Poziom stresu: co sprawia ból? [Cykl ładowania baterii nr 7 | 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.

Witamy w nowym artykule z serii Battery Cycle – serii artykułów poświęconych demistyfikacji tej „czarnej skrzynki” w przystępny sposób, ale jednocześnie z techniczną precyzją. W naszym ostatnim artykule wyjaśniliśmy koncepcję stanu zdrowia baterii (SOH) oraz dlaczego należy z niej korzystać z dużą ostrożnością. Ponieważ artykuły w tej serii są powiązane ze sobą, zdecydowanie polecamy zapoznać się ze wszystkimi poprzednimi artykułami (w tym tymi dotyczącymi różnic między technologiami NMC, LFP, LTO, SOC, procesów ładowania i równoważenia).

Poprzedni artykuł poświęcony był jednemu z najważniejszych skutków degradacji – spadkowi pojemności. Wszystko w tym obszarze obraca się wokół tego aspektu – ale nie poruszyliśmy kwestii: co tak naprawdę szkodzi? Co wpływa na szybkość degradacji i jakie środki można podjąć, aby spowolnić jej postęp?

Czym są „pojemność” i SOH?

Jak dowiedzieliśmy się w poprzednim artykule, pojemność, którą „doświadcza się” w codziennej eksploatacji, jest często określana jako pojemność „operacyjna” lub „netto” baterii i jest programowo udostępniana przez oprogramowanie BMS. Z tego powodu nie jest ona „same w sobie” automatycznie proporcjonalna do technicznie dostępnej, teoretycznej pojemności elektrochemicznej systemu baterii. Pierwsza z tych wartości może nawet pozostawać stała przez lata (zgodnie z filozofią „Wykorzystaj bufor”: patrz poprzedni artykuł!), podczas gdy druga, czyli pojemność techniczna, faktycznie ulega degradacji, choć użytkownik o tym nie wie.

Fakt, że BMS może lub nie może uwolnić pełnego potencjału baterii – istnieją poważne powody, by tego nie robić! – w żadnym wypadku nie powinien wprowadzać właściciela lub operatora w błąd, by nie traktowali i nie eksploatowali baterii w sposób suboptymalny, powodujący duży stres.

Które zatem są czynniki, które bezpośrednio wpływają na degradację, a tym samym przynajmniej pośrednio również na pojemność i wydajność użyteczną w codziennym życiu?

Krótka odpowiedź brzmi: istnieje tylko kilka uniwersalnych zasad. Ogólnie rzecz biorąc, każdy typ komórki akumulatorowej ma swoją unikalną wrażliwość na użytkowanie i czynniki zewnętrzne. Niektóre typy komórek są przeznaczone do pracy w niskich temperaturach, inne – przy wysokich prądach itp., a jak to często bywa w życiu, nie ma nic za darmo. Optymalizacja pod jednym względem wiąże się z kosztem w innym – więcej na ten temat później.

Starzenie kalendarzowe vs. starzenie cykliczne

Najpierw przedstawmy pojęcia starzenia kalendarzowego (lub według kalendarza) oraz starzenia cyklicznego. Gdy bateria nie jest używana, to znaczy gdy prąd nie przepływa w nią ani z niej, jej jakość pogarsza się wyłącznie pod wpływem starzenia kalendarzowego. Gdy natomiast prąd zaczyna przepływać, dodatkowo występuje starzenie cykliczne. Obie te formy starzenia powodują spadek pojemności (oraz wzrost oporu) ze względu na to, że jony nieodwracalnie tracą swoje właściwości, utknąwszy w reakcjach ubocznych, na które oczywiście wpływają różne czynniki. Dlatego te czynniki nazywamy czynnikami wpływającymi. Zazwyczaj jony reagują nieodwracalnie z innymi materiałami w komórce (takimi jak elektrolit), tworząc pasywne osady*. Istnieją również inne formy osadów, które mogą stać się niebezpieczne.

Czynniki wpływające są dość powszechne, różni się jedynie ich indywidualny wpływ:

• Ciężkość – czyli temperatura komórki, a nie temperatura otoczenia**

SoC – W okresach bezczynności (starzenie kalendarzowe), tempo starzenia zależy od poziomu SoC, w którym przechowywana jest bateria. Podczas pracy (starzenie cykliczne), tempo starzenia zależy od zakresu SoC, czyli od przedziału naładowania pomiędzy górną a dolną granicą cykli.

Potok prądu (tylko podczas starzenia cyklicznego) – prąd ładowania i rozładowania

Często do tej listy (słusznie) zalicza się również obciążenia mechaniczne, takie jak wibracje i ciśnienie; na razie je pominiemy.

Temperatura i żywotność baterii

Jak te czynniki wpływają na tempo spadku pojemności? Zależy to od wrażliwości chemii komórki, a ta zależność jest często silnie nieliniowa. Większość chemii komórek lepiej radzi sobie przy przechowywaniu w niskiej temperaturze, co spowalnia starzenie kalendarzowe (zmniejszając prawdopodobieństwo reakcji ubocznych).

