Artykuł przedstawia wyniki badań w zakresie optymalnego ładowania akumulatorów litowo- jonowych samochodów elektrycznych ze szczególnym zwróceniem uwagi na jego długość oraz ilość pełnych cykli. Wykorzystując specjalne oprogramowanie oraz własne doświadczenia praktyczne, związane z ładowaniem akumulatorów wykonano autorski program badawczy, w którym skupiono się na wpływie krótkich i długich cykli ładowania na sprawność akumulatora litowo-jonowego w ujęciu czasowym. Mając na uwadze ograniczoną żywotność akumulatora dokładnie określono jego zużycie przy krótkich oraz długich cyklach ładowania, a także zwrócono szczególną uwagę na zmniejszający się zasięg pojazdu w ustalonych warunkach testowych. Finalnie scharakteryzowano powstałe uwarunkowania, które bezpośrednio wpływają na jakość procesu ładowania i mające wpływ wydajność oraz żywotność akumulatora.
Streszczenie
Stan akumulatora litowo-jonowego w samochodzie elektrycznym decyduje o wartości pojazdu i jego eksploatacji. W przypadku używanych samochodów elektrycznych dokładna ocena stanu akumulatora jest kluczowa, ponieważ będzie to miało bezpośredni wpływ na jego zasięg czy ewentualne koszty związane z dalszą jego eksploatacją. Istnieją proste metody oceny jego stanu. Wstępnie badanie można wykonać wykorzystując metodę zasięgową. Po pełnym naładowaniu akumulatora pojazd osiąga pewny zasięg, który następnie jest porównywany z danymi fabrycznymi akumulatora i samego samochodu. Z względu na wiele czynników zewnętrznych takich jak: temperatura otoczenia, cykl poruszania się pojazdu czy średnia prędkość przemieszczania się jest to metoda mało dokładna i obarczona dużym błędem. Bardziej dokładnym badaniem pozwalającym określić procentową pojemność akumulatora są testy diagnostyczne dostępne w specjalistycznych stacjach diagnostycznych. Pozwalają one na określenie takich parametrów jak: zużycie energii oraz stanu ogniw w akumulatorze. Powyższe działania nie wskażą jednak przyczyny, dlaczego aktualnie akumulator posiada określone zużycie i tym samym zmniejszony zasięg pojazdu elektrycznego. W tym celu przeprowadzono autorski program badawczy skupiony na długości ładowania akumulatora w określonym udziale procentowym i wpływie na jego wydajność oraz ogólne zużycie. Założenia badawcze mówiły, że pełne ładowania akumulatora będą w ujęciu czasowym zmniejszać jego sprawność. Co więcej postawiono tezę, że krótkie ładowania również będą miały negatywny wpływ na wydajność baterii litowo- jonowej.
Jak wynika z przeprowadzonej analizy literaturowej na rynku występują cztery rodzaje akumulatorów litowo-jonowych:
litowo-manganowe,
litowo-żelazowo-fosforanowe,
litowo-niklowo-kobaltowo-manganowe,
litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowe.
Do badań wykorzystano 3 nowe akumulatory litowo-niklowo-kobaltowo-manganowe o pojemności 60kWh na 3 nowych pojazdach. Na podstawie analizy ustalono zakres badań i krytyczne dane wejściowe:
Pierwszy akumulator (oznaczenie badawcze AKU1) poddano 300 cyklom ładowania od wartości 20% do 40% w temperaturze otoczenia wynoszącej od 21,7 do 22,5 0C. Pojazd był użytkowany na trasie Nadarzyn – Tomaszów Mazowiecki (88,4 km) w warunkach: prędkość min. 75 km/h - max. 80 km/h,
Drugi akumulator (oznaczenie badawcze AKU2) poddano 300 cyklom ładowania od wartości 20% do 80% w temperaturze otoczenia wynoszącej od 21,6 do 22,5 0C. Pojazd był użytkowany na trasie Nadarzyn – Tomaszów Mazowiecki (88,4 km) w warunkach: prędkość min. 75 km/h - max. 80 km/h,
Trzeci akumulator (oznaczenie badawcze AKU3) poddano 300 cyklom ładowania od wartości 20% do 100% w temperaturze otoczenia wynoszącej od 21,7 do 22,6 0C. Pojazd był użytkowany na trasie Nadarzyn – Tomaszów Mazowiecki (88,4 km) w warunkach: prędkość min. 75 km/h - max. 80 km/h.
Badania prowadzono w okresie 4.01.2019 do 30.09.2021 roku w dniach, gdzie średnia temperatura otoczenia wynosiła 210C.

Wyk. 1 Roczny wykres temperatury dla woj. mazowieckiego w 2019 roku z zaznaczonymi dniami wykonywanych badań. Opracowanie na podstawie © WeatherSpark.com.

