EN
Rychlé odkazy
Li-ion baterie obvykle mají energetickou hustotu kolem 150 až 200 Wh/kg, což tyto baterie činí vhodnou volbou pro kompaktní 48V systémy, kde není příliš místa. Na druhou stranu se lithium-železo-fosfátové baterie (LiFePO4) vyznačují mnohem delší životností při nabíjecích cyklech. Mluvíme o více než 2000 úplných cyklech ve srovnání s pouhými 800 až 1200 cykly u standardních Li-ion baterií podle výzkumu lithiových baterií z minulého roku pro elektrická vozidla. Počáteční cena LiFePO4 je přibližně o 10 až 20 procent vyšší než u běžných lithiových iontových baterií. Co si lidé často neuvědomují, je, že tato dodatečná investice se dlouhodobě vyplatí, protože tyto baterie je nutné mnohem méně často vyměňovat. V průběhu času to vede k úspoře přibližně 40 procent na jeden cyklus ve srovnání s neustálým nákupem nových Li-ion balení.
Železofosfátová katoda v bateriích LiFePO4 zůstává stabilní i při teplotách kolem 270 stupňů Celsia, což snižuje riziko nebezpečných situací tepelného úniku. U běžných lithiových iontových baterií je to ale jinak. Podle výzkumu společnosti Vatrer Power zveřejněného minulý rok tyto tradiční chemie začínají rozpadat již při nepatrném překročení 60 stupňů Celsia. To způsobuje vážné bezpečnostní problémy v prostředích, kde je horko. Kvůli této vestavěné stabilitě se mnozí výrobci obrací k LiFePO4 pro své 48voltové systémy používané u těžké techniky. Představte si továrny nebo staveniště, kde stroje pracují nepřetržitě a okolní teplota pravidelně stoupá nad 50 stupňů. Baterie pak nadále spolehlivě funguje bez problémů s přehříváním.
Teplo generované v systémech 48 V za velkého zatížení pochází hlavně ze tří zdrojů: vnitřního odporu při cyklování, joulitového ohřevu při špičkách proudu a exotermických reakcí, ke kterým dochází při hlubokém vybíjení. Když baterie pracují při vybíjecích rychlostech 3C, dosahují jejich povrchy často více než 54 stupňů Celsia, pokud není zapojeno aktivní chlazení, jak uvádí výzkum publikovaný MDPI v roce 2023. U aplikací s vysokou poptávkou po výkonu, jako jsou pomocné systémy elektrických vozidel, může takové nekontrolované hromadění tepla vést k nebezpečným horkým bodům napříč celým blokem. Tyto horké oblasti degradují články baterií mnohem rychleji než u bloků s vhodným tepelným managementem, někdy až o 40 procent nebo více.
Kombinace nepřímého kapalinového chlazení s materiály s fázovou změnou, neboli PCM, se prosazuje jako jedna z nejlepších metod pro dosažení vysoké účinnosti i bezpečnosti v těch nových 48voltových systémech, které dnes vidíme všude. Výzkum publikovaný v časopise Journal of Power Sources již v roce 2025 ukázal něco docela zajímavého. Když testovali hybridní systémy používající současně kapalinové chlazení a PCM, snížily se špičkové teploty o přibližně 18 procent u automobilových baterií provozovaných při okolní teplotě 35 stupňů Celsia. Docela působivé. Moderní systémy tepelné regulace jsou chytřejší i jinak. Dokážou upravovat tok chladiva na základě toho, co se právě děje. Tato dynamická úprava šetří přibližně 70 procent energie ve srovnání se staršími systémy s pevnou rychlostí, a to při udržování rozdílů teplot mezi články pouze do 1,5 stupně Celsia. Když nad tím přemýšlíte, dává to smysl.
Tepelné návrhy musí být přizpůsobeny provozním prostředím:
Modulární kapalinové chladicí desky se staly škálovatelným standardem, který umožňuje plynulé rozšíření od domácích jednotek o kapacitě 5 kWh až po systémy na úrovni sítě s kapacitou 1 MWh, aniž by bylo nutné přepracovávat základní tepelné komponenty.
Výzkumníci z Applied Thermal Engineering provedli v roce 2025 testy, které zkoumaly, jak speciální vícevrstvý kapalný systém s PCM funguje u 48voltových baterií pro vozíky ve skladích s teplotami okolo 45 stupňů Celsia. Zjistili něco docela působivého. Tyto baterie zůstaly chladné a po celou dobu osmihodinové pracovní směny udržely maximální teplotu přibližně na 29,2 stupních Celsia. To je o 7,3 stupně chladněji než u běžných baterií bez chladicího systému. A to není všechno. Roční úbytek kapacity baterie se výrazně snížil z 15 procent na pouhá 2,1 procenta. Při testech za reálných podmínek tyto systémy vykazovaly minimální rozdíly teplot pod 2 stupně mezi všemi 96 články, i když procházely intenzivními relacemi rychlého nabíjení 150 ampér. Docela pozoruhodná technologie pro každého, kdo pracuje s náročnými bateriovými systémy.
