Latauskäyrän ymmärtäminen: miksi 150 kW ei ole 150 kW

Kun valmistaja ilmoittaa 150 kilowattia, se tarkoittaa, että suotuisissa olosuhteissa auto saavuttaa jossakin latauksen vaiheessa hetkellisesti tämän arvon. Se ei tarkoita, että se pitää arvon, ja varsinkaan ei sitä, että se pitää sen kymmenestä kahdeksaankymmeneen prosenttiin. Teho ei ole vakio varaustason yli vaan seuraa käyrää, joka saavuttaa huippunsa aikaisin ja laskee sen jälkeen.

Kaksi autoa, joilla on identtinen huippuarvo, voivat siksi erota seisonta-ajassa puolella. Toinen saavuttaa 150 kilowattia viidentoista prosentin kohdalla ja pitää sen viiteenkymmeneen; toinen koskettaa sitä kahdenkymmenen prosentin kohdalla kaksi minuuttia ja on neljänkymmenen prosentin kohdalla jo puolessa siitä. Esitteen ilmoitus on molemmilla sama luku ja kuvaa kahta täysin erilaista autoa.

Auton käyrän näkee ammattilehtien mittauksista ja kuljettajien ylläpitämistä tietokannoista. Siellä oleva tieto on mittaus tietyissä olosuhteissa eikä lupaus — mutta se kertoo kertaluokkia enemmän kuin yksittäinen luku.

C-luku on lataustehon suhde akun kapasiteettiin. 50 kilowattitunnin akku, joka latautuu 100 kilowatilla, näkee C-luvun 2 — se latautuisi tällä teholla täyteen puolessa tunnissa, jos teho pysyisi vakiona. Sama akku 50 kilowatilla näkee luvun 1 C, ja 100 kilowattitunnin akku 100 kilowatilla niin ikään 1 C.

Tämä luku on todella kiinnostava, koska kennon kuormitus ei riipu kilowattimäärästä vaan kennokohtaisesta virrasta. Suuri akku jakaa saman tehon useammalle kennolle; kukin yksittäinen kenno työskentelee rennommin, lämpenee vähemmän ja vanhenee hitaammin. Siksi suuri akku latautuu samalla kilowattiluvulla paitsi korkealla teholla pidempään, myös hellävaraisemmin.

Käytännön seuraus vertailussa: jaa huipputeho kapasiteetilla. Jos tulos on noin 1, auto on mitoitettu kohtuullisesti. Jos tulos on selvästi yli 2, akku on mitoitettu nopeaan lataukseen — mikä voi olla hyvä, mutta edellyttää tehokasta jäähdytystä.

Lataustehon lasku varaustason noustessa on nimeltään taper, eikä se ole valmistajan säästöohjelma vaan kemiaa. Latauksessa litiumionit siirtyvät katodista anodiin ja varastoituvat siellä grafiittikerrosten väliin. Mitä täydempi anodi on, sitä vähemmän vapaita paikkoja on pinnan lähellä ja sitä kauemmin ionit tarvitsevat päästäkseen syvempiin kerroksiin.

Jos silti ajetaan sisään enemmän virtaa kuin anodi pystyy ottamaan, litiumia saostuu metallisena pinnalle sen sijaan että se varastoituisi. Tämä litiumin saostuminen (lithium plating) on pitkälti peruuttamaton: aines ei ole enää käytettävissä varastointiin, kapasiteetti laskee pysyvästi, ja pahimmassa tapauksessa dendriittejä kasvaa erottimen läpi. Akunhallintajärjestelmä estää tämän vähentämällä virtaa.

Lisäksi on sähköinen syy. Varaustason noustessa kennojännite nousee. Latauselektroniikka ajaa ensin vakiovirralla ja siirtyy, kun sallittu jännite on saavutettu, vakiojännitevaiheeseen, jossa virta laskee itsestään. Teho on jännite kertaa virta — kun virta laskee, teho laskee. Siksi viimeiset kaksikymmentä prosenttia ovat aina hitaimmat, jokaisessa litiumioniakussa, jokaisessa autossa.

Julkaistu latauskäyrä pätee kennoille niiden toimintaikkunassa. Sen ala- ja yläpuolella se näyttää toisenlaiselta. Kylmillä kennoilla on korkea sisäinen vastus, ja ne ottavat vähän virtaa, koska muuten uhkaa juuri se saostuminen, jonka taperin on tarkoitus estää. Kuumat kennot vanhenevat nopeammin, joten akunhallintajärjestelmä rajoittaa myös ylöspäin.

Näiden kahden rajan välissä on ikkuna, joka kennokemiasta riippuen on karkeasti kahdenkymmenen ja neljänkymmenen asteen välillä. Autot, joissa on aktiivinen nestejäähdytys, pitävät kennot siinä, vaikka pikalatattaisiin useita kertoja peräkkäin. Autot, joissa on pelkkä ilmajäähdytys, eivät pysty siihen kuumana päivänä enää toisen latauspysähdyksen jälkeen — teho laskee, ja se johtuu lämpötilasta, ei varaustasosta.