Wyk. 2 Roczny wykres temperatury dla woj. mazowieckiego w 2020 roku z zaznaczonymi dniami wykonywanych badań. Opracowanie na podstawie © WeatherSpark.com.

Wyk. 3 Roczny wykres temperatury dla woj. mazowieckiego w 2021 roku z zaznaczonymi dniami wykonywanych badań. Opracowanie na podstawie © WeatherSpark.com.
W ramach badań określono parametr SoH (State of Health), który wyraża stopień sprawności akumulatora po zdefiniowanym okresie użytkowania – 300 cykli ładowania. Dodatkowo praktycznie zweryfikowano stan akumulatorów testowych po 300 cyklach ładowania poprzez ponowne ładowanie baterii i przejechanie tego samego odcinka, aż do jej całkowitego rozładowania.
Przyjęto, że sprawność nowego akumulatora waha się w granicach 99,2 – 99,8%. Wartość tą określono na podstawie badań i analiz nowych akumulatorów, które ze względu na wady uszczelnienia, niepoprawny montaż ogniwa czy ich domieszki nie osiągają umownej granicy 100%. W związku z powyższym do badań przyjęto średnią wartość wynoszącą 99,6%.
Obliczenia dokonano wykorzystując poniższy wzór:
SOH[%] = 99,6 pojemność pierwotna [%] – stopień degradacji [%]
Wyniki badań
Akumulator testowy (AKU1)
ze względu na założenia badawcze były ładowany najczęściej. Podczas ładowania nie stosowano tzw. ładowania szybkiego. Łącznie pojazd przejechał 48 520 km, odbył 300 cykli ładowania od poziomu 20% do poziomu 40%. Szczegółowe wyniki przedstawia tabela nr 1.
AKU 1 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Ilość ładowań [cykli] | 0 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 |
SoH [%] | 99,6 | 98,0 | 96,5 | 95,3 | 94,1 | 93,0 | 91,6 |
Zasięg wyliczony [km] | 451 | 443 | 436 | 431 | 426 | 421 | 415 |
Zasięg faktyczny [km] | 446 | 438 | 432 | 426 | 421 | 416 | 410 |
Sprawność [kWh] | 60 | 58,9 | 58,0 | 57,3 | 56,6 | 55,9 | 55,1 |
Tab. 1 Wyniki badań akumulatora litowo-niklowo-kobaltowo-manganowego o pojemności 60kWh eksploatowanego według założeń badawczych nr 1.
Akumulator testowy (AKU2)
ze względu na założenia badawcze były ładowany na poziomie średnim. Podczas ładowania nie stosowano tzw. ładowania szybkiego. Łącznie pojazd przejechał 105 998 km, odbył 300 cykli ładowania od poziomu 20% do poziomu 80%. Szczegółowe wyniki przedstawia tabela nr 2.
AKU 2 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Ilość ładowań [cykli] | 0 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 |
SoH [%] | 99,6 | 98,9 | 98,2 | 97,6 | 97,0 | 96,4 | 95,7 |
Zasięg wyliczony [km] | 451 | 443 | 444 | 431 | 439 | 436 | 433 |
Zasięg faktyczny [km] | 443 | 439 | 436 | 434 | 431 | 428 | 425 |
Sprawność [kWh] | 60 | 59,5 | 59,0 | 58,7 | 58,3 | 58,0 | 57,6 |
Tab. 2 Wyniki badań akumulatora litowo-niklowo-kobaltowo-manganowego o pojemności 60kWh eksploatowanego według założeń badawczych nr 2.
Akumulator testowy (AKU3)
ze względu na założenia badawcze były ładowany najrzadziej. Podczas ładowania nie stosowano tzw. ładowania szybkiego. Łącznie pojazd przejechał 132 652 km, odbył 300 cykli ładowania od poziomu 20% do poziomu 100%. Szczegółowe wyniki przedstawia tabela nr 3.
AKU 3 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Ilość ładowań [cykli] | 0 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 |
SoH [%] | 99,6 | 98,1 | 96,6 | 95,1 | 93,4 | 92,6 | 90,8 |
Zasięg wyliczony [km] | 451 | 444 | 437 | 437 | 430 | 422 | 411 |
Zasięg faktyczny [km] | 443 | 438 | 431 | 424 | 417 | 405 | 398 |
Sprawność [kWh] | 60 | 59,1 | 58,1 | 57,2 | 56,2 | 55,7 | 54,6 |
Tab. 3 Wyniki badań akumulatora litowo-niklowo-kobaltowo-manganowego o pojemności 60kWh eksploatowanego według założeń badawczych nr 3.
