temperatury oraz niebezpieczeństwo eksplozji i pożaru – niezmiernie trudnego do ugaszenia. Od lat kierowcy wiedzą, że tradycyjny akumulator ołowiowy na mrozie może „paść” i nie być w stanie zakręcić rozrusznikiem. Rozwiązaniem jest podłączenie go specjalnymi przewodami do akumulatora innego pojazdu, co pozwala uruchomić silnik lub wyjęcie z pojazdu i podładowanie w domu. Jednak w przypadku akumulatorów Li-Ion taka operacja nie jest raczej możliwa. Muszą być one ładowane wyłącznie za pomocą specjalnych ładowarek. Bateria litowo-jonowa to skomplikowany układ elektrochemiczny, w którym bardzo istotne są wartości napięcia i natężenia prądu oraz temperatury.

Dlatego w samochodach elektrycznych stosuje się odpowiednie systemy: BMS (ang. battery management system; nie należy go mylić z systemem zarządzania budynkiem) i TMS (ang. thermal management system). Pierwszy z nich to system zarządzania baterią i musi znajdować się w każdym samochodzie elektrycznym, ponieważ zachodząca reakcja chemiczna ładowania/rozładowywania może przebiegać inaczej dla każdego z ogniw baterii. Kontroluje on moc ładowania w zależności od temperatury – gdy bateria się nagrzewa – prąd ładowania zostaje zmniejszony. Najważniejszą funkcją BMS jest zabezpieczenie baterii przed przeładowaniem, które może doprowadzić do jej trwałego uszkodzenia lub nawet wybuchu czy pożaru. BMS pozwala na zwiększenie zasięgu pojazdu oraz wydłużenie czasu eksploatacji baterii. Natomiast TMS jest systemem zarządzania termicznego, który zapewnia optymalne warunki pracy baterii - w razie potrzeby chłodzi lub dogrzewa ogniwa. Instalowany jest w niektórych modelach aut elektrycznych.

Rodzaje ładowania samochodów elektrycznych

Baterie samochodów elektrycznych ładuje się ze źródeł prądu zmiennego (AC) oraz stałego (DC). Pierwsza metoda może być stosowana zarówno w domu, jak i ładowarkach publicznych. Napięcie z sieci elektrycznej (230 V lub 400V) jest zamieniane we wbudowanej w pojeździe ładowarce na prąd stały, którym dopiero ładowana zostaje bateria. Ograniczona moc ładowania powoduje, że taka operacja trwa długo, np. całą noc. Z kolei ładowanie DC, dostępne na niektórych stacjach, umożliwia szybkie uzupełnienie energii w baterii, np. w ciągu 0,5...1h. Jednak tego typu ładowarki pobierają z sieci energetyczną bardzo dużą moc (zwykle moc ładowania DC wynosi 50...150 kW lub więcej) i muszą zamienić prąd zmienny AC na stały DC. Dlatego szybkie ładowanie jest kilkukrotnie droższe od tego przeprowadzanego w domu, ponadto ogranicza możliwość masowego rozpowszechniania się aut elektrycznych, ze względu na możliwości sieci elektroenergetycznych.

Posiadacze samochodów elektrycznych najczęściej ładują swoje pojazdy w domu za pomocą tzw. wallboxów, czyli naściennych ładowarek AC. Ich moc waha się w przedziale 3,6...22 kW, zaś prąd jest standardowo ograniczony do 16 A. Zaletami tej metody są: znacznie niższe koszty (szczególne, gdy dom posiada instalację fotowoltaiczną) oraz lepsze warunki ładowania: mniejszy prąd w dłuższym czasie wydłuża żywotność baterii oraz odpowiednia temperatura (jeśli mamy garaż). Podobne parametry mają publiczne ładowarki AC, jednak koszt jest wyższy, zaś ładowanie może czasem odbywać sie na mrozie. Ponadto pamiętajmy, że wbudowane w samochodach ładowarki DC ograniczają maksymalną moc ładowania (np. do 3,7 kW), dlatego zastosowanie wallboxa o mocy ponad 20 kW nie przyśpieszy procesu uzupełniania energii.

Warto wiedzieć, że punkt ładowania pojazdów elektrycznych to urządzenie służące do ładowania pojedynczego pojazdu, zaś stacja ładowania to urządzenie budowlane lub wolnostojący obiekt budowlany z zainstalowanym co najmniej jednym punktem ładowania.

Wpływ temperatury na ładowanie samochodów elektrycznych oraz ich zasięg

Optymalny zakres temperatur pracy baterii samochodów elektrycznych waha się w przedziale 20°C - 25°C. Wówczas osiągają maksymalna wydajność, co przekłada sie na zasięg samochodu. Natomiast ładowanie baterii trakcyjnej w ekstremalnych temperaturach wpływa na szybkość reakcji chemicznych w ogniwach (ulegają spowolnieniu) oraz przepływ energii – mroźne zimy są tu najgorsze. Gdy temperatura spada, zwiększa sie rezystancja wewnętrzna baterii, co powoduje zmniejszenie zasięgu pojazdu oraz występuje znaczący spadek pojemności akumulatora. Niektóre źródła podają, że w temperaturze 0°C efektywny zasięg spada o 34% w porównaniu z tym przy 20°C, natomiast włączenie ogrzewania kabiny może spowodować dodatkowy spadek o 10%. Właściwie eksploatowania bateria trakcyjna może wystarczyć nawet na 10 lat.

Zalecenia dla posiadaczy samochodów elektrycznych jeżdżących w ekstremalnych temperaturach

Dla auta elektrycznego niekorzystne są zarówno mrozy zima, jak i ekstremalne upały latem. Dlatego, aby jak najdłużej cieszyć się jazdą elektrykiem, powinniśmy przestrzegać kilku zaleceń, takich jak:

• Utrzymywanie poziomu naładowania baterii minimum 20%.

Podczas upałów:

• Unikanie jazdy w godzinach południowych (12-15).
• Parkowanie w cieniu.
• Ładowanie w publicznych stacjach do poziomu maksymalnie 80%, co pozwoli uniknąć przegrzania baterii i wydłuży czas jej eksploatacji.

Podczas mrozów:

• Garażowanie auta (jeśli to możliwe).
• Uruchomienie ogrzewania układu zasilania przed podłączeniem do ładowarki - pozwoli to na doprowadzenie baterii do optymalnej temperatury.
• Unikanie ładowania z mocą maksymalną na stacjach DC, gdyż skraca to żywotność baterii. Warto zaplanować dokładnie trasę, np. za pomocą aplikacji nawigacyjnych, co pomoże uniknąć straty czasu i energii na poszukiwanie stacji.
• Włączenie ogrzewania w pojeździe podczas jego ładowania – nawet kosztem wydłużenia czasu ładowania. Wówczas nie stracimy niepotrzebnie energii na ogrzanie kabiny zimnego samochodu podczas jazdy, co skróci zasięg.
• Korzystanie podczas jazdy z funkcji podgrzewania kierownicy i foteli, zamiast całej kabiny.

Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki

Opracowanie redakcja : (T.H.)

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.pasywny-budynek.pl