Szybkie ładowanie w samochodach elektrycznych: dlaczego maksymalna moc ładowania podawana przez producentów nie opowiada całej historii

Jeszcze niedawno, oceniając samochód elektryczny, zwracano uwagę niemal wyłącznie na zasięg: im więcej kilometrów deklarował, tym lepiej wydawał się przygotowany do podróży. Jednak w rzeczywistości, gdy pokonuje się długie dystanse, równie ważne jak ilość energii, która mieści się w akumulatorze, jest to, jak szybko może się on naładować podczas postoju. I tu do gry wchodzi szybkie ładowanie prądem stałym, które potrafi dodać setki kilometrów zasięgu, podczas gdy my wypijamy kawę lub odpoczywamy kilka minut.

Problem polega na tym, że maksymalna moc ładowania prądem stałym podawana przez producenta, czyli tzw. „szybkie ładowanie”, sama w sobie nie wyjaśnia, jak samochód się ładuje. Model osiągający szczytową moc ładowania 250 kW nie zawsze potrzebuje mniej czasu na naładowanie akumulatora niż inny, ograniczony do 200 kW. Wszystko zależy od tego, jak długo utrzymuje on tę moc, od wielkości akumulatora, jego temperatury, stanu naładowania, z którym zostaje podłączony, oraz od energii, jaką pojazd zużywa na każdy przejechany kilometr.

Dlatego, aby ustalić, który samochód elektryczny lepiej sprawdza się w podróży, trzeba spojrzeć znacznie dalej niż na dużą liczbę widniejącą w karcie technicznej.

Czym dokładnie jest szybkie ładowanie?

Akumulator samochodu elektrycznego magazynuje energię prądu stałego. Gdy ładujemy go w domu lub w punkcie prądu przemiennego, energia musi przejść przez wbudowaną w pojazd ładowarkę pokładową, która zamienia ją na prąd stały, zanim trafi do akumulatora. W szybkiej ładowarce ta konwersja odbywa się poza samochodem. Stacja dostarcza prąd stały bezpośrednio do akumulatora, omijając ograniczenie mocy ładowarki pokładowej.

Dlatego ten sam pojazd może przyjmować na przykład 11 kW prądu przemiennego i 150, 250 lub nawet ponad 300 kW prądu stałego. Warto rozróżnić dwie jednostki, które często są mylone:

• Kilowaty —kW— określają moc, czyli chwilową prędkość ładowania.

Kilowatogodziny —kWh—

• określają energię, czyli ilość, jaką może pomieścić akumulator lub jaka została do niego dostarczona podczas ładowania.
  

Jest to istotne, ponieważ akumulator o użytecznej pojemności 100 kWh nie musi naładować się w ciągu godziny na stacji 100 kW. Takie proste dzielenie działałoby tylko wtedy, gdyby samochód otrzymywał stałe 100 kW od początku do końca, co w praktyce się nie zdarza ze względu na krzywą ładowania i straty w procesie.

Rzeczywisty czas ładowania zależy od początkowego stanu akumulatora, jego pojemności, mocy, jaką pojazd jest w stanie przyjąć, oraz mocy, jaką stacja jest w stanie dostarczyć.

Jaka jest różnica między platformą 400 a 800 woltów?

Większość pierwszych nowoczesnych samochodów elektrycznych wykorzystywała układy o napięciu około 400 woltów. Ta architektura nadal jest powszechna i pozwala osiągać wysokie moce ładowania, dlatego nie należy uważać jej za przestarzałą. Coraz więcej producentów sięga jednak po układy 800-woltowe w swoich modelach o wyższych osiągach.

Moc elektryczna, w uproszczeniu, to iloczyn napięcia i natężenia:

Moc = napięcie × natężenie.

Aby dostarczyć 200 kW przy układzie 400-woltowym, teoretycznie potrzeba około 500 amperów. Przy 800 woltach tę samą moc można uzyskać, używając mniej więcej połowy natężenia.

Zalety? Zmniejszenie natężenia ogranicza straty na rezystancji oraz nagrzewanie się przewodów, złączy i elementów elektronicznych. Pozwala także stosować lżejsze przewody lub zwiększać moc bez gwałtownego wzrostu natężenia. W odpowiednich warunkach architektura 800-woltowa ułatwia osiągnięcie i utrzymanie bardzo wysokich mocy.

Dla przykładu,

smart 5 może osiągnąć 400 kW i przejść z 10 do 80% w 18 minut dzięki swojemu akumulatorowi 100 kWh.
Uwaga jednak: nie oznacza to, że każdy samochód 800-woltowy zawsze ładuje się lepiej niż każdy z technologią 400-woltową.

