Zrównoważanie nierównomierności, czyli dlaczego autobus LFP czasami się zatrzymuje [Cykl baterii #5 | Wydanie 2026]

Pięć lat temu, dzięki wskazówkom Claudiusa Jehle, dyrektora generalnego volytica diagnostics GmbH, uruchomiliśmy serię artykułów „The Battery Cycle”, której celem było rzucenie światła na złożoność baterii Li-Ion.

Seria ta dostarczyła ogromnej ilości cennych informacji dla wszystkich zaangażowanych w mobilność elektryczną.

Teraz, pięć lat później, wracamy do tych samych tematów – nadal dzięki współpracy z Claudiusem Jehle – wzbogaconych o dane z rzeczywistego świata oraz wnioski wyniesione z doświadczeń.

Pełna seria artykułów, świeżo zaktualizowana, jest również publikowana w specjalnym numerze monograficznym towarzyszącym wydaniom Sustainable Bus (oraz powiązanych platform Sustainable Truck & Van oraz Powertrain International) przez cały rok 2026.

Zapraszamy do kierowania pytaniami, opiniami i wkładami pod adresem info@sustainable-bus.com.

Autor zdjęcia: Forsee Power

Bateria to nie jedna komórka, chociaż w codziennej rozmowie możemy to tak przedstawić. W idealnym przypadku powinna zachowywać się jak taka komórka, ale jak zawsze w rzeczywistości jest to bardziej skomplikowane.

W systemie baterii dziesiątki, a zazwyczaj setki pojedynczych komórek są połączone szeregowo (to znaczy plus jednej jest podłączony do minus następnej i tak dalej), tworząc łańcuch. Każda dodatkowa komórka zwiększa całkowite napięcie systemu. Ponieważ „moc” to „napięcie x prąd”, podwojenie napięcia (poprzez połączenie komórek szeregowo) zmniejsza konieczny prąd o połowę, a skoro średnica kabli jest określana głównie przez maksymalny prąd, zwiększenie napięcia systemu poprzez połączenie komórek szeregowo pomaga w zasadzie zmniejszyć rozmiar, wagę i koszty kabli. Tak prosto*. Jeśli chcemy większej pojemności, dodajemy całe łańcuchy równolegle.

Ale dzięki temu prostemu trikowi pojawiają się nowe problemy: brak równowagi, nierównomierność, niedostępna energia oraz konieczność jej wyrównywania.

Nierównomierność: eksperyment myślowy

Jeśli odejdziemy od systemu, w którym wszystkie komórki są identyczne, napotkamy poważne problemy, które tutaj wyjaśnimy. Jak zwykle, zaczniemy od prostych analogii, które (prawie) doskonale nadają się do codziennej rozmowy. Rozważmy system z jedną nitką (działa zupełnie tak samo w przypadku systemów wielonitkowych) i wyobraźmy go – uwaga: to metafora – jako kaskadę już przedstawionych szklanek, które łączą się ze sobą.

Czy zgodziłbyś się, że dopóki nie ma wycieków, ilość płynu wpływającego z góry przechodzi całkowicie niezmieniona przez każdą pojedynczą komórkę?

Zatem, jeśli teraz wszystkie mają dokładnie taką samą pojemność (SoH, w kolejnych artykułach) i wszystkie zaczynają od tej samej wysokości napełnienia (napięcia), to wszystkie mają tę samą początkową ilość energii (SoC). Gdy prąd przepływa przez tę kaskadę, każda komórka w tym idealnym przykładzie jest napełniana/luzowana dokładnie taką samą ilością cieczy. Jeśli będziesz je nadal rozładowywać, wszystkie jednocześnie zbliżą się do 0% SoC**. Odwrotnie, jeśli będziesz je nadal napełniać, wszystkie będą w 100% pełne w tym samym czasie.

Bateria nagle okazuje się pusta. Skutkiem jest awaryjne wyłączenie systemu, które czasami nazywamy nagłym zjawiskiem wyczerpania baterii (SDE) – pojazd, który jeszcze kilka minut temu wykazywał znaczną i bezproblemową poziom energii, nagle się zatrzymuje, a poziom energii spada do 0%. Nawiasem mówiąc: jeśli przeczytałeś dotychczas wszystkie artykuły, powinieneś już rozumieć, dlaczego szczególnie baterie typu LFP są podatne na to zjawisko.

