Razumijevanje krivulje punjenja: zašto 150 kW nije 150 kW

Kad proizvođač navede 150 kilovata, to znači: u povoljnim uvjetima vozilo u nekom trenutku tijekom punjenja nakratko dosegne tu vrijednost. Ne znači da je zadržava, a pogotovo ne da je zadržava od deset do osamdeset posto. Snaga nije konstantna kroz sva stanja napunjenosti, nego prati krivulju koja rano dosegne maksimum, a zatim pada.

Dva vozila s jednakim vršnim podatkom zato se mogu razlikovati za polovicu u vremenu stajanja. Jedno dosegne 150 kilovata pri petnaest posto i drži ih do pedeset; drugo ih dotakne pri dvadeset posto na dvije minute i pri četrdeset posto je već na polovici. Podatak iz prospekta kod oba je isti broj i opisuje dva potpuno različita vozila.

Tko želi vidjeti krivulju nekog vozila, naći će je u mjerenjima stručnih medija i u bazama koje održavaju vozači. Ono što tamo piše mjerenje je pod određenim uvjetima, a ne obećanje — ali je neusporedivo informativnije od jednog broja.

C-rate je omjer snage punjenja i kapaciteta baterije. Paket od 50 kilovatsati koji se puni sa 100 kilovata ima C-rate 2 — pri toj bi se snazi napunio za pola sata kad bi snaga ostala konstantna. Isti paket sa 50 kilovata ima 1 C, a paket od 100 kilovatsati pri 100 kilovata također 1 C.

Upravo je taj broj zanimljiv jer opterećenje ćelije ne ovisi o broju kilovata, nego o struji po ćeliji. Velika baterija istu snagu raspoređuje na više ćelija; svaka pojedina radi opuštenije, manje se zagrijava i sporije stari. Zato veliki paket pri istom broju kilovata ne samo dulje drži visoku snagu, nego i puni blaže.

Praktična posljedica za usporedbu: podijelite vršnu snagu s kapacitetom. Ako dobijete broj oko 1, riječ je o umjereno dimenzioniranom vozilu. Ako dobijete broj znatno iznad 2, baterija je predviđena za brzo punjenje — što može biti dobro, ali zahtijeva učinkovito hlađenje.

Pad snage punjenja s rastućim stanjem napunjenosti zove se taper i nije proizvođačev program štednje, nego kemija. Pri punjenju litij-ioni putuju iz katode u anodu i ondje se uklapaju između slojeva grafita. Što je anoda punija, to je manje slobodnih mjesta blizu površine i to dulje ionima treba da dođu u dublje slojeve.

Ako se ipak utisne više struje nego što anoda može primiti, litij se izlučuje metalno na površini umjesto da se uklopi. Taj litijev nanos (lithium plating) uglavnom je nepovratan: materijal više nije na raspolaganju za pohranu, kapacitet trajno pada, a u najgorem slučaju kroz separator rastu dendriti. Sustav upravljanja baterijom to sprječava smanjujući struju.

Tome se pridodaje električni razlog. S rastućim stanjem napunjenosti raste napon ćelije. Elektronika punjenja najprije vozi s konstantnom strujom, a čim je dopušteni napon dosegnut, prelazi u fazu s konstantnim naponom u kojoj struja sama pada. Snaga je napon puta struja — kad struja padne, pada i snaga. Zato je posljednjih dvadeset posto uvijek najsporije, kod svake litij-ionske baterije, u svakom vozilu.

Objavljena krivulja punjenja vrijedi za ćelije u njihovu radnom rasponu. Ispod njega i iznad njega izgleda drukčije. Hladne ćelije imaju visok unutarnji otpor i primaju malo struje, jer bi inače prijetilo upravo ono izlučivanje litija koje taper treba spriječiti. Vruće ćelije brže stare pa sustav upravljanja baterijom ograničava i prema gore.

Između tih dviju granica leži raspon koji je, ovisno o kemiji ćelija, otprilike između dvadeset i četrdeset stupnjeva. Vozila s aktivnim tekućinskim hlađenjem drže ćelije u njemu i kad se više puta zaredom brzo puni. Vozila samo sa zračnim hlađenjem to u vrućem danu nakon drugog stajanja radi punjenja više ne uspijevaju — snaga pada, i to ne zbog stanja napunjenosti, nego zbog temperature.

