Zpět na seznam článků

Vybíjení akumulátoru elektromobilu

Již delší dobu jsem si říkal, jestli se mohu spolehnout na indikátor množství energie v baterii elektromobilu Hyundai Ioniq Electric 28 kWh. Jinými slovy – odpovídají procenta kapacity zobrazované na displeji auta zbývající kapacitě energie v baterii? Důvodem, proč jsem po této informaci pídil, bylo moje pozorování, že při nižším procentu nabití baterie jsem měl pocit, že procenta ubývají rychleji … že by to byl jen pocit?

Spolu s doc. Tomášem Kazdou z FEKT VUT Brno jsme udělali pokus s vybitím baterie elektromobilu. Pro pokus jsme si vybrali lednový večer kvůli menšímu provozu. Venkovní teplota se pohybovala kolem 2 stupňů.

Vyjížděli jsme plně nabití z Brna po dálnici směr Vystrkov rychlostí co nejbližší 130 km/h podle GPS, abychom co nejvíce vybili baterii při dojezdu na E.ON nabíjecí hub ve Vystrkově. Všechna data jsme logovali (stejně jako během elektrojízdy kolem republiky v zimě i v létě 2021).

Tomáš Kazda (vpravo) a Petr Beneš po příjezdu na E.ON nabíjecí hub ve Vystrkově

Tomáš Kazda (vpravo) a Petr Beneš po příjezdu na E.ON nabíjecí hub ve Vystrkově

Co nás zajímalo?

Při jízdě nás zajímalo hlavně napětí na článcích a napětí na battery packu, odebraná energie a také SOC udávané vozidlem a SOC udávané diagnostikou. Během měření byly odečítány hodnoty vždy při poklesu o 2 % dle displeje elektromobilu s výjimkou hodnot pod 10 %, kdy se odečítalo po 0,5 % což byly nakonec jen dvě hodnoty.

Na základě získaných dat byla vytvořena křivka vybité energie dle SOC na displeji elektromobilu. Následně byla na základě těchto dat aproximována křivka pro vybíjení do 0 % SOC dle displeje a tím zjištěna zbytková energie battery packu dostupná pro uživatele (viz Obr.1).

A co jsme nakonec zjistili?

Bylo zjištěno že zbytková dostupná kapacita battery packu elektromobilu je přibližně 26,7 kWh, což odpovídá poklesu o 4,5 % z původní hodnoty dostupné kapacity 28 kWh. Reálná hodnota zbytkové kapacity může být o něco vyšší, jelikož měření bylo ukončeno s jistým odstupem před vybitím akumulátoru. Současně rychlost jízdy, a tedy i zatížení bylo vyšší, což vede k určitému poklesu dosažitelné energie. Jistou odchylku mohla způsobit také menší vnější teplota. Při současném nájezdu cca 78 tisíc km se dá očekávat pokles kapacity na 80 % původní kapacity přibližně po 346 tisících km (na 70 % po 520 tisících km) – za podmínky, že kapacita bude klesat stejně rychle jako do teď.

Z obrázku č.1 je také patrné že vybíjecí křivka není lineární, ale je lehce prohnutá. Je to dáno tím, že je kapacita battery packu určována nejspíše podle SOC (state of charge), ale ne podle SOE (state of energy) mezi těmito popisy stavu akumulátoru je určitý rozdíl, který bude blíže popsán v následujícím textu.

Obr.1: Vybíjecí křivka podle SOC na displeji elektromobilu

Obr.1: Vybíjecí křivka podle SOC na displeji elektromobilu

Vybíjecí křivka baterie

Dále byla ze získaných dat extrahována vybíjecí křivka dle zjištěného napětí na jednotlivých článcích. Bateriový pack je zapojen v konfiguraci 96S2P. Neboli 96 článků zapojených sériově a toto ještě zapojené paralelně. Tedy po vydělení celkového napětí bateriového packu 96 dostaneme průměrnou hodnotu napětí na jednom článku.

Jízda byla ukončena při vybití battery packu do 9 % kapacity dle displeje. Stalo se bohužel těsně před dosažením bodu zvratu vybíjecí křivky akumulátoru, tedy bodu, kdy dochází ke zrychlení poklesu napětí na konci vybíjení viz Obr.2.

