Kategorija: Polnilna infrastruktura

Hitro polnjenje je že od nekdaj šibka točka Li-ionskih akumulatorjev in posledično predmet številnih znanstvenih raziskav. Tipično pri prehitrem polnjenju akumulatorja prihaja do pospešene degradacije in kasneje odpovedi celice, za kar so večinoma odgovorni trije mehanizmi:

1. Visok tok. Velik tok na splošno ni dober za baterijske materiale, ker le-ti ponavadi med vgradnjo in izgradnjo litijevih ionov »dihajo«, oziroma se jim spreminja volumen. Pri velikem toku so mehanske obremenitve večje, zato lahko aktivni delci popokajo in fizično razpadejo; v primeru grafita na anodi to pomeni tudi pokanje SEI. Problem je tudi elektrokemijski; večji tokovi povzročajo večje gradiente potenciala znotraj elektrode, kar pospešuje degradacijo.
2. Visoke temperature: degradacija katode. Visoka temperatura eksponentno pospešuje degradacijske mehanizme v celici (velja Arrheniusov zakon). V grobem to pomeni, da 10 stopinj več podvoji hitrost stranskih reakcij. Pri visoki temperaturi in visoki napetosti celice (visokem SOC) »kurimo« površino katodnih NMC delcev, ob tem pa prihaja do razpadanja elektrolita in tvorbe plinov. To še posebej velja za novejše kemije, ki vsebujejo manj kobalta in so zato bolj občutljive na visoke temperature.
3. Li plating: degradacija anode. Med polnjenjem baterije se litijevi ioni vgrajujejo v anodo, torej v grafitne aktivne delce. Ob visoki napetosti celice (visokem SOC) pa se pri velikem toku polnjenja lahko zgodi, da se površina grafita zasiči in pride do pojava, ki mu po angleško pravimo »lithium metal plating«. Ob tem se Li ioni začnejo nalagati na površino grafitnih delcev v obliki kovinskega litija, ki nemudoma reagira z elektrolitom in povzroči takojšnjo, hudo lokalno degradacijo anodnega materiala. Ta pojav je bistveno bolj verjeten pri nizkih temperaturah, ko je difuzija litijevih ionov v grafitu slabša.

Daleč najbolj nevaren od teh mehanizmov med hitrim polnjenjem je točka 3, torej Li plating. Rešitev je polnjenje pri visoki temperaturi (tako kot to počne na primer Tesla), ampak potem pospešujemo rast pasivnih filmov in degradacijo katode. Izkaže se, da je najboljši kompromis nekje pri sobni temperaturi, torej cca. 25 °C, ki je priporočena temperatura za polnjenje Li-ion akumulatorjev s stališča življenjske dobe.

Pojav Li platinga je izjemno nevaren zato, ker ga ne vidimo, stvari, ki jih ne vidimo, pa se je ponavadi treba najbolj bati. BMS v avtomobilu meri napetosti posameznih celic (U), tok (I) in temperaturo modulov (T), zato se lahko z učinkovitim sistemom aktivnega hlajenja baterijskega paketa v veliki meri izognemo točki 2, kar pa niti slučajno ne velja za točko 3. Nalaganje kovinskega litija na anodi se namreč na nobeni od teh zunaj izmerjenih količin (U, I, T) niti malo ne pozna, zato lahko pride do uničenja celice, BMS pa o tem ne ve absolutno nič. V ekstremnem primeru lahko zrastejo litijevi dendriti, ki prebijejo separator in povzročijo lokalen kratek stik, kar lahko vodi v termični pobeg in eksplozijo celice, še preden zunanji temperaturni senzorji zaznajo, da je nekaj narobe.

Prav zaradi svoje nevidnosti in potencialno katastrofalnih posledic se proizvajalci baterijskih električnih avtomobilov pojava Li platinga na smrt bojijo. Ker ga ne moremo neposredno zaznati, je zaenkrat edina rešitev preventiva. Proizvajalci zato na podlagi raznih modelov in laboratorijskih testov »ugibajo«, kdaj lahko pride do Li platinga, in se mu skušajo na široko izogniti. Večina v BMS sisteme vprogramira stroge protokole polnjenja, ki predvsem pri nižjih temperaturah močno omejujejo hitrost polnjenja EV, marsikateri uporabnik pa v zimskih mesecih ali pri visoki napolnjenosti baterije opaža tudi delno izgubo regeneracije pri zaviranju. Pri temperaturi celic pod 0 °C pa polnjenje brez aktivnega gretja sploh ni več mogoče.

