Krzywa ładowania – jak optymalizować proces ładowania samochodu elektrycznego?

Ładowanie baterii czy akumulatora to dla wielu z nas właściwie codzienność. Sprzęty elektryczne są wszechobecne w dzisiejszych realiach a zaopatrzenie ich w potrzebną do pracy energię jest dziecinnie proste – wystarczy podłączyć kabel i pozwolić energii elektrycznej wpłynąć do urządzenia. Nie każdy musi jednak wiedzieć, że ładowanie różnego typu baterii kryje w sobie techniczne aspekty determinujące charakter tego procesu dla konkretnego urządzenia. Charakter ten obrazuje krzywa ładowania, która w przypadku samochodów elektrycznych może nam zdradzać wiele przydatnych informacji wskazujących nam optymalne strategie ładowania naszego pojazdu, które pozwolą nam zaoszczędzić sporo czasu na stacjach ładowania i zachować żywotność baterii.

• Krzywa ładowania wskazuje prędkość ładowania samochodu elektrycznego w zależności od poziomu jego naładowania. 
• Ładowanie przy wysokim poziomie naładowania staje się bardzo powole – lepiej ładować częściej, ale nie do 100%
• Pełne naładowanie może przyspieszać proces degradacji niektórych typów baterii – kiedy nie musimy się tego obawiać?

Proces ładowania od podstaw

Krzywa ładowania to wykres, który ilustruje zależność pomiędzy poziomem naładowania baterii a mocą ładowania, a więc tym samym szybkością całego procesu. Ładowanie wbrew pozorom nie przebiega jednostajnie na przestrzeni 0-100%. Szybkość ładowania zmienia się w zależności od poziomu naładowania baterii za sprawą systemu zarządzania baterią (BMS), który manipuluje mocą ładowania, aby nie uszkodzić akumulatora. Wykorzystywanie pełnej mocy ładowania przy 99% naładowania mogłoby doprowadzić do tego, że w chwili osiągnięcia 100% rozpoczęłoby się intensywne rozładowywanie baterii. Nawet minimalne opóźnienie przerwania ładowania przy wysokiej mocy byłoby wyjątkowo szkodliwe. Z tego powodu proces ładowania samochodu elektrycznego został podzielony na 4 etapy, których celem jest zachowanie odpowiedniej kultury ładowania akumulatora. 

Jeśli założymy, że ładowanie rozpoczynamy od blisko 0% naładowania baterii, to jego pierwszym etapem jest faza początkowa. Etap ten można nazwać rozruchem procesu ładowania, w którym akumulator powoli zwiększa moc ładowania monitorując jednocześnie takie parametry jak temperatura poszczególnych ogniw w swoim wnętrzu. Istnienie tej fazy jest podyktowane bezpieczeństwem ładowania. Rozpoczęcie ładowania od razu od dużej mocy mogłoby powodować uszkodzenie urządzenia kosztem nieznaczne szybszego tempa ładowania w jego pierwszych sekundach lub minutach. Faza początkowa stanowi krótki etap ładowania, który sięga przeważnie do 10% naładowania akumulatora. 

Gdy BMS akumulatora stwierdzi, że możliwym jest bezpieczne zakończenie fazy początkowej, ponieważ temperatura baterii odpowiednio wzrosła, następuje dynamiczny wzrost mocy, który stanowi przejście do fazy stałej mocy. Jest to najbardziej korzystny etap ładowania akumulatora, ponieważ samochód osiąga w jej trakcie moc szczytową, a prędkość ładowania jest największa. Faza stałej mocy może być bardzo różna w przypadku odmiennych modeli samochodów. Na grafice wskazano modelowy przykład krzywej ładowania, który nie pokrywa się jednak z wszystkimi jej odmianami. Czasami faza stałej mocy może być krótsza i nie musi sięgać 60% naładowania, a tylko 40% czy nawet jeszcze mniej. Wszystko zależy od charakterystyki sprzętu danego producenta. Powodem skrócenia tej fazy są straty elektrochemiczne, które występują podczas ładowania akumulatora prądem o wysokiej mocy. Ze względu na te straty BMS szybko przechodzi z fazy stałej mocy do kolejnej, aby zachować dobrą kondycję akumulatora. 

Wspomnianą następną fazą jest faza spadku mocy, czyli etap powolnego obniżania mocy ładowania co jednocześnie spowalnia jego proces. Obniżanie mocy redukuje szansę występowania negatywnych skutków ładowania akumulatora dużą mocą, a do tego zapobiega ryzyku przeładowania baterii. Faza spadku mocy również może posiadać różne długości, co jest oczywiście częściowo uzależnione od czasu trwania fazy stałej mocy. Nie tylko rozpoczęcie tego etapu może być umieszczone w różnych miejscach względem poziomu naładowania, ale jego zakończenie także. Faza spadku mocy zazwyczaj będzie zawierać się w przedziale 80-90% naładowania baterii. 

Ostatnim etapem ładowania samochodu elektrycznego będzie natomiast faza balansowania, czasem nazywana fazą doładowywania. W jej trakcie moc ładowania dalej spada, a system ładowania skupia się na balansowaniu wszystkich ogniw baterii, czyli doprowadzeniu ich do posiadania równego napięcia. Kończy się również zapoczątkowany w fazie spadku mocy etap chłodzenia baterii, który minimalizuje jej degradację. 