Obr.2: Vybíjecí křivka dle průměrné hodnoty na jeden článek bateriového modulu (modrá barva), vybíjecí křivka odečtená z technického listu k akumulátorům použitým v daném voze (černé tečky). DOD = hloubka vybití

Obr.2: Vybíjecí křivka dle průměrné hodnoty na jeden článek bateriového modulu (modrá barva), vybíjecí křivka odečtená z technického listu k akumulátorům použitým v daném voze (černé tečky). DOD = hloubka vybití

Zvlnění modré křivky je dáno faktem, že během jízdy nebyl odběr zcela konstantní a byl ovlivněn aktuálním provozem během cesty. Poklesy křivky jsou dány zvýšením odběru a nárůsty zase snížením odběru. Na konci testu došlo k nárůstu napětí, což bylo dáno faktem, že se odběr díky pomalé jízdě výrazně snížil a poslední hodnota byla odečtena při dojezdu na nabíjecí stojan, kdy byl odběr téměř zanedbatelný.

Vybíjecí křivka odpovídá technickému listu

S výjimkou samotného konce vybíjecí charakteristika vyjádřena podle hloubky vybití (DOD) přesně odpovídala datům z technického listu. Na dalším obrázku č. 3 je pak vybíjecí charakteristika vyjádřena dle kapacity použitého akumulátoru, přičemž hodnoty v Ah jsou pro ideální článek dle technického listu ne pro článek měřený v elektromobilu.

Obr.3: Vybíjecí křivka jednoho článku elektromobilu.

Obr.3: Vybíjecí křivka jednoho článku elektromobilu.

Vybíjecí charakteristika a dostupná kapacita

Na základně měření reálného akumulátoru obdobného typu a dat získaných z měření byla vytvořena vybíjecí charakteristika vztažená k vybité energii pro celý battery pack elektromobilu, viz Obr. 4. Kapacita zobrazená ve vybíjecí křivce zahrnuje kapacitu dostupnou pro uživatele tedy zjištěných 26,7 kWh a pak i kapacitu která není pro uživatele dostupná (tedy spodní ochranné pásmo).

Obr.4: Vybíjecí křivka battery packu elektromobilu.

Obr.4: Vybíjecí křivka battery packu elektromobilu.

Jak můžete vidět s růstem vybité energie dochází k postupnému poklesu napětí battery packu (neboli při vybíjení akumulátoru) až k bodu zlomu vybíjecí křivky, kdy napětí začne klesat velmi rychle. S tím souvisí i fakt, že při konstantně odebíraném proudu bude docházet k postupnému poklesu výkonu, který je z akumulátoru odebíraný, což je zobrazeno na Obr. 5, kde můžeme vidět průběh výkonu odebíraného z battery packu v závislosti na DOD při konstantě odebíraném proudu o velikosti 86 A.

Obr.5: Průběh výkonu při konstantním odebíraném proudu podle stavu DOD battery packu elektromobilu.

Obr.5: Průběh výkonu při konstantním odebíraném proudu podle stavu DOD battery packu elektromobilu.

Důležitý je stav nabití akumulátoru

Tento proud 86 A byl zvolen, jelikož články v Hyundai Ioniq Electric 28 kWh jsou zapojeny jako 2P tedy jejich kapacita dle technického listu akumulátoru by měla být 86 Ah, což odpovídá 43 A na článek. Tento proud odpovídá 1 C tedy vybíjení proudem, který by měl vybít za 1 hodinu. Můžeme to tedy připodobnit vybití akumulátoru po 1 hodině jízdy. Z tohoto grafu plyne, že při odebrání stejného množství proudu dostanu jiný výkon podle stavu nabití akumulátoru.

K nejrychlejšímu poklesu dochází na konci vybíjení pod 90 % DOD. V případě, že by byl odebírán konstantní výkon, docházelo by k nárůstu odebíraného proudu, což by vedlo k rychlejšímu poklesu napětí – viz zvlnění měřené vybíjecí charakteristiky a tím rychlejšímu poklesu na hodnotu limitního napětí battery packu. Toto je tím hlavním důvodem, proč je při dosažení vysoké hodnoty vybití battery packu omezován výkon elektromobilu. A současně proč při odebírání stejné hodnoty výkonu z battery packu dochází k rychlejšímu poklesu kapacity.