Posiadanie 800 woltów nie gwarantuje dobrego szybkiego ładowania

Architektura elektryczna to tylko jeden element całości.

Wpływ mają również chemia i konstrukcja ogniw, ich zdolność do przyjmowania prądu, system chłodzenia, oprogramowanie zarządzające akumulatorem oraz moc ładowarki.

Istnieją samochody 400-woltowe o bardzo konkurencyjnych krzywych ładowania oraz pojazdy 800-woltowe, które nie wykorzystują w pełni teoretycznego potencjału tej architektury.

Warto też sprawdzić, co się dzieje, gdy samochód 800-woltowy podłącza się do stacji o niższym napięciu wyjściowym. Niektóre pojazdy wyposażono w przetwornik podwyższający napięcie; inne wykorzystują do tego określone elementy układu napędowego. Dostępna moc w takich warunkach może być niższa niż ta osiągana na ładowarce zgodnej z 800 woltami.

W najnowszych systemach rozwija się także akumulatory zdolne do wewnętrznej zmiany konfiguracji, aby efektywnie ładować się zarówno na stacjach 400, jak i 800 woltów, np. technologia bank charging, którą zadebiutował Audi w

Q6 e-tron

, dzieląca akumulator 800 woltów na dwa częściowe akumulatory o równym napięciu, aby ładować je równolegle bez dodatkowego przetwornika napięcia. Celem jest to, by kierowca mógł korzystać z niejednorodnej sieci bez istotnej utraty wydajności. Napięcie pozwala więc domyślić się potencjału pojazdu, ale nie zastępuje najbardziej przydatnej informacji: ile czasu zajmuje odzyskanie energii w rzeczywistych warunkach. I na to właśnie trzeba zwracać uwagę.

Czym jest krzywa ładowania?
Gdy producent podaje, że samochód ładuje się z mocą 250 kW, informuje o maksymalnej mocy, jaką może osiągnąć w konkretnych warunkach. Nie oznacza to, że otrzymuje 250 kW przez całą sesję. Ten szczyt może utrzymywać się przez kilka minut, pojawić się tylko na chwilę, a nawet nie zostać osiągnięty, jeśli akumulator nie znajduje się w odpowiednim stanie.

Wyobraźmy sobie dwa samochody: pierwszy osiąga 250 kW, ale szybko zmniejsza moc, spadając poniżej 150 kW; drugi ma maksimum 200 kW, lecz utrzymuje się blisko tej wartości przez znacznie większą część procesu. Choć pierwszy deklaruje wyższą moc, drugi mógłby zakończyć ładowanie z 10 do 80% wcześniej. Dlatego znacznie bardziej reprezentatywny jest całkowity czas spędzony w tym przedziale oraz średnia moc ładowania niż maksymalny szczyt.

Krzywa ładowania przedstawia zmianę mocy, jaką akumulator przyjmuje, w miarę wzrostu jego stanu naładowania, czyli SOC

(ang. State of Charge). Zazwyczaj samochód podłączony z niskim poziomem akumulatora zaczyna ładować się z umiarkowaną mocą, osiąga maksimum po ustabilizowaniu temperatury i utrzymuje mniej lub bardziej szeroki obszar wysokiej mocy. Następnie moc stopniowo spada. Dokładny kształt krzywej bardzo się różni między pojazdami. Niektóre mają stabilne plateau, inne schodki, a w niektórych modelach moc maleje niemal nieprzerwanie od początkowego szczytu.

Akumulator może przyjąć więcej energii, gdy jego ogniwa są stosunkowo rozładowane. W miarę zbliżania się do maksymalnego napięcia system musi zmniejszać natężenie, aby kontrolować temperaturę, zapobiegać uszkodzeniom i wyrównywać poziom naładowania poszczególnych ogniw.

W wielu pojazdach najszybsza strefa ładowania znajduje się mniej więcej między 10 a 60%

. Powyżej tego zakresu moc zaczyna spadać, a w okolicach 80% spowolnienie staje się znacznie wyraźniejsze. Dlatego wielu producentów przyjmuje 80% jako punkt odniesienia do wznowienia podróży podczas postoju na ładowanie, ponieważ powyżej tego poziomu proces znacząco traci na szybkości. To wyjaśnia, dlaczego producenci zwykle podają czas ładowania od 10 do 80%, a nie czas potrzebny na naładowanie od 0 do 100%.

Dlaczego samochód nie ładuje się zawsze z maksymalną mocą?