Zato je predkondicioniranje tako učinkovito. Ako se punionica unese u navigaciju, vozilo tijekom vožnje do nje zagrijava bateriju na željeni raspon. Vozilo koje na punionicu stigne s ćelijama na pet stupnjeva prvu četvrt sata provodi grijući samo sebe — a to se, na punionici koja naplaćuje po vremenu, također plaća.

Snaga je napon puta struja. Tko želi prenijeti veliku snagu, može povećati struju ili napon. Struja je skuplja varijanta: gubici u kabelu, utikaču i spojevima ćelija rastu s kvadratom struje, a ista se toplina potom mora odvesti. Zato su kabeli za velike struje tekućinski hlađeni, a ipak teški.

Arhitektura vozila s oko 800 volti umjesto oko 400 volti prenosi istu snagu uz upola manju struju i četvrtinu omskih gubitaka. To je pravi razlog visokih snaga punjenja nekih novijih vozila — ne bolje ćelije, nego viša razina napona. Nuspojava: punionica taj napon također mora moći isporučiti, a starije punionice to ne mogu uvijek.

S druge strane stoji punionica s vlastitom granicom struje. Mnoge brze punionice ograničavaju struju na nekoliko stotina ampera. Vozilo s arhitekturom od 400 volti pri toj je granici pri određenoj snazi na maksimumu, bez obzira na to što bi baterija mogla. Tko svoje vozilo želi puniti najvećom mogućom snagom, treba dakle punionicu koja odgovara razini napona — podatak stoji na punionici.

Dvije točke punjenja na jednom kućištu često dijele jedan energetski dio. Ako ondje stoji drugo vozilo, svako dobiva polovicu, ili prvo priključeno ima prednost, a drugo ostatak. Koje pravilo vrijedi, rijetko piše na uređaju; prepoznaje se po tome što snaga padne čim se zauzme susjedno mjesto.

Druga je točka mrežni priključak lokacije. Park punionica s mnogo točaka rijetko ima priključnu snagu da bi sve istodobno posluživao punom snagom. Neke lokacije puferiraju stacionarnim spremnikom, mnoge jednostavno raspodjeljuju. Na punom odmorištu na početku praznika krivulja vozila nije tema.

I naposljetku kabel: nehlađeni kabel ograničava struju na ono što termički izdrži. Na istom kućištu zato hlađeni kabel može isporučiti više od onog pokraj njega. Tko ima izbor, uzima deblji, kraći, hlađeni.

Najkorisniji pokazatelj za svakodnevicu nije vršna snaga, nego energija koja u određenom vremenu uđe u bateriju. Dvadeset minuta realistična je stanka; koliko kilovatsati u tih dvadeset minuta stigne, odlučuje o vremenu putovanja. Taj broj integrira sve: vrh, taper, temperaturu i razinu napona.

Uobičajen je i podatak o trajanju od deset do osamdeset posto. Bolji je od vršne snage, ali ima kvaku: nagrađuje male baterije. Mali paket brže dosegne osamdeset posto, a tada ipak ima manje energije u vozilu. Tko uspoređuje dva vozila, zato bolje računa u kilovatsatima po vremenu ili odmah u dopunjenim kilometrima po vremenu.

Iz tapera slijedi pravilo koje na dugim relacijama donosi najviše dobitka u vremenu: dva kratka stajanja bolja su od jednog dugog. Krivulja je u donjem području najstrmija, dakle puni se ondje gdje ide brzo i nastavlja se vožnja prije nego što snaga padne. Dvaput od deset na šezdeset posto traje znatno kraće nego jednom od deset na devedeset — uz istu količinu dopunjene energije.

Iznimka je posljednja etapa. Ako nakon stajanja više ne slijedi nijedna punionica, puni se onoliko koliko je potrebno i prihvaćaju se spori postoci. A druga je iznimka zima: ondje dodatno stajanje košta ponovno hlađenje baterije kad je dionica između njih kratka.

Tko to želi planirati, ne treba aplikaciju, nego dva broja: krivulju svog vozila u grubim crtama i potrošnju pri brzini kojom se vozi. Sve ostalo iz toga proizlazi.

Kod vozila koje se pretežno puni kod kuće krivulja punjenja gotovo je beznačajna. Kod vozila koje redovito prelazi duge relacije važnija je od dometa. Ove točke razjasnite prije probne vožnje:

Odgovori rijetko stoje u oglasu, ali se mogu pribaviti: prva tri iz tehničkog lista modelne godine, četvrti iz objavljenih mjerenja, peti iz zapisa o bateriji konkretnog vozila.