Jednak szczególnie komórki NMC bardzo cierpią podczas ładowania w niskich temperaturach (

Pokrywanie litem, awaria termiczna…

Baterie Li-Ion można uznać za bezpieczne. „Samozapłon” może mieć miejsce, jeśli w ogóle, jedynie wtedy, gdy wewnętrzne mikroskopijne usterki osiągną krytyczny poziom. Mówiąc prościej, jony litu przemieszczają się z jednego biegunu na drugi wewnątrz komórki, podczas gdy elektrony podróżują tą drogą przez obwód elektryczny pojazdu. W normalnych warunkach jony migrują do przeciwnego elektrody, aby ponownie połączyć się z już tam znajdującymi się elektronami. Jednak gdy jest zimno, prąd jest wysoki (szybkie ładowanie) i/lub elektroda jest już w dużej mierze napełniona, ta migracja staje się równie utrudniona jak wsiadanie do już przepełnionego samolotu z jeszcze trzema dziesiątkami drżących pasażerów. Dlatego w takich warunkach z punktu widzenia elektrochemii często korzystniejsze jest tworzenie się osadów metalicznych na elektrodzie – pokrywy litowej, czyli „złej formy” osadów.

Praktyczne wskazówki: 1) Planuj pasywne równoważenie. Po naładowaniu do 100 % postępuj zgodnie z zaleceniami producenta dotyczącymi czasu spoczynku, 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.

Ciągłe powtarzanie się tego procesu powoduje gromadzenie się takich uszkodzeń, które mogą w końcu dotrzeć do włókien, powodując wewnętrzne zwarcia (dendryty). One z kolei mogą wytwarzać ciepło, co przyspiesza procesy chemiczne, prowadząc do powstawania jeszcze większej ilości ciepła i gazów – jest to proces samonapędzający się, nazywany „runaway termicznym”. Taka sytuacja rozwija się błyskawicznie w ciągu mniej niż pięciu minut, ostatecznie powodując gwałtowne wyrzucanie gazów w postaci gęstych, białych chmur par nasiąkniętych elektrolitem.

Uwaga: warunki sprzyjające powstawaniu pokrywy metalicznej są tylko częściowo kontrolowane przez system zarządzania baterią pojazdu. Obowiązkiem operatora jest monitorowanie i odpowiednia pielęgnacja baterii, podobnie jak staranne przechowywanie, obsługa oraz rzetelne monitorowanie płynów łatwopalnych stanowią bezsprzecznie najlepszą praktykę.

Rola SoC

Zatem chociaż natężenie prądu i temperatura zazwyczaj tworzą skomplikowaną współzależność, a wrażliwość na temperaturę często różni się w zależności od starzenia kalendarzowego i cyklicznego, prawdziwe zaskoczenia przynosi nam: SoC!

SoC może mieć znaczący wpływ na żywotność baterii – zarówno w przypadku jej spoczynkowego stanu podczas parkowania (starzenie kalendarzowe), jak i w zakresie pracy urządzenia, w którym bateria jest wykorzystywana (starzenie cykliczne). Choć to znowu tylko jeden z setek przykładów, pokazuje on dobrze, jaki potencjał kryje się w tym czynniku: na poniższym rysunku przedstawiono ewolucję degradacji dwóch niemal identycznych scenariuszy użytkowania wysokiej jakości komórki NMC. Obie sytuacje obejmują wykorzystanie jedynie około 50% pojemności baterii (co nie jest rzadkością); pierwsza z nich (zielona) odbywa się w górnej połowie zakresu (100>50>100>…%, czyli bateria wraca do magazynu w połowie pełna), natomiast druga (fioletowa) charakteryzuje się ekstremalnym sposobem użytkowania: zaczyna od 50% pojemności i kończy praktycznie pusta (50>0%). Wpływ na degradację jest zdumiewający – druga bateria będzie funkcjonować 2–3 razy dłużej niż pierwsza, co przynosi redukcję całkowitych kosztów posiadania o ponad 50%.

Kto odważy się, ten wygra! Naprawdę? Jeśli chodzi o te czynniki wpływające na jakość baterii, uogólnienia są bardzo niebezpieczne. Może istnieć wiele komórek, które reagują zupełnie inaczej – często przytaczaną zasadą praktyczną jest unikanie obszarów o wysokim (

O poziomie obciążenia baterii

To brzmi skomplikowanie, myląco i niemal nie do opanowania. I rzeczywiście, nawet wykwalifikowany ekspert nie jest w stanie ocenić, na ile stresujący jest dany profil użytkowania, nawet poprzez jego ręczną analizę, czyli ocenę profilu C-rate, ewolucji temperatury oraz zakresów SoC i porównanie ich z wielowymiarową macierzą podatności danego typu baterii*****.

Aby zmniejszyć złożoność, wprowadzono koncepcję „poziomu stresu” – prostego liczby, która informuje obserwatora, czy dany przypadek użycia jest bardziej lub mniej stresujący niż nominalny przypadek referencyjny (taki jak standardowe warunki projektowania i gwarancji, np. „koniec życia technicznego po 8 latach”) – poziom stresu 1,0 oznacza, że dany przypadek jest mniej więcej tak stresujący, jak planowano, natomiast poziom stresu 2,0 oznacza, że bateria pod wpływem tych czynników prawdopodobnie traci właściwości około dwa razy szybciej, niż przewidywano.