Teoria a rzeczywistość

Znajomość teorii stanowi dopiero pierwszy krok do zadbania o baterię w swoim pojeździe. Jak już wcześniej wspomniano, przedstawiona krzywa ładowania to wykres modelowy. Wykresy rzeczywiste potrafią odbiegać nieco kształtem od wzorca, a to właśnie ich znajomość jest najważniejsza. Niestety nie zawsze jest go łatwo zdobyć, ponieważ nie wszyscy producenci samochodów elektrycznych podają te dane, ale jeśli istnieje możliwość uzyskania wglądu w rzeczywistą krzywą ładowania, to warto z niej skorzystać. Aby zrozumieć, dlaczego jest to istotne, najlepiej spojrzeć na rzeczywisty wykres przedstawiający proces ładowania Porsche Taycan GTS, który przybiera formę górki o krótkim piku mocy maksymalnej. 

W przypadku Porsche Taycan okres maksymalnej mocy ładowania wynosił zaledwie 2 minuty, po których nastąpiła faza spadku mocy. Poszczególne etapy nie stanowią także prostych linii, a występują w nich wahania świadczące o tym, że BMS stale dostosowuje się do parametrów baterii, które mogą być zmienne na przestrzeni poszczególnego etapu. Zakładając, że znamy już krzywą ładowania naszego samochodu, w jaki sposób możemy wykorzystać tę wiedzę? 

Optymalne strategie ładowania

Wiemy już, że ładowanie samochodu dużą mocą jest szkodliwe dla jego baterii, ale mimo tego nie powinniśmy się w żaden sposób przejmować tym aspektem, ponieważ całą sprawę załatwia za nas BMS. Nie powinniśmy ograniczać mocy ładowania z poziomu ładowarki, ponieważ system zarządzania ładowaniem sam radzi sobie z doborem odpowiedniej mocy ładowania. Nawet korzystanie z ładowarek o mocy przekraczającej maksymalną moc ładowania naszego samochodu, o ile nie zbyt częste, nie jest problemem właśnie ze względu na BMS. Jeśli zwrócimy uwagę na krzywą ładowania Porsche Taycan to zauważymy, że samochód był ładowany ładowarką o mocy 350 kW, to moc ładowania nigdy nie przekroczyła 270 kW, czyli maksymalnej mocy ładowania tego pojazdu. BMS ograniczył moc aby chronić akumulator przed degradacją i stratą pojemności. 

Mimo działania systemu BMS nie powinniśmy jednak zbyt często stawiać na ładowarki szybkie. Tu pojawia się kwestia naszej strategii ładowania pojazdu, w której musimy rozróżnić ładowanie w użytkowaniu codziennym i ładowanie w trasie. Standardowe użytkowanie samochodu elektrycznego na krótkich i średnich dystansach nie wymaga od nas doładowywania baterii w trakcie jazdy, a możemy to robić na postojach. Nie zależy nam wtedy na czasie ładowania, ponieważ pojazd w swoim czasie i tak osiągnie wystarczający poziom naładowania. Używanie wolniejszych ładowarek wtedy kiedy jest to możliwe jest wskazane przez to, że nadmierne użytkowanie ładowarek szybkich o dużej może przyspieszać degradację naszej baterii. Okazyjne korzystanie z szybkich ładowarek to jak wspominaliśmy nie problem, ale ciągłe ładowanie przy takich stacjach może być już szkodliwe. Dobrą strategią będzie więc używanie szybkich ładowarek w trasie, gdy zależy nam na czasie, a poza tymi sytuacjami warto korzystać z wolniejszych urządzeń. 

Dodatkowo ważnym elementem naszej strategii ładowania w trasie powinna być rezygnacja z rzadkich ładowań samochodu do 100% na rzecz częstszych ładowań do około 80%. Powodem jest oczywiście krzywa ładowania, na której dobrze widać, że prędkość ładowania znacząco spada, gdy zbliżamy się do 100% naładowania. Jeśli jesteśmy w trasie i zależy nam na czasie, to bardziej opłaca się nam zatrzymać częściej, aby załadować samochód dynamicznie i szybko, niż zatrzymywać się rzadko i ładować go długo. Dodatkowym argumentem przemawiającym za tą strategią jest to, że wiele baterii w samochodach elektrycznych nie przepada za pełnym naładowaniem.

Choć może to brzmieć dziwnie, to faktycznie część baterii słabo znosi bardzo wysoki, ale też bardzo niski poziom naładowania. Z tego powodu dobrze jest wiedzieć, jaki typ baterii posiadamy w naszym pojeździe, ponieważ w przypadku jednostek NCM i NCA powinniśmy unikać częstego ładowania pojazdu “do pełna”. Baterie NCM i NCA wykazują się podwyższoną podatnością na degradację przy pełnym naładowaniu, dlatego powinniśmy unikać ładowania do 100%, ale nie całkowicie. Nawet baterie tego typu od czasu do czasu potrzebują pełnego doładowania w celu zbalansowania ogniw. Generalnie jednak optymalny zakres poziomu naładowania to 10-80%. Inaczej będzie z kolei przy bateriach LFP, którym nie przeszkadza pełne naładowanie, o ile nie utrzymujemy go przez długi czas. Dla tych baterii pełny zakres pracy jest jednocześnie zakresem optymalnym, a ważne jest to, aby nie pozostawiać baterii w skrajnych poziomach naładowania przez kilka dni.