A lítium-ion akkumulátorok tipikusan körülbelül 150–200 Wh/kg energiasűrűséggel rendelkeznek, ami miatt jó választások lehetnek kompakt 48 V-os rendszerek esetén, ahol egyszerűen nincs sok hely. Másrészt a lítium-vas-foszfát (LiFePO4) azért emelkedik ki, mert sokkal hosszabb élettartamú töltési ciklusokon keresztül. Több mint 2000 teljes ciklusról beszélünk, szemben az átlagos lítium-ion akkumulátorok 800–1200 ciklusával, legalábbis az előző év elektromos járművekkel kapcsolatos lítium-kutatásai szerint. A LiFePO4 kezdeti ára körülbelül 10–20 százalékkal magasabb, mint a hagyományos lítium-ion elemeké. Ám amit az emberek gyakran figyelmen kívül hagynak, hogy ez a plusz beruházás hosszú távon megtérül, mivel ezeket az akkumulátorokat sokkal ritkábban kell cserélni. Idővel ez összességében körülbelül 40 százalékos megtakarítást eredményez ciklusonként, ha folyamatosan új lítium-ion blokkokat kell vásárolni.
A LiFePO4 akkumulátorok vas-foszfát katódja akkor is stabil marad, amikor a hőmérséklet körülbelül 270 fok Celsiusra emelkedik, így csökkentve a veszélyes termikus futásvesztés esélyét. A hagyományos lítium-ion akkumulátorok esetében ez másképp van. A Vatrer Power tavaly publikált kutatása szerint ezek a hagyományos kémiai összetételek már 60 fok Celsius felett elkezdenek lebomlani. Ez komoly biztonsági aggályokhoz vezet olyan helyeken, ahol magas hőmérsékletek uralkodnak. Ennek a beépített stabilitásnak köszönhetően egyre több gyártó vált át LiFePO4 akkumulátorokra nehéz ipari gépekhez használt 48 voltos rendszereikben. Gondoljon csak gyárakra vagy építkezésekre, ahol a gépek folyamatosan működnek, és a környezeti hőmérséklet rendszeresen meghaladja az 50 fokot. Az akkumulátor ilyen körülmények között is zavartalanul működik, túlmelegedés nélkül.
A hőtermelés a 48 V-os rendszerekben nagy terhelés alatt főként három forrásból származik: belső ellenállás töltési és kisütési ciklusok során, joule-hő keletkezése áramcsúcsok idején, valamint exoterm reakciók, amelyek mély kisütések során következnek be. Amikor az akkumulátorok 3C-es kisütési sebességgel működnek, felületük gyakran meghaladja az 54 °C-ot, ha nincs jelen aktív hűtés, mint azt a MDPI 2023-ban közzétett kutatása is jelzi. Olyan alkalmazásoknál, ahol az energiaigény kiemelkedő, például elektromos járművek segédrendszereinél, az ilyen ellenőrizetlen hőfelhalmozódás veszélyes melegedési pontokat hoz létre az akkumulátorsorban. Ezek a melegebb területek sokkal gyorsabban rontják az akkumulátorcellák állapotát, mint a megfelelő hőmérséklet-szabályozással rendelkező rendszerek, és időnként akár 40 százalékkal vagy még többel is csökkenthetik az élettartamot.
Az indirekt folyadékhűtés és a halmazállapot-változásos anyagok, azaz a PCM-ek kombinációja egyre inkább a legjobb módszerek közé emelkedik a jól hatékony és biztonságos 48 voltos rendszerek esetében, amelyeket manapság mindenhol láthatunk. A Journal of Power Sources 2025-ben közzétett kutatása valami egészen érdekes dolgot mutatott ki. Amikor hibrid rendszereket teszteltek, amelyek egyszerre használtak folyadékhűtést és PCM-eket, a csúcshőmérséklet körülbelül 18 százalékkal csökkent azon az autóakkumulátoron, amely 35 °C-os környezeti hőmérsékleten működött. Egész lenyűgöző eredmény. A modern hőszabályozó rendszerek is egyre okosabbak. Képesek a hűtőfolyadék áramlását az aktuális helyzetnek megfelelően szabályozni. Ez a dinamikus beállítás körülbelül 70 százalékkal takarít meg energiát a régebbi, állandó fordulatszámú rendszerekhez képest, miközben a cellák közötti hőmérsékletkülönbséget mindössze 1,5 °C-on belül tartja. Ha belegondolunk, teljesen logikus.
