Nabíjacia krivka: prečo 150 kW nie je 150 kW

Keď výrobca uvádza 150 kilowattov, znamená to: za priaznivých podmienok vozidlo v nejakom okamihu nabíjania krátko dosiahne túto hodnotu. Neznamená to, že ju udrží, a už vôbec nie, že ju udrží od desiatich do osemdesiatich percent. Výkon nie je cez stav nabitia konštantný, ale sleduje krivku, ktorá dosiahne maximum včas a potom klesá.

Dve vozidlá s rovnakým špičkovým údajom sa preto môžu líšiť v čase státia o polovicu. Jedno dosiahne 150 kilowattov pri pätnástich percentách a drží ich do päťdesiatich; druhé sa ich dotkne pri dvadsiatich percentách na dve minúty a pri štyridsiatich je už na polovici. Údaj z prospektu je pri oboch rovnaké číslo a opisuje dve úplne odlišné vozidlá.

Kto chce vidieť krivku vozidla, nájde ju v meraniach odborných médií a v databázach, ktoré spravujú vodiči. To, čo tam stojí, je meranie za určitých podmienok, nie prísľub — ale je to rádovo výpovednejšie než jediné číslo.

C-rate je pomer nabíjacieho výkonu ku kapacite batérie. Batéria s 50 kilowatthodinami, ktorá nabíja so 100 kilowattmi, vidí C-rate 2 — pri tomto výkone by sa nabila za pol hodiny, keby výkon zostal konštantný. Tá istá batéria s 50 kilowattmi vidí 1 C, batéria so 100 kilowatthodinami pri 100 kilowattoch tiež 1 C.

Toto číslo je to skutočne zaujímavé, pretože zaťaženie článku nezávisí od počtu kilowattov, ale od prúdu na jeden článok. Veľká batéria rozdelí ten istý výkon na viac článkov; každý jednotlivý pracuje uvoľnenejšie, menej sa zahrieva a pomalšie starne. Preto veľká batéria pri rovnakom počte kilowattov nielen dlhšie nabíja vysokým výkonom, ale aj šetrnejšie.

Praktický dôsledok pre porovnanie: vydeľte špičkový výkon kapacitou. Ak vyjde číslo okolo 1, ide o vozidlo s miernym dimenzovaním. Ak vyjde číslo výrazne nad 2, batéria je navrhnutá na rýchle nabíjanie — čo môže byť dobré, ale vyžaduje účinné chladenie.

Pokles nabíjacieho výkonu so stúpajúcim stavom nabitia sa volá taper a nie je úsporným programom výrobcu, ale chémia. Pri nabíjaní putujú lítiové ióny z katódy do anódy a ukladajú sa tam medzi grafitové vrstvy. Čím je anóda plnšia, tým menej voľných miest je v blízkosti povrchu a tým dlhšie trvá, kým sa ióny dostanú do hlbších vrstiev.

Ak sa napriek tomu pretláča viac prúdu, než anóda zvládne prijať, lítium sa namiesto ukladania usadzuje kovovo na povrchu. Toto pokovovanie lítiom (lithium plating) je do značnej miery nezvratné: materiál už nie je k dispozícii na ukladanie, kapacita trvalo klesá a v najhoršom prípade rastú dendrity cez separátor. Systém riadenia batérie tomu zabraňuje tým, že prúd znižuje.

K tomu pristupuje elektrický dôvod. So stúpajúcim stavom nabitia stúpa napätie článku. Nabíjacia elektronika najprv ide s konštantným prúdom a len čo sa dosiahne prípustné napätie, prejde do fázy s konštantným napätím, v ktorej prúd klesá sám od seba. Výkon je napätie krát prúd — keď klesne prúd, klesne výkon. Preto je posledných dvadsať percent vždy najpomalších, pri každej lítium-iónovej batérii, v každom vozidle.

Zverejnená nabíjacia krivka platí pre články v ich prevádzkovom okne. Pod ním aj nad ním vyzerá inak. Studené články majú vysoký vnútorný odpor a prijímajú málo prúdu, pretože inak hrozí presne to pokovovanie, ktorému má taper zabrániť. Horúce články starnú rýchlejšie, preto systém riadenia batérie obmedzuje výkon aj smerom nahor.

Medzi týmito dvoma hranicami je okno, ktoré sa podľa chémie článkov pohybuje zhruba medzi dvadsiatimi a štyridsiatimi stupňami. Vozidlá s aktívnym kvapalinovým chladením držia články v ňom, aj keď sa rýchlo nabíja viackrát za sebou. Vozidlá s čisto vzduchovým chladením to v horúci deň po druhej nabíjacej zastávke už nezvládnu — výkon klesne, a to nie kvôli stavu nabitia, ale kvôli teplote.

Preto je predkondicionovanie také účinné. Ak sa stĺpik zadá do navigácie, vozidlo počas cesty predhreje batériu na toto okno. Vozidlo, ktoré dorazí k stĺpiku s teplotou článkov päť stupňov, strávi prvú štvrťhodinu ohrievaním samého seba — a tú zaplatíte tiež, ak stĺpik účtuje podľa času.

