Jak navrhnout bateriové úložiště pro elektromobil, dům nebo průmysl

Stavbě bateriových úložišť a technologiím elektrických akumulátorů se věnovala konference ELMAG Forum 2022 s tématem „Battery design and production“. Konference proběhla 28. 4. 2022 v Benicích u Prahy.

Jak si ohlídat životnost u domácí baterie k fotovoltaické elektrárně? Jaké jsou garance na životnost baterie v elektromobilu? Co ovlivňuje záruku na baterie? Dozvíte se v audiorozhovoru s Petrem Gamanem ze společnosti Aers, který jsme pořídili přímo na konferenci ELMAG Forum 2022:

Požadavky na baterii

Ideální baterie má vysokou kapacitu a výkon, je bezpečná, lehká, má dlouhou životnost a je levná. Taková baterie ovšem neexistuje, vždy je potřeba z nějakého měřítka slevit. Baterie jsou velmi univerzální zařízení a nároky na konkrétní úložiště se liší podle toho, kde má být použito. O vlastnostech různých bateriových chemií hovořil Petr Gaman z firmy Aers.

Konference ELMAG Forum 2022

Baterie u elektromobilu musí být výkonná, lehká, mít vysokou kapacitu a nadprůměrnou bezpečnost. Bude vystavena otřesům, vysokým i nízkým teplotám, nabíjení a vybíjení vysokými proudy. Při tom všem musí zůstat bezpečná a spolehlivá. Tyto parametry jsou vyváženy cenou – je jasné, že taková baterie nebude levná. Dalším kompromisem je životnost, baterie elektromobilu nepotřebuje zvládat tisíce cyklů. Pokud na jeden plný cyklus ujede auto 350 kilometrů, již 800 cyklů stačí na ujetí 280 000 kilometrů.

To na domácí baterii jsou nároky mnohem nižší. Pro domácnost stačí zlomek kapacity, jako má elektromobil. Nevadí, že je baterie velká a těžká. Samozřejmě musí být bezpečná, na druhou stranu je provozována ve výrazně klidnějších podmínkách než baterie v autě. Zajištění bezpečnosti u domácí baterie tak bude mnohem jednodušší. Zároveň by taková baterie by měla vydržet třeba i 20 let, hledají se tedy kroky, jak prodloužit její životnost. K těm se dostaneme níže.

Jindy si vlastnosti baterie určuje zákazník – jeden potřebuje baterii mimořádně lehkou pro armádní dron, jiný naopak bezpečnou pro leteckou dopravu, jiný preferuje spolehlivost a životnost pro dlouhou službu v nepřístupném prostředí…

Sériová výroba úložiště tak není jednoduchá, vždy vyžaduje přizpůsobení dané aplikaci.

(Ne)standardizace bateriových článků

Základním kamenem, buňkou bateriového úložiště je článek. Články se dělí do třech hlavních typů – cylindrické (válečky), prizmatické (kvádry) a tzv. „pouch“ (polštářky). O komplikacích při výběru bateriových článků při výrobě úložiště hovořil Jan Vejbor z firmy EVC Group.

Pro stavbu bateriového úložiště jsou potřeba články určitých parametrů i tvaru. Jenže vyjma cylindrických článků, kde jsou alespoň ustálené rozměry (18650 a 21700), se parametry a tvar článků u každého výrobce liší. Pokud chce firma vyrábět úložiště jako standardní produkt, obvykle to znamená využívat výhradně články jednoho výrobce. Přechod na jinou značku u prizmatických a pouch článků tak znamená předělat design úložiště, a tím i výrobní proces, ale to je jen jeden problém.

Konference ELMAG Forum 2022

Druhý je, že se nejde spolehnout na údaje v datasheetech. Buď výrobce lže a parametry svého článku nadhodnocuje, nebo se naopak chrání a raději uvádí slabší parametry, než článek ve skutečnosti má. V obou případech to znamená, že podle údajů v katalogu nejde zjistit, s čím lze u daných článků počítat. Nezbývá, než že si zákazník – výrobce úložiště – musí parametry ověřit sám. Stejná situace je i v jiných odvětvích, u baterií má však svá specifika.

Zejména výdrž – životnost, se ověřuje obtížně. Pozná se tak, že se baterie nějakou dobu cykluje, tedy nabíjí a vybíjí. Ale nabití a vybití na určitou úroveň předepsaným proudem nějakou dobu trvá. Pokud například zkoušený článek zvládne denně udělat 3 cykly, bude ověření, zda baterie vydrží 1000 cyklů, trvat zhruba rok. Články s vyšší kapacitou nebo nižšími nabíjecími a vybíjecími proudy se budou zkoušet ještě déle. A zjistit, kolik cyklů baterie vydrží, než její kapacita klesne pod určitou hodnotu, může u kvalitního článku trvat i 10 let.

Globální, nebo alespoň evropské usnesení na jednotných rozměrech a certifikačních postupech by výrobu bateriových úložišť výrazně usnadnilo. Je ale zřejmé, že je to běh na delší trať.

Řízení a hlídání baterie: battery management systém (BMS)

Battery management system (BMS) je řídicí jednotka, malý počítač, který kontroluje stav baterie a hlídá, aby se nepoškodila. BMS sleduje nejčastěji napětí článků, další hodnoty jsou proud, teplota nebo deformace. Úkolem BMS je:

• Udržení napětí, proudu a teploty baterie ve stanoveném rozmezí,
• Odpojení baterie v případě, že se sledované hodnoty dostanou mimo stanovený rámec,
• Komunikace – monitoring provozu baterie pro uživatele nebo nadřízený systém,
• Balancování (vyrovnávání napětí) jednotlivých článků v baterii.

Vývoj takového systému je složitější, než se zdá. Na ELMAG Foru o BMS systémech hovořili Petr Gaman, Michal Klečka ze společnosti GWL a Karel Pintr z firmy Rail Electronics.

BMS musí být v první řadě bezpečný a spolehlivý, což u drobné elektroniky není vždy pravidlem. Musí také mít minimální vlastní spotřebu, aby sám nevybíjel baterie. Musí umět odpojit nejen baterii, ale i sám sebe, pokud by to byla elektronika daného BMS, co baterii ohrožuje.

Přečtěte si také Kulatý stůl o programu ELENA, podpora pro podnikatele bezúročným financováním Přečíst článek

Životnost baterie

Lithiové baterie mají vysoký výkon i kapacitu, ale jsou celkem náročné na správné zacházení. Pokud s nimi není nakládáno správně, mohou se snadno zničit, nebo v krajním případě i začít hořet. Při správném zacházení naopak mohou dlouho a spolehlivě sloužit, a to jak v elektromobilu, tak při stacionárním použití v průmyslu nebo v domácnosti.

Nejvíc baterii škodí hluboké vybíjení, přebíjení a vysoká teplota. Podaří-li se tyto faktory ohlídat, životnost baterie to významně prodlouží. Správnou teplotu článků řeší teplotní (termální) management, který baterii při rychlonabíjení ochlazuje, anebo naopak v zimě ohřívá. V elektromobilu regulace probíhá nejčastěji pomocí kapalinového chlazení, u stacionárních instalací prostřednictvím klimatizace. Správnou hloubku nabití a vybití si ohlídá zase BMS.

Při nákupu článků výrobce samozřejmě poskytuje záruku na určitou životnost článku. Ale velice záleží na podmínkách těchto záruk, které se u jednotlivých výrobců liší. O zárukách na baterie a životnosti lithiových baterií jsme hovořili s Petrem Gamanem ze společnosti Aers, rozhovor si můžete přehrát na začátku tohoto článku.