V Liberci zkoumají optimální úložiště elektrické energie

Na vývoj optimálního úložiště elektrické energie pro konkrétní aplikace se zaměřuje výzkumný tým Pavla Jandury z Ústavu mechatroniky a technické informatiky Technické univerzity v Liberci. Navrhuje a intenzivně testuje různé typy baterií i celých bateriových systémů pro širokou škálu použití. O výsledky výzkumu a dlouhodobého testování baterií mají zájem především menší a středně velké společnosti podnikající v ČR v této oblasti.

„Velcí výrobci elektrochemických článků mají svá vývojová oddělení. Disponují spoustou informací, ale ty si přísně chrání a nedávají je k dispozici menším podnikům ani univerzitním týmům. Takže někdy testujeme i to, co už otestováno bylo,“ přiznává Pavel Jandura. Dodává ale, že počet zájemců o spolupráci s univerzitou ze strany podniků stále roste. Elektromobilita totiž už zasahuje do téměř všech oblastí našeho života. Od dětských hraček, tříkolek s elektrickým pohonem přes elektrokola po elektromobily. Je to ale také miniaturní nositelná elektronika – například kardiostimulátory podporující srdeční činnost, infuzní pumpy pro diabetiky, různé typy implantátů, které také podporují mobilitu člověka. Na tom, v jakém stavu jsou baterie, v případě nositelné elektroniky závisí život pacienta.
Vědci z TUL poskytují firmám technologickou podporu při ověřování parametrů článků i celých baterií. Provádějí často komplexní rozbor návrhu baterií a posouzení vlastností použitých součástí s cílem navrhnout optimální řešení. Pod pojem optimální úložiště elektrické energie lze zahrnovat zařízení či technologii, která pro danou aplikaci poskytuje dostatečné provozní parametry za adekvátní cenu. „Optimální ještě zdaleka není ideální. Ideální úložiště elektrické energie si můžeme představit jako velmi malou a lehkou krabici (black box), do které přímo elektrickou energii libovolně dodáváme, a zároveň ji můžeme v libovolném množství odebírat. Zařízení není závislé na okolním prostředí a spolehlivě slouží ve velkých mrazech i tropických vedrech. K jeho získání však zbývá urazit ještě notný kus cesty. Proto je při současném stavu poznání návrh optimálního úložiště elektrické energie ke konkrétnímu výrobku pro výrobce zásadní věc,“ přibližuje termín profesor Aleš Richter z Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií TUL.

CO SE NA BATERIÍCH TESTUJE A JAK PROBÍHÁ PROCES TESTOVÁNÍ?

Běžně se provádí několik druhů testů. Obecný popis a charakterizaci článku lze udělat poměrně rychle s běžně dostupným měřicím vybavením. Při těchto charakterizačních testech se ověřuje skutečná energetická i výkonová hustota pro dané podmínky. Zjišťuje se vnitřní odpor článku a vybíjecí i nabíjecí charakteristika v závislosti na teplotě okolí v rozsahu obvykle od −20 do +60 °C. Některé z těchto parametrů jsou k dispozici v povinné technické dokumentaci k výrobku, ale většina výrobců článků parametry, týkající se životnosti článků v konkrétních provozních podmínkách, neposkytuje. Ta se totiž na rozdíl od té obecné charakteristiky parametrů určuje obtížněji. „Musíme mít k dispozici špičkové testovací vybavení a obvykle také dostatek času v řádech měsíců. Ke správnému výsledku se těžko dojde bez znalosti správného metodického postupu a schopnosti získané výsledky správně interpretovat,“ konstatuje dr. Jandura.

JAK DLOUHO NÁM BATERIE VYDRŽÍ? DŮLEŽITÁ JE CYKLICKÁ ŽIVOTNOST

Rozlišujeme životnost kalendářní a tzv. cyklickou. Baterie jako elektrochemický zdroj energie postupem času uvnitř stárne. Tento proces je ale stále velmi obtížně měřitelný i ve špičkových laboratořích. Hlavní činitelé urychlující stárnutí článku jsou v prvé řadě skladovací teplota a dále tzv. skladovací hodnota napětí článku. Pro spotřebitele i výrobce je tak zásadním parametrem cyklická životnost – tedy opakované nabíjení a vybíjení článku či celé baterie podle definovaných podmínek. Hodnoticím kritériem je počet vykonaných cyklů do určitého poklesu kapacity, respektive nárůstu hodnoty vnitřního odporu článku nad definovanou mez. Na tento parametr se ptá firma, která poskytuje na výrobek záruku, i běžný uživatel, který si výrobek kupuje. „Je třeba si také uvědomit, že baterie jsou v různých aplikacích různě zatěžovány, baterie v telefonu pracuje zcela v jiném režimu než baterie v elektromobilu,“ upřesňuje Pavel Jandura.

I LEVNÉ ČLÁNKY MOHOU DOBŘE SLOUŽIT

V libereckých laboratořích probíhají desítky testů, sestavují se různé druhy syntetických i real-world zatěžovacích testů článků a na jejich základě se určuje, pro jakou konkrétní aplikaci je vhodný ten který článek, a to i s ohledem na cenu. Liberečtí vědci zkoumají a porovnávají všechny principy i rozpracované technologie ukládání elektrické energie, ať to jsou elektrochemické články, superkapacitory, mechanické setrvačníky, nebo palivové články. Díky dlouhodobému testování v moderně vybavených laboratořích mají v Liberci perfektní přehled o tom, jaké články jsou aktuálně na trhu, kolik stojí a jaké mají reálné parametry. Nejlepší technicko-provozní parametry pro mobilní úložiště elektrické energie v současné době poskytuje podle Jandury technologie lithiových akumulátorů.