Hlavními zdroji ztráty energie ve 48V systémech jsou vnitřní odpor v rozmezí 3 až 8 procent a tepelné ztráty při disipaci kolem 2 až 5 procent během každého nabíjecího cyklu, natož pak ty otravné neúčinnosti na rozhraních elektrod. Pokud není nabíjení provedeno správně, ohmické ztráty mohou podle některých nedávných studií zabývajících se optimalizací nabíjení lithiových článků vzrůst až o 12 % ve srovnání s dobře vyváženými nabíjecími postupy. Pro kohokoli, kdo pracuje s vysokovýkonovými aplikacemi, jako jsou pohonné jednotky elektrických vozidel, mají tyto ztráty velký význam, protože neustálé rychlé cyklování prostě věci v průběhu času rychleji opotřebovává.
Systémy řízení baterií dnes zajišťují lepší provoz tím, že chytře upravují tok proudu. To pomáhá snížit ty nepříjemné ztráty způsobené odporem v jejich nejhorších fázích o 18 až 22 procent. Také velmi přesně vyrovnávají články, přičemž udržují napětí v rozmezí pouhých 1,5 % rozdílu mezi všemi články. A když je venku chladno, tyto systémy kompenzují změny teploty během nabíjení, takže se vyhneme problémům s vylučováním lithia. Podle výsledků výzkumu zjistili výzkumníci, že baterie využívající tento vícestupňový postup s konstantním proudem ztrácejí v průběhu času méně kapacity. Testy na 48V systémech LiFePO4 ukázaly přibližně o 16,5 % nižší degradaci ve srovnání se staršími metodami řízení nabíjení. Je proto logické, že stále více společností přechází na tyto pokročilé systémy pro trvalejší energetická řešení.
Proměnná zatížení v robotice a obnovitelných mikrosítích přinášejí výzvy z hlediska účinnosti:
| Charakteristika zatížení | Dopad efektivity | Nápravná opatření |
|---|---|---|
| Vysoké proudové špičky (≥3C) | pokles napětí o 8–12 % | Kondenzátory s extrémně nízkým ESR |
| Kmitání frekvence (10–100 Hz) | zvlnění ztrát o 6 % | Aktivní filtrování harmonických složek |
| Občasné období nečinnosti | 3% samovybíjení/hodinu | Režimy BMS s hlubokým spánkem |
Data záložního systému pro telekomunikace ukazují, že podmínění zatížení zvyšuje účinnost při zpětném chodu z 87 % na 93 % u 48V lithiových baterií a snižuje potřebu energie pro tepelné řízení o 40 %.
Ztráta kapacity ve 48V bateriových systémech nastává hlavně kvůli třem věcem: růstu vrstvy solid electrolyte interface, tvorbě usazenin lithia na elektrodách a fyzickému namáhání způsobenému neustálým rozpínáním a smršťováním materiálů během nabíjecích cyklů. Když teplota stoupne, tyto nežádoucí chemické reakce se výrazně urychlují. Minuloroční výzkum ukázal, že pokud provozní teplota stoupne o pouhých 10 stupňů Celsia nad 30 stupňů, počet nabíjecích cyklů, které baterie vydrží před poruchou, klesne na polovinu. Pro automobilové výrobce, kteří musí počítat s reálnými podmínkami jízdy, se tento mechanický opotřebení v průběhu času ještě zhoršuje, protože vozidla vystavují baterie různým vibracím a náhlým změnám zátěže během jízdy.
Provoz 48V baterií v rozsahu stavu nabití (SOC) 20 % až 80 % snižuje tvorbu SEI o 43 % ve srovnání s plným cyklem. Analýza NREL z roku 2023 zjistila, že nabíjecí rychlost 0,5C (nabíjení po dobu 3 hodin) uchovává 98 % původní kapacity po 800 cyklech, oproti 89 % uchování při 1C.
| Nabíjecí sazba | Počet cyklů do 80 % kapacity | Roční ztráta kapacity |
|---|---|---|
| 0,3C | 2,100 | 4.2% |
| 0,5 C | 1,700 | 5.8% |
| 1,0C | 1,200 | 8.3% |
Tabulka: Vliv nabíjecí rychlosti na životnost 48V lithium-iontových baterií (NREL 2023)
Rychlé nabíjení 1C určitě zkracuje dobu čekání, ale má i nevýhodu: baterie se uvnitř zahřívají o přibližně 55 až 70 procent více ve srovnání s pomalejším nabíjením 0,5C. Nedávná analýza komerčních systémů skladování energie z roku 2024 však ukázala něco zajímavého. Vyzkoušeli přístup, při kterém nabíjeli plnou rychlostí (1C) až do dosažení stavu nabití kolem 70 %, poté snížili rychlost na pouhých 0,3C. Po 1 200 nabíjecích cyklech tato metoda uchovala přibližně 85 % původní kapacity, což je ve skutečnosti docela blízko výsledkům dosaženým při extrémně opatrném pomalém nabíjení. A teď ta hlavní pointa – pokud tyto systémy disponují kvalitním tepelným managementem, který dokáže snížit teploty alespoň o 30 %, částečné rychlé nabíjení začíná vypadat jako rozumný kompromis mezi touhou po rychlém nabíjení a potřebou prodloužit životnost baterií.