Základní parametry baterií v elektromobilech

Článek původně vznikl pro blog společnosti DEVINN, která se zabývá vývojem elektroniky pro automobilový průmysl, a zde byl otisknut se svolením.

To, čemu většina z nás říká „baterie“, tedy například „tužkové baterie“, jsou ve skutečnosti články. Baterií označujeme teprve soustavu elektricky propojených článků. Základní parametry baterie jsou minimální a maximální napětí, kapacita a vnitřní odpor.

• Minimální a maximální napětí baterie jsou hranice, při jejichž překročení dochází k poškození baterie
• Kapacita udává, jak velké množství energie lze do baterie uložit
• Vnitřní odpor ovlivňuje, jak velké výkony lze z baterie získat

Poslední dvě hodnoty si rozebereme trochu podrobněji, protože v elektromobilu ovlivňují zásadně jeho vlastnosti.

Výkon baterie (kW) závisí na vnitřním odporu

Vnitřní odpor baterie ovlivňuje maximální výkon, kterým lze baterii vybíjet nebo nabíjet, a ovlivňuje tepelné ztráty uvnitř baterie. Je tedy zásadní pro dynamiku elektromobilu a délku nabíjení.

Čím nižší bude vnitřní odpor, tím vyšší výkon. Ten obvykle udáváme ve wattech (W) nebo kilowattech (kW) a vyjadřuje intenzitu práce. Pokud pracujeme velice intenzivně, podáváme velký výkon. Pokud pracujeme navíc dlouho, odvedeme hodně práce. V elektrotechnice počítáme výkon nejčastěji jako napětí (ve voltech V) krát proud (v ampérech A).

Baterie vozů Tesla s velmi malým vnitřním odporem dokáží dodávat výkon přes 500 kW. To představuje výkon pro přibližně 250 rychlovarných konvic nebo větší administrativní budovu.

Kapacita baterie (kWh) je zásoba energie

Pro dojezd elektromobilu je zásadní kapacita baterie. Čím nižší kapacita, tím logicky i kratší dojezd elektromobilu. Pokud hovoříme o kapacitě baterie, obvykle udáváme watt hodiny (Wh) nebo kilo watt hodiny (kWh). Tedy jaký maximální výkon je baterie schopná dodávat po dobu jedné hodiny. Někdy můžeme narazit na kapacitu v Ah (tak to uvádí třeba automobilka BMW). Pokud pak chceme zjistit, kolik je přibližně v baterii uloženo energie (Wh), musíme tento údaj vynásobit ještě napětím baterie (V). Tedy podle vzorce Wh = Ah x V.

Odkážeme se znovu na elektromobily značky Tesla – tyto baterie mají kapacitu až 100 kWh. Takové množství elektrické energie by pokrylo spotřebu rodinného domu i na 14 dní.

Dojezd elektromobilu pak spočítáme tak, že vydělíme kapacitu jeho spotřebou. Ta může být u menších vozů kolem 13 kWh/100 km. U velkých výkonných vozů typu SUV třeba i 25 kWh/100 km.

Ohřev, chlazení baterie a vliv teplot

Vnitřní odpor baterie udává maximální výkon, kterým lze baterii vybíjet nebo nabíjet, a ovlivňuje, jaké ztráty vzniknou uvnitř baterie. V baterii s vysokým vnitřním odporem bude docházet k velkým ztrátám při odběru proudu a bude se tedy více zahřívat. Z tohoto důvodu někdy výrobci využívají aktivní chlazení baterie.

Ze zkušenosti víme, že dojezd elektromobilu bude jiný v zimním a letním období. Zimní dojezd je pochopitelně výrazně kratší. Méně znalí majitelé a řidiči nebo recenzenti tento rozdíl přisuzují výhradně spotřebě topení elektrických vozidel. Dojezd v chladnějším období ovlivní ale obzvláště teplota baterie, na které je vnitřní odpor závislý.

S klesající teplotou zpomaluje většina chemických reakcí – v lidském těle stejně jako v autě. Výjimkou není ani ta, která probíhá uvnitř lithiových článků. Zvenku se tato vlastnost jeví jako zvýšení vnitřního odporu. A tady se vracíme k začátku tohoto odstavce: vysoký vnitřní odpor = vysoké ztráty uvnitř baterie. Proto někteří výrobci elektromobilů využívají aktivní ohřev baterie.

Pokud není baterie aktivně klimatizována, dochází k dočasnému snížení výkonu, aby nedošlo k poškození baterie z důvodu překročení hraničních teplot. U klimatizovaných baterií je výkon stabilní.

Extrémní teploty, skladování

Při velmi nízkých teplotách (kolem –20 °C) může dojít k takovému nárůstu vnitřního odporu, že není možné baterie provozovat. Na druhé straně teploty lehce nad nulou zpomalují statické stárnutí baterie. Při provozu působí vysoká teplota pozitivně na vnitřní odpor (dojde tedy ke zvýšení výkonu, snížení ztrát a zrychlení nabíjení). Nesmí však dojít k překročení maximální teploty, což by vedlo k nevratnému poškození baterie. Pro skladování baterie je nejvhodnější mírná teplota, která zpomalí stárnutí především v době, kdy není vůz v provozu.