Krivulja polnjenja: zakaj 150 kW ni vedno 150 kW

Ko proizvajalec navede 150 kilovatov, to pomeni: v ugodnih razmerah vozilo nekje med polnjenjem za kratek čas doseže to vrednost. Ne pomeni, da jo tudi zadrži, še manj pa, da jo zadrži od deset do osemdeset odstotkov. Moč glede na stanje napolnjenosti ni stalna, temveč sledi krivulji, ki zgodaj doseže vrh in nato pada.

Dve vozili z enakim podatkom o vršni moči se zato lahko v času polnjenja razlikujeta za polovico. Eno doseže 150 kilovatov pri petnajstih odstotkih in jih zadrži do petdesetih; drugo se jih pri dvajsetih odstotkih dotakne za dve minuti, pri štiridesetih odstotkih pa je že na polovici. Podatek v prospektu je pri obeh ista številka in opisuje dve povsem različni vozili.

Kdor želi videti krivuljo vozila, jo najde v meritvah strokovnih medijev in v podatkovnih zbirkah, ki jih vzdržujejo vozniki. Tam objavljeno je meritev v določenih razmerah in ne obljuba — a pove neprimerljivo več kot ena sama številka.

C-stopnja (angl. C-rate) je razmerje med močjo polnjenja in kapaciteto baterije. Paket s 50 kilovatnimi urami, ki se polni s 100 kilovati, je obremenjen s C-stopnjo 2 — pri tej moči bi bil poln v pol ure, če bi moč ostala stalna. Isti paket pri 50 kilovatih je obremenjen z 1 C, paket s 100 kilovatnimi urami pri 100 kilovatih prav tako z 1 C.

Prav ta številka je tista zares zanimiva, ker obremenitev celice ni odvisna od števila kilovatov, temveč od toka na celico. Velika baterija isto moč porazdeli na več celic; vsaka posamezna dela bolj sproščeno, se manj segreje in se počasneje stara. Zato se velik paket pri enakem številu kilovatov ne polni le dlje, temveč tudi bolj prizanesljivo.

Praktična posledica za primerjavo: vršno moč delite s kapaciteto. Če dobite številko okoli 1, je vozilo zasnovano zmerno. Če dobite številko občutno nad 2, je baterija zasnovana za hitro polnjenje — kar je lahko dobro, a predpostavlja učinkovito hlajenje.

Padanju moči polnjenja z naraščajočim stanjem napolnjenosti se reče taper in ni varčevalni program proizvajalca, temveč kemija. Med polnjenjem litijevi ioni potujejo iz katode v anodo in se tam vgradijo med plasti grafita. Bolj ko je anoda polna, manj je prostih mest blizu površine in dlje ioni potrebujejo, da pridejo v globlje plasti.

Če vanjo kljub temu potiskamo več toka, kot ga anoda lahko sprejme, se litij namesto vgradnje izloči na površini kot kovina. To nalaganje litija (lithium plating) je večinoma nepovratno: material ni več na voljo za shranjevanje energije, kapaciteta trajno upade, v najslabšem primeru pa skozi separator zrastejo dendriti. Sistem za upravljanje baterije to prepreči tako, da zmanjša tok.

K temu se pridruži še električni razlog. Z naraščajočim stanjem napolnjenosti narašča napetost celic. Polnilna elektronika najprej deluje s stalnim tokom, ko pa doseže dovoljeno napetost, preide v fazo s stalno napetostjo, v kateri tok sam od sebe pada. Moč je napetost krat tok — če pade tok, pade moč. Zato je zadnjih dvajset odstotkov vedno najpočasnejših, pri vsaki litij-ionski bateriji in v vsakem vozilu.

Objavljena krivulja polnjenja velja za celice v njihovem delovnem območju. Pod njim in nad njim je videti drugače. Hladne celice imajo visoko notranjo upornost in sprejmejo malo toka, ker bi sicer grozilo prav tisto nalaganje litija, ki ga mora taper preprečiti. Vroče celice se hitreje starajo, zato sistem za upravljanje baterije omejuje tudi navzgor.

Med tema mejama je okno, ki je glede na kemijo celic grobo med dvajset in štirideset stopinj. Vozila z aktivnim tekočinskim hlajenjem celice ohranjajo v njem, tudi če se večkrat zapored hitro polnijo. Vozila zgolj z zračnim hlajenjem tega na vroč dan po drugem postanku za polnjenje ne zmorejo več — moč pade, in sicer ne zaradi stanja napolnjenosti, temveč zaradi temperature.

