Trakční baterie
| Site: | Moodle ZČU |
| Course: | KEV/EMB Elektromobilita - podklady k výuce |
| Book: | Trakční baterie |
| Printed by: | Invitado |
| Date: | Thursday, 22 October 2026, 2:27 AM |
1. Základní vlastnosti a charakteristiky baterií Li-ion
Technologie na bázi Lithia
- V současné době jsou lithiové články naprosto dominantní technologií v oblasti trakčních baterií.
1.1. Historie
- 1970–80 Vývoj technologie (Goodenough, Whittingham, Yazami, Mizushima)
- 1985 První prototyp baterie Li-ion (Yoshino)
- 1991 První komerční článek Li-ion, fa. Sony (Nishi, Tozawa)
- 2019 Nobelova cena za chemii: Yoshino, Goodenough, Wittingham, za vývoj baterií Li-ion
1.2. Lithium a alkalické kovy
- Lithium patří do skupiny alkalických kovů.
- Alkalické kovy jsou měkké, stříbrobílé látky s nízkou teplotou tání a malou hustotou.
- Li je nejlehčí kov, lehčí než voda, měkčí než mastek.
- Kov z chemického hlediska – prvek, který se snadno zbavuje elektronů a tvoří kladně nabité ionty.
- Alkalické kovy mají ve valenční sféře pouze jeden elektron.
- Jsou mimořádně reaktivní => v přírodě pouze jako sloučeny.
- Na a K patří mezi nejrozšířenější prvky, ale Li je velmi vzácné.
- Lithium na vzduchu hoří (uchovává se v petroleji):
4 Li + O2 → 2 Li2O
- Alkalické kovy reagují se sloučeninami obsahující kladně nabitý vodík H+ (zejména kyseliny).
- Bouřlivá reakce, uvolnění tepla a vodíku H → výbušnost!
1.3. Lithium
- Výroba: těžba rudy (spodumen, Li2O.Al2O3.4SiO2) → výroba chloridu lithného → elektrolýza
- Beketovova řada kovů – dle standardního elektrodového potenciálu (potenciál vztažený k vodíkové elektrodě, H má potenciál 0 V).
- Lithium je na vrcholu Beketovovy řady kovů, tj. má nejvyšší elektrodový potenciál: -3,04 V
 |
 |
 |
|---|---|---|
|
Lithium v čisté formě |
Lithium v reakci s vodou |
Karmínově červený plamen lithia |
|
Beketovova řada kovů |
1.4. Typy lithiových baterií
- Primární články Li – jednorázové, nelze nabíjet.
- Nabíjení vede ke vzniku krystalických struktur pevného lithia, které mohou poškodit separátor a způsobit zkrat baterie.
- Li-ion – dobíjitelné baterie, pouze ionty lithia Li+
- Li-polymer – stejné složení jako Li-ion, separátor je nahrazen speciálním polymerem, dražší než Li-ion
- Li-air – vysoká hustota energie, kosmické programy
- Malé množství vzdušného kyslíku (20%)
- Li-S, Na, …
 |
 |
 |
|---|---|---|
|
Krystalické struktury lithia |
Li-ion vs. Li-polymer |
Primární jednorázové články |
https://global.abb
batteries2020.eu
1.5. Článek Li-ion
- Katoda – oxid kovu (LiMO2, M…Co, Mn, Fe, Ni), kolektor Al
- LiMO2 – LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2
- Anoda – grafit, kolektor Cu
- Separátor – tenké porézní fólie (polyetylen, polypropylen)
- Elektrolyt – lithiová sůl a organické rozpouštědlo
- Iionty Li+ putují přes separátor z anody do katody.
- Elektrony prostřednictvím elektrického obvodu.
- Ionty proniknou do mřížky oxidu kovu LiMO2.
- Vybitý článek = stabilní stav
Nabíjení
- Ionty Li+ putují přes separátor z katody do anody.
- Vrstvené struktury grafitu umožňují interkalaci („vmezeření“) Li+.
- Grafit nehraje roli v chemické reakci, pouze „storage medium“ pro Li+.
