Jak działa system zarządzania temperaturą baterii podczas szybkiego ładowania DC? To zagadnienie, które powinni znać użytkownicy aut EV.

Szybkie ładowanie prądem stałym (DC Fast Charging / High Power Charging – HPC) jest dziś kluczowym elementem rozwoju elektromobilności. Jednak możliwość dostarczania mocy 150 kW, 250 kW czy 350 kW, nie wynika wyłącznie z parametrów ładowarki. Fundamentalne znaczenie ma system zarządzania temperaturą baterii (Thermal Management System – TMS) w pojeździe.

Bez zaawansowanej kontroli temperatury, szybkie ładowanie prowadziłoby do przyspieszonej degradacji ogniw, spadku sprawności oraz ryzyka przekroczenia bezpiecznych parametrów pracy. A to wszystko ma wpływ na to, jak długo pojeździmy naszym elektrykiem.

Dlaczego temperatura baterii jest krytyczna?

Akumulatory litowo-jonowe pracują optymalnie w stosunkowo wąskim zakresie temperatur:
• 20–30°C – optymalna sprawność ładowania i minimalna degradacja,
• <10°C – wzrost rezystancji wewnętrznej i ograniczenie mocy,
• powyżej 50°C – przyspieszona degradacja chemiczna i zwiększone ryzyko uszkodzeń.

Podczas ładowania dużą mocą:
• rośnie natężenie prądu,
• zwiększają się straty rezystancyjne, czyli wydzielanie ciepła
• intensyfikują się reakcje elektrochemiczne w ogniwach.

Bez aktywnego chłodzenia temperatura modułów mogłaby wzrosnąć do poziomu nieakceptowalnego w bardzo krótkim czasie.

Co dzieje się w baterii podczas szybkiego ładowania?

Nowoczesne auta posiadają w swoich aplikacjach narzędzia diagnozujące stan baterii. Tu Tesla Model 3 LR RWD z 2018 roku. Mimo ponad 7 lat, bateria utrzymana jest w bardzo dobrej kondycji.

Proces ładowania DC jest dynamicznie kontrolowany przez BMS (Battery Management System). To właśnie ten system jest naszym strażnikiem, jeśli chodzi o to, jak długo „pożyje” w dobrym zdrowiu nasza bateria.

Po podłączeniu do stacji HPC (High Power Charging):
1. Następuje komunikacja pojazdu ze stacją (np. protokół CCS).
2. BMS analizuje temperaturę modułów, poziom naładowania (SoC), napięcie ogniw oraz historię pracy baterii.
3. Na tej podstawie wyznaczana jest maksymalna dopuszczalna moc ładowania.

Jeżeli temperatura jest zbyt niska – moc zostaje ograniczona.
Jeżeli rośnie zbyt szybko – system redukuje ją w sposób kontrolowany.

To dlatego krzywa mocy ładowania nie ma charakteru liniowego.

Architektura systemów zarządzania temperaturą – co to takiego i jak działa?

1. Aktywne chłodzenie cieczą

W nowoczesnych pojazdach elektrycznych stosuje się:
• kanały chłodzące między ogniwami lub modułami,
• obieg cieczy (najczęściej glikol),
• wymienniki ciepła,
• integrację z układem klimatyzacji lub pompą ciepła.

Podczas ładowania dużą mocą zwiększany jest przepływ cieczy, aktywowane są dodatkowe obiegi chłodzenia, a ciepło efektywnie odprowadzane jest na zewnątrz.

W architekturach 800 V oraz przy mocach powyżej 250 kW system chłodzenia musi pracować w trybie intensywnym. Stare systemy, tak zwane pasywne, stosowane między innymi w autach takich jak Nissan Leaf, miały do dyspozycji tylko parę wiatraków. Jednak ich maksymalna moc ładowania zamykała się na liczbie około 80 kW. Dziś takie systemy już się nie sprawdzą. Potrzebujemy aktywnych systemów opartych na cieczy. One potrafią poradzić sobie z mocami rzędu nawet 400 kW.

