Η καμπύλη φόρτισης: γιατί τα 150 kW δεν είναι 150 kW

Όταν ένας κατασκευαστής δηλώνει 150 κιλοβάτ, αυτό σημαίνει: υπό ευνοϊκές συνθήκες το όχημα φτάνει κάποια στιγμή κατά τη διάρκεια της φόρτισης για λίγο αυτή την τιμή. Δεν σημαίνει ότι την κρατά, και ακόμη λιγότερο ότι την κρατά από το 10 έως το 80%. Η ισχύς δεν είναι σταθερή ανά στάθμη φόρτισης, αλλά ακολουθεί μια καμπύλη που φτάνει νωρίς στο μέγιστό της και μετά πέφτει.

Δύο οχήματα με ίδια δηλωμένη μέγιστη τιμή μπορούν γι' αυτό να διαφέρουν κατά το ήμισυ στον χρόνο στάσης. Το ένα φτάνει τα 150 κιλοβάτ στο 15% και τα κρατά μέχρι το 50%· το άλλο τα αγγίζει στο 20% για δύο λεπτά και στο 40% είναι ήδη στο μισό της ισχύος. Η τιμή στο φυλλάδιο είναι και στα δύο ο ίδιος αριθμός και περιγράφει δύο εντελώς διαφορετικά οχήματα.

Όποιος θέλει να δει την καμπύλη ενός οχήματος, τη βρίσκει σε μετρήσεις εξειδικευμένων μέσων και σε βάσεις δεδομένων που συντηρούν οδηγοί. Ό,τι αναγράφεται εκεί είναι μια μέτρηση υπό ορισμένες συνθήκες και όχι υπόσχεση — είναι όμως κατά τάξεις μεγέθους πιο διαφωτιστικό από έναν μεμονωμένο αριθμό.

Ο ρυθμός C (C-rate) είναι ο λόγος της ισχύος φόρτισης προς τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Μια συστοιχία 50 κιλοβατωρών που φορτίζει με 100 κιλοβάτ βλέπει ρυθμό C 2 — θα φόρτιζε πλήρως με αυτή την ισχύ σε μισή ώρα, αν η ισχύς παρέμενε σταθερή. Η ίδια συστοιχία με 50 κιλοβάτ βλέπει 1 C, μια συστοιχία 100 κιλοβατωρών με 100 κιλοβάτ επίσης 1 C.

Αυτός ο αριθμός είναι ο πραγματικά ενδιαφέρων, επειδή η καταπόνηση του στοιχείου δεν εξαρτάται από τα κιλοβάτ, αλλά από το ρεύμα ανά στοιχείο. Μια μεγάλη μπαταρία μοιράζει την ίδια ισχύ σε περισσότερα στοιχεία· καθένα δουλεύει πιο χαλαρά, ζεσταίνεται λιγότερο και γερνά πιο αργά. Γι' αυτό μια μεγάλη συστοιχία με τα ίδια κιλοβάτ όχι μόνο κρατά την υψηλή ισχύ περισσότερο, αλλά και φορτίζει πιο ήπια.

Πρακτική συνέπεια για τη σύγκριση: διαιρέστε τη μέγιστη ισχύ με τη χωρητικότητα. Αν προκύψει αριθμός γύρω στο 1, πρόκειται για όχημα με μέτριο σχεδιασμό. Αν προκύψει αριθμός σαφώς πάνω από το 2, η μπαταρία έχει σχεδιαστεί για γρήγορη φόρτιση — κάτι που μπορεί να είναι καλό, προϋποθέτει όμως αποτελεσματική ψύξη.

Η πτώση της ισχύος φόρτισης με την αύξηση της στάθμης φόρτισης ονομάζεται taper, και δεν είναι πρόγραμμα εξοικονόμησης του κατασκευαστή, αλλά χημεία. Κατά τη φόρτιση ιόντα λιθίου μετακινούνται από την κάθοδο στην άνοδο και εγκαθίστανται εκεί ανάμεσα στα στρώματα γραφίτη. Όσο πιο γεμάτη είναι η άνοδος, τόσο λιγότερες ελεύθερες θέσεις υπάρχουν κοντά στην επιφάνεια και τόσο περισσότερο χρόνο χρειάζονται τα ιόντα για να φτάσουν σε βαθύτερα στρώματα.

Αν παρ' όλα αυτά πιέσει κανείς μέσα περισσότερο ρεύμα απ' όσο μπορεί να δεχτεί η άνοδος, το λίθιο επικάθεται μεταλλικό στην επιφάνεια αντί να εγκατασταθεί μέσα. Αυτή η επιμετάλλωση λιθίου (lithium plating) είναι σε μεγάλο βαθμό μη αναστρέψιμη: το υλικό δεν είναι πια διαθέσιμο για αποθήκευση, η χωρητικότητα μειώνεται μόνιμα, και στη χειρότερη περίπτωση αναπτύσσονται δενδρίτες μέσα από τον διαχωριστή. Το σύστημα διαχείρισης μπαταρίας το αποτρέπει μειώνοντας το ρεύμα.

