Podstawy akumulatorów samochodów elektrycznych: jak ogniwa magazynują i oddają energię

Akumulator samochodu elektrycznego magazynuje energię w postaci chemicznej. Ładowanie przenosi jego ogniwa do stanu chemicznego o wyższej energii. Podczas jazdy ogniwa oddają tę energię w postaci elektrycznej, a energoelektronika i silniki pojazdu zamieniają ją w ruch.

Od ogniwa do pakietu akumulatorowego

Ogniwo jest najmniejszą kompletną jednostką elektrochemiczną akumulatora. Pojedyncze ogniwo litowo-jonowe wytwarza napięcie zaledwie kilku woltów, dlatego w samochodzie elektrycznym łączy się wiele ogniw, aby uzyskać potrzebne napięcie i energię.

Ogniwa można łączyć w moduły, a następnie w pakiet, albo integrować bezpośrednio z pakietem bez tradycyjnych modułów. Pakiet obejmuje ogniwa oraz wyposażenie potrzebne do ich połączenia, ochrony i zarządzania nimi. Rozdział Pakiet akumulatorowy i konfiguracja omawia połączenia elektryczne i konstrukcję pakietu, a Formaty ogniw opisuje ogniwa cylindryczne, pryzmatyczne i saszetkowe.

Co znajduje się wewnątrz ogniwa?

W konwencjonalnym ogniwie litowo-jonowym dwie elektrody przechowują lit w swoich materiałach aktywnych. Elektroda ujemna jest zwykle oparta na graficie, a dodatnia wykorzystuje związek zawierający lit. Ich połączenie współdecyduje o napięciu ogniwa i ilości energii, jaką może ono zmagazynować.

W literaturze dotyczącej akumulatorów elektrodę ujemną zwykle nazywa się anodą, a dodatnią katodą. Nazwy te opisują ich funkcje podczas rozładowania i zazwyczaj pozostają w użyciu także przy omawianiu ładowania.

Trzy inne elementy łączą i rozdzielają elektrody:

• Elektrolit przenosi jony między elektrodami. Konwencjonalne ciekłe elektrolity zawierają sól litu rozpuszczoną w rozpuszczalnikach organicznych.
• Separator to porowata membrana, która oddziela elektrody, jednocześnie umożliwiając jonom przepływ przez elektrolit znajdujący się w jej porach.
• Kolektory prądowe to przewodzące folie łączące materiały aktywne z zaciskami ogniwa. Po stronie ujemnej zwykle stosuje się miedź, a po dodatniej aluminium. Lithium-ion Batteries Technology Strategy Assessment (DOE, 2023)

Osobny rozdział Chemia i komponenty ogniw porównuje materiały elektrod i rozwiązania stosowane w elektrolitach.

Jak działają ładowanie i rozładowanie?

Podczas rozładowania jony litu przemieszczają się przez elektrolit od elektrody ujemnej do dodatniej. Elektrony płyną od elektrody ujemnej do dodatniej przez obwód zewnętrzny, dostarczając pojazdowi energię elektryczną. Elektrolit przewodzi jony, ale blokuje przepływ elektronów, dlatego te ostatnie płyną drogą zewnętrzną.

Ładowanie odwraca ten proces. Źródło zasilania dostarcza elektrony do elektrody ujemnej i odbiera je z dodatniej. Jony litu wracają przez elektrolit do elektrody ujemnej, zwiększając ilość energii chemicznej zmagazynowanej w ogniwie. DOE Explains: Batteries

Hamowanie rekuperacyjne ładuje akumulator energią odzyskaną z ruchu pojazdu: silnik działa jako generator i oddaje energię elektryczną przez układ energoelektroniczny.

Ogniwa litowo-jonowe i sodowo-jonowe działają według tej samej zasady. Ilustracja przedstawia jony litu (Li⁺) i sodu (Na⁺) przemieszczające się między elektrodami. Ogniwa sodowo-jonowe wykorzystują materiały dostosowane do odmiennych właściwości sodu. Zapowiedź pierwszej generacji akumulatorów sodowo-jonowych (CATL, 2021)

Napięcie, prąd, moc i energia

W specyfikacjach akumulatorów występuje kilka wielkości, które odpowiadają na różne pytania:

• Napięcie, mierzone w woltach (V), to różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami.
• Natężenie prądu, mierzone w amperach (A), określa ilość ładunku elektrycznego przepływającego w jednostce czasu.
• Pojemność elektryczna, mierzona w amperogodzinach (Ah), to ilość ładunku, którą ogniwo lub akumulator może oddać w określonych warunkach.
• Moc, mierzona w kilowatach (kW), określa tempo dostarczania lub odbierania energii.
• Energia, mierzona w kilowatogodzinach (kWh), to ilość dostarczona, odebrana lub zmagazynowana.

