Zrozumieć krzywą ładowania: dlaczego 150 kW to nie 150 kW

Gdy producent podaje 150 kilowatów, oznacza to: w sprzyjających warunkach pojazd w pewnym momencie ładowania krótko osiąga tę wartość. Nie oznacza to, że ją utrzymuje, a tym bardziej, że utrzymuje ją od dziesięciu do osiemdziesięciu procent. Moc nie jest stała w trakcie ładowania, lecz podąża za krzywą, która wcześnie osiąga maksimum, a potem opada.

Dwa pojazdy z identyczną deklarowaną mocą szczytową mogą się więc różnić o połowę czasu postoju. Jeden osiąga 150 kilowatów przy piętnastu procentach i utrzymuje je do pięćdziesięciu; drugi dotyka tej wartości przy dwudziestu procentach na dwie minuty i już przy czterdziestu procentach ładuje z połową mocy. W prospekcie u obu widnieje ta sama liczba, a opisuje ona dwa zupełnie różne pojazdy.

Kto chce zobaczyć krzywą konkretnego pojazdu, znajdzie ją w pomiarach mediów branżowych i w bazach danych prowadzonych przez kierowców. To, co tam widnieje, to pomiar w określonych warunkach, a nie obietnica — ale jest o rzędy wielkości bardziej wymowne niż pojedyncza liczba.

C-rate to stosunek mocy ładowania do pojemności akumulatora. Pakiet o pojemności 50 kilowatogodzin, ładowany mocą 100 kilowatów, ma C-rate równe 2 — przy tej mocy naładowałby się w pół godziny, gdyby moc pozostawała stała. Ten sam pakiet ładowany mocą 50 kilowatów ma 1 C, a pakiet o pojemności 100 kilowatogodzin przy 100 kilowatach — również 1 C.

To właśnie ta liczba jest naprawdę interesująca, bo obciążenie ogniwa zależy nie od liczby kilowatów, lecz od prądu przypadającego na ogniwo. Duży akumulator rozkłada tę samą moc na więcej ogniw; każde z osobna pracuje spokojniej, mniej się nagrzewa i wolniej się starzeje. Dlatego duży pakiet przy tej samej liczbie kilowatów nie tylko dłużej utrzymuje wysoką moc ładowania, ale też ładuje się łagodniej.

Praktyczny wniosek dla porównania: podziel moc szczytową przez pojemność. Jeśli wyjdzie liczba w okolicach 1, to pojazd o umiarkowanych założeniach. Jeśli wyjdzie liczba wyraźnie powyżej 2, akumulator jest zaprojektowany pod szybkie ładowanie — co może być zaletą, ale wymaga skutecznego chłodzenia.

Spadek mocy ładowania wraz ze wzrostem stanu naładowania nazywa się taperem i nie jest to program oszczędnościowy producenta, lecz chemia. Podczas ładowania jony litu wędrują z katody do anody i osadzają się tam między warstwami grafitu. Im pełniejsza jest anoda, tym mniej wolnych miejsc znajduje się w pobliżu powierzchni i tym dłużej jony potrzebują, by dotrzeć do głębszych warstw.

Jeśli mimo to wtłacza się więcej prądu, niż anoda może przyjąć, lit osadza się metalicznie na powierzchni zamiast się wbudować. Takie pokrycie litem (lithium plating) jest w dużej mierze nieodwracalne: materiał przestaje być dostępny do magazynowania energii, pojemność trwale spada, a w najgorszym razie przez separator przerastają dendryty. System zarządzania akumulatorem zapobiega temu, ograniczając prąd.

Dochodzi do tego powód elektryczny. Wraz ze wzrostem stanu naładowania rośnie napięcie ogniwa. Elektronika ładowania na początku pracuje ze stałym prądem, a gdy tylko osiągnięte zostanie dopuszczalne napięcie, przechodzi w fazę stałego napięcia, w której prąd sam z siebie spada. Moc to napięcie razy prąd — gdy spada prąd, spada moc. Dlatego ostatnie dwadzieścia procent zawsze jest najwolniejsze, w każdym akumulatorze litowo-jonowym, w każdym pojeździe.

Publikowana krzywa ładowania obowiązuje dla ogniw w ich oknie roboczym. Poniżej i powyżej niego wygląda ona inaczej. Zimne ogniwa mają wysoką rezystancję wewnętrzną i przyjmują mało prądu, bo w przeciwnym razie grozi im właśnie to pokrycie litem, któremu ma zapobiegać taper. Gorące ogniwa starzeją się szybciej, dlatego system zarządzania akumulatorem ogranicza moc również od góry.

Między tymi dwiema granicami leży okno, które w zależności od chemii ogniw wynosi w przybliżeniu od dwudziestu do czterdziestu stopni. Pojazdy z aktywnym chłodzeniem cieczą utrzymują w nim ogniwa nawet przy kilku szybkich ładowaniach z rzędu. Pojazdy z samym chłodzeniem powietrzem w upalny dzień przestają sobie z tym radzić już po drugim postoju na ładowanie — moc spada, i to nie z powodu stanu naładowania, lecz temperatury.