Προστίθεται ένας ηλεκτρικός λόγος. Με την αύξηση της στάθμης φόρτισης αυξάνεται η τάση του στοιχείου. Τα ηλεκτρονικά φόρτισης λειτουργούν αρχικά με σταθερό ρεύμα και, μόλις επιτευχθεί η επιτρεπόμενη τάση, περνούν σε φάση με σταθερή τάση, στην οποία το ρεύμα πέφτει από μόνο του. Ισχύς είναι τάση επί ρεύμα — αν πέσει το ρεύμα, πέφτει η ισχύς. Γι' αυτό τα τελευταία 20% είναι πάντα τα πιο αργά, σε κάθε μπαταρία ιόντων λιθίου, σε κάθε όχημα.

Η δημοσιευμένη καμπύλη φόρτισης ισχύει για στοιχεία στο παράθυρο λειτουργίας τους. Κάτω και πάνω από αυτό φαίνεται διαφορετική. Τα κρύα στοιχεία έχουν υψηλή εσωτερική αντίσταση και δέχονται λίγο ρεύμα, επειδή αλλιώς απειλείται ακριβώς η επιμετάλλωση που πρέπει να αποτρέψει το taper. Τα ζεστά στοιχεία γερνούν ταχύτερα, γι' αυτό το σύστημα διαχείρισης μπαταρίας περιορίζει και προς τα πάνω.

Ανάμεσα σε αυτά τα δύο όρια υπάρχει ένα παράθυρο που, ανάλογα με τη χημεία των στοιχείων, κυμαίνεται χονδρικά ανάμεσα στους 20 και τους 40 βαθμούς. Τα οχήματα με ενεργή υγρή ψύξη κρατούν τα στοιχεία εντός του, ακόμη κι όταν γίνονται πολλές διαδοχικές γρήγορες φορτίσεις. Τα οχήματα με αποκλειστικά αερόψυξη δεν τα καταφέρνουν μια ζεστή μέρα μετά τη δεύτερη στάση φόρτισης — η ισχύς πέφτει, και μάλιστα όχι λόγω στάθμης φόρτισης, αλλά λόγω θερμοκρασίας.

Γι' αυτό ο προκλιματισμός της μπαταρίας είναι τόσο αποτελεσματικός. Όταν ο σταθμός εισαχθεί στο σύστημα πλοήγησης, το όχημα προθερμαίνει την μπαταρία στο παράθυρο κατά τη διαδρομή προς τα εκεί. Ένα όχημα που φτάνει στον σταθμό με θερμοκρασία στοιχείων πέντε βαθμούς περνά το πρώτο τέταρτο της ώρας ζεσταίνοντας τον εαυτό του — και αυτό το πληρώνει κανείς επίσης σε έναν σταθμό που χρεώνει ανά χρόνο.

Ισχύς είναι τάση επί ρεύμα. Όποιος θέλει να μεταφέρει πολλή ισχύ, μπορεί να αυξήσει το ρεύμα ή την τάση. Το ρεύμα είναι η ακριβή παραλλαγή: οι απώλειες σε καλώδιο, φις και συνδέσμους στοιχείων αυξάνονται με το τετράγωνο του ρεύματος, και η ίδια θερμότητα πρέπει στη συνέχεια να απομακρυνθεί. Γι' αυτό τα καλώδια φόρτισης για υψηλά ρεύματα είναι υδρόψυκτα και παρ' όλα αυτά βαριά.

Μια αρχιτεκτονική οχήματος με περίπου 800 βολτ αντί για περίπου 400 βολτ μεταφέρει την ίδια ισχύ με το μισό ρεύμα και το ένα τέταρτο των ωμικών απωλειών. Αυτός είναι ο πραγματικός λόγος για τις υψηλές ισχύς φόρτισης ορισμένων νεότερων οχημάτων — όχι καλύτερα στοιχεία, αλλά υψηλότερο επίπεδο τάσης. Η παρενέργεια: ο σταθμός πρέπει να μπορεί να παρέχει και την τάση, και οι παλαιότεροι σταθμοί δεν μπορούν πάντα.

Από την άλλη πλευρά βρίσκεται ο σταθμός με το δικό του όριο ρεύματος. Πολλοί σταθμοί γρήγορης φόρτισης περιορίζουν σε μερικές εκατοντάδες αμπέρ. Ένα όχημα με αρχιτεκτονική 400 βολτ φτάνει σε αυτό το όριο σε μια ορισμένη ισχύ, ανεξάρτητα από το τι θα μπορούσε η μπαταρία. Όποιος θέλει λοιπόν να φορτίσει το όχημά του με τη μέγιστη δυνατή ισχύ, χρειάζεται έναν σταθμό που ταιριάζει στο επίπεδο τάσης — η ένδειξη αναγράφεται στον σταθμό.