Równowaga jest kluczowa!

Czym właściwie zajmuje się teraz równoważenie? Mówiąc bardzo prosto: obwód równoważenia w systemie zarządzania baterią musi dopilnować, aby wszystkie komórki miały takie samo SoC (poziom naładowania), idealnie w każdym momencie, dzięki czemu najsłabszy element nie ograniczał ogólnej wydajności w opisany sposób. Najprostszy, a zarazem najczęściej stosowany podejście nazywane jest równoważeniem pasywnym i wydaje się marnotrawstwem – logika sterująca określa poziom SoC „słabej” komórki (lub słabych komórek) i rozładowuje wszystkie pozostałe****. Tak, w przykładzie powyżej system równoważenia pasywnego zacząłby uciekać około 5% energii ze wszystkich 99 dobrych komórek, niemal je „wyciskając”*****. Ta energia jest traciona.

Istnieją również aktywne systemy równoważące, które są znacznie bardziej zaawansowane i same podatne na awarie ze względu na swoją złożoność, a także wymagają większych nakładów finansowych. Skutkiem tego jest to, że wszystkie 100 ogniw kończy się z takim samym poziomem naładowania, ale dzięki aktywnemu przenoszeniu nadmiaru ładunku z pozostałych 99 ogniw w celu wsparcia tego „słabego”, żaden ładunek nie jest tracony w tym procesie.

Kiedy odbywa się równoważenie?

W dużych i bardzo intensywnie używanych systemach stacjonarnych aktywne równoważenie zaczyna zdobywać na znaczeniu. Jednak prostota i niezawodność systemów pasywnych sprawiają, że nadal są one preferowanym rozwiązaniem w niemal wszystkich zastosowaniach, w tym autobusach i ciężarówkach. Dlatego, dla uproszczenia, poniższe stwierdzenie dotyczy wyłącznie systemów pasywnych.

Jak już wspomniano, system równoważący musi najpierw określić poziom naładowania każdej komórki. Jak dowiedzieliście się z poprzedniego artykułu, jest to szczególnie trudne w przypadku urządzeń elektronicznych znajdujących się w sytuacjach dynamicznych lub „pianowych”, czyli podczas pracy lub ładowania, a także w przypadku chemii baterii o płaskich krzywych OCV – takich jak LFP. Dlatego system równoważący wymaga długich, „spokojnych” okresów bezczynności bez żadnego przepływu prądu, a jest jeszcze bardziej zadowolony, gdy poziom naładowania jest bardzo wysoki, ponieważ „kształt szklany” większości chemii umożliwia dokładną konwersję napięcia na poziom naładowania, gdy bateria jest prawie pełna (lub pusta, nawiasem mówiąc). Im dłuższy okres bezczynności, tym większą nierównowagę można „usuwać” poprzez ucieczkę energii.

Praktyczne wskazówki: 1) Planuj pasywne równoważenie. Po naładowaniu do 100 % postępuj zgodnie z zaleceniami producenta co do czasu pracy w trybie spoczynkowym, aby BMS mógł skutecznie zrównoważyć ogniwa. 2) Żądaj szczegółowych danych diagnostycznych baterii. Poproś o informacje dotyczące rozrzutu poziomu naładowania, napięć ogniw oraz wskaźników odchylenia, najlepiej na poziomie poszczególnych ogniw, a przynajmniej dla każdego modułu lub szeregu. 3) Wspomnij o tym w ofertach przetargowych. Wymagaj określonej strategii równoważenia, maksymalnego odchylenia napięcia między ogniwami oraz długoterminowego dostępu do surowych danych dotyczących baterii.

Czy teraz rozumiesz, dlaczego producenci zalecają dłuższy czas pracy w trybie spoczynkowym bezpośrednio po naładowaniu do 100 %? Dokładnie: praca w tym trybie przy wysokim poziomie naładowania ułatwia równoważenie – im dłużej, tym lepiej.