A hőtervezésnek az üzemeltetési környezethez kell igazodnia:
A moduláris folyadékhűtéses hűtőlemezek méretezhető szabványként jelentek meg, amelyek lehetővé teszik a zavartalan bővítést 5 kWh-es lakossági egységektől 1 MWh-os hálózati rendszerekig anélkül, hogy az alapvető hőkomponenseket újra kellene tervezni.
A Applied Thermal Engineering kutatói 2025-ben teszteket végeztek annak vizsgálatára, hogyan működik egy speciális többrétegű PCM-folyadékrendszer 48 V-os villástargoncák akkumulátorjaival olyan raktárakban, ahol a hőmérséklet körülbelül 45 fok Celsiusra emelkedik. Az eredmények meglehetősen lenyűgözőek voltak. Ezek az akkumulátorok hűvösek maradtak, és egész hosszú, nyolcórás műszakjuk alatt is csupán körülbelül 29,2 fokos maximális hőmérsékletet értek el. Ez valójában 7,3 fokkal alacsonyabb, mint a hűtés nélküli hagyományos akkumulátoroknál. És van még jobb hír is: az éves kapacitásveszteség drasztikusan csökkent, 15 százalékról mindössze 2,1 százalékra. Valódi körülmények között végzett tesztek során ezek a rendszerek minimális, 2 fok alatti hőmérsékletkülönbséget mutattak mind a 96 cella esetében, még intenzív, 150 amperes gyorstöltési folyamatok alatt is. Elég figyelemre méltó eredmény mindenki számára, aki nehézüzemi akkumulátorkivitelű berendezésekkel foglalkozik.
A 48V rendszerekben fellépő fő energia veszteségi források közé tartozik a belső ellenállás, amely 3 és 8 százalék között mozog, valamint a hőmérsékleti disszipációs veszteségek, melyek körülbelül 2–5 százalékosak minden töltési ciklus során, nem is említve az elektródhatárfelületeken jelentkező bosszantó hatékonysági hiányosságokat. Amikor a töltés nincs megfelelően végrehajtva, az Ohmikus veszteségek akár 12 százalékkal magasabbak lehetnek, mint jól kiegyensúlyozott töltési módszerek esetén, ahogy azt néhány friss tanulmány is kimutatta, amelyek a lítium-ion akkumulátorok töltésének optimalizálását vizsgálták. Minden olyan szakember számára, aki nagy teljesítményű alkalmazásokkal dolgozik, például elektromos járművek meghajtásával, ezek a veszteségek különösen fontosak, mivel a folyamatos gyors ciklusok idővel gyorsabban kopasztják az alkatrészeket.
A mai napig a vezérlőegységek jobban működnek, mivel intelligensen szabályozzák az áramot. Ez segít csökkenteni a kellemetlen ohmos veszteségeket a legrosszabb pontokon 18 és 22 százalék között. Emellett rendkívül pontosan kiegyensúlyozzák az egyes cellákat, így a feszültségkülönbség minden cella esetén mindössze 1,5 százalék marad. Amikor pedig hideg van kint, ezek az egységek kompenzálják a hőmérsékletváltozásokat töltés közben, így elkerülhető a lítium bevonódásának problémája. A kutatók eredményeit tekintve, az ilyen többfokozatú állandó áramú töltési módszert alkalmazó akkumulátorok valóban kevesebb kapacitást veszítenek az idő során. A 48 V-os LiFePO4 rendszereken végzett tesztek azt mutatták, hogy körülbelül 16,5 százalékkal kevesebb degradáció következik be a régi töltésszabályozási módszerekhez képest. Világos, miért váltanak egyre több cég ilyen fejlett rendszerekre hosszú élettartamú energiaellátási megoldások érdekében.