Zato je predkondicioniranje tako učinkovito. Če polnilnico vnesete v navigacijski sistem, vozilo med vožnjo do nje baterijo ogreje v pravo okno. Vozilo, ki na polnilnico pripelje s celicami pri petih stopinjah, prvo četrt ure porabi za lastno ogrevanje — in ta čas na polnilnici, ki obračunava po času, tudi plačate.

Moč je napetost krat tok. Kdor želi prenesti veliko moči, lahko poveča tok ali napetost. Tok je draga različica: izgube v kablu, vtiču in povezavah med celicami rastejo s kvadratom toka, isto toploto pa je treba nato tudi odvesti. Zato so polnilni kabli za visoke tokove hlajeni s tekočino in kljub temu težki.

Arhitektura vozila s približno 800 namesto približno 400 volti prenese isto moč s polovičnim tokom in s četrtino ohmskih izgub. To je pravi razlog za visoke moči polnjenja nekaterih novejših vozil — ne boljše celice, temveč višja napetostna raven. Stranski učinek: polnilnica mora to napetost tudi zagotoviti, starejše polnilnice pa tega ne zmorejo vedno.

Na drugi strani je polnilnica s svojo omejitvijo toka. Veliko hitrih polnilnic tok omeji pri nekaj sto amperih. Vozilo s 400-voltno arhitekturo je pri tej meji pri določeni moči na robu zmogljivosti, ne glede na to, kaj bi zmogla baterija. Kdor želi vozilo polniti z največjo mogočo močjo, torej potrebuje polnilnico, ki ustreza napetostni ravni — podatek je napisan na polnilnici.

Dve polnilni mesti v enem ohišju si pogosto delita močnostni del. Če tam stoji drugo vozilo, vsako dobi polovico, ali pa ima prednost tisto, ki je bilo priključeno prvo, drugo pa dobi ostanek. Katero pravilo velja, na napravi redko piše; prepoznate ga po tem, da moč upade, takoj ko se zasede sosednje mesto.

Druga točka je omrežni priključek lokacije. Polnilni park z veliko mesti le redko ima dovolj priključne moči, da bi vsa hkrati oskrboval s polno močjo. Nekatere lokacije si pomagajo s stacionarnim hranilnikom energije, mnoge moč preprosto razdelijo. Na polnem počivališču na začetku počitnic krivulja vozila ni tisto, kar šteje.

In nazadnje kabel: nehlajen kabel omeji tok na tisto, kar toplotno prenese. Na istem ohišju lahko zato hlajen kabel da več kot tisti poleg njega. Kdor ima izbiro, vzame debelejšega, krajšega, hlajenega.

Najuporabnejši kazalnik za vsakdan ni vršna moč, temveč energija, ki v določenem času pride v baterijo. Dvajset minut je realen odmor; koliko kilovatnih ur pride v baterijo v teh dvajsetih minutah, odloča o času potovanja. Ta številka zajema vse: vrh, upad moči, temperaturo in napetostno raven.

Pogosto se navaja tudi čas polnjenja z deset na osemdeset odstotkov. Je boljši podatek od vršne moči, a ima pomanjkljivost: nagrajuje majhne baterije. Majhen paket je prej pri osemdesetih odstotkih, a ima tedaj kljub temu manj energije. Kdor primerja dve vozili, zato raje računa v kilovatnih urah na enoto časa ali kar v kilometrih dosega, dodanih na enoto časa.

Iz upada moči sledi pravilo, ki na dolgih poteh prihrani največ časa: dva kratka postanka sta boljša od enega dolgega. Krivulja je v spodnjem območju najstrmejša, zato polnite tam, kjer gre hitro, in nadaljujete vožnjo, preden moč upade. Dvakrat z deset na šestdeset odstotkov traja občutno manj kot enkrat z deset na devetdeset — pri isti količini dodane energije.

Izjema je zadnja etapa. Če po postanku ni več nobene polnilnice, napolnite toliko, kolikor je potrebno, in sprejmete počasne odstotke. Druga izjema je zima: tam vas dodatni postanek stane ponovno ohlajanje baterije, če je odsek vmes kratek.

Kdor želi to načrtovati, ne potrebuje aplikacije, temveč dve številki: grobo krivuljo svojega vozila in porabo pri hitrosti, s katero vozi. Vse drugo izhaja iz tega.

Pri vozilu, ki se večinoma polni doma, je krivulja polnjenja skoraj nepomembna. Pri vozilu, ki redno vozi dolge razdalje, je pomembnejša od dosega. Te točke razjasnite pred testno vožnjo:

Odgovori so redko navedeni v oglasu, a jih je mogoče pridobiti: prve tri iz tehničnega lista za modelno leto, četrtega iz objavljenih meritev, petega iz poročila o bateriji konkretnega vozila.