Ładowanie baterii, pożywienie dla umysłu [Cykl baterii #4 | Wydanie z 2026 roku]

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 danymi z praktyki oraz wnioskami wyciągniętymi 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.

Wyobrażanie sobie baterii jako pulchnych karafek do wina wypełnionych pienistym piwem, jak to zrobiliśmy w poprzednim artykule o stanie naładowania, znacznie pomaga zrozumieć codzienne problemy związane z oceną stanu naładowania, trudnościami w równowadze napięć oraz nagłymi zatrzymaniami pracy. Ale ta analogia również bardzo pomaga w zrozumieniu typowych pytań dotyczących ładowania baterii, którym poświęcimy uwagę w tym artykule.

Będzie to miejsce, gdzie wyjaśnimy – między innymi – jak i dlaczego podwojenie mocy ładowania nie może skrócić czasu ładowania o połowę, przynajmniej jeśli chce się naładować baterię do pełna.

Zacznijmy od układów ładowania w bazach, czyli autobusów lub ciężarówek z dość dużymi bateriami (>300 kWh), które mają służyć na określonej trasie przez cały dzień bez żadnych lub tylko nielicznych dodatkowych ładowań. Zazwyczaj chce się, aby bateria była na 100% energii rano i aby pod koniec dnia pozostała jeszcze pewna ilość rezerwy.

Czy ładowanie w magazynie to mądry wybór?

Jednak naładowanie akumulatora do 100% przed rozpoczęciem dnia nie jest tak proste, jak mogłoby się wydawać. Ładowarka najpierw „negocjuje” proces ładowania z pojazdem za pomocą specjalnego protokołu komunikacyjnego, co polega na uzgodnieniu – przede wszystkim – planowanej mocy ładowania, jaką może dostarczyć źródło zasilania, a także tej, którą akumulator jest w stanie przyjąć. Tutaj ograniczamy się do aspektu związанego z akumulatorem, ponieważ na ten delikatny i wrażliwy aspekt komunikacji można napisać nieskończenie wiele artykułów. Szczególnie wyjaśniamy sytuację w przypadku akumulatorów o odpowiedniej wielkości, a nie nadmiernie dużych; w przypadku akumulatorów o zbyt dużej pojemności opisana poniżej część CV zazwyczaj nie ma tak dużego wpływu na proces ładowania.

Zgodnie z tym, prąd płynie w stałym strumieniu – fazę tę nazywa się więc fazą prądu stałego lub po prostu fazą CC (zobacz wykres po prawej stronie). W analogii z piwem kieliszek jest stale wypełniany, a wysokość wypełnienia rośnie; zarówno piwo się podnosi, jak i zaczyna tworzyć się piana – mówiąc elektrochemicznie, zaczynają gromadzić się „nadpotencjały” na mierzalnym napięciu (jeśli czytałeś wcześniejsze artykuły: jest to spowodowane migracją dużych jonów do elektrod, co wymaga pewnego wysiłku, i jest to widoczne makroskopowo jako odwracalny wzrost napięcia, które powoli znika po zakończeniu ładowania, podobnie jak piana na piwie…).

Gdy całkowita wysokość napełnienia, czyli piwo plus piana, zbliża się do brzegu kieliszka, a napięcie baterii osiąga maksymalne dozwolone wartości, ładowarka i bateria szybko zaczynają negocjować nowy, płynnie zmieniający się profil prądu, który utrzymuje całkowitą wysokość napełnienia na stałym poziomie u góry – w fazie stałego napięcia, czyli CV. W istocie polega to na stopniowym zmniejszaniu prądu, co pozwala na zmniejszenie ilości piany, podczas gdy część ciekła może nadal rosnąć. Cały ten proces jest często nazywany „ładowaniem CCCV”.

Załóżmy, że przestaniesz ładować, gdy napięcie po raz pierwszy osiągnie maksymalną wartość – piana się usadzi i, co jest dość zaskakujące, po około 10–30 minutach twój kieliszek będzie wypełniony jedynie na 85%. Dlatego jest to dokładnie tak, jak przy parzeniu piwa: doprowadzaj przepływ piwa do momentu, aż piana dotknie brzegu kieliszka, następnie zmniejsz przepływ, utrzymując stałą całkowitą wysokość (CV), zmieniając jedynie stosunek płynu do piany.