Podsumowanie badań
Jak wykazały badania kilka czynników ma bezpośredni wpływ na sprawność akumulatora i tym samym zasięg samochodu elektrycznego. Całość sprowadza się do warunków ich eksploatacji. Częste ładowanie akumulatora do poziomu 40% i jego natychmiastowa eksploatacja do poziomu 20% i ponowne ładowanie znacznie skraca jego wydajność w ujęciu czasowym. Dlatego dla akumulatora AKU1 przy 300 pełnych cyklach jest to 8,0%. Finalnie wpływa to zasięg, który zmniejsza się o 36 km. Zgodnie z danymi producenta akumulator w samochodzie elektrycznym powinien wytrzymać kilka tysięcy ładowań. Tym samym z chwilą eksploatacji według założeń badawczych nr 1 bateria przy 1000 cykli utraci 80% swojej sprawności, co tym samym wyeliminuje go z poprawnej eksploatacji.
Otrzymane wyniki testów według założeń badawczych nr 2 wyraźnie wskazują znacznie mniejszą utratę sprawności akumulatora AKU2 w stosunku do AKU1. Bateria po 300 cyklach ładowania w przedziale minimum 20 do 80% utraciła jedynie 3,9% co wprost przekłada się na mniejszy zasięg jedynie o 18 km. Przy 1000 cykli akumulator utraci 39% swojej wydajności.
Akumulator testowy AKU3 po wykonanych badaniach charakteryzował się największym spadkiem sprawności, bo na poziomie 8,8%. Tym samym zasięg pojazdu zostanie zmniejszony o 40 km. Przy założeniach badawczych nr 3 bateria przy 1000 cykli utraci 88% swojej sprawności, co nie pozwala na dalsza eksploatację.
Należy wspomnieć, że na sprawność wpływają także inne czynniki, które w przedmiotowych badaniach uśredniono lub całkowicie wyeliminowano: moc ładowania i szybkość ładowania, różne rodzaje prądu (stałym zmienny), długotrwałe pozostawianie naładowanego akumulatora w stanie spoczynku oraz różne temperatury eksploatacji. Powyższe założenia badawcze były celowe, ponieważ pozwoliły na wypracowanie najlepszych standardów eksploatacji akumulatorów litowo-jonowych w samochodach elektrycznych. Mając na uwadze powyższe wyniki kolejne czynniki będą wpływały zarówno na zmniejszenie sprawności baterii, zasięg pojazdu oraz jej całkowita żywotność. Jednak poprawna eksploatacja zgodna z założeniami badawczymi nr 2 w zakresie ładowania pozwala wydłużyć wydajność baterii o 4,9% przy 300 cyklach ładowania oraz aż o 49% przy 1000 cykli ładowania.
Zalecenia
W celu wydłużenia eksploatacji akumulatorów litowo-jonowych zaleca się:
Nie rozładowywać akumulatora poniżej wartości 20%,
Nie stosujemy ładowania akumulatora do wartości poniżej 50%,
Nie ładować akumulatora do wartości 100% (także nie należy podtrzymywać poziomu ładowania przy wartości 100%), ponieważ akumulator naładowany jest do pełna, wykazuje znaczne zużycie energii podczas jazdy, dopóki nie nastąpi jego częściowe rozładowanie. Co więcej akumulator naładowany do pełna, nie posiada możliwości odzyskiwania energii z hamowania ze względu na brak magazynu energii,
Nie ładować akumulatorów tzw. szybkim ładowaniem, ponieważ podczas szybkiego ładowania wyzwala się dużo ciepła, które degraduje ogniwa,
Ładowanie do poziomu 80%, ponieważ Ładując częściej, spowalniamy degradację ogniw,
Ładowanie wykonywać prądem zmiennym (najlepiej przy pomocy gniazda siłowego).
Bibliografia:
Leszek Kasprzyk „Wybrane zagadnienia modelowania trwałości akumulatorów litowo-jonowych w pojazdach elektrycznych” Przegląd Elektrotechniczny, nr 3/2019.
Andrzej Łebkowski „Temperature, Overcharge and Short-Circuit Studies of Batteries used in Electric Vehicles” Przegląd Elektrotechniczny, nr 5/2017,
Radosław Gutkowski “Nowoczesne zasobniki energii elektrycznej w technologiach litowych” IX Konferencja Naukowo-Techniczna – i-MITEL 2016,
Żurek-Mortka Marta , Gospodarczyk Andrzej , Majcher Andrzej , Kozak Marcin „Przegląd wybranych metod diagnozowania stanu akumulatorów litowo-jonowych”, Elektro Info nr 6/2021,
Tomasz Rudnicki, Stefan Wójtowicz „Metody wyznaczania stanu naładowania akumulatorów stosowane w pojazdach elektrycznych, urządzeniach przenośnych i w laboratorium” Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska nr 3/2014,
Konrad Zajkowski, Krystian Seroka „Przegląd możliwych sposobów ładowania akumulatorów w pojazdach z napędem elektrycznym” Autobusy nr 7-8/2017.
Comments