Dlaczego akumulator ma więcej niż jedno życie i jak zautomatyzowana jazda może zmienić technologię akumulatorową?

Większa trwałość, wysoka jakość, najwyższy stopień bezpieczeństwa – wymagania stawiane akumulatorom wysokiego napięcia do pojazdów elektrycznych i hybrydowych stale rosną. Dlatego dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe muszą być tak konstruowane, aby na przykład ich żywotność wynosiła 15 lat, a samochód był w stanie przejechać przynajmniej 150.000 km. Po takim czasie akumulator musi nadal posiadać 80% wyjściowej pojemności i mocy.
- Skonstruowanie samochodowego akumulatora wysokiego napięcia, który będzie jednocześnie wydajny, niezawodny, a do tego przystępny cenowo, jest bardzo trudnym zadaniem – mówi dr Joachim Fetzer, członek kadry kierowniczej działu Gasoline Systems, odpowiedzialny za elektromobilność w Robert Bosch GmbH.
W ciągu najbliższych pięciu lat Bosch zamierza wprowadzić akumulatory wysokiego napięcia o podwojonej wydajności. Obecnie firma jest na etapie badania nowych technologii akumulatorów.

Rozwój – droga do nowej generacji akumulatorów litowo-jonowych
W nadchodzących latach technologia litowo-jonowa będzie wciąż stwarzała wiele nowych możliwości rozwoju produktów. Dzisiejsze akumulatory mają gęstość energetyczną wynoszącą około 115 Wh/kg, przy czym może ona zostać zwiększona nawet do 280 Wh/kg. Bosch wraz z GS Yuasa i Mitsubishi Corporation pracuje nad następną generacją akumulatorów litowo-jonowych w ramach utworzonej spółki joint venture o nazwie Lithium Energy and Power.
- Celem wspólnego przedsięwzięcia jest stworzenie dwukrotnie mocniejszych akumulatorów litowo-jonowych – mówi dr Joachim Fetzer.
W dążeniu do tego celu partnerzy połączyli swoje siły. GS Yuasa wnosi swoje doświadczenie w optymalizowaniu ogniw, co pozwoli tworzyć akumulatory o większej gęstości energii i zwiększonym zasięgu jazdy. Z kolei Bosch dokłada swoje doświadczenie w kompleksowym zarządzaniu akumulatorami oraz w integrowaniu systemów obsługujących pojazdy elektryczne i hybrydowe.
Dział badawczy firmy Bosch pracuje nad następcami akumulatorów litowo-jonowych, w których zostanie wykorzystana na przykład technologia litowo-siarkowa. Ma ona zagwarantować większą gęstość energii i pojemność. Bosch szacuje, że akumulator litowo-siarkowy będzie gotowy do produkcji seryjnej najwcześniej w połowie następnej dekady.

Postęp – zarządzanie akumulatorami przynosi zwiększenie zasięgu o 10%
Istnieje kilka sposobów, aby poprawić wydajność akumulatora. Na przykład – ważną rolę w procesach chemicznych zachodzących w celach odgrywa materiał, z którego wykonane są elektrody ujemne i dodatnie. Większość dzisiejszych elektrod dodatnich zawiera lit-nikiel-mangan-kobalt (NCM) lub lit-nikiel-kobalt-glin (NCA), zaś elektrodę ujemną stanowi materiał węglowy (najczęściej grafit) lub krzemowy.
Tak zwane elektrolity wysokiego napięcia mogą dodatkowo zwiększyć wydajność akumulatora, podnosząc napięcie w ogniwie od 4,5 do 5 woltów. Wyzwanie dla konstruktora polega na zagwarantowaniu bezpieczeństwa i trwałości także przy zwiększonej mocy.
W przypadku akumulatorów o wysokiej wydajności Bosch skupia się na zagadnieniu monitorowania i sterowania różnymi ogniwami, jak i całym systemem. Wyzwaniem jest zapewnienie niezawodnego sterowania akumulatorem wysokonapięciowym, ponieważ przepływ energii w ogniwach reguluje do dziesięciu mikrokontrolerów za pomocą magistrali CAN. Zaawansowane zarządzanie akumulatorami może dodatkowo zwiększyć zasięg samochodu nawet o 10% bez zmiany składu chemicznego ogniw.

Infrastruktura – zautomatyzowane pojazdy mają wpływ na technologię akumulatorów
Jeśli powstanie wiele miejsc, gdzie można szybko naładować pojazd elektryczny, to będzie to miało duży wpływ na technologię akumulatorów. Im szybciej jest ładowany taki akumulator, tym mniej istotny staje się zasięg pojazdu.
W pełni zautomatyzowane pojazdy sprawiają, że ładowanie jest łatwiejsze, ponieważ mogą one szukać stacji ładowania bez jakiejkolwiek pomocy ze strony kierowcy. Jak to działa, pokazuje projekt V-Charge wspierany przez firmę Bosch, koncern VW i wiele europejskich uniwersytetów. Kierowca, który korzysta z aplikacji w smartfonie, będzie mógł skierować elektryczny pojazd do miejsca ładowania, na przykład przebywając na parkingu podziemnym. Po powrocie kierowcy samochód samoczynnie powróci do punktu odbioru. Możliwe są również inne warianty, na przykład kierowca mógłby zamawiać przez telefon komórkowy pojazd flotowy, korzystając z tzw. car-sharingu (system wspólnego użytkowania samochodów osobowych), z natychmiastowym dostarczeniem na wyznaczone miejsce. Również tutaj zmieniają się wymagania stawiane akumulatorom dotyczące na przykład trwałości. Pojazdy flotowe są bowiem często eksploatowane znacznie krócej niż przez okres 15 lat, jaki jest przewidywany dla akumulatorów do aut elektrycznych.

Trzy okresy życia – samochód jest tylko pierwszym „etapem życia” dla akumulatora wysokiego napięcia
Pojazd flotowy, który pokonuje wiele kilometrów w krótkim czasie, wymaga nowego akumulatora o pełnej wydajności i pojemności. Natomiast nieco zużyty akumulator w pojeździe, który jeździ tylko sporadycznie na krótkich trasach, może działać tak samo dobrze jak nowy. To zmniejszyłoby ogólne koszty użytkowania samochodu elektrycznego. Nawet po średnim okresie eksploatacji samochodu, wynoszącym dwanaście lat, akumulator zachowuje 80% swojej pierwotnej wydajności i pojemności. Oznacza to, że ten element może okazać się jeszcze użyteczny poza samochodem, na przykład jako urządzenie do magazynowania energii.
W Hamburgu zużyte akumulatory z pojazdów elektrycznych są łączone ze sobą, tworząc duży system magazynowania energii. Może on dostarczyć energię w ciągu kilku sekund i pomaga ustabilizować sieć elektryczną. W ramach tego projektu firmy Bosch, BMW Group oraz Vattenfall pracują wspólnie nad elektromobilnością i sposobem magazynowania energii.