Proč se dojezd baterie vašeho elektromobilu snižuje rychleji, než předpovídají laboratorní testy, jakmile začnete rychlé nabíjení v horku

Dvanáct let jsem se zabýval lithium-iontovými bateriemi v elektromobilech a rozdíl mezi údaji z laboratorních cyklů a tím, co se ve skutečnosti děje na silnici, je stále větší, než by většina lidí očekávala. Baterie, které po několika tisících kontrolovaných cyklů v klimatické komoře vypadají v pořádku, často vykazují rychlejší ztrátu kapacity, jakmile jsou pravidelně podrobeny rychlému nabíjení stejnosměrným proudem při okolních teplotách nad 30 °C. Hlavním faktorem není kalendářní stáří – je to kombinace vysokých nabíjecích proudů a zvýšených teplot článků, které systém řízení teploty nedokáže plně kontrolovat během po sobě jdoucích nabíjecích cyklů.

Většina dnešních bateriových modulů pro elektromobily využívá články typu NMC nebo LFP s kapalinovým chlazením. V laboratoři lze teplotu článků přesně regulovat a omezit rychlost nabíjení, takže zachování kapacity po 1 000 ekvivalentních plných cyklech často zůstává nad 90 %. Na silnici musí chladicí okruh zvládat jak teplo z článků, tak teplo přenášené z okolního vzduchu a vozovky. Když řidič v horkém dni připojí vozidlo k nabíječce o výkonu 150–250 kW, mohou teploty článků vystoupit až na hodnotu kolem 40 °C, a to i při plném výkonu chladicího systému. Tento teplotní rozsah urychluje vedlejší reakce na rozhraní anody a katody.

Laboratorní výsledky z kontrolované srovnávací studie

Podrobili jsme dvě sady modulů ze stejné výrobní šarže zrychleným testování. Jedna sada byla podrobena cyklování při teplotě 25 °C s maximální rychlostí nabíjení 1C. Druhá sada byla podrobena cyklování při teplotě článků 40 °C s rychlostí nabíjení až 2,5C, aby se simulovalo opakované rychlé nabíjení stejnosměrným proudem. Po 800 ekvivalentních plných cyklech ztratila skupina testovaná při 25 °C přibližně 6 % kapacity. Skupina testovaná při 40 °C s vysokou rychlostí ztratila 11–13 %. Nárůst impedance byl u skupiny testované při vyšší teplotě rovněž vyšší – přibližně 18 % oproti 9 %. Rozebrání po skončení testů odhalilo silnější vrstvy SEI a více známek ukládání lithia na anodách u článků s vysokou teplotou a vysokou rychlostí nabíjení. Rozdíl nebyl v absolutních číslech dramatický, ale byl konzistentní a dostatečně velký na to, aby vysvětlil, proč některá vozidla ztrácejí znatelný dojezd dlouho předtím, než tachometr dosáhne počtu najetých mil, u kterého by podle záručních podmínek k tomu mělo dojít.

Případová studie z provozu vozového parku v horkém podnebí

Dopravní flotila využívající elektrické dodávky v regionu, kde se denní teploty běžně pohybují mezi 35–38 °C, začala po zhruba 18 měsících zaznamenávat rychlejší úbytek dojezdu, než se očekávalo. Dodávky se většinou nabíjely přes noc střídavým proudem, ale řidiči během směn také dvakrát až třikrát týdně využívali rychlonabíječky stejnosměrného proudu. Palubní data ukázala, že během těchto rychlonabíjecích cyklů teploty článků často dosahovaly 42–46 °C, a to i přesto, že byl aktivní chladicí systém. Průměrný úbytek kapacity v celé flotile se pohyboval kolem 8–9 % ročně namísto 3–4 %, jak naznačovala mírnější prognóza výrobce založená na provozním cyklu. U vozidel, která zůstávala u střídavého nabíjení a vyhýbala se nejteplejší části dne, byla tato míra zhruba poloviční. Jakmile flotila zavedla jednoduché pravidlo – omezit rychlé nabíjení stejnosměrným proudem, když byla okolní teplota vyšší než 32 °C, a poté baterii poskytnout 20–30 minut aktivního chlazení – roční míra ztráty klesla blíže k 5 %. Samotné baterie se nezměnily; změnil se provozní cyklus.

Co se ve skutečnosti projevuje při každodenním používání

Systémy řízení teploty ve většině současných elektromobilů jsou dimenzovány na kombinaci běžné jízdy a příležitostného rychlého nabíjení, nikoli na opakované nabíjení s vysokým výkonem při vysokých okolních teplotách. Chladicí kapalina dokáže odvádět teplo, ale dochází k časové prodlevě, a články uprostřed modulu se často zahřívají více než senzory v blízkosti chladicích desek. Z hlediska životnosti zvládají bateriové moduly LFP teplo lépe než mnoho modulů NMC, ale i tak ztrácejí při pravidelném přehřívání nad 40 °C během nabíjení více kapacity, než by naznačovaly údaje z cyklů při pokojové teplotě.

Ke ztrátě dojezdu v reálném provozu navíc přispívá i to, že řidiči tento pokles zaznamenají a začnou nabíjet častěji, což vede k většímu počtu událostí s vysokým nabíjecím proudem. Laboratorní testy, které uvádějí 1 000 nebo 1 500 cyklů do 80 % kapacity, obvykle předpokládají kontrolovanou teplotu a mírné nabíjecí proudy. Jakmile však připočtete trvalé teploty článků v rozmezí od 40 °C do 45 °C a několik rychlých nabíjení stejnosměrným proudem týdně, mechanismy stárnutí v důsledku kalendářního času a počtu cyklů se sčítají rychleji, než ukazují tyto grafy.

Pokud elektromobil v horkém podnebí ztrácí dojezd rychleji, než se očekávalo, je třeba nejprve zkontrolovat, jak často se využívá rychlé nabíjení stejnosměrným proudem a jakých teplot při těchto nabíjecích cyklech skutečně dosahují články. Rozdíl mezi akumulátorem, jehož teplota se drží kolem 30 °C, a tím, který při zátěži pravidelně dosahuje 45 °C, je natolik velký, že může ovlivnit míru degradace o několik procent ročně, i když se vše ostatní jeví jako normální.