A változó terhelések a robotikában és a megújuló energiájú mikrohálózatokban hatékonysági kihívásokat jelentenek:
| Terhelési jellemző | Hatékonysági hatás | Kockázatcsökkentési stratégia |
|---|---|---|
| Nagy áramcsúcsok (≥3C) | 8–12% feszültségesés | Ultra alacsony ESR kondenzátorok |
| Frekvencia-ingadozások (10–100 Hz) | 6% hullámossági veszteségek | Aktív harmonikus szűrő |
| Időszakos tétlen állapotok | 3% önkisülés/óra | Mélyalvó BMS módok |
A távközlési tartalékrendszer adatai szerint a terhelés szabályozása 87%-ról 93%-ra növeli a környezeti hatékonyságot 48 V-os lítiumakkumulátoroknál, és 40%-kal csökkenti a hőkezelési energiaigényt.
A kapacitásvesztés 48V-os akkumulátorrendszerekben elsősorban három dolog miatt következik be: a szilárd elektrolit határréteg növekedése, lítiumlerakódások képződése az elektródokon, valamint anyagok állandó tágulása és összehúzódása miatti mechanikai igénybevétel töltési ciklusok során. Amikor a hőmérséklet emelkedik, ezek a kívánatlan kémiai reakciók drasztikusan felgyorsulnak. A tavaly megjelent kutatás szerint, ha a működési hőmérséklet mindössze 10 Celsius-fokkal emelkedik a 30 fok felett, az akkumulátor élettartama a felére csökken. Az autógyártók számára, amelyek a valós közlekedési körülményekkel kell számoljanak, ez a mechanikai elhasználódás idővel még súlyosabbá válik, mivel a járművek közlekedés közben különféle rezgéseknek és hirtelen terhelésváltozásoknak teszik ki az akkumulátorokat.
A 48V akkumulátorok 20–80% töltöttségi szint (SOC) tartományon belüli üzemeltetése 43%-kal csökkenti az SEI képződést a teljes töltési ciklussal összehasonlítva. Az NREL 2023-as elemzése szerint 0,5C töltési sebesség (3 órás töltés) mellett a kezdeti kapacitás 98%-a megmarad 800 ciklus után, míg 1C-nél ez az érték 89%.
| Töltési arány | Ciklusok száma 80% kapacitásig | Éves kapacitásveszteség |
|---|---|---|
| 0,3C | 2,100 | 4.2% |
| 0.5C | 1,700 | 5.8% |
| 1,0C | 1,200 | 8.3% |
Táblázat: A töltési sebesség hatása a 48V-os lítium-ion akkumulátorok élettartamára (NREL 2023)
A 1C-es gyors töltés határozottan csökkenti a várakozási időt, de hátránya is van: a különbség a lassabb, 0,5C-s töltéshez képest az, hogy a telepek belső hőmérséklete körülbelül 55–70 százalékkal magasabbra emelkedik. Egy 2024-es vizsgálat a kereskedelmi energiatároló rendszerekről azonban érdekes dolgot tárt fel. Kipróbáltak egy módszert, amely során maximális sebességgel (1C) töltöttek addig, amíg kb. 70%-os töltöttségi állapotot nem értek el, majd ezt lelassították 0,3C-re. Miután ezt a módszert 1200 töltési cikluson keresztül alkalmazták, a teljesítmény kb. 85%-át megtartották az eredeti kapacitáshoz képest, ami valójában meglehetősen közel áll a rendkívül óvatos, lassú töltési módszerek eredményeihez. És itt jön a lényeg: ha ezek a rendszerek hatékony hőkezelést kapnak, amely legalább 30%-kal csökkenti a hőmérsékletet, a részleges gyorstöltés egy okos köztes megoldásnak tűnik a gyors töltés iránti igény és a hosszabb élettartam biztosítása között.
EN