Dlatego wstępne kondycjonowanie jest tak skuteczne. Gdy stacja zostanie wpisana do nawigacji, pojazd podczas dojazdu podgrzewa akumulator do właściwego okna temperatur. Pojazd, który dojeżdża do stacji z temperaturą ogniw pięciu stopni, pierwszy kwadrans spędza na rozgrzewaniu samego siebie — a przy stacji rozliczającej za czas płaci się i za to.

Moc to napięcie razy prąd. Kto chce przenieść dużą moc, może zwiększyć prąd albo napięcie. Prąd to droższy wariant: straty w kablu, wtyczce i połączeniach ogniw rosną z kwadratem prądu, a powstałe w ten sposób ciepło trzeba potem odprowadzić. Dlatego kable do wysokich prądów są chłodzone cieczą i mimo to ciężkie.

Architektura pojazdu z napięciem około 800 woltów zamiast około 400 woltów przenosi tę samą moc przy połowie prądu i jednej czwartej strat omowych. To właściwy powód wysokich mocy ładowania niektórych nowszych pojazdów — nie lepsze ogniwa, lecz wyższy poziom napięcia. Efekt uboczny: stacja musi umieć dostarczyć takie napięcie, a starsze stacje nie zawsze to potrafią.

Z drugiej strony stoi stacja z własnym limitem prądu. Wiele szybkich stacji ogranicza prąd do kilkuset amperów. Pojazd o architekturze 400 woltów przy tej granicy osiąga swój sufit przy określonej mocy, niezależnie od tego, co potrafiłby akumulator. Kto chce ładować pojazd z maksymalną możliwą mocą, potrzebuje więc stacji dopasowanej do poziomu napięcia — informacja o tym widnieje na stacji.

Dwa punkty ładowania w jednej obudowie często dzielą jeden moduł mocy. Jeśli stoi tam drugi pojazd, każdy dostaje połowę, albo pojazd podłączony jako pierwszy ma pierwszeństwo, a drugi dostaje resztę. Która zasada obowiązuje, rzadko widnieje na urządzeniu; poznać to można po tym, że moc spada, gdy tylko sąsiednie miejsce zostanie zajęte.

Drugą kwestią jest przyłącze sieciowe danej lokalizacji. Park ładowania z wieloma punktami rzadko ma moc przyłączeniową pozwalającą obsłużyć wszystkie jednocześnie z pełną mocą. Niektóre lokalizacje buforują energię stacjonarnym magazynem, wiele po prostu ją rozdziela. Na pełnym parkingu przy autostradzie na początku wakacji krzywa danego pojazdu nie jest już tematem.

I wreszcie kabel: niechłodzony kabel ogranicza prąd do tego, co wytrzyma termicznie. Dlatego przy tej samej obudowie chłodzony kabel może dostarczyć więcej niż ten obok. Kto ma wybór, bierze grubszy, krótszy, chłodzony.

Najbardziej użytecznym wskaźnikiem na co dzień nie jest moc szczytowa, lecz energia, jaka trafia do akumulatora w określonym czasie. Dwadzieścia minut to realistyczna przerwa; ile kilowatogodzin trafi w tym czasie do akumulatora, decyduje o czasie podróży. Ta liczba uwzględnia wszystko: szczyt, taper, temperaturę i poziom napięcia.

Powszechnie stosuje się też podawanie czasu od dziesięciu do osiemdziesięciu procent. Jest to lepsze niż moc szczytowa, ale ma haczyk: premiuje małe akumulatory. Mały pakiet szybciej osiąga osiemdziesiąt procent, a mimo to ma na pokładzie mniej energii. Kto porównuje dwa pojazdy, lepiej niech liczy w kilowatogodzinach na czas albo od razu w doładowanych kilometrach na czas.

Z tapera wynika zasada, która na długim dystansie przynosi największy zysk czasu: dwa krótkie postoje biją jeden długi. Krzywa jest najbardziej stroma w dolnym zakresie, więc ładuje się tam, gdzie idzie to szybko, i rusza dalej, zanim moc spadnie. Dwa razy od dziesięciu do sześćdziesięciu procent trwa wyraźnie krócej niż raz od dziesięciu do dziewięćdziesięciu — przy tej samej ilości doładowanej energii.

Wyjątkiem jest ostatni odcinek. Jeśli po postoju nie będzie już kolejnej stacji, ładuje się tyle, ile trzeba, i akceptuje wolne procenty. Drugim wyjątkiem jest zima: tam dodatkowy postój kosztuje ponowne wychłodzenie akumulatora, jeśli odcinek między postojami jest krótki.

Kto chce to zaplanować, nie potrzebuje aplikacji, lecz dwóch liczb: przybliżonego przebiegu krzywej swojego pojazdu i zużycia energii przy jechanej prędkości. Reszta wynika z tego sama.

Przy pojeździe, który ładowany jest głównie w domu, krzywa ładowania jest niemal bez znaczenia. Przy pojeździe, który regularnie pokonuje długie trasy, jest ważniejsza niż zasięg. Te punkty warto wyjaśnić przed jazdą próbną:

Odpowiedzi rzadko znajdziesz w ogłoszeniu, ale da się je zdobyć: pierwsze trzy z karty danych rocznika modelowego, czwartą z opublikowanych pomiarów, piątą z protokołu akumulatora konkretnego pojazdu.