Entender a curva de carregamento: porque 150 kW não são 150 kW

Quando um fabricante indica 150 quilowatts, isso significa: em condições favoráveis, o carro atinge esse valor por breves instantes em algum momento do carregamento. Não significa que o mantém, e muito menos que o mantém dos dez aos oitenta por cento. A potência não é constante ao longo do nível de carga, mas segue uma curva que atinge cedo o seu máximo e depois desce.

Dois carros com o mesmo valor de pico podem, por isso, diferir em metade no tempo de paragem. Um atinge os 150 quilowatts aos quinze por cento e mantém-nos até aos cinquenta; o outro toca-os aos vinte por cento durante dois minutos e já está a meio do caminho aos quarenta por cento. O valor da ficha técnica é o mesmo número nos dois casos e descreve dois carros completamente diferentes.

Quem quiser ver a curva de um carro encontra-a em medições de meios especializados e em bases de dados mantidas por condutores. O que lá está é uma medição em determinadas condições, não uma promessa — mas é, em muito, mais informativo do que um número isolado.

A C-rate é a relação entre a potência de carregamento e a capacidade da bateria. Um pacote de 50 quilowatt-hora que carrega a 100 quilowatts tem uma C-rate de 2 — ficaria totalmente carregado em meia hora a essa potência, se ela se mantivesse constante. O mesmo pacote a 50 quilowatts tem 1 C, e um pacote de 100 quilowatt-hora a 100 quilowatts também tem 1 C.

Este número é o que realmente interessa, porque o esforço sobre a célula não depende dos quilowatts, mas da corrente por célula. Uma bateria grande distribui a mesma potência por mais células; cada uma trabalha mais tranquila, aquece menos e envelhece mais devagar. Por isso, um pacote grande, com a mesma quantidade de quilowatts, não só carrega mais devagar em termos percentuais, como também carrega de forma mais suave.

Consequência prática para a comparação: divida a potência de pico pela capacidade. Se der um número perto de 1, é um carro com uma configuração moderada. Se der um número claramente acima de 2, a bateria está preparada para carregamento rápido — o que pode ser bom, mas exige um arrefecimento eficaz.

A queda da potência de carregamento com o aumento do nível de carga chama-se taper, e não é uma poupança do fabricante, é química. Ao carregar, os iões de lítio migram do cátodo para o ânodo e alojam-se entre as camadas de grafite. Quanto mais cheio estiver o ânodo, menos lugares livres há perto da superfície e mais tempo os iões demoram a chegar a camadas mais profundas.

Se, mesmo assim, se empurrar mais corrente do que o ânodo consegue absorver, o lítio deposita-se de forma metálica na superfície em vez de se alojar. Este lithium plating é praticamente irreversível: o material deixa de estar disponível para armazenamento, a capacidade cai de forma permanente e, no pior caso, crescem dendrites através do separador. O sistema de gestão da bateria evita isto reduzindo a corrente.

A isto junta-se uma razão elétrica. Com o aumento do nível de carga, sobe a tensão da célula. A eletrónica de carregamento trabalha primeiro com corrente constante e, assim que a tensão permitida é atingida, passa a uma fase de tensão constante, na qual a corrente desce por si só. Potência é tensão vezes corrente — se a corrente desce, a potência desce. Por isso, os últimos vinte por cento são sempre os mais lentos, em qualquer bateria de iões de lítio, em qualquer carro.

A curva de carregamento publicada vale para células dentro da sua janela de funcionamento. Abaixo e acima dela, a curva é diferente. Células frias têm uma resistência interna elevada e aceitam pouca corrente, porque, caso contrário, se arriscaria justamente o plating que o taper existe para evitar. Células quentes envelhecem mais depressa, por isso o sistema de gestão da bateria também limita por cima.

Entre estes dois limites há uma janela que, consoante a química da célula, ronda grosso modo os vinte aos quarenta graus. Carros com arrefecimento ativo a líquido mantêm as células dentro dela, mesmo com vários carregamentos rápidos seguidos. Carros apenas com arrefecimento a ar já não conseguem isso num dia quente, a partir da segunda paragem para carregar — a potência cai, e não por causa do nível de carga, mas por causa da temperatura.

É por isso que o pré-condicionamento é tão eficaz. Ao indicar o posto no sistema de navegação, o carro aquece a bateria durante o trajeto até à janela ideal. Um carro que chega ao posto com a célula a cinco graus passa o primeiro quarto de hora a aquecer-se a si próprio — e isso paga-se também num posto que cobra por tempo.

