Buch druckenBuch drucken

Nabíjení

Website: Moodle ZČU
Kurs: KEV/EMB Elektromobilita - podklady k výuce
Buch: Nabíjení
Gedruckt von: Nepřihlášený host
Datum: Donnerstag, 22. Oktober 2026, 08:20

Beschreibung

Způsoby nabíjení vozidel s elektrickým pohonem.

Inhaltsverzeichnis

1. Nabíjení článku

  • 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.





  • 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.



Nabíjení baterie Li-ion

  • 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.




https://batteryuniversity.com

1.1. Stav nabití



  • 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:

  • Pozor na zajištění přesnosti.
  • Přebíjení není možné – Li-ion nepřevezme další náboj, nabíjení musí být ukončeno, jinak je ohrožena bezpečnost.


1.2. Stárnutí baterie


  • Stárnutí baterie má za následek postupné snižování kapacity.
  • Projevy:
    • snížení kapacity,
    • zvýšení vnitřního odporu,
    • zkrácení 1. fáze nabíjení (= nabíjení konstantním proudem),
    • prodloužení saturační části (= nabíjení konstantním napětím).









B. Xu, A. Oudalov, A. Ulbig, G. Andersson and D. Kirschen, "Modeling of lithium-ion battery degradationfor cell life assessment," 2017 IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2017, pp. 1-1

1.3. Prodloužení životnosti

Jak zvýšit životnost?

  • Zajistit vhodnou teplotu – ideálně okolo 20°C (vysoké teploty škodí více než nízké).
  • Omezit velikost využívaného okna – nenabíjet do 100%, vyhýbat se hlubokému vybíjení.
  • Omezit maximální nabíjecí napětí.
  • Omezit velikost nabíjecího proudu - časté užívání rychlodobíjení významně urychluje stárnutí baterie.






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.








https://batteryuniversity.com
https://www1.eere.energy.gov

2. Dobíjení baterie rekuperací

Při dobíjení rekuperací se využívá kinetické energie vozidla. Elektrický pohon je v generátorickém režimu, kdy elektrický stroj je řízen jako generátor a dochází k brzdění vozidla. Z elektrického stroje je odebírán výkon, který je dále využit pro dobíjení baterie.

Dobíjení rekuperací lze využít pro

  • dobíjení trakční baterie (Li-ion, Li-pol, Ni-MH, atd.),
    • HEV, PHEV, BEV,
  • dobíjení olověné baterie palubní sítě 12 V,
    • zejména µHEV: start&stop + ESM (Energy Smart Management).



Režim pohon




Režim brzdy (rekuperace energie)




  • Při brzdění dochází ke změně polarity točivého momentu oproti režimu pohon. Tím se změní polarita mechanického výkonu a dochází k dobíjení trakční baterie.

  • Motorický režim

    • P=Mω=3U_sI_scos⁡φ=U_{dc}I_{dc}

  • Generátorický režim

    • -P=-Mω=-3U_s I_s cos⁡φ=U_{dc} (-I_{dc})


Změna směru proudu na stejnosměrné straně pohonu (strana trakční baterie)


Režim motor vs. generátor u elektrického synchronního stroje s permanentními magnety


  • Výkon motoru v motorickém a generátorickém režimu je prakticky shodný.
  • Nabíjecí proud článku je cca 10x menší než proud vybíjecí!
    • => Dobíjecí výkon je menší než výkon motoru nebo musí být baterie z hlediska vybíjecího proudu předimenzována.
  • Zbylý brzdný moment musí být zajištěn mechanickými brzdami.
  • Často je dobíjecí výkon omezen battery managementem (BMS), v závislosti na stanovených limitech či stavu baterie (rozbalancování článků, teplota, apod.).




