Wpływ temperatury i napięcia na ładunek i kondycję modułów akumulatorów litowo-jonowych w lekkich pojazdach elektrycznych

Dlaczego upalne dni mają znaczenie dla akumulatorów e-bike’ów

Rowery i hulajnogi elektryczne obiecują czystsze i wygodniejsze podróżowanie, ale akumulatory je napędzające w cieniu zmagają się z przegrzewaniem. Badanie to zagląda do wnętrza pakietu akumulatorowego lekkiego pojazdu elektrycznego, by sprawdzić, jak rzeczywista eksploatacja i różne temperatury — od umiarkowanej pokojowej po pustynną — wpływają na ilość energii, jaką akumulator może przechować, oraz na jego trwałość. Wyniki pomagają wyjaśnić, dlaczego zasięg spada w bardzo gorące dni oraz dlaczego inteligentniejsze chłodzenie i ładowanie są niezbędne dla bezpiecznej i trwałej miejskiej e-mobilności.

Zaglądając do małego elektrycznego pojazdu

Naukowcy skupili się na powszechnym typie lekkiego pojazdu elektrycznego, podobnym do roweru z wspomaganiem, wyposażonym w 48-woltowy pakiet akumulatorów litowo-jonowych zbudowany z 52 małych cylindrycznych ogniw. Zamiast traktować pakiet jako czarną skrzynkę, rozebrali go, by każde ogniwo mogło być zmierzone na specjalnym stanowisku testowym. Dla każdego ogniwa określili pojemność ładunku oraz „kondycję” w porównaniu z nowym ogniwem. Następnie ponownie złożyli pakiet, zamontowali pojazd na bębnach i przeprowadzili standardowy cykl jazdy stosowany w testach motocykli, symulując miejskie zatrzymywanie się i ruszanie oraz krótkie odcinki większej prędkości.

Kontrolowane podkręcanie temperatury

Aby sprawdzić, jak temperatura zmienia zachowanie akumulatora, zespół umieścił cały pakiet w zamkniętej metalowej skrzyni, gdzie mogli ustawić otoczenie na 25, 35, 45 lub 65 stopni Celsjusza. Podczas gdy pojazd „jechał” na bębnach, czujniki w czasie rzeczywistym rejestrowały napięcie, prąd i temperaturę — zarówno na zewnątrz pakietu, jak i w jego centrum. Po każdej serii testów w danej temperaturze pakiet był ponownie rozbierany, aby ponownie zmierzyć pojemność ładunku i kondycję każdego ogniwa. Obrazy z kamery termowizyjnej dały bezpośredni obraz tego, jak ciepło gromadziło się i rozprzestrzeniało w module podczas pracy i ładowania.

Co dzieje się z ładunkiem i kondycją, gdy robi się gorąco

W umiarkowanych temperaturach — około 25 do 35 stopni Celsjusza — akumulator zachowywał się dobrze. Pakiet dawał się ładować prawie do docelowego napięcia, a symulowana jazda pobierała energię płynnie, z niewielkimi wzrostami temperatury. W tym zakresie stan naładowania (jak pełny jest akumulator) i stan kondycji (ile pojemności pozostało w porównaniu z nowym) pozostawały w pożądanych granicach. Jednak wraz ze wzrostem temperatury do 45 stopni, a zwłaszcza do 65 stopni, pojawiały się problemy. Pakiet szybciej tracił napięcie podczas cyklu jazdy, co oznacza mniejszy zasięg pojazdu. Niektóre ogniwa straciły zauważalny udział swojej pierwotnej pojemności, schodząc poniżej powszechnie akceptowanych granic kondycji dla dalszego użycia w pojazdach.

Ciepło ukrywa się w środku

Obrazy termiczne i odczyty z czujników pokazały, że ciepło nie rozkłada się równomiernie. Centralne ogniwa w module konsekwentnie pracowały w wyższej temperaturze niż te po bokach. W łagodnym teście przy 25 stopniach najcieplejsze miejsce wewnątrz pakietu osiągnęło nieco poniżej 30 stopni, lecz w teście przy 65 stopniach gorące jądro przekroczyło 80 stopni. Podczas ładowania sytuacja pogarszała się: pakiet zatrzymywał ciepło w środku, a zabezpieczająca elektronika i kable również się nagrzewały. Przy najwyższej temperaturze system zarządzania baterią przerywał ładowanie wcześniej, by zapobiec uszkodzeniom — co chroniło pakiet, ale powodowało też, że niektóre ogniwa były niedoładowane względem innych. Ta nierównowaga dodatkowo zmniejszała użyteczną energię i przyspieszała starzenie najsilniej obciążonych ogniw.

Wnioski konstrukcyjne dla bezpieczniejszych i trwalszych przejazdów

Podsumowując, badanie pokazuje, że akumulatory lekkich pojazdów elektrycznych są komfortowe tylko w stosunkowo wąskim oknie termicznym, mniej więcej 25–35 stopni Celsjusza. Powyżej tej granicy tracą energię szybciej, starzeją się szybciej i rozwijają nierównomierne gorące punkty — zwłaszcza w centrum pakietu — podczas gdy zabezpieczająca elektronika ma trudności z utrzymaniem bezpieczeństwa. Dla użytkowników przekłada się to na krótszy zasięg i większe ryzyko przedwczesnej wymiany akumulatora w gorącym klimacie. Dla projektantów i planistów miejskich praca podkreśla potrzebę prostych, lecz skutecznych rozwiązań chłodzenia lub wentylacji, inteligentniejszych układów pakietów zapobiegających przegrzewaniu się rdzeni oraz skrupulatnego monitorowania kondycji na poziomie ogniw. Dzięki tym środkom małe pojazdy elektryczne mogą dostarczać czystszy transport, nie rezygnując z bezpieczeństwa ani żywotności akumulatorów.

Cytowanie: Quintana, J.M., Paredes-Rojas, J.C., Vázquez-Medina, R. et al. Temperature and voltage effects on the charge and health of lithium-ion battery modules in light electric vehicles. Sci Rep 16, 9408 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40094-5

Słowa kluczowe: akumulatory litowo-jonowe, rowery elektryczne, temperatura akumulatora, kondycja akumulatora, zarządzanie termiczne