2. Kondycjonowanie termiczne (preconditioning)

Zimą głównym problemem nie jest przegrzewanie, lecz zbyt niska temperatura ogniw.

Przy niskich temperaturach:
• rośnie rezystancja wewnętrzna,
• spada maksymalna moc ładowania,
• wzrasta ryzyko zjawiska platingu litu.

Dlatego wiele pojazdów stosuje kondycjonowanie termiczne baterii przed ładowaniem, wykorzystując grzałki PTC, pompę ciepła oraz automatyczne przygotowanie baterii podczas nawigowania do stacji.

Efektem jest krótszy czas ładowania w warunkach zimowych. Energia pobrana z baterii jest użyta do podgrzania ogniw, do takiej temperatury, aby mogły rozpocząć proces ładowania. Jednak w sposób bezpieczny dla ogniw. Na tym właśnie polega wstępne kondycjonowanie baterii.

3. Dynamiczna regulacja mocy

System działa w sposób predykcyjny, wykorzystując modele prognostyczne. BMS monitoruje temperaturę w czasie rzeczywistym, gradienty między modułami, tempo jej wzrostu oraz napięcia ogniw.

Na tej podstawie koryguje moc ładowania, aktywuje intensywniejsze chłodzenie, a w skrajnych sytuacjach przerywa proces.

Dlaczego moc ładowania spada przy wysokim SoC?

Redukcja mocy po przekroczeniu 60–80% SoC nie wynika wyłącznie z temperatury.

Kluczowe są procesy elektrochemiczne, takie jak dyfuzja jonów litu oraz stabilność warstwy SEI na elektrodach, a także zbliżanie się do maksymalnego napięcia ogniw. Choć temperatura ma zdecydowane znaczenie, to musimy pamiętać, że system BMS „myśli” o większej ilości zagrożeń, niż tylko sama temperatura.

Rola infrastruktury ładowania

Choć kontrola temperatury odbywa się po stronie pojazdu, infrastruktura HPC ma znaczenie pośrednie:
• stabilność dostarczanej mocy,
• precyzja komunikacji z pojazdem,
• jakość chłodzenia przewodów wysokoprądowych,
• brak wahań napięcia.

Nowoczesne stacje projektowane są tak, aby zapewnić stabilne parametry elektryczne współpracujące z algorytmami BMS. Krótko mówiąc, wszystko musi do siebie pasować i idealnie wręcz dogadywać się, w sensie komunikacji😉.

Czy szybkie ładowanie przyspiesza degradację?

Badania wskazują, że sama wysoka moc nie jest głównym czynnikiem degradacji. Kluczowa jest kombinacja: wysoka temperatura i wysoki poziom SoC. pozostawione na długi czas. Na przykład podczas upalnego lata. Zatem, jeśli ładujecie auto do 100% w letnich miesiącach, najlepiej od razu wyruszyć w trasę. Jeśli zaś nasz EV ma pozostać powiedzmy przez weekend narażony na wysoką temperaturę i duże nasłonecznienie, ograniczmy ładowanie do 70-80%. To w zupełności wystarczy aby normalnie użytkować auto, a jednocześnie zapewni odpowiedni bufor bezpieczeństwa w baterii.

Nowoczesne systemy zarządzania temperaturą znacząco ograniczają te ryzyka o których wspomnieliśmy powyżej.

Wnioski

System zarządzania temperaturą baterii jest jednym z kluczowych elementów umożliwiających rozwój infrastruktury HPC.

Bez aktywnego chłodzenia, kondycjonowania termicznego i dynamicznego sterowania mocą, ultraszybkie ładowanie nie byłoby możliwe w sposób bezpieczny i powtarzalny.

Rozwój architektur 800 V, systemów MCS dla transportu ciężkiego oraz integracja z inteligentną infrastrukturą energetyczną sprawią, że rola zaawansowanych systemów zarządzania temperaturą (TMS) będzie jeszcze większa.