Chování baterie elektromobilu během cesty v mrazu

Technický pohled na naši 1300 km dlouhou cestu elektromobilem Hyundai Ioniq Electric 28 kWh kolem republiky, ukončím detaily ohledně teploty bateriových modulů. Během cesty nás s Radimem Ročkem zajímalo, jak se bude baterie ohřívat jízdou a dobíjením. Spotřebu, ztráty při dobíjení a narekuperovanou energii jsem shrnul v předchozím článku.

Ioniq Electric má baterii uloženou pod zadními sedačkami a v kufru. Baterie je vzduchem chlazená, vzduch se nasává pod prostřední zadní sedačkou. Výduchy nasávaného vzduchu jsou v zadní části kufru. Schematická část baterie je na obrázku níže (zdroj: https://www.ioniqforum.com/threads/management-of-battery-temperature.8874/page-2).

V dalším textu budu pracovat s čísly bateriových modulů, proto jsou vyobrazené níže:

Pod sedačkami jsou moduly 1 – 3 a 10 – 12, tyto moduly jsou šestičlánkové. V kufru jsou moduly 4 – 9, moduly jsou desetičlánkové. Celkem má tedy Ioniq 96 bateriových článků, celková využitelná kapacita baterie je 28 kWh.

V autě jsme topili na cca 21 stupňů. V kulichu a rukavicích jsme nejeli. ? Při zpracování dat jsem jasně viděl vliv umístění baterie na její teplotu. Kabina je více vyhřívaná v porovnání s kufrem, a tudíž se moduly pod sedačkou zahřívaly více. Nasávaný vzduch z kabiny nejspíše neproudí k zadním modulům tak dobře, jako k modulům pod sedačkou. Navíc kufr není shora vyhřívaný a během cesty byl spodek auta ochlazován díky nízké vnější teplotě.

Jaké byly teploty článků s ohledem na jejich umístění? Jak se články zahřály dobíjením?

Maximum 41 stupňů bylo naměřeno po dobíjení na UFC ve Vystrkově. Naopak minimum bylo 10 stupňů po AC dobíjení v Olšanech. Nejnižší teplota modulů byla v Olšanech, Zábřehu a Opavě. A to v rozmezí 10 – 12 stupňů. Venkovní teplota v Olšanech byla -12 stupňů, v Zábřehu -9 a v Opavě -5. Zajímavostí je, že cestou do Opavy se některé moduly „nezahřály“, neboť posledních cca 70 km do Opavy trasa víceméně klesala, jeli jsme opatrně kvůli uježděnému a často navátému sněhu a baterie tedy neměly velký odběr díky němuž by se zahřály.

I přes to, že venkovní teploty byly nízké a profil trati různorodý, nezpozorovali jsme žádný negativní vliv teplot na výkon auta.

Moduly 2 a 11, které jsou v prostoru pod zadními sedadly a navíc mezi ostatními moduly, byly vždy nejteplejší. Měly nejmenší tepelné ztráty do okolí a hřály se z kabiny.

Moduly 4 a 9 umístěné v kufru, vykazují nejmenší minimální teplotu, jsou nejchladnější. Čekal bych nejchladnější moduly 6 a 7, které jsou v zádi vozu. Je možné, že s touto možností výrobce počítal a vzadu může být dodatečná izolace.

Na druhou stranu, ať už se jedná o moduly pod sedačkami nebo v kufru, rozdíl naměřených teplot mezi jednotlivými moduly je 4 – 5 stupňů, což není velký rozdíl.

Podle doc. Tomáše Kazdy z Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno je optimální teplota baterií cca 15 – 40 stupňů. Ještě akceptovatelná teplota je 10 – 50 stupňů. Teplota přes 55 stupňů je většinou pro baterie nevhodná, avšak záleží na výrobci a technologii použité při výrobě baterie. Dá se říct, že 65 a víc stupňů je už nevhodná teplota.

Na UFC ve Vystrkově se baterie nejvíce zahřála během dobíjení. I přes „hlubší vybití“ ve Vystrkově (na 12 %) se s baterií v nízkých teplotách nic nestalo.

