Curba de încărcare: de ce 150 kW nu sunt 150 kW

Când un producător indică 150 de kilowați, asta înseamnă: în condiții favorabile, mașina atinge pentru scurt timp această valoare cândva în timpul încărcării. Nu înseamnă că o menține și cu atât mai puțin că o menține de la zece la optzeci la sută. Puterea nu este constantă de-a lungul stării de încărcare, ci urmează o curbă care își atinge devreme maximul și apoi scade.

Două mașini cu aceeași putere maximă declarată pot de aceea diferi cu jumătate în timpul de staționare. Una atinge cei 150 de kilowați la cincisprezece la sută și îi menține până la cincizeci; cealaltă îi atinge la douăzeci la sută pentru două minute și la patruzeci la sută este deja la jumătate. Cifra din prospect este aceeași pentru ambele și descrie două mașini complet diferite.

Cine vrea să vadă curba unei mașini o găsește în măsurători ale publicațiilor de specialitate și în baze de date întreținute de șoferi. Ce scrie acolo este o măsurătoare în anumite condiții și nu o promisiune — dar este cu ordine de mărime mai relevantă decât o singură cifră.

Rata C este raportul dintre puterea de încărcare și capacitatea bateriei. Un pachet de 50 de kilowați-oră care se încarcă cu 100 de kilowați vede o rată C de 2 — s-ar încărca complet în jumătate de oră la această putere, dacă puterea ar rămâne constantă. Același pachet cu 50 de kilowați vede 1 C, iar un pachet de 100 de kilowați-oră la 100 de kilowați tot 1 C.

Această cifră este cea cu adevărat interesantă, pentru că solicitarea celulei nu depinde de numărul de kilowați, ci de curentul pe celulă. O baterie mare repartizează aceeași putere pe mai multe celule; fiecare lucrează mai relaxat, se încălzește mai puțin și îmbătrânește mai lent. De aceea, la același număr de kilowați, un pachet mare nu doar menține mai mult timp o putere ridicată, ci se și încarcă mai blând.

Consecința practică pentru comparație: împarte puterea maximă la capacitate. Dacă rezultă o cifră în jur de 1, mașina este dimensionată moderat. Dacă rezultă o cifră clar peste 2, bateria este concepută pentru încărcare rapidă — ceea ce poate fi bun, dar presupune o răcire eficientă.

Scăderea puterii de încărcare pe măsură ce crește starea de încărcare se numește taper și nu este un program de economisire al producătorului, ci chimie. La încărcare, ionii de litiu migrează din catod în anod și se intercalează acolo între straturile de grafit. Cu cât anodul este mai plin, cu atât mai puține locuri libere există în apropierea suprafeței și cu atât le ia ionilor mai mult să ajungă în straturile mai adânci.

Dacă totuși se forțează mai mult curent decât poate prelua anodul, litiul se depune metalic pe suprafață în loc să se intercaleze. Acest lithium plating este în mare parte ireversibil: materialul nu mai este disponibil pentru stocare, capacitatea scade definitiv, iar în cel mai rău caz cresc dendrite prin separator. Sistemul de management al bateriei împiedică asta reducând curentul.

La asta se adaugă un motiv electric. Odată cu starea de încărcare crește tensiunea celulei. Electronica de încărcare funcționează întâi cu curent constant și, de îndată ce se atinge tensiunea admisă, trece într-o fază cu tensiune constantă, în care curentul scade de la sine. Puterea este tensiune înmulțită cu curent — dacă scade curentul, scade puterea. De aceea ultimele douăzeci la sută sunt întotdeauna cele mai lente, la orice baterie litiu-ion, în orice mașină.

Curba de încărcare publicată este valabilă pentru celule în intervalul lor de funcționare. Sub el și peste el arată altfel. Celulele reci au o rezistență internă mare și primesc puțin curent, pentru că altfel amenință exact lithium plating-ul pe care taper-ul trebuie să-l împiedice. Celulele fierbinți îmbătrânesc mai repede, de aceea sistemul de management al bateriei limitează și în sus.

Între aceste două limite se află un interval care, în funcție de chimia celulei, este aproximativ între douăzeci și patruzeci de grade. Mașinile cu răcire activă cu lichid mențin celulele în el chiar și când se încarcă rapid de mai multe ori la rând. Mașinile cu răcire numai cu aer nu reușesc asta într-o zi fierbinte după a doua oprire pentru încărcare — puterea scade, și nu din cauza stării de încărcare, ci din cauza temperaturii.