Δύο σημεία φόρτισης σε ένα περίβλημα μοιράζονται συχνά ένα τμήμα ισχύος. Αν εκεί σταθμεύει και δεύτερο όχημα, το καθένα παίρνει το μισό, ή το όχημα που συνδέθηκε πρώτο παίρνει προτεραιότητα και το δεύτερο το υπόλοιπο. Ποιος κανόνας ισχύει σπάνια αναγράφεται στη συσκευή· αναγνωρίζεται από το ότι η ισχύς καταρρέει μόλις καταληφθεί η διπλανή θέση.

Το δεύτερο σημείο είναι η σύνδεση του χώρου με το δίκτυο. Ένα πάρκο φόρτισης με πολλά σημεία σπάνια διαθέτει την ισχύ σύνδεσης για να εξυπηρετήσει όλα ταυτόχρονα με πλήρη ισχύ. Ορισμένοι χώροι χρησιμοποιούν ενδιάμεση αποθήκευση με σταθερό συσσωρευτή, πολλοί απλώς μοιράζουν. Σε έναν γεμάτο σταθμό αυτοκινητόδρομου στην αρχή των διακοπών, η καμπύλη του οχήματος δεν είναι το θέμα.

Και τέλος το καλώδιο: ένα μη ψυχόμενο καλώδιο περιορίζει το ρεύμα σε όσο αντέχει θερμικά. Στο ίδιο περίβλημα ένα ψυχόμενο καλώδιο μπορεί γι' αυτό να δώσει περισσότερα από το διπλανό. Όποιος έχει επιλογή, παίρνει το παχύτερο, κοντύτερο, ψυχόμενο.

Ο πιο χρήσιμος δείκτης για την καθημερινότητα δεν είναι η μέγιστη ισχύς, αλλά η ενέργεια που μπαίνει στην μπαταρία σε ορισμένο χρόνο. Είκοσι λεπτά είναι ένα ρεαλιστικό διάλειμμα· πόσες κιλοβατώρες φτάνουν σε αυτά τα είκοσι λεπτά, αποφασίζει τον χρόνο ταξιδιού. Αυτός ο αριθμός ενσωματώνει τα πάντα: αιχμή, taper, θερμοκρασία και επίπεδο τάσης.

Συνηθίζεται και η αναφορά της διάρκειας από το 10 στο 80%. Είναι καλύτερη από τη μέγιστη ισχύ, έχει όμως ένα μειονέκτημα: ευνοεί τις μικρές μπαταρίες. Μια μικρή συστοιχία φτάνει ταχύτερα στο 80% και έχει παρ' όλα αυτά λιγότερη ενέργεια επάνω. Όποιος συγκρίνει δύο οχήματα, υπολογίζει γι' αυτό καλύτερα σε κιλοβατώρες ανά χρόνο ή κατευθείαν σε χιλιόμετρα που προστέθηκαν ανά χρόνο.

Από το taper προκύπτει ένας κανόνας που φέρνει το μεγαλύτερο κέρδος χρόνου στις μεγάλες διαδρομές: δύο σύντομες στάσεις νικούν μία μεγάλη. Η καμπύλη είναι πιο απότομη στο κάτω μέρος, άρα φορτίζετε εκεί όπου πάει γρήγορα και συνεχίζετε πριν καταρρεύσει η ισχύς. Από το 10 στο 60% δύο φορές διαρκεί σαφώς λιγότερο από το 10 στο 90% μία φορά — με την ίδια ποσότητα ενέργειας που προστίθεται.

Η εξαίρεση είναι το τελευταίο σκέλος. Αν μετά τη στάση δεν υπάρχει άλλος σταθμός, φορτίζετε όσο χρειάζεται και αποδέχεστε τα αργά ποσοστά. Και η δεύτερη εξαίρεση είναι ο χειμώνας: εκεί η πρόσθετη στάση κοστίζει μια νέα ψύξη της μπαταρίας, όταν η διαδρομή ανάμεσα είναι σύντομη.

Όποιος θέλει να το προγραμματίσει, δεν χρειάζεται εφαρμογή, αλλά δύο αριθμούς: την καμπύλη του οχήματός του σε γενικές γραμμές και την κατανάλωση στην ταχύτητα που οδηγεί. Όλα τα άλλα προκύπτουν από αυτά.

Σε ένα όχημα που φορτίζεται κυρίως στο σπίτι, η καμπύλη φόρτισης είναι σχεδόν χωρίς σημασία. Σε ένα όχημα που κάνει τακτικά μεγάλες διαδρομές, είναι σημαντικότερη από την αυτονομία. Αυτά τα σημεία τα ξεκαθαρίζετε πριν από τη δοκιμαστική οδήγηση:

Οι απαντήσεις σπάνια βρίσκονται στην αγγελία, μπορούν όμως να εξασφαλιστούν: οι τρεις πρώτες από το τεχνικό φυλλάδιο του έτους μοντέλου, η τέταρτη από δημοσιευμένες μετρήσεις, η πέμπτη από το πρωτόκολλο μπαταρίας του συγκεκριμένου οχήματος.