Výkon je napätie krát prúd. Kto chce preniesť veľa výkonu, môže zvýšiť prúd alebo napätie. Prúd je drahšia varianta: straty v kábli, zástrčke a prepojeniach článkov rastú so štvorcom prúdu a to isté teplo sa potom musí zasa odviesť. Preto sú nabíjacie káble na vysoké prúdy chladené kvapalinou a napriek tomu ťažké.

Architektúra vozidla s približne 800 voltami namiesto približne 400 voltov prenáša ten istý výkon s polovičným prúdom a so štvrtinou ohmických strát. To je skutočný dôvod vysokých nabíjacích výkonov niektorých novších vozidiel — nie lepšie články, ale vyššia úroveň napätia. Vedľajší účinok: stĺpik musí takéto napätie vedieť aj dodať a staršie stĺpiky to nie vždy dokážu.

Na druhej strane stojí stĺpik s vlastným limitom prúdu. Mnohé rýchlonabíjacie stĺpiky obmedzujú prúd na niekoľko stoviek ampérov. Vozidlo s 400-voltovou architektúrou je na tejto hranici pri určitom výkone na doraze, nech by batéria zvládla čokoľvek. Kto chce vozidlo nabíjať maximálnym možným výkonom, potrebuje teda stĺpik, ktorý zodpovedá úrovni napätia — údaj je uvedený na stĺpiku.

Dva nabíjacie body na jednom zariadení sa často delia o jeden výkonový diel. Ak tam stojí druhé vozidlo, každé dostane polovicu, alebo prednosť dostane prvé pripojené a druhé zvyšok. Ktoré pravidlo platí, je na zariadení uvedené zriedka; spoznať to možno podľa toho, že výkon klesne, len čo sa obsadí susedné miesto.

Druhým bodom je sieťová prípojka lokality. Nabíjací park s mnohými bodmi má len zriedka taký prípojný výkon, aby obslúžil všetky body naraz plným výkonom. Niektoré lokality vyrovnávajú výkon stacionárnym akumulátorom, mnohé ho jednoducho rozdeľujú. Na plnom odpočívadle na začiatku prázdnin nie je krivka vozidla témou.

A napokon kábel: nechladený kábel obmedzuje prúd na to, čo tepelne znesie. Na tom istom zariadení preto môže chladený kábel dodať viac než ten vedľa. Kto má na výber, vezme hrubší, kratší, chladený.

Najpoužiteľnejším ukazovateľom pre každodennú prax nie je špičkový výkon, ale energia, ktorá sa za určitý čas dostane do batérie. Dvadsať minút je realistická prestávka; koľko kilowatthodín za týchto dvadsať minút pribudne, rozhoduje o čase cesty. Toto číslo zahŕňa všetko: špičku, taper, teplotu aj úroveň napätia.

Bežný je aj údaj o dobe nabíjania z desiatich na osemdesiat percent. Je lepší než špičkový výkon, ale má háčik: zvýhodňuje malé batérie. Malá batéria je rýchlejšie na osemdesiatich percentách a potom má na palube predsa len menej energie. Kto porovnáva dve vozidlá, radšej počíta v kilowatthodinách za čas alebo rovno v dobitých kilometroch za čas.

Z tapera vyplýva pravidlo, ktoré prináša najväčší zisk času na dlhej trase: dve krátke zastávky sú lepšie než jedna dlhá. Krivka je v spodnej časti najstrmšia, takže sa nabíja tam, kde to ide rýchlo, a pokračuje sa v ceste skôr, než výkon klesne. Z desiatich na šesťdesiat percent dvakrát trvá výrazne kratšie než z desiatich na deväťdesiat raz — pri rovnakom množstve dobitej energie.

Výnimkou je posledná etapa. Ak po zastávke už nenasleduje žiadny stĺpik, nabíja sa tak ďaleko, ako je potrebné, a pomalé percentá sa prijmú. A druhou výnimkou je zima: tam ďalšia zastávka znamená opätovné vychladenie batérie, ak je úsek medzi nimi krátky.

Kto to chce plánovať, nepotrebuje aplikáciu, ale dve čísla: krivku svojho vozidla v hrubých rysoch a spotrebu pri skutočne jazdenej rýchlosti. Všetko ostatné z toho vyplýva.

Pri vozidle, ktoré sa prevažne nabíja doma, je nabíjacia krivka takmer bezvýznamná. Pri vozidle, ktoré pravidelne ide dlhé trasy, je dôležitejšia než dojazd. Tieto body si ujasnite pred skúšobnou jazdou:

Odpovede v inzeráte zriedka stoja, dajú sa však zistiť: prvé tri z údajového listu modelového roka, štvrtá z publikovaných meraní, piata z protokolu o batérii konkrétneho vozidla.