EN
Rýchle odkazy
Li-ion batérie zvyčajne majú energetickú hustotu približne 150 až 200 Wh/kg, čo tieto batérie robí vhodnou voľbou pri práci so kompaktnými 48V systémami, kde nie je veľa miesta. Na druhej strane sa lithium-železo-fosfát (LiFePO4) vyznačuje výrazne dlhšou životnosťou vzhľadom na počet nabíjacích cyklov. Hovoríme o viac ako 2000 úplných cykloch oproti len 800 až 1200 cyklom u bežných Li-ion batérií podľa výskumu EV lítiových batérií z minulého roku. Počiatočná cena LiFePO4 je približne o 10 až 20 percent vyššia v porovnaní s bežnými lithiovými iónovými batériami. Čo si ľudia často nevšimnú, je, že táto vyššia investícia sa dlhodobo vyplatí, pretože tieto batérie treba vymieňať oveľa menej často. V konečnom dôsledku to znamená úsporu približne 40 percent na jeden cyklus v porovnaní s pravidelným nákupom nových Li-ion balíkov.
Železofosforečná katóda v batériách LiFePO4 zostáva stabilná aj pri teplotách okolo 270 stupňov Celzia, čo znižuje riziko nebezpečných situácií termického poháňania. Bežné lithium-iontové batérie majú iný príbeh. Podľa výskumu spoločnosti Vatrer Power zverejneného minulý rok tieto tradičné chemické zloženia začínajú rozpadávať už pri teplote mierne vyššej ako 60 stupňov Celzia. To spôsobuje vážne bezpečnostné problémy v miestach, kde je horúco. Vzhľadom na túto vstavanú stabilitu sa mnohé výrobné spoločnosti obracajú k LiFePO4 pre svoje 48-voltové systémy používané v ťažkej technike. Stačí pomyslieť na továrne alebo staveniská, kde stroje bežia nepretržite a okolitá teplota pravidelne stúpa nad 50 stupňov. Batéria tak pokračuje v práci bez problémov s prehrievaním.
Generovanie tepla v systémoch 48 V pri vysokom zaťažení pochádza hlavne z troch zdrojov: vnútorného odporu pri cyklovaní, jehoového ohrevu pri náhlych prúdových špičkách a exotermických reakcií, ktoré prebiehajú počas hlbokého vybíjania. Keď batérie pracujú pri vybíjacích rýchlostiach 3C, ich povrch často dosahuje viac ako 54 stupňov Celzia, ak nie je zapojené aktívne chladenie, podľa výskumu publikovaného MDPI v roku 2023. Pre aplikácie s vysokými nárokmi na výkon, ako sú pomocné systémy elektrických vozidiel (EV), môže takýto nekontrolovaný tepelný nárast spôsobiť nebezpečné horúce miesta po celej batérii. Tieto horúce oblasti degradujú batériové články omnoho rýchlejšie ako u batérií s vhodným riadením teploty, niekedy až so skrátením životnosti o približne 40 percent alebo viac.
Kombinácia nepriameho kvapalinového chladenia s materiálmi s fázovou zmenou, alebo PCM, sa už dnes považuje za jednu z najlepších metód dosiahnutia vysokého výkonu aj bezpečnosti v nových 48-voltových systémoch, ktoré dnes vidíme všade. Výskum publikovaný v časopise Journal of Power Sources už v roku 2025 ukázal niečo dosť zaujímavé. Keď testovali hybridné systémy, ktoré spájali kvapalinové chladenie aj PCM, maximálne teploty v automobilových batériách pri okolitej teplote 35 stupňov Celzia klesli približne o 18 percent. Pomerne pôsobivé. Moderné systémy tepelnej regulácie sa stávajú aj chytrejšími. Dokážu upravovať prietok chladiacej kvapaliny na základe aktuálnych podmienok. Toto dynamické nastavenie šetrí približne 70 percent energie v porovnaní so staršími systémami s pevnou rýchlosťou, a to pri zachovaní rozdielu teplôt medzi článkami batérie len do 1,5 stupňa Celzia. Keď nad tým rozmýšľate, je to logické.
Tepelné návrhy musia byť prispôsobené prevádzkovým prostrediam:
Modulárne kvapalinové chladiace platne sa stali škálovateľným štandardom, čo umožňuje bezproblémové rozšírenie od domácich jednotiek s kapacitou 5 kWh až po systémy veľkosti siete s kapacitou 1 MWh bez nutnosti prenávrhovania základných tepelných komponentov.
Výskumníci z Applied Thermal Engineering vykonali v roku 2025 testy, ktoré skúmali, ako špeciálny viacvrstvový systém PCM kvapaliny funguje s 48-voltovými batériami pre vozíky vo vnútri skladov, kde teplota dosiahla približne 45 stupňov Celzia. Zistili niečo dosť pôsobivé. Tieto batérie sa udržiavali chladné a ich maximálna teplota počas dlhých osemhodinových pracovných zmien zostala na úrovni približne 29,2 stupňa Celzia. To je o 7,3 stupňa chladnejšie v porovnaní s bežnými batériami bez akéhokoľvek chladiaceho systému. A to ešte nie je všetko. Ročný pokles kapacity batérie výrazne klesol z 15 percent na len 2,1 percenta. Pri testovaní za reálnych podmienok tieto systémy ukázali minimálny rozdiel teplôt pod 2 stupne naprieč všetkými 96 článkami, aj počas intenzívnych relácií rýchleho nabíjania pri 150 ampérach. Pomerne pozoruhodné výsledky pre každého, kto sa zaoberá náročnými prevádzkovými batériovými systémami.