Istnieją narzędzia, które mogą automatycznie analizować poziom obciążenia w platformie monitoringu. Narzędzia te są przydatne do oceny ryzyk i potencjału, a także do dostosowywania przypadków użycia.

Rola BMS

Od lat toczy się dyskusja na temat tego, czy zadaniem elektroniki akumulatora (BMS) jest kontrolowanie czynników wpływających i utrzymywanie ich pod kontrolą. Tak, właśnie tak. Zapobiega to szkodliwemu użytkowaniu, które może stanowić bezpośrednie zagrożenie dla bezpieczeństwa („bardzo wysokie obciążenie”). Jednak z wyjątkiem bardzo rzadkich przypadków nie jest ono zaprojektowane ani przeznaczone do udzielania zaleceń dotyczących „najlepszego” poziomu obciążenia.

Innymi słowy: zapobiegnę temu, abyś wypił dwie butelki czerwonego wina, ale nie poleczy mi zamiast tego wypicia filiżanki herbaty imbirowej.

Ciekawe jest to, że globalny trend skłania się ku coraz wyższym gęstościom energii (dłuższy zasięg), co często kosztuje wiele w postaci skróconej żywotności. Tak, średnia stabilność spada! Dotyczy to szczególnie ogniw samochodowych, ale prędzej czy później może wpłynąć również na pojazdy ciężarowe. W każdym razie poważna i znacząca wrażliwość wszystkich typów ogniw Li-ion na czynniki wpływające powinna nas wszystkich zaniepokoić i podnieść świadomość ogromnego potencjału optymalizacyjnego, który może być ukryty w tak wielu zastosowaniach.

Za jednym razem

1. Każdy podtyp ogniw Li-ion ma swoją unikalną, często złożoną wrażliwość na czynniki zewnętrzne – należy odróżnić starzenie kalendarzowe (stanie spoczynku) od starzenia cyklicznego (eksploatacja).

Oba przypadki skutkują inaczej brakiem aktywności jonów Li – zawsze prowadząc do mniej lub bardziej wyraźnego spadku pojemności (oraz wzrostu oporu), a czasami nawet do powstawania niebezpiecznych osadów (powłoka Li).

Różne warunki użytkowania powodują zatem różne poziomy obciążenia (lub przebieg degradacji), a samo liczenie cykli lub czasu eksploatacji nigdy nie pozwala na właściwą ocenę degradacji!

Innymi słowy: konieczne jest regularne i niezależne sprawdzanie pojemności oraz wskaźnika SoH.

To wymaga również wyższej świadomości zarówno zagrożeń (potencjalne problemy bezpieczeństwa, patrz artykuły wstawione i kolejne), jak i możliwego wpływu różnych czynników na szybkość degradacji – np. poprzez monitorowanie poziomu obciążenia baterii.

Niewielkie dostosowania profili użytkowania mogą znacznie zmniejszyć obciążenie baterii i pomóc wydłużyć jej żywotność o 10 do 50%, a w niektórych skrajnych przypadkach nawet dwukrotnie lub więcej!

* Często określane jako „interfejs elektrolitu stałego“(SEI), ponieważ ten osad tworzy warstwę pośrednią pomiędzy stałymi elektrodami a elektrolitem.

** Temperatura ogniwa oczywiście nigdy nie jest całkowicie niezależna od temperatury otoczenia. Szczególnie w systemach baterii bez kontroli temperatury (bez aktywnego ogrzewania/chłodzenia) temperatura ogniwa jest bezpośrednio pod wpływem otoczenia. A nawet jeśli system jest aktywnie kontrolowany, temperatura ogniwa po długich okresach wyłączenia zbliży się do temperatury otoczenia.

*** „Przepływ C” to znormalizowany prąd; zamiast mówić o 20 A – co może być dużą wartością dla małej baterii (np. 2 Ah), ale zaniedbywalną dla dużej baterii o pojemności 1000 Ah – często dzieli się prąd przez nominalną pojemność: 10 C w pierwszym przypadku, 0,02 C w drugim. 1 C oznacza zatem: opróżnienie baterii w ciągu około 1 godziny.

**** Ładowanie i rozładowywanie przy prądzie 1 C, pełny zakres SoC (0 – 100% – 0%), zmieniająca się temperatura

***** Tę macierz wrażliwości często nazywa się mapą obciążeń. Z powodu ogromnych rozmiarów i złożoności jest ona najczęściej nieznana, przynajmniej częściowo, zarówno producentowi baterii, jak i systemu. A ponieważ umożliwia duże możliwości optymalizacji, jest często dobrze strzeżoną tajemnicą.

Artykuł „Poziom obciążenia: co szkodzi? [Cykl baterii nr 7 | Wydanie z 2026 roku]” pojawił się po raz pierwszy na Sustainable Bus.