Doc. Tomáš Kazda (vlevo) a Petr Beneš

Tomáš dále hodnotí baterie z naší cesty:

Moduly pod sedačkou jsou šestičlánkové, v kufru desetičlánkové. Počet článků však nemá smysl řešit. Je tam jen větší masa, která se bude muset prohřát či zchladit, takže u většího bude větší hystereze. Co se týče řízení dobíjení, tak by se s tím měla BMS popasovat bez problémů Průměr teploty je takový, že pod sedačkou je teplota modulů větší o 6 – 7 stupňů. I přesto, že moduly pod sedačkou jsou teplejší, tak jejich teplota je pořád v rozmezí komfortní teploty pro baterie. Ovšem otázka je, jaké bude teplota modulů baterie v létě. Ioniq má vzduchem chlazenou baterii s nasáváním vzduchu z kabiny vozu a následným rozvodem vzduchu k modulům baterie. Takže v nízkých teplotách, v jakých jste jeli, je nevyhřívaný kufr chlazen přirozeně venkovní teplotou. To může být důvod nižší teploty článků v kufru.

Tomáši, mají rozdílné teploty vliv na degradaci baterie?

Je zatím těžké říct, jestli teplotní rozdíl modulů bude mít vliv na rychlejší degradaci teplejších či chladnějších modulů baterie. Všeobecně je důležité držet se v ideálním rozpětí pracovních teplot použitých článků, kdy rychlost degradace v závislosti na teplotě je velice podobná. Samozřejmě pokud by se jeden z modulů nebo článků uložených v modulu dostával po dlouhou dobu na teploty, které jsou velmi vysoké (například přes 60 stupňů), tak by docházelo k rychlejší degradaci tohoto článku a později by byla nutná jeho výměna. Současně určitou míru rozdílnosti jednotlivých článků kompenzuje BMS systém a uživatel si tohoto děje ani nevšimne. Pakliže by tedy nedošlo k rychlejší degradaci celého modulu a následkem toho k poklesu jeho kapacity a snížení dojezdu vozidla.

Takže nemusíme mít obavy používat elektromobil v zimě?

I přes to, že se auto během vaší cesty používalo ve velkých mrazech, tak baterie rozhodně nemají tendenci zamrzat, ani se dostávat do nějakých výrazně diskomfortních teplot. Řekl bych, že pro životnost baterie bude ještě lepší kapalinou chlazená baterie. Tak to má např. Kia e-Niro.

Bylo by zajímavé udělat stejný test v horkém létě, abychom viděli, jak se moduly baterie zahřívají. V horkém počasí budou články pod sedačkou chlazeny z kabiny. Nevíme, jak efektivní je rozvod chlazení k modulům v kufru (tepelný management baterie). Vše záleží na optimalizaci systému řízení teploty baterií a konstrukci battery packu. Zatím bych odhadoval, že bateriové moduly uložené v kufru budou mít tendenci oscilovat ve větším rozsahu teplot než ty umístěné pod sedačkou.

Je vidět, že i když venku bylo hodně chladno, tak teplota článků byla ve velice komfortní zóně po všech dobíjeních. Z pohledu teplotního managementu baterií elektromobil zvládl cestu i dobíjení velice dobře. A to i v hluboce mínusových teplotách. Baterie pracovaly po celou dobu v dobrém teplotním rozsahu a mohly tak poskytovat plný výkon bez omezení.

Všiml jsem si, že články měly napětí 4,12 V jak při 100% nabití, tak při nabití na 94 %. Co to znamená?

To znamená, že články se nabíjí v potenciostatickém režimu. Tedy články se drží na potenciálovém maximu a klesá nabíjecí proud. Toto napěťové maximum je horním limitem, kam výrobce pustí uživatele. Reálné maximum těchto článků je pak 4,2 V

Pohledem na teploty baterie a na vliv jejich teploty na provoz elektromobilu končíme detailní rozbory dat z naší 1300 km mrazivé cesty kolem republiky. Cesta nám dala hodně informací ohledně chování baterie, dobíjení a spotřeby. Jsem rád za propojení s VUT Brno, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, která data také dále využije k dalšímu studiu.

Již více lidí nás hecovalo do té samé cesty v létě. Pojedeme to, abychom měli srovnávací data? Na kolik dobíjení to zvládneme? Teď máme více zkušeností, víme dopodrobna profil a víme, že v létě má elektromobil menší spotřebu…

Petr Beneš, elektromobilní nadšenec a uživatel elektromobilů Kia e-Niro a Hyundai Ioniq Electric; benes_petr@seznam.cz; www.linkedin.com/in/petrbenes-electromobility.