Magazyny energii z funkcją podgrzewania akumulatorów – praca w niskich temperaturach
Systemy magazynowania energii elektrochemicznej, szczególnie oparte na technologii LiFePO₄, znajdują szerokie zastosowanie w instalacjach fotowoltaicznych oraz układach hybrydowych.
W warunkach klimatu umiarkowanego i chłodnego istotnym ograniczeniem eksploatacyjnym tych systemów jest ich wrażliwość na niskie temperatury, zwłaszcza w kontekście procesu ładowania.
Jednym z rozwiązań minimalizujących negatywne skutki pracy w temperaturach poniżej 0°C jest integracja systemów aktywnego podgrzewania ogniw. Technologia ta została wdrożona m.in. w magazynach energii oferowanych przez Felicity ESS.
Ograniczenia ogniw LiFePO₄ w niskich temperaturach
Akumulatory LiFePO₄ charakteryzują się wysoką stabilnością termiczną, bezpieczeństwem użytkowania oraz długą żywotnością. Jednak w niskich temperaturach ich parametry eksploatacyjne ulegają pogorszeniu.
W temperaturach poniżej 0°C obserwuje się:
- wzrost rezystancji wewnętrznej ogniwa,
- spadek przewodnictwa jonowego elektrolitu,
- ograniczenie transportu jonów Li⁺,
- zwiększone ryzyko zjawiska platingu litu.
Plating litu (metaliczne osadzanie się litu na anodzie) prowadzi do:
- utraty pojemności,
- degradacji struktury elektrody,
- zwiększenia ryzyka zwarć wewnętrznych,
- przyspieszonego starzenia ogniwa.
Z tego względu minimalna temperatura ładowania określana jest zwykle na poziomie 0°C, a optymalne warunki pracy osiągane są powyżej +5°C.
Zasada działania systemów podgrzewania akumulatorów
Systemy magazynowania energii wyposażone w funkcję podgrzewania wykorzystują zintegrowane układy grzewcze sterowane przez BMS (Battery Management System).
Elementy systemu
- rezystancyjne elementy grzewcze (np. maty grzewcze, elementy PTC),
- czujniki temperatury w strukturze pakietu,
- układy sterowania w ramach BMS,
- system komunikacji z falownikiem (np. CAN, RS485).
Algorytm działania
Proces podgrzewania przebiega według określonej logiki:
- detekcja temperatury poniżej wartości progowej (np. 0°C),
- blokada procesu ładowania przez BMS,
- aktywacja systemu grzewczego,
- podniesienie temperatury ogniw (np. do +5°C),
- przywrócenie możliwości ładowania.
Proces jest w pełni zautomatyzowany i nie wymaga ingerencji użytkownika.
Architektura systemowa
W nowoczesnych systemach magazynowania energii funkcja podgrzewania stanowi integralny element całej architektury systemowej.
System współpracuje z:
- BMS – odpowiedzialnym za bezpieczeństwo,
- falownikiem hybrydowym – zarządzającym przepływem energii,
- EMS (Energy Management System) – optymalizującym bilans energetyczny.
Kluczowe aspekty konstrukcyjne
- dobór mocy elementów grzewczych do pojemności baterii,
- możliwość sterowania sekcyjnego,
- zastosowanie izolacji termicznej,
- algorytmy ograniczające zużycie energii pomocniczej.
Wpływ funkcji podgrzewania na pracę systemu
Bezpieczeństwo
Podgrzewanie eliminuje ryzyko ładowania ogniw w warunkach sprzyjających platingowi litu.
Trwałość
- ogranicza degradację elektrochemiczną,
- pozwala zachować parametry pracy,
- wydłuża żywotność systemu.
Ciągłość pracy
W systemach bez funkcji podgrzewania może dochodzić do:
- ograniczenia ładowania,
- niewykorzystania nadwyżek energii,
- występowania błędów operacyjnych.
Zastosowanie podgrzewania eliminuje te ograniczenia.
Automatyzacja
- system działa autonomicznie,
- optymalizuje zużycie energii,
- zapobiega przegrzaniu.
Aspekty energetyczne
Energia zużywana na podgrzewanie:
- stanowi niewielki udział w bilansie systemu,
- występuje głównie w okresie zimowym,
- może być pokrywana z bieżącej produkcji PV.
Dodatkowo izolacja termiczna ogranicza straty ciepła.
Obszary zastosowań
Funkcja podgrzewania znajduje zastosowanie w:
- instalacjach w klimacie umiarkowanym i chłodnym,
- systemach montowanych w przestrzeniach nieogrzewanych,
- instalacjach off-grid,
- obiektach sezonowych,
- systemach przemysłowych.
Podsumowanie
Integracja systemów podgrzewania akumulatorów zwiększa bezpieczeństwo, niezawodność oraz trwałość magazynów energii pracujących w niskich temperaturach.
Zastosowanie aktywnego zarządzania temperaturą przez BMS pozwala ograniczyć zjawiska degradacyjne i zapewnić pełną funkcjonalność systemu przez cały rok.
Rozwiązania stosowane w systemach Felicity ESS odpowiadają na wymagania instalacji pracujących w wymagających warunkach klimatycznych.
Bibliografia
- PN-EN 62619:2017 – Batteries for industrial applications – Safety requirements for secondary lithium cells and batteries
- IEC 62620:2014 – Secondary lithium cells and batteries for use in industrial applications
- Vetter, J. et al. (2005). Ageing mechanisms in lithium-ion batteries
- Zhang, S. S. (2013). Electrolyte additives for lithium-ion batteries
- Yang, X. G. et al. (2017). Lithium plating induced aging
- International Energy Agency (2024). Energy Storage Report
- Fraunhofer ISE (2025). Recent Facts about Photovoltaics in Germany
- Felicity ESS – dokumentacje techniczne