Če to velja za večino proizvajalcev avtomobilov, pa očitno to ni pretirano skrbelo inženirjev pri Hyundaiju, ko so načrtovali prejšnjo generacijo električnega vozila IONIQ Electric z 28 kWh baterijo. To »superiorno« vozilo je v lokalnih (DEMS), kot tudi svetovnih krogih (na račun raznih YouTube-rjev kot so Bjorn Nyland) poleg svoje izjemne aerodinamike znano predvsem po absurdni hitrosti polnjenja na hitrih DC polnilnicah, s katero se celo po današnjih standardih dobesedno norčuje iz ostalih električnih vozil. V zimskih razmerah, brez aktivnega gretja, kljub relativno skromni velikosti baterije (30,5 kWh bruto) dosega in vzdržuje hitrosti polnjenja do skoraj 70 kW, in to vsaj na videz brez znatnejše degradacije. Zanimalo me je, kako je to sploh možno, zato sva se z našim članom Blažem Hrovatom in njegovim »superiorcem«, kot ga imenuje, dobila na testu pri hitri Deltini 500 V 200 A DC polnilnici pri Kristalni palači v BTCju.

Zunanja temperatura je bila 5 °C, parametre baterije kot so moč, tok, napetost, SOC in temperature modulov pa sva v realnem času merila prek CAN vmesnika z aplikacijo Torque Pro. Ob začetku testa je bila baterija skoraj prazna pri 6% SOC, njena temperatura pa je znašala 15 °C, ker je bila prej segreta ob vožnji po avtocesti. Test hitrega polnjenja je potekal do 90% SOC brez prekinitev, podatke pa sva beležila na vsakih 5 %, oziroma, kjer je bilo potrebno, tudi pogosteje. Rezultate meritev prikazuje spodnji graf:

Količina na X-osi je SOC, ki ga javlja BMS in ga lahko interpretiramo kot »pravi« SOC, medtem ko voznik in polnilnica vidita »user SOC«, ki ima upoštevano še rezervo in je med polnjenjem za nekaj odstotkov višji od pravega. Iz krivulj toka (zelena) in napetosti (modra) takoj opazimo, da je polnjenje sestavljeno iz zaporedja dveh CC-CV protokolov. Večino časa polnimo s konstantnim tokom (CC) 171 A, vse do približno 70%, ko preidemo v prvi plato konstantne napetosti (CV) pri 390,5 V. Ob tem tok pada vse do 55 A, ko nadaljujemo z drugo CC fazo. Naslednjega oziroma zadnjega CV platoja nisva čakala, ker to na hitri polnilnici nima nobenega smisla.

Moč polnjenja (črna krivulja) je produkt DC toka in napetosti, in ker napetost baterije med polnjenjem narašča, posledično narašča tudi moč, ki doseže vrh ob koncu prve CC faze pri 67 kW, nato pa v drugi CC fazi pade na 22 kW. Modra napetostna krivulja ima med 10-70% šolsko obliko dvojnega S, ki je značilna za kemijo Grafit/NMC. Moram priznati, da so se mi ob tem rahlo orosile oči, saj si nisem predstavljal, da bom to obliko lahko kdaj videl na terenu, sploh pa ob tako velikem toku. Temperatura celic (rdeča krivulja) je ves čas naraščala, od začetnih 15 °C do končnih 37 °C, torej je tekom polnjenja zrasla za kar 22 °C. Nekje okoli 30 °C se je vklopilo zračno hlajenje baterije, kmalu zatem pa je tok začel padati, zato se je rast temperature upočasnila. Celotno polnjenje je trajalo 28 minut, oziroma pičlih 20 minut od 6-80 %, kar je prav neverjetno. Za radovedne je Blaž pripravil še spodnjo tabelo, v kateri lahko vidimo vmesne čase.