- Nabitý článek = nestabilní stav
Článek baterie Li-ion
1.6. Článek Li-ion II
- Nárůst teploty do kritických hodnot → odpaření elektrolytu → vnitřní zkrat → požár/exploze
- Separátor – brání vnitřnímu zkratu, porézní, průchozí pro Li+.
- Elektrolyt nanesen na tenký separátor.
- Cylindrický článek – všechny tyto vrstvy smotány do svitku.
- Elektrony nesmí přijít do kontaktu s elektrolytem → degradace elektrolytu.
- SEI (solid electrolyte interphase) – vrstva zabraňující kontaktu elektronů s elektrolytem a jeho degradaci
- SEI se utváří při úplně prvním nabití.
- Li+ → elektrolyt → Li+ + molekuly rozpouštědla → reakce s grafitem → SEI
- Na vytvoření SEI se spotřebuje cca 5% lithia.
- Současná životnost baterie: 3000 cyklů, 10 let
- Směr R&D – nahradit grafit pomocí Si
- Zvýšení hustoty energie
- Si se ale zvětšuje při nabíjení, možná kombinace grafitu a Si.
1.7. Charakteristika článku
1.8. Degradace a stárnutí
- Přirozené stárnutí – baterie samovolně po několika letech ztrácí kapacitu a selže, aniž by byl odebírán proud.
- Tunelování elektronů skrz SEI do elektrolytu.
- Elektrony reagují s elektrolytem a tvoří další vrstvy SEI → SEI se zvětšuje a elektrolyt se postupně spotřebovává.
- Tento proces se výrazně zrychlí, pokud se baterie používá a je odebírán proud.
- Li+ procházející elektrolytem → strhávají molekuly rozpouštědla → reagují s tunelujícími elektrony → narůstá vrstva SEI → spotřebovává se elektrolyt i lithium → zničení baterie.
2. Hustota energie a výkonu
- Hustota
výkonu (kW/kg) je klíčový parametr pro dosažení napájecího výkonu trakčního motoru při dané velikosti trakční baterie.
- Hustota
energie (kWh/kg) je klíčová pro určení dojezdu při dané velikosti trakční baterie.
2.1. Hustota energie a hustota výkonu baterií
- Hustota výkonu: kW/kg (případně kW/l)
- Hustota energie: kWh/kg (případně kWh/l)
2.2. Porovnání s fosilními palivy
- Hustota energie moderních lithiových bateriích dosahuje max. 200 Wh/kg.
- Ve srovnání s tradičními olověnými bateriemi je to 5 – 7x více.
- Hustota energie fosilních paliv je mnohonásobně vyšší.
2.3. Ostatní
2.4. Výzkum a vývoj
Oxid kovu
- Mnoho variant pro náhradu kovu M v oxidu LiMO2
- Ni, Hg, Co, Al, … dopad na náklady, hustota energie, počet cyklů
Aquaeos Li-ion, interkalace pomocí halogenu
- Elektrolyt – sůl ve vodě (řeší také hořlavost), využití halogenů (F, Cl, Br, I) pro zlepšení interkalace v grafitu.
- Publikováno v časopise Nature, hustota energie 460 Wh/kg.
Li-air (Li-O2)
- Kyslík z vnějšího prostředí
- Elektrochemický článek s teoreticky nejvyšší hustotou energie – 11,7 kWh/kg (benzín 13 kWh/kg)
Princip baterie Li-O2
- Anoda – lithium, Li → Li+ + e-
- Katoda – uhlík, Li2O2
- Li+ + e- + O2 → LiO2 + e- + O2 → Li2O2
2.5. Účinnost
Účinnost elektrických aut vs. aut se spalovacím motorem
Hustota energie současných baterií elektrických vozidel je mnohonásobně menší, než je hustota energie fosilních paliv. Elektrický vůz má tedy k dispozici méně energie než auto se spalovacím motorem. Na druhou stranu však elektrický pohon dosahuje mnohem vyšší účinnosti (až 96%) než pohon se spalovacím motorem (max. 42% naftové, 35% benzínové).
