Laadcurve begrijpen: waarom 150 kW niet 150 kW is

Als een fabrikant 150 kilowatt opgeeft, betekent dat: onder gunstige omstandigheden bereikt de auto ooit tijdens het laden kortstondig die waarde. Het betekent niet dat hij die vasthoudt, en al helemaal niet dat hij die van tien tot tachtig procent vasthoudt. Het vermogen is over de laadstand heen niet constant, maar volgt een curve die vroeg zijn maximum bereikt en daarna daalt.

Twee auto's met een identieke piekopgave kunnen daardoor de helft verschillen in stilstandtijd. De ene bereikt de 150 kilowatt bij vijftien procent en houdt dat vast tot vijftig; de andere raakt die waarde bij twintig procent twee minuten aan en zit bij veertig procent al op de helft. De brochureopgave is bij beide hetzelfde getal en beschrijft twee compleet verschillende auto's.

Wie de curve van een auto wil zien, vindt die in metingen van vakmedia en in databanken die door rijders worden bijgehouden. Wat daar staat, is een meting onder bepaalde omstandigheden en geen belofte — maar het is ordes van grootte veelzeggender dan één enkel getal.

De C-rate is de verhouding tussen laadvermogen en batterijcapaciteit. Een pakket van 50 kilowattuur dat met 100 kilowatt laadt, heeft een C-rate van 2 — het zou bij dat vermogen in een half uur vol zijn, als het vermogen constant zou blijven. Datzelfde pakket met 50 kilowatt heeft 1 C, en een pakket van 100 kilowattuur bij 100 kilowatt ook 1 C.

Dat getal is eigenlijk het interessante, omdat de belasting van de cel niet afhangt van het aantal kilowatt, maar van de stroom per cel. Een grote batterij verdeelt hetzelfde vermogen over meer cellen; elke cel werkt daardoor rustiger, wordt minder warm en veroudert langzamer. Daarom laadt een groot pakket bij hetzelfde aantal kilowatt niet alleen langer op, maar ook zachter.

Praktisch gevolg voor de vergelijking: deel het piekvermogen door de capaciteit. Kom je uit op een getal rond de 1, dan is dat een gematigd uitgelegde auto. Kom je duidelijk boven de 2 uit, dan is de batterij op snelladen ontworpen — wat goed kan zijn, maar een doeltreffende koeling vereist.

De afname van het laadvermogen bij stijgende laadstand heet taper, en dat is geen bezuinigingsprogramma van de fabrikant, maar chemie. Bij het laden migreren lithium-ionen van de kathode naar de anode en nestelen zich daar tussen de grafietlagen. Hoe voller de anode is, hoe minder vrije plaatsen er dicht bij het oppervlak zijn en hoe langer de ionen erover doen om diepere lagen te bereiken.

Duw je toch meer stroom naar binnen dan de anode kan opnemen, dan zet lithium zich metallisch af op het oppervlak in plaats van zich in te bedden. Deze lithium-plating is grotendeels onomkeerbaar: het materiaal is niet meer beschikbaar voor opslag, de capaciteit daalt blijvend, en in het ergste geval groeien er dendrieten door de separator. Het batterijmanagement voorkomt dit door de stroom terug te nemen.

Daar komt een elektrische reden bij. Met stijgende laadstand stijgt de celspanning. De laadelektronica werkt eerst met constante stroom en gaat, zodra de toegestane spanning is bereikt, over naar een fase met constante spanning, waarin de stroom vanzelf daalt. Vermogen is spanning maal stroom — daalt de stroom, dan daalt het vermogen. Daarom zijn de laatste twintig procent altijd het traagst, bij elke lithium-ionbatterij, in elke auto.

De gepubliceerde laadcurve geldt voor cellen binnen hun bedrijfsvenster. Daaronder en daarboven ziet ze er anders uit. Koude cellen hebben een hoge inwendige weerstand en nemen weinig stroom aan, omdat anders precies de plating dreigt die de taper moet voorkomen. Hete cellen verouderen sneller, daarom begrenst het batterijmanagement ook naar boven toe.

Tussen deze twee grenzen ligt een venster dat, afhankelijk van de celchemie, ruwweg tussen twintig en veertig graden ligt. Auto's met actieve vloeistofkoeling houden de cellen daarbinnen, ook als er meerdere keren achter elkaar snel wordt geladen. Auto's met alleen luchtkoeling lukt dat op een hete dag na de tweede laadstop niet meer — het vermogen daalt, en niet vanwege de laadstand, maar vanwege de temperatuur.