Rozdíl mezi State Of Charge a State of Energy

Tím se dostáváme opětovně na začátek tohoto textu, kde bylo zmiňováno že hodnoty SOC a SOE nejsou totožné. Jak je patrné z vybíjecí křivky jednoho článku battery packu dochází při jeho vybíjení k odběru určité hodnoty Ah a současně k poklesu napětí a díky tomu k poklesu energie odebrané z baterie. To je zobrazeno na Obr. 6, ve kterém je zobrazeno množství energie uložené v 10 % SOC v rozpětí od 100 do 0 %. Z tohoto grafu je pak jasně patrné, že množství energie uložené v rozmezí SOC 100 – 90 % je vyšší než v případě SOC kupříkladu v rozmezí 50 – 40 %. Což je dalším z důvodů proč procenta SOC (která ukazuje displej auta) vypočtená dle hodnoty odebraného proudu klesají rychleji na konci vybíjení. Množství energie odpovídající těmto procentům pomalu klesá.

 Obr.6: Množství energie uložené v jednotlivých SOC uvedených na displeji elektromobilu. Pozn. Sečtením hodnot ve sloupcích dostaneme dostupnou kapacitu testovaného auta –26.7 kWh.

Obr.6: Množství energie uložené v jednotlivých SOC uvedených na displeji elektromobilu. Pozn. Sečtením hodnot ve sloupcích dostaneme dostupnou kapacitu testovaného auta –26.7 kWh.

Křivku popisující vztah SOC a SOE pak můžeme vidět na obrázku č. 7. Jak je patrné tato křivka je prohnutá a díky tomu je například v okamžiku, kdy je hodnota SOC rovna 20 % hodnota SOE rovna 17,8 %. Jinými slovy – v akumulátoru je reálně menší množství energie než procentuální hodnota zbývající kapacity akumulátoru ukazovaná displejem vozu.

Obr.7: Porovnání SOC a SOE

Obr.7: Porovnání SOC a SOE

Při našem testu byl dojezd na plné nabití 220 km, při dojezdu na nabíječku 9 % dopovídalo 11 km dojezdu. Želva se ještě nerozsvítila.

Je třeba mít na mysli, že pro naše měření jsme použili elektromobil s malou baterií, kde je dobré mít na paměti to, že v nižších procentech nabití dojezd rychleji klesá. Vzhledem k tomu, že se ani nedoporučuje „tahat“ baterii do nízkého vybití, pro současné elektromobily s kapacitou baterie 64 a více kWh tento rychleji klesající dojezd nebude až tak velký problém. Běžný uživatel elektromobilu nabije většinou dřív než „spadne do červeného“.

Dojezd elektromobilu na plné nabití před testem

Dojezd elektromobilu na plné nabití před testem

Hyundai Ioniq Electric testem prošel na výbornou

Každopádně test ukázal, že Hyundai Ioniq Electric 28 kWh je velmi dobrý elektromobil. I přes zdánlivý velký pokles kapacity v 78 tisících km, se pokles kapacity na hranici záruky 80 % dá očekávat až za velkou porci statisíců km, která bude najeta za cca 15 let při současném tempu nájezdu. Neboli záruka na baterii již nebude platná a auto již bude mít nejlepší léta za sebou. Co tedy potom s baterií? Do úložiště energie!

Test má také další přidanou hodnotu. Tou je opakující se spolupráce s FEKT VUT Brno, kdy diagnostická data poskytujeme k dalšímu studiu.

Petr Beneš, elektromobilní nadšenec jezdící jen na baterky; benes_petr@seznam.cz; www.linkedin.com/in/petrbenes-electromobility

Tomáš Kazda, vysokoškolský pedagog a vědec věnující se výzkumu Li-ion akumulátorů a navazujících bateriových systémů; https://www.linkedin.com/in/tomáš-kazda-a50556194

Co přináší elektromobilita a jak se jí dá využít spolu s obnovitelnými zdroji?

Vyžádejte si náš e-book o emobilitě.

    Váš e-mail byl úspěšně odeslán.