Torej, kaj se tu dogaja? Nominalna energijska kapaciteta Ioniqove baterije je 30,5 kWh (za preračun v C-rate rabimo bruto vrednost), kar pri nominalni napetosti 360 V nanese 85 Ah. Tok 171 A torej ustreza 2,01 C, 55 A pa 0,65 C. V paketu je 96 celic, torej je bila povprečna napetost posamezne celice v CV platoju 4,07 V, najvišja vrednost ob koncu polnjenja pa je dosegla 4,12 V. Ugotovili smo torej, da IONIQ prve generacije hitro polni z 2C tokom do 4,07 V in nadaljuje z 0,65C do naslednjega platoja, ki je nekje nad 4,12 V.

Trik za tako agresivno polnjenje do tako visoke napetosti se skriva v temperaturi celic. Spomnimo se: za pojav Li platinga so hkrati potrebni trije pogoji: nizka temperatura, visok tok in visoka napetost. Polnjenje smo sicer začeli pri nizki temperaturi, a ker je bila tudi napetost nizka, lahko brez strahu začnemo z maksimalnim tokom. Ta potem konkretno greje baterijo in ko vstopimo v fazo potencialno nevarnih napetosti (nad 50 % SOC), je baterija že tako segreta (na skoraj 30 °C), da je možnost platinga zopet minimalna. Tako lahko visok CC režim varno »potegnemo« do zelo visokih napetosti. Genialno! Seveda bi bila zgodba povsem drugačna, če bi se na polnilnico pripeljali s 50 % SOC in baterijo pri zgolj 15 °C. V tem primeru bi morala biti moč polnjenja zagotovo manjša, polnjenje pa bi bilo bistveno manj učinkovito in počasnejše (ker nimamo aktivnega gretja).

Poskus bi bilo zanimivo ponoviti poleti, ko so zunanje temperature za 30 stopinj višje. A IONIQ vztraja pri tem 2C + 0,65C režimu in ob tem zleze v nevarno visoke temperature, ali že prej zniža moč? Izmerjena povprečna temperatura ob koncu 2C faze je bila skoraj 35 °C, kar ob tako velikem toku pomeni, da je v notranjosti celic vsaj 5 stopinj več, se pravi se je aktivni material spogledoval s 40 °C, kar je že kar konkretna temperatura. In to pozimi!

Seveda se ob vsem tem takoj pojavi vprašanje, zakaj tudi ostali avtomobilski proizvajalci ne uporabljajo podobnih »trikov« kot stari IONIQ. Odgovor je sila preprost: Ker je polnjenje z 2C do 4,07 V in potem z 0,65C še naprej, ne glede na temperaturo, čisti samomor. Ni nevarno, a zagotovo ni dobro za življenjsko dobo baterije. 2C polnjenje pri tako visoki napetosti, kot je 4,07 V, zelo verjetno povzroča lokalno nalaganje mikroskopskih količin kovinskega litija na slabše porozna mesta v anodi, kar pospešeno debeli SEI, prav tako pa z visokimi temperaturami in tokovi na teh potencialih uničujemo katodo. Kot nasproten primer naj omenim Renault ZOE, ki gre v drugo skrajnost: medtem ko se je Ioniq pri 15 °C polnil s 60 kW, je bila maksimalna moč polnjenja na moji ZE40 pri 13 °C (sicer pri 55 % SOC) skromnih 12 kW, kljub bistveno večji (45 kWh bruto) bateriji. To je zelo v grobem 0,25C, v primerjavi z 2C pri Hyundaiju. 8-kratna razlika v hitrosti polnjenja! Pa ne pozabimo, da obe znamki uporabljata celice istega proizvajalca, LG Chem! Moram sicer priznati, da je BMS v mojem avtu malo »sumljiv«, ker vsaj delno še vedno misli, da imam staro 23 kWh  baterijo, tako da obstaja sicer majhna, a ne zanemarljiva verjetnost, da gre za »bug« in bi morale biti hitrosti polnjenja 2-krat večje. No, tudi če je to res, je razlika napram Ioniqu še vedno 4-kratna. Je pa verjetno tudi res, da so pri Renaultu nekoliko preveč konzervativni, ker imajo veliko baterij v najemu in je v njihovem interesu, da je degradacija čim manjša.