Celkové účinnosti v provozu
- Účinnost auta se spalovacím motorem: 20%
- Účinnost elektrického auta: 85% (bez nabíjení)
Kyslík
Klíčovým faktorem, který způsobuje kritický rozdíl v energetické hustotě trakčních baterií a fosilních paliv je kyslík využívaný při spalování. Zatímco elektrický pohon využívá pouze energii uloženou v baterii, funkce spalovacích motorů se opírá o vzdušný kyslík.
- Spotřeba kyslíku: auto se spotřebou 7l/100km spotřebuje cca 122 litrů O2 na 100 km.
Perspektivní technologie baterií LiO2 využívající vnější kyslík pak dosahují energetické hustoty srovnatelné s fosilními palivy.
3. Bateriový pack
Sestavení kompletní trakční baterie se provádí skládáním jednotlivých článků v bateriový pack. Kombinací sériového a paralelního spojení určitého počtu článků je docíleno cílové kapacity, cílového napětí a proudu baterie.
3.1. Typy článků
Polštářkové články
- Jednoduchá sendvičová konstrukce
Cylindrické články
- Elektrody svinuty do svitku a vloženy do cylindrického pouzdra.
Prismatické články
- Elektrody svinuty do svitku, svitek stlačen do elipsovitého tvaru a vložen do pouzdra.
3.2. Skládání trakční baterie
Příklad
- Cylindrický článek Sony Lithium Ion 26650 3.7 V, 2600 mAh
- Maximální trvalý vybíjecí proud: 10C, tj. 10 * 2,6 = 26 A
- Maximální krátkodobý vybíjecí proud: 20C, tj. 20 * 2,6 = 52 A
- Maximální nabíjecí proud: 1C, tj. 2,6 A ... výrazné omezení možnosti rekuperace.
- Hustota energie:
- 3,7 * 2600 / 100 = 9,62 Wh (88 g)
- 9,62 / 0,088 = 109,3 Wh/kg
- Hustota výkonu:
- 10C: Imax = 10 * 2,6 = 26 A
- Pmax = 26*3,7 = 96,2 W
- 96,2 / 0,088 = 1,09 kW/kg
3.3. Sériové řazení
- Při sériovém řazení článků se sčítá napětí jednotlivých článků.
- Proud sériově spojených článků je roven proudu jednoho článku.
- Výkon sériového spojení je součtem výkonu jednotlivých článků.
- Kapacita (Wh) sériového spojení je součtem kapacit článků.
- Jediný článek baterie (např. 3,7 V, 2600 mAh)
Pozn.
Pokud bychom chtěli vytvořit napětí 400 V (vhodné pro pohon elektromobilu), museli bychom sériově spojit 108 článků.
Výkon: P = 108 * 3,7 * 2,6 = 1040 W
=> výkon je nedostatečný, nutné řadit také paralelně
3.4. Paralelní řazení
- Při paralelním řazení článků se sčítají proudy jednotlivých článků.
- Napětí paralelního spojení je rovno napětí jednoho článku.
- Výkon paralelního spojení je součtem výkonu jednotlivých článků.
- Kapacita
(Wh) paralelního spojení je součtem kapacit článků.
Pozn.
Pokud bychom požadovali jmenovitý proud 200 A, bylo by nutné paralelně spojit 77 článků (příp. sériových větví).
Výkon: P = 77 * 3,7 * 2,6 = 740 W
3.5. Sestavení baterie 80 kW (příklad)
- 1 článek: trvalý proud (10C): 26 A, jmen. napětí 3,7 V
- Pro sestavení baterie o jmenovitém napětí 400 V a trvalém výkonu 80 kW je zapotřebí 864 uvedených článků (108 sériově, 8 paralelně).
- Kapacita: 108 * 3,7 * 2,6 * 8= 8,3 kWh (dojezd cca 50 km?)
- Hmotnost (pouze články): 864 * 0,088 = 76 kg
- Rozptyl napětí:
- Jeden článek cca 3,2 – 4,2 V, tj. při sériovém spojení 108 článků: 345 – 454 V.
