Кривата на зареждане: защо 150 kW не са 150 kW

Когато производителят посочва 150 киловата, това означава: при благоприятни условия автомобилът в някакъв момент от зареждането за кратко достига тази стойност. Не означава, че я задържа, и още по-малко, че я задържа от десет до осемдесет процента. Мощността не е постоянна през целия заряд, а следва крива, която рано достига максимума си и после пада.

Два автомобила с идентична пикова стойност могат затова да се различават наполовина по времето за престой. Единият достига 150 киловата при петнадесет процента и ги задържа до петдесет; другият ги докосва при двадесет процента за две минути и при четиридесет процента е вече на половината. Стойността в проспекта е едно и също число и описва два напълно различни автомобила.

Който иска да види кривата на даден автомобил, ще я намери в измервания на специализирани медии и в бази данни, поддържани от шофьори. Което пише там, е измерване при определени условия, а не обещание — но е с порядъци по-показателно от едно-единствено число.

C-rate е отношението между зарядна мощност и капацитет на батерията. Батерия с 50 киловатчаса, която се зарежда със 100 киловата, вижда C-rate 2 — при тази мощност би се заредила догоре за половин час, ако мощността оставаше постоянна. Същата батерия с 50 киловата вижда 1 C, а батерия със 100 киловатчаса при 100 киловата — също 1 C.

Това число е всъщност интересното, защото натоварването на клетката не зависи от киловатите, а от тока на клетка. Голямата батерия разпределя същата мощност върху повече клетки; всяка отделна работи по-спокойно, загрява се по-малко и остарява по-бавно. Затова голяма батерия при същите киловати не само зарежда по-дълго с висока мощност, но и по-щадящо.

Практично следствие за сравнението: разделете пиковата мощност на капацитета. Ако се получи число около 1, автомобилът е умерено конструиран. Ако се получи число значително над 2, батерията е конструирана за бързо зареждане — което може да е добре, но предполага ефективно охлаждане.

Спадът на зарядната мощност с нарастване на заряда се нарича taper и не е икономична програма на производителя, а химия. При зареждане литиевите йони мигрират от катода към анода и се вграждат там между графитните слоеве. Колкото по-пълен е анодът, толкова по-малко свободни места има близо до повърхността и толкова по-дълго са нужни на йоните, за да стигнат до по-дълбоките слоеве.

Ако въпреки това се натика повече ток, отколкото анодът може да поеме, литият се отлага метално по повърхността вместо да се вгради. Това литиево отлагане (lithium plating) до голяма степен е необратимо: материалът вече не е на разположение за съхранение, капацитетът трайно спада, а в най-лошия случай дендрити прорастват през сепаратора. Системата за управление на батерията предотвратява това, като намалява тока.

Към това има и електрическа причина. С нарастване на заряда нараства напрежението на клетката. Зарядната електроника първо работи с постоянен ток и щом бъде достигнато допустимото напрежение, преминава във фаза с постоянно напрежение, в която токът пада сам. Мощността е напрежение по ток — щом токът пада, пада и мощността. Затова последните двадесет процента са винаги най-бавните, при всяка литиево-йонна батерия, във всеки автомобил.

Публикуваната крива на зареждане важи за клетки в работния им диапазон. Под него и над него изглежда различно. Студените клетки имат високо вътрешно съпротивление и приемат малко ток, защото иначе грози точно онова отлагане, което спадът трябва да предотврати. Горещите клетки остаряват по-бързо, затова системата за управление на батерията ограничава и нагоре.

Между тези две граници има прозорец, който според химията на клетките е приблизително между двадесет и четиридесет градуса. Автомобилите с активно течно охлаждане задържат клетките в него, дори при няколко поредни бързи зареждания. Автомобилите с чисто въздушно охлаждане не успяват това в горещ ден след втората зарядна спирка — мощността пада, и то не заради заряда, а заради температурата.