Dejstvo, da je šel Hyundai s prvo generacijo IONIQa dejansko predaleč pri tem hitrem polnjenju, pa je dokončno postalo očitno s prihodom druge generacije, ki popolnoma opušča to norost in se kljub večji (40 kWh bruto) bateriji vrača na bistveno nižje moči polnjenja, ki so primerljive s konkurenco. Primerjavo profilov polnjenja med starim in novim Ioniqom vidimo na spodnjih grafih:

Profil hitrega DC polnjenja starega Ioniqa (modra krivulja) z dvema zaporednima CCCV odsekoma. Krivulja se popolnoma ujema z najinimi meritvami, pri čemer je SOC skala je zamaknjena za nekaj % zaradi razlike med BMS SOC in uporabniškim SOC. Vir: ev-database [1]

Polnjenje je pri novem modelu razdrobljeno na več krajših CC »stopnic«, s čimer je Hyundai posredno priznal, da so v odprtih degradiranih baterijah prejšnje generacije našli poškodbe na anodnih delcih, ki so posledica Li platinga. Takšen stopničast profil polnjenja, kot ga vidimo na sliki, je namreč dokazano najbolj učinkovita taktika, s katero se poskušamo izogniti temu pojavu. Prav tako je hitrost polnjenja konkretno znižana in zdaj v grobem ne preseže več 1C, novi Ioniq pa ima tudi tekočinsko hlajenje baterije, kar namiguje, da so bile poškodbe vidne tudi na katodni strani. Iz vsega tega je torej zelo očitno, da življenjska doba baterije prve generacije ni izpolnila pričakovanj Korejcev.

Ob tem se o novem Ioniqu na YouTubu pojavljajo razni videi, recimo tale od Bjorna [3], kjer je avtor kot predstavnik voznikov EV razočaran in jezen na Hyundai, ker so naredili na videz slabši avto kot prej. Slišimo lahko stavke kot so »Kaj zavraga se dogaja?«, »Zakaj, zakaj?«, »Uničili so ga«, pa »rapidgate«, »coldgate« itd. Vse to kaže na neko ignoranco oziroma nepoznavanje področja delovanja EV s tehnološke plati. Ne gre za noben »gate«, ampak za običajne zakone fizike. Avtomobilske litij-ionske baterije so preprosto slabe pri hitrem polnjenju, z nadaljnjim višanjem energijske gostote in zmanjševanjem vsebnosti kobalta pa bodo postajale še slabše. Hyundai je enostavno ugotovil, da s tem pristopom ultrahitrega polnjenja, ki so ga ubrali pri prvi generaciji, nekdo, ki bi takšno polnjenje redno uporabljal, ne bi dočakal 8-letne garancije na baterijo. Odločitev, da so novega naredili bolj »idiot-proof«, se zdi povsem smiselna, glede na to, da se časi pionirjev končujejo, EV pa bodo začele kupovati mase, ki se na to tehniko ne spoznajo. Noben proizvajalec si ne želi, da bi ljudje kljub pravilni uporabi uveljavljali garancijo na najdražji del vozila, hkrati pa bi se med kupci širile govorice v smislu »Ne kupit tega avta, baje mu gre baterija.« Življenjska doba akumulatorja bo v prihodnosti čedalje večja prioriteta, tako zaradi ekonomskega kot okoljskega vidika.

Tu in tam se najdejo tudi ugibanja, da je za nizko hitrost polnjenja pri novem Ioniqu kriva nižja napetost baterije (316,4 V napram 360 V), a to je res le pri običajnih 50 kW polnilnicah z omejitvijo toka na 120 A, kar da nominalno moč polnjenja 38 kW. Pri močnejših polnilnicah, kot je na primer Petrolova Delta z 200 A, bi bila nominalna moč 63 kW, kar pa je že bistveno več od moči, s katero se novi Ioniq dejansko polni. Počasnejše polnjenje je torej resnično namerno, se pravi posledica drugačnega programiranja sistema BMS, ne pa artefakt nižje napetosti baterije.

Lastnikom starih Ioniqov svetujem, naj se izogibajo rednih obiskov hitrih polnilnic, če že, pa naj pri 60 % SOC ustavijo polnjenje.

Zapisal: Michel Adamič

Testni avto, foto in denar za polnjenje: Blaž Hrovat

Reference:

[1] https://ev-database.org/car/1057/Hyundai-IONIQ-Electric

[2] https://ev-database.org/car/1165/Hyundai-IONIQ-Electric

[3] https://www.youtube.com/watch?v=GsWq_YrbDhs&t=259s