Pojazd i ładowarka stale negocjują napięcie i natężenie, jakie może przyjąć akumulator. Samochód żąda mocy, którą uważa za bezpieczną w danej chwili, a stacja dostarcza maksymalną możliwą w ramach własnych ograniczeń. Do czynników wpływających na ten proces należą:

Stan naładowania:

Akumulator z 10% zwykle może przyjąć znacznie więcej mocy niż ten na poziomie 80 lub 90%. Im bliżej pełnego naładowania, tym wolniej musi przebiegać proces. Przypomina to napełnianie naczynia bez rozlewania: na początku można mocno odkręcić kran, ale gdy jest prawie pełne, trzeba zmniejszyć przepływ.

Temperatura akumulatora:

Akumulatory litowo-jonowe mają zakres temperatur, w którym najlepiej przyjmują szybkie ładowanie. Jeśli są zbyt zimne, rośnie ich rezystancja wewnętrzna, a system ogranicza natężenie, aby uniknąć niekorzystnych zjawisk, takich jak osadzanie się metalicznego litu na anodzie. Jeśli są zbyt gorące, również zmniejsza się moc, by chronić ogniwa i zapobiec przyspieszonej degradacji.
• Przygotowanie termiczne (preconditioning):

Samochody najlepiej przygotowane do podróży potrafią ogrzać lub schłodzić akumulator przed dotarciem do ładowarki. Często wystarczy wybrać szybką stację jako cel w zintegrowanej nawigacji. Pojazd oblicza, kiedy rozpocząć kondycjonowanie, aby w chwili podłączenia osiągnąć optymalną temperaturę. Funkcja ta jest szczególnie ważna zimą. Samochód zdolny do 250 kW może być daleko od tej wartości, jeśli zostanie podłączony po nocy w niskiej temperaturze i nie ma przygotowania termicznego. Nie wszystkie modele aktywują tę funkcję w ten sam sposób. Niektóre robią to automatycznie po wybraniu ładowarki w nawigacji, inne pozwalają uruchomić ją ręcznie, a w niektórych autach nie jest dostępna. Warto to sprawdzić przed zakupem.

• Pojemność i chemia akumulatora:

Duży akumulator może pochłonąć więcej energii w tym samym przedziale procentowym niż mały. Przejście z 10 do 80% w akumulatorze o użytecznej pojemności 100 kWh oznacza wprowadzenie około 70 kWh; w akumulatorze 60 kWh – około 42 kWh. Dlatego samo porównanie czasów nie wystarcza, trzeba uwzględnić pojemność. Dwa samochody mogą potrzebować 20 minut, ale pierwszy dodał znacznie więcej potencjalnych kilometrów. Chemia też ma znaczenie. Akumulatory NMC i LFP różnią się gęstością energii, reakcją termiczną, żywotnością i dopuszczalną mocą. Nie można jednak ogólnie stwierdzić, że jedna chemia zawsze ładuje się lepiej od drugiej: zależy to od konkretnej konstrukcji ogniw i całego systemu.

• Ograniczenia ładowarki:

Stacja 350 kW nie gwarantuje, że samochód otrzyma tę moc. Może ona być ograniczona przez maksymalne napięcie, natężenie dopuszczalne przez kabel lub całkowitą moc dostępną w instalacji. Niektóre stacje dzielą moc między dwa lub więcej złączy. Jeśli podjedzie kolejny pojazd, energia dostępna dla każdego może się zmniejszyć. Ładowarki mają też zabezpieczenia termiczne. W bardzo gorące dni lub po kilku kolejnych sesjach przy dużej mocy stacja może tymczasowo zmniejszyć natężenie, aby uniknąć przegrzania. Oczywiście końcowa prędkość zawsze jest ograniczona przez najsłabszy element: samochód przyjmujący 250 kW naładuje się maksymalnie z 100 kW, jeśli podłączy się do stacji 100 kW.

• 
  Na co zwrócić uwagę przy zakupie elektryka do podróży
• Maksymalna moc ładowania nadal jest istotnym danym, ale należy ją analizować razem z innymi parametrami.

Rzeczywisty czas od 10 do 80%

: To najprostszy punkt odniesienia przy porównywaniu samochodów. Jeszcze lepiej, jeśli pochodzi z niezależnych testów przeprowadzonych w różnych temperaturach, a nie tylko z danych homologacyjnych producenta.

