Czarny, czerwony, złoty – te kolory wskazują stan naładowania ogniwa akumulatora. Podczas ładowania jony litu odkładają się w anodzie grafitowej, a grafit zmienia swój kolor w zależności od stanu naładowania. W stanie rozładowania grafit jest czarny, w stanie naładowanym do połowy – czerwony, a w stanie całkowicie naładowanym – złoty.

Pozwala nam to zobaczyć i ocenić stan naładowania – wyjaśnia dr Bernhard Rieger, ekspert ds. ogniw w centrum testowania akumulatorów Audi w Gaimersheim.

Kiedy elektrody są ładowane, nie dzieje się to równomiernie. Elektroda ładuje się najszybciej tam, gdzie znajduje się największa liczba jonów litu. Powoduje to powstanie gradientu stanu naładowania. Idealnie byłoby, gdyby wszystko było w tym samym kolorze. Wymagałoby to jednak zastosowania niezwykle cienkiej elektrody, która z kolei miałaby niewielką pojemność.

Jeśli chodzi o szybko ładujące się ogniwa litowo-jonowe, sztuka polega na precyzyjnym sterowaniu prądem elektrycznym, tak by nie dopuścić do przeładowania anody w złotych obszarach. To spowodowałoby jej przedwczesne starzenie się – mówi Rieger – Nasze zadanie polega na zapewnieniu idealnego działania ogniw litowo-jonowych w celu uzyskania jak najlepszego zasięgu i wydajności ładowania.

Klientom Audi ma to gwarantować, że ich elektryczny, napędzany akumulatorem trakcyjnym samochód charakteryzować będzie się zarówno doskonałym zasięgiem, jak i wydajnością ładowania.

Po zaspokojeniu podstawowej potrzeby, jaką jest zasięg, ważniejsza staje się wydajność ładowania – dodaje Rieger.

Inżynierowie i technicy z Gaimersheim muszą więc stawiać czoła sprzecznym celom.

Mamy do dyspozycji ograniczony pakiet, w którym musimy upakować jak najwięcej energii – komentuje Rieger – Ale chcemy też mieć możliwość jak najszybszego jego naładowania.

Konflikt polega na tym, że im większa gęstość energii, tym dłużej trwa ładowanie ogniwa. Oznacza to, że specjaliści zajmujący się ogniwami stoją w obliczu konieczności utrzymania stałego czasu ładowania przy jednoczesnym zwiększaniu gęstości energii. Pojemność ładowania jest ważnym punktem programu rozwojowego projektów – chodzi o to, by szybko naładować akumulator dużą ilością energii.

W tej dziedzinie standardy wyznaczają dziś dwa modele Audi: ogniwa akumulatora wysokonapięciowego o pojemności 93 kWh zastosowanego w Audi e-tron GT quattro mogą w idealnych warunkach naładować się od 5 do 80 procent z mocą do 270 kW w ciągu zaledwie 22,5 minuty. Audi e-tron, które po raz pierwszy trafiło na rynek w roku 2019, dzięki wyjątkowej krzywej ładowania przypominającej plateau, gdzie przez znaczną część procesu ładowania dostępna jest moc ładowania do 150 kW, do dziś uważane jest za punkt odniesienia dla innych modeli.

By uzyskać jak najkrótszy czas ładowania w połączeniu z wysoką wydajnością i długą żywotnością, poświęciliśmy dużo czasu na opracowanie idealnego, zrównoważonego sterowania zarówno prądem elektrycznym, jak i samymi ogniwami – wyjaśnia Rieger.

Specjaliści z Gaimersheim nie koncentrują się wyłącznie na ogniwach akumulatorowych. Dla koncepcji szybkiego ładowania Audi równie ważny jest cały system akumulatorów z jego elektroniką, systemem zarządzania ciepłem i peryferyjnymi urządzeniami wysokiego napięcia.

Nasze systemy są projektowane z myślą o szybkim ładowaniu, ponieważ bardzo trudno jest później zwiększyć pojemność ładowania. Tylko doskonale wyważony pakiet, w którym każdy szczegół liczy się od najwcześniejszej fazy projektowej, pozwoli osiągnąć pożądane właściwości ładowania.

Poza kryteriami gęstości energii i pojemności ładowania, ogniwa akumulatorowe spełniają również najwyższe standardy żywotności i bezpieczeństwa. W tym celu poszczególne ogniwa i cały system akumulatorów muszą przejść liczne testy. W centrum w Gaimersheim, którego powierzchnia wynosi ok. 4400 m2, każdy projekt pojazdu przechodzi szereg testów żywotności i szybkiego ładowania. Ogniwa muszą przejść przez różne profile ładowania i obciążenia, które technicy z Gaimersheim prowadzą w specjalnych komorach, w temperaturach od -30 do +60°C.

Nasze testy rozpoczynają się już we wczesnej fazie próbnej, około czterech lat przed rozpoczęciem produkcji, tak by mieć czas na wprowadzenie ewentualnych poprawek – wyjaśnia Rieger.

By dodatkowo ocenić zjawisko starzenia się ogniw, są one wystawiane na działanie wysokich temperatur przez okres około roku. Pozwala to Audi na symulację okresu eksploatacji samochodu wynoszącego do 15 lat. Stanowiska testowe w Gaimersheim pozwalają także tamtejszym inżynierom na odtwarzanie scenariuszy przebiegu około 300 000 kilometrów. Prowadzi się tam również testy zderzeniowe i przeciążeniowe, a także testy bezpieczeństwa. Można symulować różne scenariusze jazdy, tak by zoptymalizować strategię działania komponentów wysokonapięciowych lub zarządzanie temperaturą.

Aplikacja pozwala nam na jak najlepsze dostrojenie naszych akumulatorów – mówi Rieger – Wyniki pomiarów są przesyłane bezpośrednio do wirtualnych modeli akumulatorów, dzięki czemu możemy na bieżąco obserwować efekty.

W Gaimersheim znajduje się również zakład konstrukcyjny dla akumulatorów prototypowych, które następnie wykorzystywane są w wersjach przedprodukcyjnych poszczególnych nowych modeli.

Mamy kompetencje, by dopracowywać konstrukcje i strategie działania naszych ogniw tak, by uzyskać właściwości idealne dla samochodów marki Audi – podsumowuje dr Bernhard Rieger – Jak budować i obsługiwać akumulator, by uzyskać z niego jak najwięcej korzyści? Na to pytanie każdego dnia odpowiadamy właśnie tutaj – w centrum testowania akumulatorów w Gaimersheim.

Źródło: Audi