„Průmysl často nevyžaduje pro vybrané aplikace úplnou technologickou špičku a my jsme schopni doporučit články dostatečně dobré a zároveň levné. Víme, že některé levnější články mohou v určité aplikaci posloužit dobře, ale v jiné aplikaci totálně selžou,“ konstatuje Pavel Jandura. Připomíná, že vedle výběru článků do baterií je klíčový tzv. battery management system (BMS), který chrání baterii tím, že dohlíží na její správné nabíjení a vybíjení, kontroluje a vyrovnává napětí jednotlivých článků v baterii a ukazuje uživateli aktuální stav nabití baterie. V případě zaznamenání nestandardní provozní situace musí BMS vždy zajistit spolehlivé odpojení baterie. „Na BMS jsou kladeny stále vyšší nároky, co se týče bezpečnosti a rychlosti nabíjení, diagnostiky a přesnosti ukazatele stavu nabití baterie. Naši studenti na toto téma aktuálně zpracovávají bakalářské a diplomové práce, které navrhují nová řešení hardwaru i softwaru pro BMS respektující tyto požadavky,“ dodává k další spolupráci s průmyslem Pavel Jandura.

APLIKOVANÝ VÝZKUM S OHLEDEM NA ZÁKAZNÍKA

Tým Pavla Jandury provádí aplikovaný výzkum i s ohledem na potřeby konečného zákazníka, v neposlední řadě i na jeho finanční možnosti. V současné době například testuje baterie a navrhuje nová řešení klíčového battery management systému pro výrobce elektrokol Apache, partnerskou společnost BP Lumen. „Již jsme navrhli několik úprav, které by bylo vhodné projednat s jejich dodavatelem a implementovat v nové generaci baterií pro následující modelové roky,“ říká Pavel Jandura. Vysvětluje, že výrobci nabízejí obvykle více modelových řad kol, lišících se zejména použitou technologií. Někteří zákazníci žádají drahou technologickou špičku. Pro ty, kteří mají hlouběji do kapsy, jsou určeny cenově dostupnější modely. A právě v této levnější kategorii je třeba pečlivě balancovat mezi cenou a parametry použité technologie. „Porovnávali jsme baterii z cenově dostupnějších modelů kol Apache s baterií od špičky v oboru – společnosti Bosch. Z hlediska základního stavebního kamene baterie, tedy bateriových článků, není mezi těmito bateriemi rozdíl, neboť obě používají kvalitní a osvědčené články od lídrů na trhu. Obrovský rozdíl je však již na první pohled patrný při srovnání důmyslnosti návrhu a maximalizace strojové výroby ve prospěch baterie Bosch. Propastný rozdíl je také v propracovanosti a celkové funkčnosti systému BMS. Pokud ale bude spotřebitel dbát doporučení pro provoz lithiových baterií, tedy zjednodušeně řečeno se vyvaruje všech extrémů při jejich používání a skladování, tak nemusí mít strach, že by levnější baterie Apache měly mít obecně zásadně nižší životnost,“ vysvětluje Pavel Jandura.

POMÁHAJÍ MODERNÍ PŘÍSTROJE

Univerzitní laboratoř je vybavena moderními testery (cyklovači) elektrochemických článků, modulů i celých baterií, které umějí články i baterie nabíjet a vybíjet s nekonečnými možnostmi programování a zaručují precizní měření sledovaných veličin. Zařízení spolupracují s teplotní komorou, kde je možné nastavit teplotu okolí i její dynamickou změnu ve velkém rozpětí. Testy životnosti probíhají i několik měsíců, čímž generují velké množství uložených dat, které se dále zpracovávají a vyhodnocují. I s ohledem na to, zda se jedná o miniaturní články pro kardiostimulátory, velké baterie pro elektromobily, či ještě větší pro stacionární aplikace. „Zajímají nás všechny klíčové parametry moderních technologií, hodnotíme pokroky v prakticky dosažitelné energetické hustotě, což je v dnešní době alfou i omegou pro rozšíření elektrického pohonu do dříve nemyslitelných aplikací, jako jsou silniční nákladní vozidla, velké lodě a v budoucnu i velká letadla,“ myslí si dr. Jandura.
Připomíná, že dalším důležitým parametrem baterií je nejen teoretická rychlost jejich dobíjení, ale i způsob, jak ji maximálně využít v každodenním životě, například pro stále diskutovanější elektromobily. „Pokud chceme elektromobily účelně využívat, je nutné u nás vybudovat funkční infrastrukturu. Do budoucnosti, která bez diskuze patří elektromobilitě, je nutné ji vybudovat rychle na základě propracované studie pokrytí ČR a s využitím dostupných dat a zkušeností ze zahraničí,“ zdůrazňuje Jandura. Nyní pracuje v rámci velkého mezioborového univerzitního týmu na projektu „Modulární platforma pro autonomní podvozky specializovaných elektrovozidel pro dopravu nákladu a zařízení“, který podpořilo ministerstvo školství a EU. Výsledkem má být malý městský elektromobil. Jako vedoucí výzkumného záměru odpovídá za design pokročilé baterie a systému rychlého autonomního dobíjení platformy.

JSOU POTŘEBA ODBORNÍCI S MEZIOBOROVÝMI ZNALOSTMI

Problematika elektromobility je podle děkana Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií profesora Zdeňka Plívy záležitost stoprocentně mezioborová. Vyžaduje odborníky se znalostmi elektrochemie, materiálového inženýrství, kybernetiky, elektroniky a elektrotechniky. Proto fakulta od příštího akademického roku zahrnuje předmět Elektromobilita a autoelektronika do sylabů 3. ročníku nově akreditovaného bakalářského oboru Mechatronika.