Od czasu pierwszych samochodów elektrycznych minęło już ponad 150 lat. Pierwsze pojazdy wykorzy- stywały mało wydajne akumulatory, które niekiedy były nawet jednokrotnego użytku. Wykorzystywane dzisiaj baterie w niczym nie przypominają tych z pierwszych pojazdów.

Producenci wszystkich pojazdów prześcigają się w ba- daniach nad rozwojem akumulatorów, ponieważ jest to jedna z kluczowych kwestii związanych ze sprzedażą samochodów elektrycznych. Najpopularniejszymi obecnie bateriami są baterie litowo-jonowe (fot. 1)

Fot. 1. Bateria litowo – jonowa z pojazdu hybrydowego marki Mercedes-Benz o pojemności 31,2 kWh

Ich działanie polega na przemieszczeniu się jonów litu pomiędzy elektrodami (anodą i katodą) w płynnym środowisku elektrolitu będącego najczęściej solą litu. Akumulatory tego typu są znacz- nie bardziej wydajne niż wiekowe już konstrukcje kwasowo oło- wiowe, ale również znacznie bardziej skomplikowane i bogate w rzadkie materiały. Do ich budowy wykorzystywane są między innymi: kobalt, nikiel, grafit czy mangan. Chodź w zależności od producenta stosunek użycia poszczególnych materiałów może być inny, wszystkie konstrukcje mają jedną wspólną ce- chę: wykorzystanie drogich i trudno dostępnych materiałów. Z tego względu wiele firm pracuje nad konstrukcjami, które ograniczą użycie niektórych materiałów lub pozwolą na dłuższy cykl życia akumulatora. Eksperymentalnymi bateriami są te niewykorzystujące kobaltu, który jest najdroższym materiałem używanym w bateriach, czy konstrukcje półprzewodnikowe wykorzystujące stały ceramiczny elektrolit. Zwłaszcza te dru- gie mogą zapowiadać rewolucję w pojazdach elektrycznych ze względu na ich bardzo szybki czas ładowania (nawet sześcio- krotnie niższy niż w obecnych konstrukcjach) czy szacowaną sprawność na poziomie 90% pierwotnej pojemności przez okres 30 lat.

 

 

Regeneracja

Proces regeneracji baterii staje się coraz bardziej popularny wraz z roz- wojem  samochodów  elektrycznych i hybrydowych. Główną przyczyną tego trendu jest bardzo duży koszt nowych baterii oferowanych przez producentów. Wielu osób nie  stać na zakup nowej baterii, a w sytuacji, gdy sprawność spadnie poniżej zadowalającego nas poziomu regeneracja może okazać się jedyną alternatywą dla wymiany samochodu.

Proces regeneracji zaczyna się od rozłożenia baterii na po- szczególne części składowe i ich weryfikacji. Bardzo istotną kwestią są narzędzia jakich używamy do demontażu baterii. Muszą być to dedykowane narzędzia z odpowiednim pozio- mem izolacji. Przykładowe narzędzia zostały przedstawione na fotografii numer 2.

 

Fot. 2. Zestaw narzędzi spełniających normę EN 60900, która określa parametry izolacyjne jakie muszą  spełniać  narzędzia do obsługi elementów elektrycznych.

Budowę baterii możemy podzielić na kilka elementów: ele- menty obudowy, elektronikę sterującą, elementy układu chło- dzenia, przewody wysoko napięciowe i połączone ze sobą moduły zbudowane z ogniw. Na etapie demontażu poszcze- gólnych elementów, ocenie organoleptycznej mogą zostać poddane elementy obudowy czy wybrane elementy układu chłodzenia. W dalszej kolejności konieczna jest weryfikacja elementów elektroniki, ponieważ, może się okazać, iż to wła- śnie elektronika odpowiada za nieprawidłową pracę całego akumulatora. Niestety zazwyczaj jedyną skuteczną metodą weryfikacji elementów elektronicznych baterii jest podpięcie pod komputer ze specjalnym oprogramowaniem producenta baterii, które zazwyczaj dostępne jest tylko w autoryzowanych lub wysoce wyspecjalizowanych warsztatach. W praktyce jed- nak najczęstszą przyczyną poddawania baterii regeneracji jest jej zmniejszona pojemności, za co bezpośrednio odpowiadają uszkodzone ogniwa. Ogniwo jest podstawowym budulcem akumulatora. W zależności od pojemności baterii mogą ich być setki lub tysiące połączone w kilka lub kilkanaście większych modułów co zostało przedstawione na fotografii numer 3. Wraz z biegiem czasu i po przebyciu niezliczonych cykli ła- dowania i rozładowywania, ogniwa mogą ulegać uszkodze- niom. Wysoki prąd ładowania oraz wysoka temperatura mają kluczowy wpływ na ich żywotność. Zbyt szybkie ładowanie baterii, a zatem ogniw, może  prowadzić do  powstawania  w nich dendrytów czy „metalicznych wąsów” (z ang. metal whiskers – metaliczne podłużne struktury powstające na po- wierzchniach metali) na elektrodach, które mogą być przy- czyną zwarć i pożarów baterii. Uszkodzenie jednego ogniwa może powodować szybszą degradację ogniw znajdujących się w tym samym module. W zależności od ilości uszkodzonych ogniw, moduł nadal może pracować, ale pozostałe ogniwa będą pracować pod większym obciążeniem, aby utrzymać jak najwyższe napięcie, w efekcie czego przy niższym napięciu będą się nagrzewać do poziomu przekraczającego optymalną temperaturę pracy, co skróci ich żywot. W przypadku uszko- dzenia większej ilości ogniw w module, systemy sterujące mogą całkowicie wyłączyć taki moduł ze względów bezpie- czeństwa, a to znacznie obniży pojemność baterii.

