Dlaczego baterie w samochodach elektrycznych tracą wydajność podczas mrozów?

Spadek wydajności samochodów elektrycznych zimą nie jest efektem „niedopracowanej technologii”, lecz bezpośrednią konsekwencją praw fizyki i chemii, które rządzą ogniwami litowo-jonowymi. Niskie temperatury wpływają jednocześnie na kinetykę reakcji elektrochemicznych, właściwości materiałów elektrod, zachowanie elektrolitu oraz strategię zarządzania energią przez system BMS. Dopiero suma tych zjawisk powoduje zauważalne ograniczenie zasięgu i mocy.

Spowolnienie reakcji elektrochemicznych

Podstawowym źródłem problemu jest temperaturowa zależność kinetyki reakcji chemicznych. W ogniwie litowo-jonowym, energia powstaje dzięki przemieszczaniu się jonów litu pomiędzy anodą a katodą. W niskiej temperaturze:

• jony litu poruszają się wolniej,

• reakcje redoks zachodzą mniej efektywnie,

• rośnie opór wewnętrzny ogniwa.

Zjawisko to wynika bezpośrednio z równania Arrheniusa, innymi słowy, im niższa temperatura, tym mniejsza energia kinetyczna cząsteczek i wolniejszy przebieg reakcji. Efektem jest spadek dostępnej mocy oraz pojemności użytkowej.

Wzrost oporu wewnętrznego ogniwa

Jednym z kluczowych parametrów baterii jest jej opór wewnętrzny. W niskich temperaturach opór ten gwałtownie rośnie, co ma kilka konsekwencji:

• większe straty energii w postaci ciepła,

• spadek napięcia pod obciążeniem,

• ograniczenie maksymalnej mocy oddawanej do silników.

Dla użytkownika oznacza to wolniejsze przyspieszanie, niższą rekuperację oraz szybsze „znikanie” procentów na wskaźniku naładowania.

Zachowanie elektrolitu w niskiej temperaturze

Elektrolit w ogniwach litowo-jonowych, najczęściej będący mieszaniną rozpuszczalników organicznych i soli litu, gęstnieje w niskich temperaturach. W skrajnych przypadkach może częściowo tracić zdolność przewodzenia jonów.

To powoduje:

• utrudniony transport jonów litu,

• dalszy wzrost oporu,

• ryzyko nierównomiernego osadzania się litu na anodzie.

Właśnie dlatego ładowanie zimnej baterii bez wcześniejszego podgrzania jest szczególnie niebezpieczne. Znanym zjawiskiem jest to, że kiedy podłączymy zimną baterię do szybkiej stacji, przez pierwsze 15-20 minut ładowanie może się w ogóle nie odbywać. Na wyśweitlaczu widnieje natomiast informacja o tym, że ładowanie się rozpocznie, kiedy bateria uzyska odpowiednią temperaturę. Dopiero wtedy widzimy, że przybywa nam w baterii kWh, choć niezwykle wolno.

Ryzyko osadzania się litu metalicznego

Jednym z najbardziej krytycznych zjawisk chemicznych w niskich temperaturach jest tzw. lithium plating, czyli osadzanie się metalicznego litu na powierzchni anody.

Gdy bateria jest zimna:

• jony litu nie zdążają wnikać w strukturę grafitu,

• zamiast tego odkładają się w postaci metalu,

• prowadzi to do trwałej degradacji ogniwa.

Z tego powodu systemy BMS drastycznie ograniczają moc ładowania i rozładowania, aby chronić baterię przed nieodwracalnym uszkodzeniem.

Działanie systemu zarządzania baterią (BMS)

System BMS czuwa nad baterią... szczególnie podczas warunków takich jak na zdjęciu. Mróz plus śnieg, to kiepska kombinacja dla

naszego EV.

Nowoczesne samochody elektryczne aktywnie bronią się przed skutkami mrozu. System BMS:

• ogranicza dostępną pojemność przy niskiej temperaturze,

• zmniejsza moc oddawaną do silników,

• redukuje intensywność rekuperacji,

• uruchamia ogrzewanie baterii.

Choć z punktu widzenia kierowcy wygląda to jak „utrata zasięgu”, w rzeczywistości jest to strategia ochronna, mająca na celu wydłużenie życia baterii nawet kosztem chwilowej wydajności. BMS ma za zadanie dbać o naszą baterię. W taki sposób aby maksymalnie wydłużyć jej żywotność. I nie zwraca uwagi na nasze humory i obrażanie się na zasięg czy duże zużycie energii podczas jazdy.

Energia zużywana na ogrzewanie

Zimą bateria nie tylko pracuje mniej efektywnie. Część zgromadzonej energii jest zużywana na jej własne ogrzewanie. Dodatkowo energia trafia na:

• ogrzewanie kabiny,

• podgrzewanie szyb, lusterek i foteli,

• utrzymanie optymalnej temperatury elektroniki.

W samochodach spalinowych ciepło jest „odpadem” procesu spalania. W elektrycznych musi zostać wytworzone celowo, co bezpośrednio wpływa na zasięg.

Dlaczego problem dotyczy wszystkich EV

Nie jest to wada konkretnej marki czy chemii. Nawet najnowocześniejsze ogniwa:

• NCA,

• NMC,

• LFP,

podlegają tym samym prawom fizyki. Różnice dotyczą jedynie skali zjawiska, a nie jego istnienia. Dlatego producenci inwestują ogromne środki w pompy ciepła, aktywne zarządzanie temperaturą oraz predykcyjne podgrzewanie baterii przed ładowaniem.

Podsumowanie, czyli co ustaliliśmy?

Spadek wydajności baterii zimą wynika z połączenia:

• wolniejszej kinetyki reakcji elektrochemicznych,

• wzrostu oporu wewnętrznego,

• pogorszenia właściwości elektrolitu,

• ryzyka degradacji chemicznej,

• strategii ochronnych systemu BMS,

• dodatkowego zużycia energii na ogrzewanie.

Nie jest to słabość technologii elektrycznej, lecz naturalna konsekwencja jej fizycznych fundamentów. Co istotne, wraz z rozwojem chemii ogniw i systemów zarządzania, wpływ mrozu będzie coraz mniej odczuwalny ale nigdy całkowicie wyeliminowany. Nie ma doskonałej technologii napędu aut. Czy to spalinowe czy elektryczne - samochody podlegają pewnym ograniczeniom. Mniejszym lub większym, ale jednak...

Fot: x.comniccruzpatane