EN
BRZI LINKOVI
Litij-ionske baterije obično imaju gustoću energije od oko 150 do 200 Wh/kg, što ih čini dobrim izborom za kompaktne 48V sustave gdje jednostavno nema puno prostora. S druge strane, litij željezo fosfat ili LiFePO4 ističe se po znatno duljem vijeku trajanja kroz cikluse punjenja. Govorimo o više od 2000 potpunih ciklusa u usporedbi s samo 800 do 1200 ciklusa za standardne litij-ionske baterije, prema istraživanju EV litij-tehnologije iz prošle godine. Početna cijena za LiFePO4 je otprilike 10 do 20 posto viša od uobičajenih litij-ionskih opcija. No ono što ljudi često zanemaruju jest da se taj dodatni trošak isplati dugoročno, budući da se ove baterije zamjenjuju znatno rjeđe. Na dugoročnom razdoblju to rezultira uštedom od oko 40 posto po ciklusu u usporedbi s stalnim kupovanjem novih Li-ion paketa.
Katoda od željeznog fosfata u baterijama LiFePO4 ostaje stabilna čak i kada temperature dosegnu oko 270 stupnjeva Celzijusovih, što smanjuje mogućnost opasnih situacija termičkog bijega. Uobičajene litij-ionske baterije pričaju drugačiju priču. Prema istraživanju objavljenom prošle godine od strane Vatrer Power, ove tradicionalne kemije počinju propadati već pri temperaturama malo iznad 60 stupnjeva Celzijusovih. To stvara ozbiljne sigurnosne probleme na mjestima gdje je vruće. Zbog ove ugrađene stabilnosti, mnogi proizvođači prelaze na LiFePO4 za svoje 48-voltne sustave koji se koriste u teškim strojevima. Zamislite tvornice ili gradilišta gdje strojevi rade non-stop i gdje se ambientne temperature redovito penju iznad 50 stupnjeva. Baterija tada nastavlja raditi bez problema pregrijavanja.
Stvaranje topline u 48V sustavima pod velikim opterećenjem dolazi uglavnom iz tri izvora: unutarnjeg otpora pri vožnji biciklom, zagrijavanja u džulima pri povećanju struje i tih egzotermnih reakcija koje se događaju tijekom dubokih pražnjenja. Kada baterije rade na brzini pražnjenja od 3 stupnjeva C, njihova površina često doseže preko 54 stupnjeva Celzijusa ako ne postoji aktivno hlađenje, prema istraživanju objavljenom od strane MDPI-ja 2023. Za primjene u kojima su zahtjevi za energijom intenzivni, kao što su pomoćni sustavi električnih vozila, takvo nekontrolisano nakupljanje topline stvara opasne vruće točke širom paketa. Ove vruće zone razgrađuju baterijske ćelije mnogo brže nego što se to događa u pakovanjima s pravilnim toplinskim upravljanjem, ponekad smanjujući životni vijek za oko 40 posto ili više.
Kombinacija indirektnog hlađenja tekućinom s materijalima za promjenu faze, odnosno PCM-ovima, postaje jedna od najboljih metoda za postizanje visoke učinkovitosti i sigurnosti u tim novim 48-voltnim sustavima koje danas svuda vidimo. Istraživanje objavljeno u časopisu Journal of Power Sources još 2025. godine pokazalo je nešto prilično zanimljivo. Kada su testirali hibridne sustave koji koriste i hlađenje tekućinom i PCM-ove, vršne temperature u automobilskim baterijama smanjile su se za oko 18 posto pri radu u okolišnoj temperaturi od 35 stupnjeva Celzijusovih. Prilično impresivni rezultati. Moderni sustavi termalne kontrole postaju sve pametniji. Oni mogu prilagođavati protok rashladnog sredstva ovisno o trenutnim uvjetima. Ova dinamička prilagodba štedi otprilike 70 posto energije u usporedbi sa starijim sustavima stalne brzine, i to uz održavanje razlike temperatura između ćelija unutar samo 1,5 stupnjeva Celzijusovih. Kad malo razmislite, potpuno ima smisla.
Toplinski dizajni moraju biti prilagođeni radnim uvjetima:
Modularne tekućinske rashladne ploče postale su mjerodavni standard, omogućujući besprijekornu proširenost od 5kWh stambenih jedinica do 1MWh sustava veličine mreže, bez potrebe za ponovnim projektiranjem ključnih toplinskih komponenti.
Istraživači na području primijenjene termotehnike proveli su 2025. godine testove kako bi ispitivali kako poseban višeslojni PCM tekući sustav funkcionira s 48-voltnim baterijama za viljuškare unutar skladišta u kojima temperature dosežu oko 45 stupnjeva Celzijusovih. Rezultati su bili prilično impresivni. Ove baterije ostale su hladne, održavajući maksimalnu temperaturu od oko 29,2 stupnja Celzijusovih tijekom dugih osmoročasovnih smjena. To je zapravo 7,3 stupnja hladnije u odnosu na uobičajene baterije bez ikakvog sustava hlađenja. A tu je još jedna dobra vijest. Godišnji gubitak kapaciteta baterije smanjio se drastično s 15 posto na samo 2,1 posto. Kada su testirani u stvarnim uvjetima, ovi sustavi pokazali su minimalne razlike temperatura manje od 2 stupnja na svih 96 ćelija, čak i tijekom intenzivnih sesija brzog punjenja od 150 ampera. Prilično izvanredno za sve one koji se bave zahtjevnim radom s baterijama.