Hlavnými zdrojmi strát energie v 48V systémoch sú vnútorný odpor v rozmedzí 3 až 8 percent, ktorému sa pripočítavajú tepelné straty okolo 2 až 5 percent počas každého nabíjacieho cyklu, a to bez zohľadnenia tých otravných neúčinností na rozhraniach elektród. Ak nie je nabíjanie vykonané správne, môžu Ohmove straty stúpnuť až o 12 % viac v porovnaní so správnymi vyváženými metódami nabíjania, čo potvrdzujú aj niektoré nedávne štúdie zamerané na optimalizáciu nabíjania lítio-iónových batérií. Pre osoby pracujúce s vysokým výkonom, ako napríklad pohonné jednotky elektrických vozidiel, majú takéto straty veľký význam, pretože neustále rýchle cyklovanie spôsobuje rýchlejšie opotrebovanie komponentov.
Systémy riadenia batérií dnes zabezpečujú lepší chod, pretože inteligentne upravujú tok prúdu. To pomáha znížiť tie otravné rezistívne straty v ich najhorších bodoch o 18 až 22 percent. Tieto systémy tiež veľmi presne vyrovnávajú články, pričom udržiavajú napätie v rozmedzí len 1,5 % rozdielu medzi všetkými článkami. A keď je vonku chladno, tieto systémy kompenzujú zmeny teploty počas nabíjania, aby sme nemali problémy s lítiovým platením. Podľa výsledkov výskumov batérie používajúce tento viacstupňový prístup s konštantným prúdom strácajú v priebehu času menej kapacity. Testy na 48-voltových LiFePO4 systémoch ukázali približne o 16,5 % nižšiu degradáciu v porovnaní so staršími metódami riadenia nabitia. Je preto logické, že čoraz viac spoločností prechádza na tieto pokročilé systémy pre dlhšie trvajúce energetické riešenia.
Premenné zaťaženia v robotike a obnoviteľných mikro sieťach prinášajú výzvy z hľadiska účinnosti:
| Charakteristika zaťaženia | Dopad na efektivitu | Stratégia na zníženie rizika |
|---|---|---|
| Vysoké prúdové špičky (≥3C) | pokles napätia o 8–12 % | Kondenzátory s extrémne nízkym ESR |
| Kmitanie frekvencie (10–100 Hz) | straty vlnenia o 6 % | Aktívne odstránenie harmonických zložiek |
| Občasné obdobia nečinnosti | 3 % samovoľné vybitie/hodina | Režimy hlbokého spánku BMS |
Údaje zo záložného systému pre telekomunikácie ukazujú, že podmienenie zaťaženia zvyšuje účinnosť cyklu nabíjania a vybíjania z 87 % na 93 % u 48V lítiových batérií a zníži potrebu energie na termoreguláciu o 40 %.
Strata kapacity v systémoch 48V batérií nastáva hlavne z troch dôvodov: rast vrstvy tuhej elektrolytovej hranice, tvorba usadenín lítia na elektródach a fyzické namáhanie spôsobené neustálym rozširovaním a zmršťovaním materiálov počas nabíjacích cyklov. Keď teplota stúpne, tieto nežiaduce chemické reakcie sa výrazne zrýchľujú. Minuloročné výskumy ukázali, že ak prevádzková teplota stúpne o len 10 stupňov Celzia nad 30 stupňov, počet nabíjacích cyklov, ktoré batéria vydrží pred poruchou, klesne na polovicu. Pre automobilových výrobcov, ktorí musia rátať s reálnymi podmienkami jazdy, sa tento mechanický opotrebuvanie časom ešte zhoršuje, keďže vozidlá vystavujú batérie rôznym vibráciám a náhlym zmenám zaťaženia počas jazdy.
Prevádzka 48V batérií v rozsahu stavu nabitia (SOC) 20 % – 80 % znižuje tvorbu SEI o 43 % oproti plnému cyklovaniu. Analýza NREL z roku 2023 zistila, že nabíjacia rýchlosť 0,5C (nabíjanie 3 hodiny) zachováva 98 % pôvodnej kapacity po 800 cykloch, oproti 89 % udržanosti pri 1C.
| Rýchlosť náboje | Počet cyklov do 80 % kapacity | Ročná strata kapacity |
|---|---|---|
| 0,3C | 2,100 | 4.2% |
| 0.5c | 1,700 | 5.8% |
| 1,0C | 1,200 | 8.3% |
Tabuľka: Vplyv rýchlosti nabíjania na životnosť 48V batérií s lítiovými iónmi (NREL 2023)
Rýchle nabíjanie pri 1C určite skracuje čakaciu dobu, ale má aj nevýhodu: batérie sa zvnútra zohrievajú o približne 55 až 70 percent viac v porovnaní s pomalším nabíjaním pri 0,5C. Nedávne skúmanie komerčných systémov na ukladanie energie z roku 2024 však odhalilo niečo zaujímavé. Vyskúšali prístup, pri ktorom nabíjali maximálnou rýchlosťou (1C) až do dosiahnutia približne 70 % stavu nabitia, potom spomalili na len 0,3C. Po prejdení 1 200 nabíjacích cyklov táto metóda zachovala približne 85 % pôvodnej kapacity, čo je v skutočnosti dosť blízko tomu, čo sa dosahuje pri tých najopatrnejších pomalých metódach nabíjania. A tu je háčik – ak tieto systémy majú dobré termálne riadenie, ktoré dokáže znížiť teploty aspoň o 30 %, čiastočné rýchle nabíjanie začína byť rozumným kompromisom medzi požiadavkou na rýchle nabíjanie a tým, aby batérie vydržali čo najdlhšie.