Znajomość implikacji…

Jakie są konsekwencje? Spójrz na wyniki symulacji pokazane na diagramie – jedną z oczywistych konsekwencji jest to, że podwojenie mocy ładowania nie skraca czasu ładowania o połowę, przynajmniej jeśli chce się naładować baterię do pełna. W rzeczywistości etap CC przyspiesza, ale również nie dwukrotnie, ponieważ poziom piany rośnie znacznie szybciej, przez co etap CV staje się jeszcze bardziej wyraźny. W tym przykładzie po około 900 sekundach nie osiąga się nawet etapu CV (powinien pojawić się później), natomiast po podwojeniu mocy etap CV jest osiągany po około 570 sekundach, co przynosi redukcję zużycia energii o 24%. Podwojenie mocy trzykrotnie oczywiście sprawia, że system natychmiast przechodzi w tryb CV (etap CC nie jest już widoczny), co skutkuje zużyciem energii mniejszym niż dwukrotnie! Oczywiście jest to tylko przykład i może nie odnosić się do twoich konkretnych urządzeń.

Baterie o dużych rozmiarach – a dotyczy to szczególnie urządzeń opartych na technologii LFP – nie wykazują tak wyraźnego efektu, jak tutaj opisano (ponieważ może nawet nie osiągnąć się etapu CV, czyli jest to jak nalewanie około 1 litra piwa do szklanki o pojemności 1,5 litra: ledwo uda się wytworzyć tyle piany, by dotknęła ona brzegu).

Czy to nowość? Moc ładowania 3x niekoniecznie skraca czas ładowania o 3 razy!

Często bywa tak, że etap CV trwa tyle samo czasu co etap CC. Uzyskanie pierwszych 80% może zajmować tyle samo czasu co ostatnich 20%! Obserwuj to w swoich systemach monitoringu: najpierw poziom SoC rośnie liniowo, a potem powoli spada, aż osiągnie wartość 100%.

Ładowanie z linii napowietrznej (jak w trolejbusach lub niektórych projektach pojazdów elektrycznych) również zasługuje na wzmiankę: oprócz oczywistych wyzwań infrastrukturalnych związanych z utrzymaniem sieci linii napowietrznej, prawdziwym problemem jest układ elektryczny pojazdów – większość pojazdów drogowych ma opony gumowe, które nie przewodzą prądu. Dlatego pojazdy z oponami gumowymi i linią napowietrzną potrzebują dwóch przewodów napowietrznych (co zwiększa złożoność infrastruktury w porównaniu z pociągami o oponach metalowych). Prawdziwym problemem jest jednak bezpieczeństwo: w przypadku kół metalowych awaria elektryczna (np. przewód pod napięciem dotykający ramy pojazdu i poddanie jej wysokiemu napięciu) byłaby natychmiast przekierowana do ziemi przez koła; ryzyko, że rama lub kadłub pojazdu znajdzie się pod napięciem, jest bardzo małe. Natomiast w pojazdach z oponami gumowymi awaria elektryczna może poddać cały pojazd napięciu, a pasażer dotykający kadłuba może doznać porażenia prądem.

Uderzenie prądem. Skutkiem tego jest to, że układ elektryczny takich pojazdów dodaje złożoności i kosztów, co utrudnia ich produkcję pod względem ekonomicznym.

Jeśli w swoich danych nie widzisz tego efektu przy zbliżaniu się do 100%, najprawdopodobniejszym powodem jest to, że wartość SoC, którą widzisz, nie odpowiada rzeczywistej, „prawdziwej” wartości SoC. Producenci i dostawcy odróżniają wartość SoC podawaną w komunikatach (często nazywaną „operacyjnym SoC”) od tej „prawdziwej”, obliczanej wewnętrznie („technicznym SoC”), co jest szczególnie istotne w przypadku dużych baterii, gdzie użyteczna, operacyjna pojemność sieciowa znacznie różni się od technicznie dostępnej pojemności.

Praktyczny wskaźnik SoC jest dostosowywany tak, by pokazywać 100%, mimo że rzeczywista wartość wynosi zaledwie około 90%. Bez wchodzenia w zbyt wiele szczegółów, istnieją ku temu poważne powody: (a) aby mieć rezerwy (służące do pokrycia znanych błędów szacowania, patrz ostatni artykuł), (b) aby oszczędzać baterię (zbyt wysokie/niskie wartości SoC często szkodzą jej stanowi) oraz (c) aby symulować pozornie jednolite zachowanie w całym okresie użytkowania poprzez stopniowe wykorzystywanie tych rezerw. Patrząc zatem na punkt (c), jeśli obecnie nie zaobserwujesz takiego zachowania ładowania, możesz je zauważyć później – pamiętaj, że czas ładowania baterii pojazdu może się w przyszłości zwiększyć!

