Jak je to s nominální a reálnou kapacitou Li-ion akumulátorů?

Co je nominální kapacita a kde se používá?
Vychází z nominální kapacity použitých článků. Zjednodušeně výrobce produkuje Li-ion článek s nějakými parametry, kde dosahuje určité kapacity v přesném napěťovém rozsahu vybití (většinou mezi 4,2 V až 2-2,5 V). Tuto kapacitu měří v nejideálnějších možných laboratorních podmínkách a při co nejnižší proudové zátěži většinou do 0,2 C*. Naměří tedy nějakou teoreticky dosažitelnou hodnotu kapacity článku. Čistě numericky ji zaokrouhlí nahoru a získají tak nominální kapacitu, se kterou pak článek značí a uvádí na trh.

Například běžný článek 3500 mAh, tak dosáhne v laboratorních podmínkách kapacity 3 400 mAh a pro obchodní účely je pak zaokrouhlen nahoru a označen jako 3,5 Ah. Výrobce akumulátorů, který články použije, má dvě možnosti značení akumulátoru. Buď podle této nominální kapacity, tedy například 5 x 3,5 Ah = 17,5 Ah, nebo podle reálně dosažitelné kapacity, získané v laboratorních podmínkách, tedy například 5 x 3,4 Ah = 17 Ah. Druhý postup je vhodnější, protože je přece jen o něco blíže realitě.

* C = kapacita, tedy například vybíjecí proud 0,2 C u článku s kapacitou 3 400 mAh je 680mA (0,68A).

Jaká je tedy reálně využitelná kapacita akumulátoru?
Z výše popsaného vyplývá, že obchodní značení kapacit akumulátorů má s využitelnou kapacitou v reálných podmínkách pramálo společného. A vstupuje do toho hned několik dalších faktorů:

Rozsah provozního napětí akumulátoru
U akumulátorů se kvůli zajištění životnosti článků na cca 500 nabíjecích cyků přistupuje k odpojování článků při vyšším vybíjecím napětí, než používá výrobce. Článek tedy lze vybít technologicky například na 2,5 V, ale v akumulátorech se články vypínají zpravidla při vybití na hodnotu 2,9 V. Malá část zbytkové kapacity tedy zůstane v článku a ten potom vydrží násobně více nabíjecích cyklů. Horní limit napětí se většinou ponechává na 4,2 V, protože tato mez nemá na životnost až takový vliv jako mez dolní.

Provozní teplota
Teplota článku má u Li-ion technologie velký vliv na kapacitu, kterou článek uvolní. Optimální je cca 20°C, ale jak s klesající, tak se stoupající teplotou článku, kapacita různě klesá. Teplota článků navíc není dána pouze venkovním prostředím, ale zahřívají se průběžně samy svým provozem, zvláště při velkých vybíjecích proudech.

Proud při vybíjení akumulátoru
U běžného elektrokola s nominálním výkonem 250 W si řídící jednotka motoru bere z akumulátoru při záběru mezi 15 – 20 A proudu. U silnějších systémů samozřejmě ještě více. Když se vrátíme k našemu příkladu akumulátoru s pěticí článků paralelně, bude jeden článek při celkovém odběru 15A dodávat 3A proudu. Je to tedy 4,4x větší proud, než při jakém byla měřena kapacita v laboratoři. Se stoupajícím proudem pak adekvátně klesá celková kapacita, kterou článek poskytne. Zde se různé typy Li-ion článků liší. Některé jsou stavěny na velké proudy a pokles kapacity je tedy nižší, ale je to vykoupeno vyšší cenou a nižší celkovou nominální kapacitou článku. V elektrokolech se masově používají články s kompromisním vyvážením parametrů, kdy lze dosáhnout co nejlepších výsledků vůči pořizovací ceně.

Všechny výše popsané skutečnosti nás tedy neustále s reálně využitelnou kapacitou akumulátoru vzdalují od hodnoty nominální, se kterou se akumulátory prodávají. Po započtení hlavních vlivů na kapacitu se u vzorového článku můžeme v reálu pohybovat u použitelné kapacity, oscilující kolem 3 200 mAh, tedy u pěti paralelních článcích cca 16 Ah.

Logická otázka je, proč se tedy neporodává takový akumulátor s označenou kapacitou 16 Ah? Odpověď je ale stejně logická. Jednak ani tato kapacita nemusí být přesná, protože podmínky v různých bateriových systémech jsou značně odlišné. Všichni výrobci akumulátorů by se ale hlavně na takovém značení museli dohodnout a najednou je začít používat, což je nereálné. A pokud zákazník uvidí v nabídce dva stejné akumulátory od dvou výrobců, se stejnými články a stejnou cenou, a jeden bude značen jako 16 Ah a druhý jako 17,5 Ah … který si vybere? Bez znalosti, které jste právě přečtením tohoto článku získali, by to určitě byl ten s vyšší „prodejní“ kapacitou.

Co EVA-BATTERY?
V praxi se tedy používají dvě nepřesné metody značení kapacity, aby byly produkty různých výrobců alespoň trochu porovnatelné. My se u EVA Battery snažíme používat tu méně nepřesnou metodu, kdy většinou vycházíme alespoň z laboratorně dosažitelných hodnot. Nicméně se snažíme v technických specifikacích uvádět také reálně využitelnou kapacitu, a to i s rizikem, že si problematiky neznalý zákazník kvůli tomu vybere akumulátor jiného výrobce.

Nicméně v reálu kvalitu, funkčnost, a tedy vlastně i kapacitu akumulátoru neurčuje prosté číslo v Ah na štítku. I při použití totožných článků hraje velkou roli, jak je akumulátor navržen, jak kvalitní je jeho řídící elektronika, bezpečnostní prvky a jak pečlivě byl svařen a smontován dohromady. A zde panují pořád mezi výrobci značné rozdíly.