De aceea precondiționarea este atât de eficientă. Dacă stația este introdusă în sistemul de navigație, mașina încălzește bateria în timpul drumului până la ea, aducând-o în interval. O mașină care ajunge la stație cu celulele la cinci grade își petrece primul sfert de oră încălzindu-se singură — iar acesta se plătește, la o stație care facturează după timp, odată cu restul.

Puterea este tensiune înmulțită cu curent. Cine vrea să transmită putere mare poate crește curentul sau tensiunea. Curentul este varianta scumpă: pierderile în cablu, în mufă și în conectorii celulelor cresc cu pătratul curentului, iar aceeași căldură trebuie apoi evacuată. De aceea cablurile de încărcare pentru curenți mari sunt răcite cu lichid și totuși grele.

O arhitectură de mașină cu aproximativ 800 de volți în loc de aproximativ 400 de volți transmite aceeași putere cu jumătate din curent și cu o pătrime din pierderile ohmice. Acesta este adevăratul motiv al puterilor mari de încărcare ale unor mașini mai noi — nu celule mai bune, ci un nivel de tensiune mai ridicat. Efectul secundar: stația trebuie să poată livra și tensiunea, iar stațiile mai vechi nu o pot face întotdeauna.

De cealaltă parte se află stația, cu propria limită de curent. Multe stații de încărcare rapidă limitează la câteva sute de amperi. O mașină cu arhitectură de 400 de volți ajunge la această limită la o anumită putere, indiferent de ce ar putea bateria. Cine vrea să-și încarce mașina cu puterea maximă posibilă are deci nevoie de o stație potrivită nivelului de tensiune — indicația se află pe stație.

Două puncte de încărcare la aceeași carcasă își împart adesea o singură unitate de putere. Dacă acolo stă o a doua mașină, fiecare primește jumătate, sau cea conectată prima primește prioritate, iar a doua restul. Ce regulă se aplică se scrie rar pe aparat; se recunoaște prin faptul că puterea scade brusc de îndată ce locul vecin este ocupat.

Al doilea punct este racordul la rețea al locației. Un parc de încărcare cu multe puncte are rar puterea de racordare necesară ca să le deservească pe toate simultan cu putere maximă. Unele locații tamponează cu o baterie staționară, multe pur și simplu repartizează. La un popas de autostradă plin, la început de vacanță, curba mașinii nu este subiectul.

Și, în sfârșit, cablul: un cablu nerăcit limitează curentul la ceea ce suportă termic. La aceeași carcasă, un cablu răcit poate de aceea livra mai mult decât cel de alături. Cine are de ales îl ia pe cel mai gros, mai scurt, răcit.

Cel mai util indicator pentru viața de zi cu zi nu este puterea maximă, ci energia care intră în baterie într-un anumit interval de timp. Douăzeci de minute sunt o pauză realistă; câți kilowați-oră ajung în aceste douăzeci de minute decide timpul de călătorie. Această cifră integrează totul: vârf, taper, temperatură și nivel de tensiune.

Este uzuală și indicarea duratei de la zece la optzeci la sută. Este mai bună decât puterea maximă, dar are un cusur: favorizează bateriile mici. Un pachet mic ajunge mai repede la optzeci la sută și are apoi totuși mai puțină energie la bord. Cine compară două mașini socotește de aceea mai bine în kilowați-oră pe unitatea de timp sau direct în kilometri reîncărcați pe unitatea de timp.

Din taper rezultă o regulă care aduce cel mai mare câștig de timp pe distanțe lungi: două opriri scurte bat una lungă. Curba este cea mai abruptă în zona de jos, deci încarci acolo unde merge repede și pleci mai departe înainte ca puterea să cadă. De la zece la șaizeci la sută de două ori durează clar mai puțin decât de la zece la nouăzeci o singură dată — la aceeași cantitate de energie reîncărcată.

Excepția este ultima etapă. Dacă după oprire nu mai urmează nicio stație, încarci cât este necesar și accepți procentele lente. Iar a doua excepție este iarna: acolo oprirea suplimentară costă o nouă răcire a bateriei, dacă tronsonul dintre opriri este scurt.

Cine vrea să planifice asta nu are nevoie de o aplicație, ci de două cifre: curba mașinii sale în linii mari și consumul la viteza cu care merge. Tot restul rezultă din ele.

La o mașină care se încarcă preponderent acasă, curba de încărcare este aproape fără importanță. La o mașină care face regulat distanțe lungi, este mai importantă decât autonomia. Aceste puncte le clarifici înainte de test drive:

Răspunsurile se află rar în anunț, dar se pot procura: primele trei din fișa tehnică a anului-model, a patra din măsurători publicate, a cincea din raportul bateriei mașinii concrete.