Wskazówki praktyczne: Nie proś tylko o dostęp do danych dotyczących baterii, ale o odpowiednie sygnały w odpowiedniej rozdzielczości. Parametry takie jak SoC, SoH, prąd, napięcie i temperatura powinny być rejestrowane z wystarczająco dużą częstotliwością, aby odzwierciedlać rzeczywiste zachowanie ładowania.

A co z opłatą za korzystanie w godzinach szczytu?

Choć istnieje możliwość ładowania w trakcie podróży, pojawiają się inne wyzwania. Zazwyczaj nie ładowuje się do 100% (tylko rano, jak opisano powyżej), lecz wielokrotnie uzupełnia się mniejszą ilość energii w baterii (

Doświadczają one wydłużenia czasu ładowania spowodowanego degradacją.

Wreszcie: ładowanie indukcyjne…

Jedna uwaga na temat ładowania indukcyjnego, w którym fizyczne podłączenie służące do połączenia galwanicznego jest zastępowane bezprzewodową transmisją energii. To wspaniały pomysł, ponieważ praktycznie nie byłoby już potrzeby precyzyjnego ustawiania pozycji ani ręcznej obsługi. Można by nawet ładować pojazd podczas jazdy. Jednak fizyka interweniuje: stosunek energii, która dociera do pojazdu, do tej, która jest traciona z powodu specyficznych nieefektywności indukcji – mówiąc prościej: ta, która zostaje przekształcona na ciepło w otoczeniu – zależy głównie od (a) odległości między odbiornikiem a nadajnikiem oraz (b) częstotliwości zmiennego pola elektromagnetycznego indukcyjnego.

Aby ładowanie indukcyjne nie stało się ekonomicznie nie do zniesienia, trzeba albo (a) zmniejszyć odległość między nadajnikiem/przyjmownikiem do zaledwie kilku milimetrów, a albo (b) zwiększyć częstotliwość, a tym samym rozmiar cewki i w konsekwencji jej wagę. W idealnym wariancie cewka miedziana o wadze kilkuset kilogramów powinna znajdować się zaledwie kilka milimetrów od nadajnika. Okazało się to, i wciąż jest, tak trudne pod względem technologicznym, że do dziś nie znaleziono żadnego ekonomicznie opłacalnego i skalowalnego rozwiązania, a prawie 100% wszystkich baterii jest ładowanych za pomocą bezpośrednich połączeń.

Na zakończenie zachęcamy wszystkich do otwartych dyskusji na temat opcji i konsekwencji różnych filozofii ładowania z ich partnerami OEM. Bardzo pomocne jest domaganie się maksymalnej przejrzystości co do podstawowych sygnałów związanych z baterią i ładowarką, a także regularnych informacji na temat jej degradacji, ponieważ już teraz wiemy, jak degradacja wpływa na każdy aspekt baterii.

Za jednym razem

Baterie Li-ion wykazują ciekawy efekt: ilość energii, którą można naładować w określonym czasie, zależy od mocy ładowania – na przykład podwojenie mocy ładowania niekoniecznie skraca czas ładowania o połowę.

Wartość SoC, którą widzimy („operational/ net SoC”), najczęściej nie jest prawdziwą wartością SoC, i to z dobrego powodu.

W aplikacjach ładowania w magazynach lub wszędzie tam, gdzie bateria jest ładowana do 100% (naprawdę 100%), a przy tym nie jest znacznie przegrzewana, stosuje się jakiś rodzaj ładowania CCCV.

Specyficzny wzorzec CCCV powoduje, że podwojenie lub potrojenie mocy ładowania nie skraca czasu o połowę ani o jedną trzecią.

Ładowanie okazjonalne odbywa się głównie w trybie CC, więc nie jest podatne na ten wzorzec, ale może ulec wpływowi rosnących oporów spowodowanych

* tj. charakterystykami OCV, zobacz artykuł nr 3

** tj. nadpotencjałem i napięciami dynamicznymi

*** Wyniki symulacji (LFP, SOC0=50%, temperatura otoczenia 30°C) pochodzą z: Bunzel, A.; Morawietz, L.; Ufert, M.: Technologische und ökonomische Bewertung der Elektrifizierung von ÖPNV-Busflotten im Werkstatt- und Betriebshofbereich. Fachtagung „Werkstatt- und Betriebshofkonzepte für Elektrobusse“, Dresden, 11.-12.10.2018.

Artykuł „Ładowanie baterii – pokarm dla umysłu [The Battery Cycle #4 | wydanie 2026]” po raz pierwszy ukazał się na Sustainable Bus.