Siksi akun esilämmitys on niin tehokas. Kun latauspiste syötetään navigointijärjestelmään, auto lämmittää akun ajon aikana toimintaikkunaan. Auto, joka saapuu latauspisteelle viiden asteen kennolämpötilassa, käyttää ensimmäisen vartin oman akkunsa lämmittämiseen — ja sen osuuden joutuu maksamaan latauspisteessä, joka laskuttaa ajan perusteella.

Teho on jännite kertaa virta. Jos haluaa siirtää paljon tehoa, voi nostaa virtaa tai jännitettä. Virta on kallis vaihtoehto: häviöt kaapelissa, pistokkeessa ja kennoliittimissä kasvavat virran neliössä, ja sama lämpö on sen jälkeen jälleen johdettava pois. Siksi suurten virtojen latauskaapelit ovat nestejäähdytettyjä ja silti raskaita.

Noin 800 voltin auton rakenne noin 400 voltin sijaan siirtää saman tehon puolella virralla ja neljäsosalla resistiivisistä häviöistä. Se on todellinen syy joidenkin uudempien autojen korkeaan lataustehoon — ei parempia kennoja vaan korkeampi jännitetaso. Sivuvaikutus: latauspisteen täytyy pystyä myös toimittamaan jännite, eivätkä vanhemmat latauspisteet aina pysty.

Toisella puolella on latauspiste omine virtarajoineen. Monet pikalatauspisteet rajoittavat muutamaan sataan ampeeriin. 400 voltin järjestelmällä toimiva auto on tällä rajalla tietyllä teholla ylärajallaan riippumatta siitä, mihin akku pystyisi. Jos haluat ladata autosi suurimmalla mahdollisella teholla, tarvitset siksi latauspisteen, joka sopii jännitetasoon — tieto on merkitty latauspisteeseen.

Kaksi latauspistettä samassa laitteessa jakavat usein yhden tehoyksikön. Jos siellä on toinen auto, kumpikin saa puolet, tai ensin kytketty saa etusijan ja toinen jäännöksen. Mikä sääntö pätee, ilmoitetaan harvoin laitteessa; sen tunnistaa siitä, että teho romahtaa heti, kun viereinen paikka varataan.

Toinen seikka on paikan verkkoliittymä. Monen latauspisteen latausasemalla on harvoin sellainen liittymäteho, että kaikkia voitaisiin palvella yhtä aikaa täydellä teholla. Jotkin paikat puskuroivat paikallaan olevalla energiavarastolla, monet jakavat tehon yksinkertaisesti. Täydellä levähdysalueella loman alkaessa auton käyrä ei ole se, mistä on kyse.

Ja lopuksi kaapeli: jäähdyttämätön kaapeli rajoittaa virran siihen, minkä se lämpöteknisesti kestää. Samassa laitteessa jäähdytetty kaapeli voi siksi toimittaa enemmän kuin viereinen. Jos on valinnanvaraa, ota paksumpi, lyhyempi, jäähdytetty.

Arjessa käyttökelpoisin tunnusluku ei ole huipputeho vaan energia, joka menee akkuun tietyssä ajassa. Kaksikymmentä minuuttia on realistinen tauko; kuinka monta kilowattituntia näiden kahdenkymmenen minuutin aikana saapuu, ratkaisee matka-ajan. Tämä luku yhdistää kaiken: huipun, taperin, lämpötilan ja jännitetason.

Yleinen on myös ilmoitus kestosta 10 prosentista 80 prosenttiin. Se on parempi kuin huipputeho, mutta siinä on koukku: se palkitsee pieniä akkuja. Pieni akku on nopeammin 80 prosentissa ja sillä on silloinkin vähemmän energiaa mukana. Kahta autoa vertaillessa kannattaa siksi laskea kilowattitunteina ajassa tai suoraan ladattuina kilometreinä ajassa.

Taperista seuraa sääntö, joka tuo pitkillä matkoilla eniten ajansäästöä: kaksi lyhyttä pysähdystä voittaa yhden pitkän. Käyrä on jyrkimmillään alaosassa, joten ladataan siellä, missä se on nopeaa, ja jatketaan matkaa ennen kuin teho romahtaa. Kaksi kertaa 10 prosentista 60 prosenttiin kestää selvästi vähemmän kuin kerran 10 prosentista 90 prosenttiin — samalla ladatulla energiamäärällä.

Poikkeus on viimeinen etappi. Jos pysähdyksen jälkeen ei tule enää latauspistettä, ladataan niin pitkälle kuin on tarpeen ja hyväksytään hitaat prosentit. Ja toinen poikkeus on talvi: silloin ylimääräinen pysähdys tarkoittaa akun uutta jäähtymistä, jos väli on lyhyt.

Jos haluat suunnitella tämän, et tarvitse sovellusta vaan kaksi lukua: auton käyrän pääpiirteittäin ja kulutuksen ajetulla nopeudella. Kaikki muu seuraa niistä.

Autossa, jota ladataan pääosin kotona, latauskäyrällä ei ole juuri merkitystä. Autossa, jolla ajetaan säännöllisesti pitkiä matkoja, se on tärkeämpi kuin toimintamatka. Selvitä nämä kohdat ennen koeajoa:

Vastaukset ovat harvoin ilmoituksessa, mutta ne voi hankkia: kolme ensimmäistä mallivuoden tietolehdestä, neljännen julkaistuista mittauksista, viidennen kyseisen auton akkuraportista.