Glavni izvori gubitka energije u 48V sustavima uključuju unutarnji otpor koji varira između 3 i 8 posto, uz toplinske gubitke rasipanja od oko 2 do 5 posto tijekom svakog ciklusa punjenja, a da ne spominjemo one dosadne neučinkovitosti na sučeljima elektroda. Kada punjenje nije ispravno provedeno, gubici zbog otpora mogu porasti čak 12% više nego kod pristupa s uravnoteženim punjenjem, prema nekim nedavnim istraživanjima koja ispituju najbolje načine optimizacije punjenja litij-ionskih baterija. Za sve one koji rade s visokosnim aplikacijama poput pogonskih sustava električnih vozila, ovakvi gubici zaista imaju značaja jer stalno brzo cikliranje ubrzano troši komponente tijekom vremena.
Sustavi za upravljanje baterijama danas omogućuju bolje funkcioniranje jer pametno prilagođavaju tok struje. To pomaže u smanjenju dosadnih otpornih gubitaka na njihovim najgorim točkama između 18 i 22 posto. Također vrlo precizno uravnotežuju ćelije, održavajući naponsku razliku unutar samo 1,5% na svim ćelijama. A kada je hladno vani, ovi sustavi nadoknađuju promjene temperature tijekom punjenja kako ne bismo imali problema s taloženjem litija. S obzirom na istraživanja istraživača, baterije koje koriste ovaj višestupanjski pristup stalne struje zapravo gube manje kapaciteta tijekom vremena. Testovi na 48-voltnim LiFePO4 sustavima pokazali su otprilike 16,5% manje degradacije u usporedbi sa starijim metodama kontrole punjenja. Razumljivo je zašto sve više tvrtki prelazi na ove napredne sustave za rješenja dugotrajnije energije.
Varijabilna opterećenja u robotici i mikromrežama obnovljivih izvora energije uzrokuju izazove u učinkovitosti:
| Karakteristika opterećenja | Utjecaj na učinkovitost | Strategija ublažavanja |
|---|---|---|
| Visoki strujni vrhovi (≥3C) | sag napona 8–12% | Kondenzatori s iznimno niskim ESR-om |
| Frekvencijske fluktuacije (10–100 Hz) | gubitci uslijed valovitosti od 6% | Aktivno filtriranje harmonika |
| Povremena razdoblja mirovanja | 3% samopražnjenja/sat | Režimi BMS-a za duboki san |
Podaci telekomunikacijskog rezervnog sustava pokazuju da usklađivanje opterećenja povećava učinkovitost ciklusa punjenja i pražnjenja s 87% na 93% kod 48V litij-ionskih baterija te smanjuje potrebu za energijom za termalno upravljanje za 40%.
Gubitak kapaciteta u 48V baterijskim sustavima događa se uglavnom zbog tri stvari: rasta sloja čvrstog elektrolita, formiranja taloga litija na elektrodama i fizičkog naprezanja uzrokovanih stalnim širenjem i skupljanjem materijala tijekom ciklusa punjenja. Kada temperature porastu, ove neželjene kemijske reakcije znatno se ubrzavaju. Istraživanje objavljeno prošle godine pokazuje da ako radna temperatura poraste samo 10 stupnjeva Celzijus iznad 30 stupnjeva, broj ciklusa punjenja prije kvara pada za pola. Za proizvođače automobila koji se suočavaju s uvjetima stvarne vožnje, ovaj mehanički trošenje postaje još gore tijekom vremena jer vozila podvrgavaju baterije različitim vibracijama i naglim promjenama opterećenja dok su na cesti.
Korištenje 48V baterija unutar raspona punjenja od 20%–80% (SOC) smanjuje stvaranje SEI sloja za 43% u usporedbi s punim ciklusima punjenja. Analiza NREL-a iz 2023. godine pokazala je da stopa punjenja od 0,5C (punjenje u trajanju od 3 sata) zadržava 98% početnog kapaciteta nakon 800 ciklusa, nasuprot 89% zadržavanja pri 1C.
| Brzina punjenja | Broj ciklusa do 80% kapaciteta | Godišnji gubitak kapaciteta |
|---|---|---|
| 0,3C | 2,100 | 4.2% |
| 0.5c | 1,700 | 5.8% |
| 1,0C | 1,200 | 8.3% |
Tablica: Utjecaj brzine punjenja na vijek trajanja 48V litij-ionskih baterija (NREL 2023)
Brzo punjenje na 1C definitivno skraćuje vrijeme čekanja, ali ima i nedostatke: baterije u unutrašnjosti imaju tendenciju zagrijavanja za oko 55 do 70 posto u usporedbi s sporijim punjenjem od 0,5C. Nedavni pregled komercijalnih sustava za pohranu energije iz 2024. godine pokazao je nešto zanimljivo. Ispitali su pristup kod kojeg se puni maksimalnom brzinom (1C) sve dok se ne dostigne oko 70% kapaciteta, a zatim se uspori na samo 0,3C. Nakon 1.200 ciklusa punjenja, ovaj je postupak zadržao otprilike 85% prvobitnog kapaciteta, što je zapravo vrlo blizu rezultatima koje daju izrazito oprezni metodi sporijskog punjenja. A evo ključne stvari – ako ti sustavi imaju dobar sustav upravljanja temperaturom koji može smanjiti temperature za najmanje 30%, djelomično brzo punjenje počinje izgledati kao pametan kompromis između želje za brzim punjenjem i potrebe za duljim vijekom trajanja baterija.