Затова предварителното кондициониране е толкова ефективно. Ако станцията се въведе в навигацията, автомобилът загрява батерията до този прозорец още по време на пътуването към нея. Автомобил, който пристига на станцията с пет градуса температура на клетките, прекарва първите петнадесет минути в самозагряване — и тях ги плащате и вие, ако станцията таксува по време.

Мощността е напрежение по ток. Който иска да предаде много мощност, може да увеличи тока или напрежението. Токът е скъпият вариант: загубите в кабела, конектора и свързващите елементи на клетките растат с квадрата на тока, а същата топлина после трябва отново да се отведе. Затова кабелите за зареждане за високи токове са с течно охлаждане и въпреки това са тежки.

Автомобилна архитектура с около 800 волта вместо около 400 волта предава същата мощност с половината ток и с една четвърт от омичните загуби. Това е истинската причина за високите зарядни мощности на някои по-нови автомобили — не по-добри клетки, а по-високо ниво на напрежението. Страничният ефект: станцията също трябва да може да достави напрежението, а по-старите станции не винаги могат.

От другата страна стои станцията със собствената си граница на тока. Много бързи станции ограничават тока на няколко стотин ампера. Автомобил с 400-волтова архитектура е на предела при определена мощност, независимо какво би могла батерията. Който иска да зарежда автомобила си с максимално възможната мощност, се нуждае затова от станция, която пасва на нивото на напрежението — данните са написани върху станцията.

Две зарядни точки в един корпус често споделят един силов модул. Ако там стои втори автомобил, всеки получава половината, или първият свързан има предимство, а вторият получава остатъка. Кое правило важи, рядко е написано на уреда; личи се по това, че мощността спада, щом съседното място бъде заето.

Вторият момент е мрежовото присъединяване на обекта. Зарядният парк с много точки рядко разполага с присъединена мощност, за да обслужва всички едновременно с пълна мощност. Някои обекти буферират със стационарно хранилище, много просто разпределят. На препълнена магистрална обслужваща зона в началото на ваканцията кривата на автомобила не е темата.

И накрая кабелът: неохладеният кабел ограничава тока до онова, което термично издържа. На един и същи корпус затова охладеният кабел може да доставя повече от съседния. Който има избор, взема по-дебелия, по-късия, охладения.

Най-полезният показател за ежедневието не е пиковата мощност, а енергията, която влиза в батерията за определено време. Двадесет минути са реалистична почивка; колко киловатчаса пристигат за тези двадесет минути, решава времето за пътуване. Това число интегрира всичко: пик, спад, температура и ниво на напрежението.

Често се посочва и времето от десет до осемдесет процента. То е по-добро от пиковата мощност, но има уловка: възнаграждава малките батерии. Малката батерия стига по-бързо осемдесет процента и после въпреки това има по-малко енергия на борда. Който сравнява два автомобила, по-добре да смята в киловатчасове за единица време или направо в дозаредени километри за единица време.

От спада следва правило, което носи най-много спестено време на дълги пътувания: две кратки спирания бият една дълга. Кривата е най-стръмна в долния диапазон, значи се зарежда там, където е бързо, и се продължава, преди мощността да се срине. От десет до шестдесет процента два пъти отнема значително по-малко от десет до деветдесет процента един път — при същото количество дозаредена енергия.

Изключението е последният етап. Ако след спирането не следва повече станция, зарежда се дотолкова, доколкото е нужно, и се приемат бавните проценти. Второто изключение е зимата: там допълнителната спирка струва ново охлаждане на батерията, ако отсечката между спиранията е къса.

Който иска да планира това, няма нужда от приложение, а от две числа: кривата на автомобила си в общи линии и разхода при скоростта, с която кара. Всичко останало следва от тях.

При автомобил, който се зарежда предимно у дома, кривата на зареждане е почти без значение. При автомобил, който редовно изминава дълги разстояния, е по-важна от пробега с един заряд. Тези точки изяснете преди пробното каране:

Отговорите рядко са в обявата, но могат да се набавят: първите три от техническия лист на модела за съответната година, четвъртият от публикувани измервания, петият от протокола за батерията на конкретния автомобил.