Nabíjecí křivka: proč 150 kW není vždy 150 kW

Když výrobce uvádí 150 kilowattů, znamená to: za příznivých podmínek vůz v nějakém okamžiku nabíjení krátce této hodnoty dosáhne. Neznamená to, že ji udrží, a už vůbec ne, že ji udrží od deseti do osmdesáti procent. Výkon není v průběhu nabíjení konstantní, ale sleduje křivku, která brzy dosáhne maxima a pak klesá.

Dva vozy se stejným špičkovým údajem se proto mohou lišit v době stání o polovinu. Jeden dosáhne 150 kilowattů při patnácti procentech a drží je až do padesáti; druhý se jich dotkne při dvaceti procentech na dvě minuty a při čtyřiceti procentech je už na polovině. Údaj v prospektu je u obou stejné číslo a popisuje dva zcela odlišné vozy.

Kdo chce křivku konkrétního vozu vidět, najde ji v měřeních odborných médií a v databázích, které spravují sami řidiči. Co tam stojí, je měření za určitých podmínek, nikoli příslib — ale je to řádově vypovídavější než jediné číslo.

C-rate je poměr nabíjecího výkonu ke kapacitě baterie. Baterie o kapacitě 50 kilowatthodin, která se nabíjí výkonem 100 kilowattů, pracuje s C-rate 2 — při tomto výkonu by se nabila za půl hodiny, pokud by výkon zůstal konstantní. Stejná baterie při 50 kilowattech má 1 C, baterie o 100 kilowatthodinách při 100 kilowattech také 1 C.

Právě toto číslo je to zajímavé, protože zatížení článku nezávisí na počtu kilowattů, ale na proudu připadajícím na jeden článek. Velká baterie rozloží stejný výkon na víc článků; každý z nich pracuje klidněji, méně se zahřívá a pomaleji stárne. Proto velká baterie při stejném počtu kilowattů nejen drží vysoký výkon déle, ale také se nabíjí šetrněji.

Praktický důsledek pro porovnání: vydělte špičkový výkon kapacitou. Vyjde-li číslo kolem 1, jde o vůz navržený umírněně. Vyjde-li číslo výrazně nad 2, je baterie navržena pro rychlé nabíjení — což může být dobře, ale předpokládá to účinné chlazení.

Pokles nabíjecího výkonu s rostoucím nabitím se nazývá taper a není to úsporný program výrobce, ale chemie. Při nabíjení putují lithium-iontové ionty z katody do anody a ukládají se tam mezi vrstvy grafitu. Čím je anoda plnější, tím méně volných míst je v blízkosti povrchu a tím déle trvá, než se ionty dostanou do hlubších vrstev.

Pokud se do ní přesto tlačí víc proudu, než anoda dokáže pojmout, vylučuje se lithium na povrchu v kovové podobě místo toho, aby se ukládalo dovnitř. Toto pokovení lithiem (lithium plating) je z velké části nevratné: materiál už není k dispozici pro ukládání energie, kapacita trvale klesá a v nejhorším případě prorůstají separátorem dendrity. Systém řízení baterie tomu brání tím, že proud snižuje.

K tomu přistupuje elektrický důvod. S rostoucím nabitím roste napětí článku. Nabíjecí elektronika nejprve jede s konstantním proudem a jakmile je dosaženo přípustného napětí, přejde do fáze s konstantním napětím, v níž proud klesá sám. Výkon je napětí krát proud — klesne-li proud, klesne výkon. Proto je posledních dvacet procent vždy nejpomalejších, u každé lithium-iontové baterie, v každém voze.

Zveřejněná nabíjecí křivka platí pro články v jejich provozním okně. Pod ním i nad ním vypadá jinak. Studené články mají vysoký vnitřní odpor a přijímají málo proudu, protože jinak hrozí právě to pokovení, kterému má taper zabránit. Horké články stárnou rychleji, proto systém řízení baterie omezuje výkon i směrem nahoru.

Mezi těmito dvěma mezemi leží okno, které se podle chemie článků pohybuje zhruba mezi dvaceti a čtyřiceti stupni. Vozy s aktivním kapalinovým chlazením drží články v tomto okně, i když se několikrát po sobě rychle nabíjí. Vozy s čistě vzduchovým chlazením to za horkého dne po druhé zastávce na nabíjení už nezvládnou — výkon klesá, a to ne kvůli stavu nabití, ale kvůli teplotě.

Proto je předkondicionování tak účinné. Zadá-li se nabíjecí stanice do navigace, vůz během příjezdu předehřeje baterii do tohoto okna. Vůz, který dorazí ke stanici s teplotou článků pět stupňů, stráví první čtvrthodinu ohříváním sám sebe — a tu u stanice, která účtuje podle času, platíte také.