Podczas procesu regeneracji wymienia się uszkodzone ele- menty. W większości przypadków, jest to kwestia przede wszystkim wymiany uszkodzonych ogniw  czy  modułów.  Ze względu na bardzo ograniczony dostęp do technologii, wymiany polegają głównie na zastąpieniu uszkodzonych mo- dułów, modułami sprawnymi pozyskanymi z innych baterii. W zależności od możliwości i dokładnej analizy można wymie- nić pojedyncze ogniwo, lecz wymaga to większego nakładu pracy, znacznie bardziej zaawansowanych umiejętności pracy w otoczeniu wysokiego napięcia i większej ilości specjali- stycznego oprzyrządowania. Rozłożenie na części składowe modułu, czyli wyodrębnienie poszczególnych ogniw wymaga rozłączenia ich stałych połączeń, a następnie po wymianie wadliwych ogniw połączenie na nowo zgodnie z technologią i parametrami jakie przewidział producent. Niezwykle istotnym jest, aby wszystkie parametry elektryczne nowo tworzonych połączeń były zgodne z wartościami jakie przewidział producent. W przeciwnym razie nowo stworzony moduł może mieć niewłaściwe parametry i zdestabilizować całą baterię, a także będzie stwarzał wysokie zagrożenie pożarowe. Potrzebna będzie zatem automatyczna linia diagnostyczna do pojedynczych ogniw, aby pomiary zostały wykonane precyzyjnie i aby nie tracić czasu na pomiary ręczne. Przyda się również specjalistyczna zgrzewarka do połączeń elektrycznych pomiędzy ogniwami, bo tradycyjne elektryczne połączenia lutowane nie sprawdzają się w bateriach o wysokiej mocy. Po przeprowadzonych wymianach uszkodzonych ogniw czy modułów bateria odzyskuje swoją pierwotną pojemność.

 

Fot. 3. Przekrój baterii z pojazdu hybrydowego. Widoczne są po- jedyncze walcowate ogniwa zgrupowane w większy moduł.

 

W zależności od konstrukcji danej baterii poza rozłączeniem i połączeniem wymienianych ogniw konieczna może być wymiana elementów układu chłodzącego czy grzejącego. W zależności od budowy baterii możemy rozróżnić układy wykorzystujące powietrze lub ciecz do chłodzenia ogniw oraz konstrukcje oddające ciepło poprzez radiatory w obudowie. Optymalna temperatura pracy jest dla ogniw kluczowym elementem decydującym o ich żywotności. Do niedawna najpopularniejszą metodą chłodzenia ogniw był wymuszony przepływ powietrza, jednak takie chłodzenie posiadało liczne wady, takie jak choćby możliwość przenoszenia zanieczyszczeń do wnętrza baterii lub łatwość zatkania lub przesłonięcia wlotu lub wylotu powietrza chłodzącego. Najnowsze konstrukcje baterii pojazdów hybrydowych wykorzystują bezpośrednie chłodzenie ogniw płynem, które jest najbardziej wydajne i najbezpieczniejsze. Elementy układu chłodzącego czy grzejącego również powinny zostać skontrolowane podczas procesu regeneracji baterii. W przypadku elementów grzejnych w praktycznie wszystkich konstrukcjach są to przewody o określonej rezystancji, które nagrzewają się w wyniku przepływu prądu, które ze względu na prostą konstrukcję praktycznie się nie psują. W kwestii układów chłodzących, weryfikacja jest trudniejsza ze względu na bardziej złożoną budowę. W zależności od konstrukcji baterii wymianom mogą podlegać występujące w systemie filtry, przewody czy pompy.

Mimo, iż regeneracja może dać baterii nowe życie za ułamek ceny nowej części zamiennej, jest to obecnie dziedzina, która dopiero zaczyna się rozwijać. Większość przeprowadzanych regeneracji wykonywana jest przez nieautoryzowane warsz- taty bez żadnej gwarancji producenta, a producentów, którzy wykonują pełną regenerację baterii i przywracają je do obiegu można policzyć na palcach jednej ręki. Producenci znacznie większą uwagę poświęcają recyklingowi swoich baterii, gdyż takie działania są dla nich bardziej opłacalne.