Potência é tensão vezes corrente. Quem quer transmitir muita potência pode aumentar a corrente ou a tensão. A corrente é a variante cara: as perdas no cabo, na ficha e nas ligações das células crescem com o quadrado da corrente, e esse calor tem depois de ser dissipado. Por isso, os cabos de carregamento para correntes elevadas são arrefecidos a líquido e, mesmo assim, pesados.

Uma arquitetura de carro com cerca de 800 volts, em vez de cerca de 400, transmite a mesma potência com metade da corrente e um quarto das perdas ómicas. Esta é a verdadeira razão para as elevadas potências de carregamento de alguns carros mais recentes — não são células melhores, é um nível de tensão mais alto. O efeito secundário: o posto também tem de conseguir fornecer essa tensão, e postos mais antigos nem sempre conseguem.

Do outro lado está o posto, com o seu próprio limite de corrente. Muitos postos de carregamento rápido limitam a algumas centenas de amperes. Um carro com arquitetura de 400 volts está, nesse limite, no máximo a uma determinada potência, independentemente do que a bateria conseguisse. Quem quiser carregar o seu carro com a potência máxima possível precisa, portanto, de um posto compatível com o seu nível de tensão — a indicação está no próprio posto.

Dois pontos de carregamento no mesmo módulo partilham muitas vezes a mesma unidade de potência. Se lá estiver um segundo carro, cada um fica com metade, ou o que ligou primeiro tem prioridade e o segundo fica com o resto. A regra que se aplica raramente está indicada no aparelho; percebe-se pelo facto de a potência cair assim que o lugar ao lado fica ocupado.

O segundo ponto é a ligação à rede do próprio local. Um parque de carregamento com muitos pontos raramente tem potência de ligação para servir todos ao mesmo tempo com potência máxima. Alguns locais amortecem com armazenamento estacionário, muitos simplesmente distribuem. Numa área de serviço cheia no início das férias, a curva do carro deixa de ser o tema principal.

E, por fim, o cabo: um cabo não arrefecido limita a corrente ao que aguenta termicamente. No mesmo módulo, um cabo arrefecido pode, por isso, fornecer mais do que o cabo ao lado. Quem tiver escolha, opta pelo mais grosso, mais curto e arrefecido.

O indicador mais útil no dia a dia não é a potência de pico, mas a energia que entra na bateria num determinado tempo. Vinte minutos são uma pausa realista; quantos quilowatt-hora chegam nesses vinte minutos decide o tempo de viagem. Este número integra tudo: pico, taper, temperatura e nível de tensão.

Também é comum indicar-se a duração dos dez aos oitenta por cento. É melhor do que a potência de pico, mas tem uma armadilha: favorece baterias pequenas. Um pacote pequeno chega mais depressa aos oitenta por cento e, mesmo assim, tem menos energia a bordo. Ao comparar dois carros, é melhor calcular em quilowatt-hora por tempo, ou diretamente em quilómetros recarregados por tempo.

Do taper resulta uma regra que traz o maior ganho de tempo em longas viagens: duas paragens curtas ganham a uma longa. A curva é mais íngreme na parte de baixo, por isso carrega-se onde é rápido, e segue-se viagem antes de a potência cair. Ir dos dez aos sessenta por cento duas vezes demora claramente menos do que ir dos dez aos noventa uma vez — com a mesma quantidade de energia recarregada.

A exceção é a última etapa. Se depois da paragem já não vier outro posto, carrega-se o quanto for necessário e aceitam-se os últimos por cento mais lentos. E a segunda exceção é o inverno: aí, a paragem extra custa um novo arrefecimento da bateria, se o trajeto entre elas for curto.

Quem quiser planear isto não precisa de uma aplicação, mas de dois números: a curva do seu carro em traços gerais e o consumo à velocidade a que conduz. Todo o resto resulta daí.

Num carro que é carregado sobretudo em casa, a curva de carregamento é quase irrelevante. Num carro que faz regularmente longas viagens, é mais importante do que a autonomia. Estes pontos esclarecem-se antes do test-drive:

As respostas raramente constam do anúncio, mas dão para obter: as três primeiras na ficha técnica do ano-modelo, a quarta em medições publicadas, a quinta no relatório da bateria do carro em concreto.