- Pro
dojezd 200 km: 3500 článků, 308 kg, cca
350 tis. Kč (pouze články).
3.6. Uspořádání trakční baterie v EV
- Článek → modul → bateriový pack
- Články se skládají po skupinách do modulů, propojení svařováním.
- Z jednotlivých modulů, tj. skupin článků, je sestaven kompletní bateriový pack.
- Integrace BMS (battery management system - měření, monitoring, balancování), případně chlazení baterie.
- U moderních elektrovozů je baterie obvykle součástí podlahy vozu.
https://www.nissan-global.com
http://www.sblimotive.com
4. Nabíjení
- Nabíjecí proud nižší než vybíjecí (např. 10x, 20x, apod.).
- Ionty lithia Li+ se musí „naskládat“ mezi vrstvy grafitu → limituje rychlost nabíjení.
- Nabíjením vnucujeme článku „nestabilní stav“.
- Velikost nabíjecího proudu Inab je dána
- rozdílem nab. napětí a vnitřního napětí baterie,
- velikostí vnitřního odporu R0.
4.1. Fáze nabíjení
- Nabíjením se napětí baterie zvyšuje.
- Současným zvyšováním Unab udržujeme konstantní nabíjecí proud = nabíjení konstantním proudem (1. fáze nabíjení).
- Maximální napětí článku však nesmí být překročeno.
- Při dosažení Unab = Umax se napětí dále nezvyšuje a je konstantní = nabíjení konstantním napětím (2. fáze nabíjení, tzv. saturační část).
- Nabíjecí proud exponenciálně klesá. => 2. fáze nabíjení je časově náročná.
- Výrobci často uvádějí čas nabíjení pro dosažení 70-80% kapacity.
- Maximální napětí článku odvislé od technologie:
-
- obvykle 4,2 V pro Co, Ni, Mn, Al.
- Nabíjecí proud článku se obvykle doporučuje 0,5 – 1C.
- Pro zvýšení životnosti se doporučují malé nabíjecí proudy a nenabíjet na plné SoC (např. nezahajovat saturační část) → snížené napěťové namáhání.
- Velký nabíjecí proud sice uspíší 1. část, ale prodlužuje saturační část.
Typická nabíjecí charakteristika
baterie Li-ion
- Stárnutí baterie se projevuje na zkrácení 1. části (nab. konst. proudem) a prodloužení saturační části.
- SoC dle aktuálního napětí určovat prakticky nelze.
- Možné dle napětí OCV pro danou teplotu → v ustáleném stavu, tzn. dostatečná doba od zatížení.
- Obvykle se provádí počítání předaného náboje:
- Přebíjení není možné – Li-ion nepřevezme další náboj, nabíjení musí být ukončeno, jinak je ohrožena bezpečnost.
4.2. Vliv teploty
Nízké teploty
- Nabíjení Li-ion pod 5°C omezeným proudem, v mrazu není dovoleno.
- Rychlodobíjení v rozmezí 5 – 45°C, ale raději 10 – 30°C.
- Nabíjení v mrazu poškozuje baterii („pokovování“ anody lithiem, změny trvalé, nevratné).
Vysoké teploty
•Vysoké teploty nesvědčí žádnému typu baterií.
•Obvykle se nenabíjí při T > 50°C, urychluje stárnutí.
•Omezit proud, nabíjení velkým proudem při vysoké teplotě snižuje kapacitu baterie.
•Může způsobit produkci plynu a nafouknutí.
5. Vybíjení
- Nejpříznivější pro Li-ion je pokojová teplota.
- Výrobce předepisuje teplotní rozsah vybíjení (např. -20°C až 60°C).
- Nízké teploty → vysoký vnitřní odpor → zkracuje dojezd.
- S rostoucí teplotou se snižuje vnitřní odpor – vybíjecí výkon roste, ale vyšší teploty urychlují stárnutí.
- Nadměrné nebo úplné vybití způsobí nevratné poškození.
