Setki kilogramów, bez których auto nie pojedzie. Jak działają akumulatory w samochodach elektrycznych?

Bartłomiej Pawlak
Akumulatory litowo-jonowe zasilają dziś nie tylko niewielkie urządzenia elektroniczne pokroju smartfonów, ale również znacznie bardziej prądożerne samochody elektryczne. Zasada ich działania jest jednak identyczna. Wyjaśniamy, jak zbudowany jest akumulator i w jaki sposób napędza pojazd.
Zobacz wideo Szwedzi budują drogę, która ładuje auta podczas jazdy

Samochody elektryczne to pojazdy zdecydowanie prostsze w budowie od pojazdów spalinowych. Nie ma w nich wielu elementów, które mogą się zepsuć lub zużyć (np. skrzyni biegów). Są też zdecydowanie cichsze, czystsze i oczywiście bardziej ekologiczne od aut z silnikami benzynowymi czy Diesla.

O zaletach i wadach samochodów elektrycznych pisaliśmy już wiele razy. Tym razem skupmy się na tym, jak zbudowany jest kluczowy element (najczęściej też najdroższy) każdego samochodu elektrycznego - akumulator.

Jak zbudowane jest ogniwo?

Choć na rynku mamy bardzo wiele rodzajów akumulatorów, zasada ich działania jest bardzo podobna. Akumulator jest rodzajem ogniwa galwanicznego, które składa się z dwóch elektrod (np. w akumulatorze litowo-jonowym jedna z nich wykonana jest ze związków litu, a druga z węgla) oddzielonych separatorem i zanurzonych w substancji zwanej elektrolitem.

Podłączając takie ogniwo do prądu wymuszamy reakcję chemiczną - przepływ ładunków z jednej elektrody do drugiej. W momencie rozładowywania zachodzi proces odwrotny - ładunki stopniowo przepływają w przeciwnym kierunku i zmniejsza się różnica potencjałów (napięcie). W wyniku tego zjawiska możemy zatem odzyskać energię (a przynajmniej jej część) zgromadzoną przy ładowaniu i przekazać ją do silnika elektrycznego.

W zależności od tego, z czego wykonane są m.in. elektrody i elektrolit możemy wyróżnić inne typy ogniw. Różnią się one m.in. napięciem znamionowym oraz właściwościami. Najlepsze są oczywiście te, które "najchętniej" przyjmują i oddają energię nie wykazując przy tym negatywnych właściwości (np. efektu pamięci, o którym dalej).

Łącząc ze sobą dwa lub więcej ogniw tworzymy baterie ogniw (choć słowem bateria potocznie nazywa się również pojedyncze ogniwo, np. baterię AA). Stosując połączenia szeregowe oraz równoległe możemy zmieniać napięcie i łączną pojemność akumulatora.

Wiedza elektryzującaWiedza elektryzująca Zuzanna Krzyczkowska

Akumulatory litowo-jonowe

Opisany wyżej uproszczony schemat odnosi się oczywiście zarówno do tych starszych, jak i najnowszych rodzajów ogniw. Te, które wykorzystywane są dziś w elektronice najczęściej to akumulatory litowo-jonowe Li-Ion (spotkamy je w prawie wszystkich smartfonach, laptopach, aparatach cyfrowych, inteligentnych zegarkach itd.).

Akumulatory tego typu mają napięcie ok. 3,6 V na jedno ogniwo i charakteryzują się znacznie większą gęstością energii (większą pojemnością przy tej samej masie i objętości) od starszych typów (np. akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych NiMH wykorzystywanych np. w akumulatorach AA czy starszych pojazdach hybrydowych).

Akumulatory litowo-jonowe pozwalają nie tylko na umieszczenie większej ilości energii w mniejszych pakietach ogniw, ale są też znacznie trwalsze od NiMH i odporne na wiele niekorzystnych efektów dotykających starsze typy akumulatorów. Co więcej, pozwalają na stosunkowo szybkie ładowanie bez wpływu (lub jest on bardzo niewielki) na żywotność.

Nic zatem dziwnego, że Li-Ion zainteresowali się w końcu również producenci samochodów. Obecnie to właśnie akumulatory litowo-jonowe stosowane są do zasilania zarówno pojazdów hybrydowych, jak i w pełni elektrycznych.

CHAdeMO złącze do ładowania samochodu elektrycznegoCHAdeMO złącze do ładowania samochodu elektrycznego Maciej Gis

Wady i zalety akumulatorów litowo-jonowych

W samochodach elektrycznych korzysta się obecnie z zestawów akumulatorów litowo-jonowych (najczęściej umieszczonych po podłogą), które mają najczęściej pojemność od ok. 20 do powyżej 100 kWh. Oznacza to, że czysto teoretycznie powinny być w stanie oddawać moc (przy pojemności 100 kWh) np. 100 kW przez godzinę, 10 kW przez 10 godzin czy 1 kW przez 100 godzin.

Niezależnie jednak od pojemności ogniw, akumulatory litowo-jonowe mają podobne zalety i wady. Do tych pierwszych zaliczyć możemy m.in. wspomniany już brak efektu pamięci, czyli tymczasowego zmniejszenia pojemności akumulatora (po wielu cyklach ładowania lub rozładowywania do podobnej wartości) oraz efektu leniwej baterii (zmniejszenia pojemności naładowanego akumulatora, jeśli wcześniej został tylko częściowo rozładowany). 

Baterii w samochodach elektrycznych nie musimy więc formować (ładować do 100 proc. i rozładowywać do zera) po zakupie auta, ani każdorazowo rozładowywać przed ponownym podłączeniem do prądu. Jest wręcz odwrotnie, akumulatory litowo-jonowe zachowują większą żywotność, jeśli unikamy całkowitego rozładowania oraz ładowania do pełna. Najlepiej bowiem, gdy pracują przy ok. 40-75 proc. swojej pojemności.

Warto tu zaznaczyć, że układy elektroniczne odpowiadające za bezpieczną pracę baterii aut elektrycznych uniemożliwią nam ich faktyczne całkowite rozładowanie. Nawet, gdy wskaźnik pokazuje 0 proc., w ogniwach wciąż pozostaje pewna ilość energii. Taki "bezpiecznik" uniemożliwia spadek napięcia do wartości, które mogłyby spowodować uszkodzenie ogniw. Co więcej, komputer pokładowy części samochodów elektrycznych pozwala właścicielowi na zatrzymanie ładowania w momencie osiągnięcia np. 85 proc. pojemności, aby nieco wydłużyć żywotność baterii.

Minusem akumulatorów (wszystkich, nie tylko litowo-jonowych) jest właśnie ich ograniczona żywotność. Dla ogniw Li-Ion waha się ona od ok. dziesięciu do kilkunastu lat pracy. Wraz z wiekiem tracą swoje właściwości (przede wszystkim spada ich pojemność). Na szczęście różnice w zasięgu nowego i kilkuletniego samochodu elektrycznego nie są duże.

Producenci samochodów podają zresztą prognozowane (lub deklarowane) wartości określające ich żywotność po latach. Dla przykładu, w przypadku aut Volkswagena jest to przynajmniej 80 proc. pojemności początkowej po ośmiu latach (lub 160 tys. km). Często baterie samochodów elektrycznych zachowują jeszcze lepszą żywotność i pomimo bardzo intensywnej eksploatacji, po latach nie wykazują zauważalnych dla kierowcy zmian.