Na zaciskach prądu stałego akumulatora obowiązuje zależność:

Moc (kW) = Napięcie (V) × Natężenie prądu (A) ÷ 1 000

Na przykład akumulator dostarczający stałą moc 20 kW przez pół godziny oddaje:

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Jest to energia oddana na zaciskach akumulatora. Do kół dociera mniej energii, ponieważ energoelektronika i silnik także powodują straty. Podobnie energia pobrana z ładowarki przewyższa przyrost energii zmagazynowanej w akumulatorze, ponieważ podczas ładowania występują straty.

Przybliżoną energię nominalną można obliczyć na podstawie pojemności elektrycznej:

Energia (kWh) ≈ Napięcie nominalne (V) × Pojemność (Ah) ÷ 1 000

Sama wartość Ah nie wystarcza więc do porównania energii akumulatorów o różnych napięciach. Przybliżenie wykorzystuje reprezentatywną wartość napięcia, natomiast dokładny pomiar energii uwzględnia jego zmiany podczas ładowania lub rozładowania.

Stan naładowania i granice pracy

Stan naładowania (SOC) wyraża szacowany pozostały ładunek jako procent określonej pojemności. SOC szacuje się na podstawie pomiarów takich jak natężenie prądu, napięcie i temperatura. State of Charge Estimation Using Smart Battery Charger (Texas Instruments, 2021)

Procent wyświetlany w samochodzie elektrycznym odpowiada zakresowi pracy dostępnemu dla kierowcy. Wskazania 0% i 100% nie są bezwzględnymi granicami elektrochemicznymi ogniwa. Rozdział Bufor akumulatora i pojemność użytkowa wyjaśnia pojemność brutto i netto (użytkową) oraz bufory.

Napięcie ogniwa zmienia się wraz z SOC, składem chemicznym, temperaturą i natężeniem prądu. Napięcie nominalne jest wartością odniesienia, a nie granicą ładowania. Na przykład Molicel podaje dla swojego ogniwa INR-21700-P42A napięcie nominalne 3,6 V, napięcie ładowania 4,2 V i napięcie odcięcia rozładowania 2,5 V. Inne konstrukcje ogniw mogą mieć inne granice napięcia. Karta katalogowa Molicel INR-21700-P42A, wersja 1.7

Górna i dolna granica napięcia wpływają inaczej na ładowanie i jazdę. Przy zbliżaniu się do pełnego naładowania moc ładowania maleje, aby ogniwa nie przekroczyły górnych granic napięcia. Przy niskim stanie naładowania pojazd może ograniczyć moc napędową, aby napięcia ogniw pozostały powyżej dolnych granic. Rozdział Ładowanie akumulatora wyjaśnia, jak ograniczenia ładowania kształtują moc dostarczaną w trakcie sesji.

System zarządzania akumulatorem (BMS) monitoruje napięcia ogniw lub grup połączonych równolegle, prąd akumulatora i temperatury w miejscach zamontowania czujników. Szacuje stan akumulatora i uzgadnia z pojazdem dopuszczalne ładowanie oraz rozładowanie, aby utrzymać ogniwa w ich granicach pracy. Podręcznik techniczny systemów zarządzania akumulatorem Rozdział System zarządzania akumulatorem omawia te funkcje bardziej szczegółowo.

Dlaczego temperatura i natężenie prądu mają znaczenie?

Rezystancja wewnętrzna powoduje wydzielanie ciepła podczas przepływu prądu. Przy tej samej rezystancji podwojenie natężenia prądu oznacza czterokrotnie większe grzanie rezystancyjne. Zimno może zwiększać rezystancję i ograniczać dostępną moc. Reakcje w ogniwach mogą również pochłaniać lub uwalniać ciepło. Ten odwracalny efekt zależy od składu chemicznego i stanu naładowania. Entropy Profiles for Li-Ion Batteries—Effects of Chemistries and Degradation (Wind and Vie, 2025)

Granice temperatury mogą ograniczać zarówno ładowanie, jak i napęd. Zimno szczególnie utrudnia ładowanie ogniw litowo-jonowych opartych na graficie, ponieważ lit może osadzać się na powierzchni elektrody (platerowanie litem), zamiast wnikać w jej strukturę. Układy sterujące pojazdu zmniejszają prąd ładowania i mogą najpierw ogrzać akumulator.

Hamowanie rekuperacyjne może być ograniczone przez zimny lub pełny akumulator, ponieważ oba te stany zmniejszają moc, którą akumulator może przyjąć. Instrukcja obsługi Model 3: Hamowanie i zatrzymywanie Układy ogrzewania i chłodzenia pomagają utrzymać odpowiednie warunki, co wyjaśnia rozdział Zarządzanie temperaturą akumulatora.

Poniższy film The Limiting Factor przedstawia działanie ogniwa litowo-jonowego.