Jeschke, S.: Grundlegende Untersuchungen von Elektrofahrzeugen im Bezug auf Energieeffizienz undEMVmit einer skalierbaren Power-HiL-Umgebung, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2016
https://www.hybrid-autos.info

3. Nabíjení baterie ze střídavé elektrické sítě (AC)

Nabíjení trakční baterie elektrických nebo hybridních vozidel z elektrické sítě střídavého napětí. Nabíjení ze sítě jednofázové a třífázové prostřednictvím palubních nabíječek či trakčního měniče.

3.1. Nabíjení z jednofázové ac sítě


  • Dobíjení ze standardních zásuvek či dobíjecích stojanů
  • Parametry v ČR: 230 V, 50 Hz, 16 A
  • Výkon: P = U*I*cos(fi) = 230 * 16 * 0,9 = 3,3 kW (účiník přibližný)
  • Velikost proudu je možné zvýšit pomocí wallboxu.
  • Nabíječka umístěna ve voze, zajišťuje přeměnu AC napětí a proudu ze zásuvky na stejnosměrné napětí a proud pro potřeby baterie.
  • Zároveň probíhá komunikace BMS s nabíječkou.
  • Pozor na dlouhé prodlužovací kabely, hlídání impedance.



  • V různých částech světa se velikost napětí liší.
  • V případě 110 V je výkon při 16 A pouze 1600 W.





Dipl.-Ing. Bernd Wunder: Ladetechniken für Elektrofahrzeuge, Fraunhofer IISB, Feb. 2018
https://www.brusa.biz

3.2. Nabíjení z třífázové ac sítě


  • Dobíjení ze standardních zásuvek či dobíjecích stojanů
  • Parametry v ČR: 3x 400 V, 50 Hz, 16 A, případně 32 A
  • Výkon:
    • a) P = 3*U*I*cos(fi) = 3*230*16*0,9 = 10 kW (účiník přibližný)
    • b) P = 3*U*I*cos(fi) = 3*230*32*0,9 = 20 kW (účiník přibližný)
  • Nabíječka umístěna ve voze, zajišťuje přeměnu AC napětí a proudu ze zásuvky na stejnosměrné napětí a proud pro potřeby baterie.
  • Zároveň probíhá komunikace BMS s nabíječkou.





https://www.brusa.biz

3.3. Doba nabíjení z ac sítě



Typ dobíjení

Výkon

Doba dobíjení (přibližně)

1-fázové, 16 A

3 kW

5 h / 100 km

1-fázové, wallbox 40 A

9 kW

1,6 h / 100 km

3-fázové, 16 A

10 kW

1,4 h / 100 km

3-fázové, 32 A

20 kW

50 min / 100 km



Palubní nabíječka 1x 230 V


Palubní nabíječka 3x 400 V


Wallbox BMW 1x 230 V, 40 A






https://www.bmw.com
https://www.brusa.biz

3.4. Schéma palubní nabíječky

Schéma nabíječky instalované ve voze s galvanickým oddělením






https://www.rohm.de

3.5. Nabíjení prostřednictvím trakčního měniče


  • Namísto nabíječky instalované ve voze lze využít výkonový měnič trakčního pohonu (obvykle > 100 kW).
  • Renault ZOE, C-Zero (systém Renault Chameleon)
  • 3x 400 V, 63 A, až 43 kW, cca 25 min / 100 km






US Patent No. US 2012/0286740 A1, Nov. 15, 2012

4. Nabíjení z rychlodobíjecí stanice (DC)


  • Na rozdíl od AC dobíjení není při DC dobíjení nabíječka umístěna ve vozidle.
  • Přeměnu střídavých veličin (napětí a proud) na stejnosměrné pro potřeby vozidla zajišťuje externí nabíjecí stanice.
  • Stejnosměrné napětí je z externí nabíjecí stanice přímo připojeno na terminály trakční baterie.
  • BMS je s nabíjecí stanicí komunikačně spojen a zadává hladinu napětí.