Daarom is voorconditioneren zo doeltreffend. Voer je de laadpaal in het navigatiesysteem in, dan verwarmt de auto de batterij tijdens de rit alvast naar het venster. Een auto die met vijf graden celtemperatuur bij de laadpaal aankomt, besteedt het eerste kwartier aan zichzelf opwarmen — en dat betaal je mee bij een laadpaal die per tijd afrekent.

Vermogen is spanning maal stroom. Wie veel vermogen wil overbrengen, kan de stroom verhogen of de spanning. Stroom is de dure variant: de verliezen in kabel, stekker en celverbindingen groeien met het kwadraat van de stroom, en diezelfde warmte moet vervolgens weer worden afgevoerd. Daarom zijn laadkabels voor hoge stromen vloeistofgekoeld en toch nog zwaar.

Een voertuigarchitectuur met circa 800 volt in plaats van circa 400 volt brengt hetzelfde vermogen over met de halve stroom en een kwart van de ohmse verliezen. Dat is de eigenlijke reden voor de hoge laadvermogens van sommige nieuwere auto's — niet betere cellen, maar een hoger spanningsniveau. Het neveneffect: de laadpaal moet die spanning ook kunnen leveren, en oudere laadpalen kunnen dat niet altijd.

Daartegenover staat de laadpaal met zijn eigen stroomgrens. Veel snelladers begrenzen bij een paar honderd ampère. Een auto met 400-volt-architectuur zit bij die grens al bij een bepaald vermogen aan zijn plafond, ongeacht wat de batterij zou kunnen. Wie de auto met het maximaal mogelijke vermogen wil laden, heeft dus een laadpaal nodig die bij het spanningsniveau past — die opgave staat op de laadpaal.

Twee laadpunten aan één kast delen vaak één vermogenseenheid. Staat er een tweede auto, dan krijgt elk de helft, of krijgt de eerst aangesloten auto voorrang en de tweede de rest. Welke regel geldt, staat zelden op het apparaat; herkenbaar is het doordat het vermogen instort zodra de plek ernaast bezet raakt.

Het tweede punt is de netaansluiting van de locatie. Een laadpark met veel punten heeft zelden de aansluitcapaciteit om ze allemaal tegelijk met vol vermogen te bedienen. Sommige locaties bufferen met een stationaire opslag, veel verdelen gewoon. Bij een volle verzorgingsplaats aan het begin van de vakantie is de curve van de auto niet het onderwerp.

En ten slotte de kabel: een ongekoelde kabel begrenst de stroom tot wat hij thermisch aankan. Aan dezelfde kast kan een gekoelde kabel daarom meer leveren dan die ernaast. Wie de keuze heeft, neemt de dikkere, kortere, gekoelde kabel.

Het bruikbaarste kengetal voor het dagelijks gebruik is niet het piekvermogen, maar de energie die in een bepaalde tijd de batterij in gaat. Twintig minuten is een realistische pauze; hoeveel kilowattuur er in die twintig minuten binnenkomt, bepaalt de reistijd. Dit getal integreert alles: piek, taper, temperatuur en spanningsniveau.

Gebruikelijk is ook de opgave van de duur van tien naar tachtig procent. Die is beter dan het piekvermogen, maar heeft een addertje: ze bevoordeelt kleine batterijen. Een klein pakket is sneller bij tachtig procent en heeft dan toch minder energie aan boord. Wie twee auto's vergelijkt, rekent daarom beter in kilowattuur per tijd, of meteen in bijgeladen kilometers per tijd.

Uit de taper volgt een regel die op de lange afstand de meeste tijdwinst oplevert: twee korte stops verslaan één lange. De curve is in het onderste gebied het steilst, dus je laadt daar waar het snel gaat, en rijdt weer verder voordat het vermogen instort. Twee keer van tien naar zestig procent duurt duidelijk minder lang dan één keer van tien naar negentig — bij dezelfde hoeveelheid bijgeladen energie.

De uitzondering is de laatste etappe. Komt er na de stop geen laadpaal meer, dan laad je zo ver als nodig en accepteer je de trage procenten. En de tweede uitzondering is de winter: daar kost een extra stop een hernieuwde afkoeling van de batterij, als het traject ertussenin kort is.

Wie dit wil plannen, heeft geen app nodig, maar twee getallen: de curve van zijn auto in grote lijnen en het verbruik bij de gereden snelheid. Al het andere volgt daaruit.

Bij een auto die vooral thuis wordt geladen, is de laadcurve bijna betekenisloos. Bij een auto die regelmatig lange afstanden rijdt, is ze belangrijker dan de actieradius. Deze punten zoek je uit vóór de proefrit:

De antwoorden staan zelden in de advertentie, maar zijn wel te achterhalen: de eerste drie uit het gegevensblad van het modeljaar, de vierde uit gepubliceerde metingen, de vijfde uit het batterijrapport van de concrete auto.