Ładowanie systemów akumulatorowych w ujemnych temperaturach to poważne wyzwanie dla konstruktorów dronów, pojazdów wojskowych i systemów przemysłowych. Akumulatory litowo-jonowe i litowo-polimerowe oferują wysoką gęstość energii przy niskiej wadze, ale poniżej 0°C ich zachowanie radykalnie się zmienia.
Czego dowiesz się z lektury?
- Poniżej 0°C elektrolit w akumulatorach litowych gęstnieje, a jony litu zamiast wnikać w strukturę anody osadzają się na jej powierzchni jako metaliczny lit. To zjawisko nazywane platerowaniem, prowadzi do nieodwracalnej utraty pojemności i może skutkować zwarciem wewnętrznym.
- Systemy grzewcze stanowią praktyczne obejście problemu. Maty silikonowe, folie grzewcze lub wbudowane rezystory podnoszą temperaturę ogniw powyżej bezpiecznego progu (zazwyczaj +5°C), zanim BMS pozwoli na ładowanie.
- Ogniwa LTO (litowo-tytanowe) minimalizują ryzyko platerowania nawet do -30°C dzięki odmiennej budowie anody. Wadą jest znacznie niższa gęstość energii w porównaniu ze standardowymi ogniwami Li-Ion.
- Przechowywanie akumulatorów w niskich temperaturach paradoksalnie nie szkodzi i nawet spowalnia ich starzenie. Problem pojawia się dopiero przy próbie użycia lub naładowania zimnego pakietu.
- W dronach elementy grzewcze i izolacja to dodatkowa masa, która skraca czas lotu. Dlatego wybór między systemem grzewczym a specjalistycznymi ogniwami zależy od konkretnego scenariusza operacyjnego.
Dlaczego ogniwa Li-Ion nie przyjmują tak łatwo ładunku na mrozie?
W rozmowie z Defence24 na targach MSPO2025, Arkadiusz Sumarowski, wiceprezes zarządu BTO Sp. z o.o., wskazał wprost: „kolejny minus akumulatora litowo-jonowego to w większości przypadków brak możliwości ładowania w ujemnych temperaturach.”.
Co dokładnie się dzieje? W normalnych warunkach jony litu podczas ładowania wnikają w strukturę grafitowej anody – ten proces nazywa się interkalacją. Gdy temperatura spada poniżej zera, elektrolit gęstnieje, a jony litu tracą mobilność. Zamiast wchodzić w strukturę anody, osadzają się na jej powierzchni jako metaliczny lit. To zjawisko – platerowanie litu (lithium plating) – prowadzi do nieodwracalnej utraty pojemności. Powstające dendryty mogą z czasem przebić separator i spowodować zwarcie wewnętrzne.
Nawet pojedyncze ładowanie w ujemnych temperaturach może trwale uszkodzić ogniwo. Dlatego większość systemów zarządzania baterią (BMS) blokuje ładowanie poniżej 0°C.
Systemy grzewcze akumulatorów w niskich temperaturach
Inżynierowie znaleźli obejście. Jak wyjaśnia Arkadiusz Sumarowski: „To można oczywiście obejść przez systemy grzewcze które są załączane przed procesem ładowania akumulatora jest podgrzewany i dopiero ładowany.”.
W praktyce wygląda to tak: przed podłączeniem ładowarki aktywowane są elementy grzewcze – maty silikonowe, folie grzewcze lub wbudowane rezystory. Dopiero gdy temperatura ogniw przekroczy bezpieczny próg (zazwyczaj +5°C), BMS pozwala na ładowanie. Czas podgrzewania zależy od temperatury otoczenia – przy -20°C może to zająć nawet godzinę.
To rozwiązanie sprawdza się w pojazdach i instalacjach stacjonarnych. W dronach sprawa się komplikuje – każdy gram elementów grzewczych i izolacji to krótszy czas lotu i mniejszy udźwig dla czujników czy uzbrojenia.
Ogniwa specjalistyczne do pracy w niskich temperaturach
Rynek oferuje też alternatywy: „Istnieją oczywiście bardzo wyspecjalizowane akumulatory litowo-jonowe które można ładować w temperaturach ujemnych, ale one są generalnie drogie” – zauważa Sumarowski.
Ogniwa przystosowane do niskich temperatur wykorzystują zmodyfikowane elektrolity o mniejszej lepkości i specjalne dodatki poprawiające kinetykę reakcji. Część rozwiązań opiera się na technologii LTO (litowo-tytanowej), która dzięki odmiennej budowie anody minimalizuje ryzyko platerowania nawet do -30°C. Wadą jest znacznie niższa gęstość energii w porównaniu do standardowych ogniw.
Są też pakiety z wbudowanym podgrzewaniem, które czerpią energię z ładowarki do napędu wewnętrznych grzałek. Proces jest automatyczny – wystarczy podłączyć ładowarkę, a elektronika BMS sama przeprowadzi bezpieczną sekwencję. Dla operatora w terenie oznacza to brak dodatkowych czynności.
Zastosowania militarne i dronowe akumulatorów a zakres temperatur roboczych
Wojskowe systemy bateryjne muszą działać w temperaturach od -40°C do +60°C, zachowując większość pojemności nominalnej. Do tego dochodzą wymagania odporności na wstrząsy i wibracje w warunkach polowych.
W dronach wybór akumulatora to kompromis. Akumulatory LiPo zapewniają lepszy stosunek pojemności do masy – nadają się do dronów wymagających dłuższego czasu lotu. Ogniwa Li-Ion oferują więcej cykli ładowania i lepszą stabilność termiczną, co przekłada się na dłuższą eksploatację przy intensywnym użytkowaniu.
Dla pojazdów lądowych i systemów zasilania wyposażenia żołnierza (latarki, noktowizory, łączność) liczy się przede wszystkim niezawodność i łatwość obsługi bez skomplikowanych procedur.
Przechowywanie akumulatorów w niskich temperaturach
Samo przechowywanie akumulatorów w chłodzie nie szkodzi – w przeciwieństwie do ładowania, niskie temperatury wręcz spowalniają starzenie ogniw. Warunek – poziom naładowania powinien wynosić 40-60%.
Problem pojawia się przy próbie użycia zimnego akumulatora. Przed lotem w warunkach zimowych baterie trzeba podgrzać do co najmniej +5°C, optymalnie +25°C. Dedykowane torby grzewcze pozwalają utrzymać temperaturę pakietów między misjami i skracają czas przygotowania do startu.
Rozwiązania EXERGY dla wojska i przemysłu
W EXERGY projektujemy systemy bateryjne z myślą o pracy w ekstremalnych warunkach od etapu koncepcji. Własne laboratorium R&D pozwala nam testować pakiety w warunkach odpowiadających rzeczywistym scenariuszom operacyjnym. Jako firma z kodem NCAGE NATO, dobrze znamy wymagania stawiane systemom zasilania dla wojska.
Dostarczamy pakiety dla pojazdów bojowych, dronów FPV/UAV i systemów zasilania wyposażenia indywidualnego. Każdy projekt dopasowujemy do konkretnych warunków – maksymalna wydajność, niezawodność na mrozie, czy łatwość serwisowania w terenie.
Potrzebujesz niezawodnego zasilania dla projektu działającego w trudnych warunkach? Skontaktuj się z nami – pomożemy dobrać rozwiązanie dla Twojej aplikacji.