Výkon je napětí krát proud. Kdo chce přenést velký výkon, může zvýšit proud, nebo napětí. Proud je ta drahá varianta: ztráty v kabelu, konektoru a spojkách článků rostou se čtvercem proudu a stejné teplo je pak nutné odvést. Proto jsou nabíjecí kabely pro vysoké proudy chlazené kapalinou a přesto těžké.

Architektura vozu s přibližně 800 volty místo přibližně 400 voltů přenáší stejný výkon s poloviční hodnotou proudu a čtvrtinou ohmických ztrát. To je skutečný důvod vysokých nabíjecích výkonů některých novějších vozů — nejsou za tím lepší články, ale vyšší napěťová hladina. Vedlejší efekt: stanice musí toto napětí také umět dodat, a starší stanice to ne vždy dokážou.

Na druhé straně stojí stanice s vlastním proudovým limitem. Mnoho rychlonabíječek omezuje proud na několik set ampérů. Vůz s 400voltovou architekturou je na této hranici při určitém výkonu na doraz, bez ohledu na to, co by baterie zvládla. Kdo chce vůz nabíjet nejvyšším možným výkonem, potřebuje tedy stanici, která odpovídá napěťové hladině — údaj je uveden na stanici.

Dva nabíjecí body v jedné skříni často sdílejí jeden výkonový modul. Stojí-li tam druhý vůz, dostane každý polovinu, nebo má přednost ten, který byl připojen první, a druhý dostane zbytek. Jaké pravidlo platí, je na zařízení uvedeno jen zřídka; poznat to lze podle toho, že výkon klesne, jakmile se obsadí sousední místo.

Druhým bodem je připojení lokality k síti. Nabíjecí park s mnoha body má jen zřídka takový připojený příkon, aby mohl všechny obsloužit současně plným výkonem. Některé lokality vyrovnávají špičky stacionárním akumulátorem, mnohé výkon prostě rozdělují. Na plném odpočívadle na začátku prázdnin není křivka vozu tím hlavním tématem.

A nakonec kabel: nechlazený kabel omezuje proud na to, co tepelně vydrží. Na téže skříni tedy může chlazený kabel dodat víc než ten vedle. Kdo má na výběr, vezme ten tlustší, kratší, chlazený.

Nejpoužitelnější ukazatel pro běžný provoz není špičkový výkon, ale energie, která se za určitou dobu dostane do baterie. Dvacet minut je reálná pauza; kolik kilowatthodin za těchto dvacet minut dorazí, rozhoduje o době cesty. Toto číslo v sobě zahrnuje všechno: špičku, taper, teplotu i napěťovou hladinu.

Běžný je také údaj o době nabíjení z deseti na osmdesát procent. Je lepší než špičkový výkon, má ale háček: zvýhodňuje malé baterie. Malá baterie je rychleji na osmdesáti procentech a pak má přesto na palubě méně energie. Kdo porovnává dva vozy, počítá proto lépe v kilowatthodinách za čas, nebo rovnou v dobitých kilometrech za čas.

Z taperu plyne pravidlo, které na dlouhé trati přinese největší časový zisk: dvě krátké zastávky překonají jednu dlouhou. Křivka je v dolní oblasti nejstrmější, nabíjí se tedy tam, kde to jde rychle, a jede se dál dřív, než výkon klesne. Dvakrát z deseti na šedesát procent trvá výrazně kratší dobu než jednou z deseti na devadesát — při stejném množství dobité energie.

Výjimkou je poslední etapa. Pokud po zastávce už žádná stanice nenásleduje, nabíjí se tak daleko, jak je třeba, a pomalá procenta se přijmou. A druhou výjimkou je zima: tam stojí další zastávka opětovné vychladnutí baterie, pokud je úsek mezi nimi krátký.

Kdo chce plánovat, nepotřebuje aplikaci, ale dvě čísla: křivku svého vozu zhruba a spotřebu při rychlosti, kterou jede. Všechno ostatní z toho vyplyne.

U vozu, který se nabíjí převážně doma, je nabíjecí křivka téměř bezvýznamná. U vozu, který pravidelně jezdí dlouhé trasy, je důležitější než dojezd. Tyto body si ujasněte před zkušební jízdou:

Odpovědi v inzerátu stojí jen zřídka, dají se ale získat: první tři z datového listu modelového roku, čtvrtou z publikovaných měření, pátou z protokolu baterie konkrétního vozu.