  • Externí umístění dobíjecí stanice umožňuje dimenzovat nabíječku na daleko vyšší výkon.
  • Výkony desítky až stovky kW (150 kW, nově 350 kW)
  • Zkracuje dobu nabíjení na cca desítky až jednotky minut.
  • Rychlodobíjení však přínáší také nevýhody, zejména to jsou
    • velké ztráty při nabíjení,
    • zkrácení životnosti baterie (ztráta kapacity),
    • vyšší cena za kWh.




  • Stav baterie při příjezdu k dobíjecí stanici velmi ovlivňuje rychlost dobíjení.
  • Záleží zejména na
    • teplotě,
    • rozbalancování článků.
  • Battery management na základě těchto parametrů určuje rychlost nabíjení.
  • Rychlost dobíjení velmi zpomaluje balancování článků.

  • Kromě teploty je rychlost dobíjení tedy dána způsobem jízdy před dobíjením.
  • Klidná předchozí jízda za příznivých teplot → rychlé dobíjení.
  • Agresivní jízda (prudké akcelerace a brždění), nepříznivé teploty → dobíjecí výkon nedosahuje výkonu nabíjecí stanice.




www.abb.com
www.tesla.com

5. Typy dobíjecích zásuvek

AC dobíjení



Typ 1 - Yazaki


Typ 2 (AC) Mennekes


DC dobíjení


ChaDeMo

Combo (CCS) 1



Combo (CCS) 2


Tesla








Kombinace zásuvek u jedné DC stanice



Použité typy zásuvek dle výrobců aut









https://www.mobilityhouse.com
https://phoenixcontact.com
en.wikipedia.org
https://thedriven.io

6. Rozšíření standardu CCS






www.abb.com

7. Obvyklá umístění dobíjecích zásuvek na voze






https://www.hybrid-autos.info

8. Příklad dobíjecích služeb (E-On)






https://www.eon.cz

9. Dobíjecí síť v ČR

Největší stanice v ČR
  • Dobíjecí stanice E-on Vystrkov (D1, exit Humpolec)




Sítě ditributorů
  • Sítě dobíjecích stanic provozují všichni tři distributoři elektrické energie (ČEZ, E-On, PRE), dále Tesla a ostatní.
  • 480 stanic v roce 2019
Nabijto.cz


DC dobíjecí stanice ČEZ


AC dobíjecí místo ČEZ


Amatérská síť dobíjecích míst






https://www.eon.cz
nabijto.cz

10. Bezdrátové induktivní dobíjení



  • Jedná se o bezdrátový přenos výkonu.
  • Přenos mezi dvěma planárními cívkami, které tvoří spolu s kapacitory rezonanční obvod.
  • K efektivnímu přenosu výkonu dochází pokud je soustava v rezonanci.
  • Jako rezonanční frekvence se volí řádově stovky kHz.
  • Přenos dosahuje vysoké účinnosti (> 90%).




Varianta umístění cívky v podlaze vozu



Varianta umístění cívky v oblasti SPZ





https://www.carmagazine.co.uk
https://passive-components.eu
https://www.theengineer.co.uk

11. Bezpečnost

Základní aspekty

  • Eliminovat délku elektrického přívodu - vyhnout se dlouhým prodlužovacím kabelům.
  • Eliminovat nepříznivé teplotní podmínky.






https://gaadiwaadi.com

12. Výměna trakční baterie


  • Namísto dobíjení baterie ve vozidle dochází k vyjmutí standardizované trakční baterie a její výměně za nabitou.
  • Vyjmuté baterie se pak nabíjí hromadně, obvykle za ideálních podmínek (optimální teplota a dobíjecí výkon).
  • Tím lze významně zvýšit životnost baterií.
  • Systém výměny baterií dává smysl spíše u flotil elektrických vozů (např. dodávkový systém).


Dodávková služba v Praze se systémem výměny baterií


Systém výměny baterií u osobních vozidel (již neaktivní)




battswap.com
BetterPlace.com