Nie odpowiedzieliśmy na pytanie, dlaczego wszystkie komórki nie zachowują się tak samo. Podaliśmy przykład, w którym jedna komórka jest nieco bardziej pusta niż pozostałe (tj. SoC). Rzeczywistość jest bardzo złożona i obejmuje wiele wzajemnych oddziaływań. Aby podkreślić jeden bardzo istotny – i samoczynnie występujący – powód: z powodu niedoskonałości w produkcji, nierównomiernego chłodzenia lub grzania, problemów z spawaniem, wad elektroniki itp. niektóre komórki ulegają lekkiej szybszej degradacji niż inne – rzeczywiście tylko nieznacznie – co powoduje różnice w pojemności (SoH). Podczas ciągłego ładowania i rozładowywania różnice w SoH sprawiają, że wartości SoC wszystkich komórek zaczynają się różnić w sposób porównywalny z przykładem podanym na początku.

Aby sprawy stały się jeszcze gorsze, komórka nieco mniejsza od pozostałych doświadcza większego prądu na jednostkę pojemności (C-rate), co zwiększa również obciążenie spowodowane degradacją i sprawia, że staje się jeszcze mniejsza od reszty. Prawdopodobnie ma również nieco wyższy opór, co prowadzi do wzrostu temperatury. Ponadto ucierpi na to okno SoC. Dlatego „komórka przed awarią” najprawdopodobniej będzie kontynuować nieodwracalną spiralę spadkową.

Chociaż system równoważenia cały czas próbuje wyrównać poziom SoC, nie może wpłynąć na nieodwracalne rozbieżności w SoH. Można to złagodzić za pomocą systemu równoważenia przez kilka miesięcy lub lat – przynajmniej operator nie odczuje bezpośrednio trwającego procesu. Jednak w pewnym momencie czas potrzebny na równoważenie będzie tak długi, że funkcjonowanie zostanie poważnie zakłócone. Albo jeśli będzie zbyt krótki, ryzyko wystąpienia SDE-ów znacznie wzrośnie.

I co z tego?

OEM-y i producenci doskonale zdają sobie sprawę z tego, co napisałem powyżej, a systemy są zazwyczaj dobrze wyposażone we właściwe rozwiązania do równoważenia. Niemniej jednak kluczowe jest, aby klienci byli świadomi (braku) równowagi oraz ryzyka słabszej wydajności systemu wynikającego z niej dla każdego urządzenia, a także aby stosowano odpowiednią strategię równoważenia oraz przestrzegano zaleceń OEM-ów.

Zarys

Systemy baterii są złożone. Składają się ze setek ogniw, które udają jedno całość: jeśli tak nie jest, nie można wydobyć całej pozornie dostępnej energii.

W najgorszych sytuacjach nierównoważone systemy mogą nagle „samodzielnie się wyczerpywać” podczas nagłych zdarzeń wyczerpania, co prowadzi do nagłych, kosztownych i potencjalnie niebezpiecznych przerw w pracy w trakcie podróży.

Równoważenie wymaga czasu i specyficznych warunków. Najczęściej odbywa się podczas długich faz bezczynności po pełnym naładowaniu.

Powody braku równowagi i nierównomierności są złożone. Wstępny brak równowagi może prowadzić do samousprawniającej się wewnętrznej degradacji, która pogarsza problem.

Zaleca się przestrzeganie zaleceń producenta oraz samodzielne monitorowanie nierównomierności (odwracalnej i nieodwracalnej) oraz skuteczności równoważenia.

* Wielu czytelników może zaprotestować – elektronika mocy radzi sobie lepiej również przy wyższych napięciach! To prawda, ale głównie z podobnych powodów, czyli gęstości prądu.

** Należy pamiętać, że na razie zakładamy, iż proces jest niezwykle szybki, tzn. że opór ogniwek jest niezmiernie niski i ten sam we wszystkich jednostkach. W rzeczywistości oczywiście tak nie jest.

*** W rzeczywistości wynosi to 49,95% (1×45% + 99×50%), ale wartość SoC nigdy nie jest podawana z dwoma miejscami po przecinku.

**** W rzeczywistości każda komórka o wartości SoC > lemon jest rozładowywana za pomocą małych rezystorów grzewczych.

****** W rzeczywistości proces ten jest czasami nazywany „bleeding”, a obwód wykorzystuje w tym celu „rezystory bleeding”.

Artykuł Balancing inhomogeneities, or why a LFP bus sometimes stops [The Battery Cycle #5 | 2026 RELEASE] pojawił się po raz pierwszy na Sustainable Bus.