Średnia moc ładowania:

Pozwala ustalić, czy szczyt się utrzymuje, czy jest tylko teoretyczny. Oblicza się ją, dzieląc dodaną energię przez czas. Na przykład jeśli samochód przyjmie 56 kWh w ciągu 20 minut, jego średnia w tym przedziale wyniesie około 168 kW, mimo że w pewnym momencie mógł osiągnąć 250 kW.
• Zasięg odzyskiwany na minutę:

Podczas podróży ta wartość może być bardziej przydatna niż kW. Bardzo wydajny samochód zużywający 17 kWh/100 km lepiej wykorzysta każdą dodaną kilowatogodzinę niż SUV potrzebujący 25 kWh/100 km. Mimo że drugi ładuje się z większą mocą, mógłby odzyskiwać kilometry w podobnym, a nawet niższym tempie.

• Dlatego szybkie ładowanie i efektywność należy analizować razem.
• Rzeczywiste zużycie na autostradzie: Zasięg WLTP łączy różne scenariusze i niekoniecznie odzwierciedla to, co nastąpi przy 120 km/h. Do planowania podróży ważne jest poznanie zasięgu rzeczywistego na autostradzie, zwłaszcza zimą. Samochód może deklarować 600 km WLTP, a mimo to wymagać postoju wcześniej niż inny z 520 km, jeśli jego aerodynamika lub zużycie przy dużych prędkościach są gorsze.
  Obecność przygotowania termicznego: Powinno być automatyczne, łatwe do uruchomienia i zgodne z bazą danych stacji w nawigacji. Przydatne jest także ręczne uruchamianie, ponieważ pozwala przygotować akumulator, gdy planowanie trasy odbywa się w zewnętrznej aplikacji.
• Planer tras: Dobry planer oblicza, gdzie się zatrzymać, z jakim procentem się dojedzie, ile czasu trzeba ładować i z jakim poziomem dotrze się do kolejnego postoju lub celu. Bardziej zaawansowane systemy uwzględniają także moc, dostępność i operatora ładowarek oraz dostosowują trasę, jeśli zużycie zmieni się w trakcie jazdy.
• Wydajność przy kolejnych ładowaniach: W długiej podróży może być konieczne wykonanie kilku szybkich ładowań tego samego dnia. Niewystarczający system termiczny może sprawić, że druga lub trzecia sesja będzie wolniejsza z powodu nagromadzonego nagrzewania akumulatora.
• Kompatybilność z infrastrukturą: Warto też sprawdzić maksymalne napięcie, jakie pojazd akceptuje, zachowanie na ładowarkach 400 woltów, rodzaj złącza oraz to, czy oferuje Plug & Charge, funkcję automatycznie identyfikującą pojazd i obsługującą płatność bez dodatkowych aplikacji i kart.
• Czy warto podjechać do ładowarki z niskim poziomem baterii?

Zazwyczaj tak, ponieważ

• samochód zwykle ładuje się szybciej, gdy przyjeżdża z niskim stanem naładowania, pod warunkiem że akumulator ma odpowiednią temperaturę. Wjechanie na stację z 8 lub 10% pozwala wykorzystać najbardziej wydajną część krzywej. Przyjazd z 35 lub 40% zmniejsza dostępny margines przed osiągnięciem odcinka, w którym moc zaczyna spadać. Postój może być krótszy, ale energii wprowadzi się mniej i prawdopodobnie trzeba będzie znowu się zatrzymać wcześniej.

Oczywiście nie należy zjeżdżać na bardzo niski poziom bez zapasu. Procent przyjazdu powinien być dostosowany do niezawodności stacji, dostępności alternatywnych ładowarek, pogody i doświadczenia kierowcy. Dobrze skonfigurowany planer może pracować z 8 lub 10% marginesem bezpieczeństwa, ale w rejonach o słabej infrastrukturze rozsądnie jest zachować więcej.

Czy lepiej naładować do 100%, czy zrobić dwa krótsze postoje?

W większości podróży szybciej jest wykonać krótkie postoje w korzystnej strefie krzywej niż pozostać podłączonym aż do 100%.

Załóżmy, że samochód bardzo szybko ładuje się od 10 do 70%, po czym zaczyna zmniejszać moc, a powyżej 80% staje się wyjątkowo wolny. Ostatnie 20 punktów procentowych może wymagać prawie tyle samo czasu, co dodanie pierwszych 50 lub 60. W takim przypadku wydajniej jest:

Dojechać z niskim stanem baterii.

Naładować tylko tyle energii, ile potrzeba, by dotrzeć do następnej stacji z zapasem.

Wznowić podróż, gdy moc wyraźnie spadnie.

Powtórzyć operację na kolejnym postoju.