- Baterii svědčí vybíjení menším konstantním proudem než pulzní přetěžování.
5.1. Vnitřní odpor
Vnitřní odpor
- Vnitřní odpor je kritický parametr baterie.
- Způsobuje úbytek napětí.
- Ovlivňuje účinnost nabíjení a vybíjení → ztráty, spotřebu a dojezd.
- Výrazně se mění zejména s teplotou, závisí také na SoC.
Identifikace R0 článku Sanyo NCR20700A
5.2. Příklad
Článek Sanyo NCR20700A
- R0 v letním období cca 0,02 Ω
- R0 v zimním období cca 0,04 Ω
Baterie
32 kWh, 390 V
- 105 článků sériově, 25 paralelních větví, celkem 2625 článků
- R0 baterie: 0,084 Ω (léto), 0,168 Ω (zima)
BEV,
Pmax = 120 kW
- Proud při plném výkonu: I=P_max/U_n =120000/390=307 A
- Ztráty na R0 při plném výkonu:
- R_0 I^2=0,084∙307^2≈8 kW (léto)
- R_0 I^2=0,168∙307^2≈16 kW (zima)
5.3. Vybíjecí charakteristiky
Vliv teploty
- Porovnání vybíjecích charakteristik pro 25°C a 0°C
Vybíjení článku konst. proudem 30A při teplotě 25°C
Výkon
Vybíjení článku konst. proudem 30A při teplotě 0°C
Výkon
- Vybíjecí charakteristiky se výrazně mění v závislosti na teplotě.
Vliv vybíjecího proudu
- Vybíjecí charakteristiky také závisí na velikosti vybíjecího proudu.
5.4. Pulzní vybíjení
Vybíjecí charakteristiky při pulzním vybíjení pro různé vybíjecí proudy při teplotě 25°C
Vybíjecí charakteristiky při pulzním vybíjení pro různé vybíjecí proudy při teplotě -5°C
5.5. Hloubka vybíjení
- Instalovaná kapacita není rovna využitelné energii.
- Využitelné okno se pohybuje přibližně od 80 – 90%.
- Někdy se využitelné okno sníží u nového vozidla a s postupným stárnutím baterie se rozšiřuje.
Využitelné okno
6. Výkonové vs. energetické články
Články s vysokou hustotou výkonu
- Vysoká hustota výkonu
- Nížší hustota energie
- Malá plocha článků, tenké, porózní elektrody
Články s vysokou hustotou energie
- Nižší hustota výkonu
- Vysoká hustota energie
- Velká plocha článků, silné elektrody
7. Náklady
Podíl nákladů na výrobu vozu
Vývoj nákladů na kWh trakční baterie
https://bnef.com
8. Battery management system
Battery management system (BMS)
- Trakční baterie elektrovozu je poměrně citlivý systém.
- Pro zachování životnosti musí být doplněna komplexním elektronickým systémem.
- BMS zejména:
- Monitoruje napětí a teploty jednotlivých článků/skupiny článků
- Monitoruje množství přijaté a odebrané energie
- Balancuje články
- Řídí nabíjení – komunikuje s nabíjecím systémem
- Omezuje/povoluje max. proud
- Modeluje články, baterii
- Odhaduje SoC, SoH
- Komunikuje s řídícími jednotkami ve voze
Balancování článků
- Každý článek má mírně odlišné parametry.
- Při nabíjení sériově spojených článků dochází k rozdílům v SoC.
- Balancování zajišťuje vyrovnání SoC.
Frekventované pojmy
- BMS – Battery management system
- SoC – State of Charge
- SoH – State of Health
- DoD – Depth of Discharge
9. Termomanagement
Životnost
- Baterie elektrovozů provozovaných v klimaticky chladnějších oblastech dosahují delší životnosti ty provozované při vyšších teplotách okolí.
- Termomanagement má zásadní dopad do životnosti baterie.
Thermal management of Porsche Taycan
Thermal management of
Tesla Model 3
https://newsroom.porsche.com
http://www.autoracing1.com