Dwie sesje od 10 do 60 lub 70% mogą pozwolić pokonać ten sam dystans w krótszym czasie niż długie ładowanie do 100%. Ponadto wcześniejsze odłączenie zwalnia ładowarkę dla innego użytkownika i pozwala uniknąć przebywania w przedziale, w którym cena za odzyskany kilometr może być mniej korzystna, jeśli operator stosuje opłatę za czas lub kary za zajmowanie stanowiska.

Kiedy może mieć sens ładowanie do 100%

Nie istnieje uniwersalna zasada. Pełne naładowanie może być rozsądne w określonych okolicznościach:

Przed rozpoczęciem podróży, ładując powoli w domu.

Gdy kolejny odcinek przekracza dostępny zasięg.

Jeśli późniejsza sieć ładowania jest rzadka lub zawodna.

Podczas dłuższego postoju, który i tak by nastąpił.

• Po dotarciu do celu, jeśli samochód będzie wkrótce mało używany.
• Gdy ładowarka oferuje szczególnie korzystną cenę i nikt inny nie czeka.

Kluczowe jest rozróżnienie między osiągnięciem 100% przed wyjazdem a zrobieniem tego w trakcie trasy. W domu nie ma większego znaczenia, że ostatni fragment jest wolny, bo samochód może pozostać podłączony przez kilka godzin. Na ładowarce przy drodze każda dodatkowa minuta się liczy i zwykle nie opłaca się czekać, aż bateria się całkowicie naładuje.

Należy także pamiętać, że

• długotrwałe utrzymywanie akumulatora litowo-jonowego przy bardzo wysokim stanie naładowania może sprzyjać jego degradacji.

Do codziennego użytku wielu producentów zaleca ustawienie limitu w okolicach 80%, a 100% zostawić na podróże lub sytuacje, w których potrzebny jest pełny zasięg. Dokładne skutki zależą od chemii i zarządzania opracowanego przez każdą markę.

Najlepsza strategia to nie ładować więcej, lecz ładować tyle, ile trzeba

W podróży elektrykiem

optymalny postój nie zawsze jest tym, który zostawia akumulator na 80%. Czasem wystarczy dojechać z 55 lub 60%, aby dotrzeć do kolejnej ładowarki, gdzie samochód ponownie wykorzysta szybką strefę swojej krzywej

. Planery zwykle optymalizują właśnie tę równowagę. Dziesięciominutowy postój może wystarczyć, by kontynuować jazdę do lepiej położonej, mocniejszej stacji lub takiej z większą liczbą dostępnych złączy.

Najszybsza strategia zwykle polega na wyjeździe z domu z naładowaną baterią, dotarciu do pierwszej stacji z niskim poziomem i wykonaniu krótkich ładowań, wykorzystując korzystną część krzywej. Ale w grę wchodzi też czynnik ludzki. Rodzina może woleć jeden 30-minutowy postój na obiad niż dwa po 15 minut. Inny kierowca doceni zatrzymanie co dwie godziny, choć samochód mógłby jechać dalej. A ktoś inny będzie wolał stacje z zapleczem, toaletami i gastronomią niż samą najkrótszą łączną długość podróży.

Najlepsze szybkie ładowanie to nie to, które ma najwyższy szczyt mocy, lecz to, które wpisuje się w trasę bez konieczności zmieniania zwykłych przerw.

Pięć kluczowych danych do porównania szybkiego ładowania

Wybierając samochód elektryczny do podróży, warto sprawdzić, w tej kolejności:

Rzeczywiste zużycie na autostradzie i użyteczny zasięg między postojami.

Czas ładowania od 10 do 80% w rzeczywistych warunkach.

Kształt krzywej i średnia moc, a nie tylko szczytowa.
1. 
   

Przygotowanie termiczne i jakość planera tras.

2. 
   

Zachowanie w zimnie, cieple i przy kolejnych szybkich ładowaniach.

3. 
   

Architektura 800 woltów to istotna przewaga techniczna, zwłaszcza w pojazdach z dużymi akumulatorami i bardzo wysokimi mocami. Ale nie czyni ona automatycznie samochodu dobrym pasażerem podróży. Wydajny elektryk z akumulatorem o rozsądnych rozmiarach, stabilną krzywą i dobrze skalibrowanym układem termicznym może być szybszy na drodze niż inny z większym homologowanym zasięgiem i wyższą maksymalną mocą.

4. Wniosek jest prosty: kupując samochód elektryczny, nie należy pytać wyłącznie o to, z jaką mocą ładuje, lecz o to, ile kilometrów pozwala odzyskać w ciągu minut, które jesteśmy gotowi spędzić na postoju

. To właśnie ta liczba ostatecznie robi różnicę, gdy przychodzi czas podróży.