Co ty wiesz o elektrykach?

Dlaczego akumulator auta elektrycznego jest czymś więcej niż tylko zbiornikiem paliwa?

Straty energii podczas ładowania akumulatora wynoszą od 10 do 15 procent

Porównanie akumulatora do zbiornika benzyny ma uzasadnienie – im większy akumulator, czyli im więcej energii elektrycznej jest w stanie zmagazynować, tym auto elektryczne zajedzie dalej. Dla samochodu benzynowego nie ma jednak znaczenia, czy paliwo pobiera ze zbiornika o pojemności 30 czy 80 litrów, w obydwu wypadkach uzyska swoją moc, np. 100 KM. W aucie elektrycznym jest inaczej. Jego moc systemowa zależy od zestawu składającego się z silnika elektrycznego, sterowniczego modułu elektronicznego i akumulatora. Ten ostatni jest wąskim gardłem, bo limituje osiągi auta. Zasada jest taka, że im większy akumulator, tym więcej energii elektrycznej dostarcza. Dwa razy większy akumulator dostarcza dwa razy więcej prądu. Widać to na przykładzie samochodów elektrycznych, które zależnie od wielkości akumulatora mają (wg danych fabrycznych) różne osiągi, mimo że wyposażono je w takie same jednostki elektryczne.
Silnik spalinowy jest wymiennikiem energii, który energię chemiczną zawartą w benzynie czy oleju napędowym zamienia, poprzez spalanie, w energię cieplną. Spalanie w cylindrze mieszanki paliwowo-powietrznej powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia i temperatury. Dzięki gwałtownemu rozprężaniu się gazów spalinowych tłoki i wał korbowy są wprawiane w ruch. Silnik elektryczny natomiast otrzymuje potrzebną energię z akumulatora i jest to od razu energia elektryczna. To, że nie dochodzi w nim do zamiany rodzaju energii, jest jedną z przyczyn dużo wyższej sprawności aut elektrycznych w porównaniu ze spalinowymi.

Brutto, netto – właściwie ile energii gromadzi akumulator?

Ilość energii magazynowanej w akumulatorze (potocznie mówi się o pojemności akumulatora) określa się w kilowatogodzinach (kWh). Bywa, że dla tego samego akumulatora są podawane różne wartości, np. Mercedes dla modelu EQC podaje 80 kWh, mimo że akumulator pomieści 85 kWh. Pozostałych 5 kWh nie da się jednak zużyć do końca, bo to prowadziłoby do szybszego zużycia „baterii”. Zasięg samochodu elektrycznego zależy więc od tzw. pojemności netto akumulatora, wartość brutto zaś ma raczej znaczenie techniczne. Jak to jednak możliwe, że do akumulatora gromadzącego 80 kWh mieści się 90 kWh? Czy rzeczywista pojemność nie jest jednak większa? Nie, dzieje się tak z powodu strat energii. Gdy prąd płynie w przewodzie elektrycznym, powstaje opór, który sprawia, że energia elektryczna jest zamieniana w ciepło i tracona bezużytecznie. Wielkość strat energii elektrycznej podczas ładowania akumulatora zależy od wielu czynników, najczęściej jest to 10-15 procent.

Materiały prasowe

Dlaczego akumulator auta elektrycznego jest często nazywany baterią?

„Bateria” to rzeczywiście najczęściej spotykane określenie, gdy potocznie mówi się o autach elektrycznych. A przecież tym słowem określa się nośniki energii, które można wykorzystać tylko jednokrotnie i których nie da się powtórnie naładować. Akumulatory to z kolei urządzenia, które można wielokrotnie zasilać energią elektryczną – i to właśnie one są montowane w samochodach elektrycznych. Takiego rozróżnienia nie ma jednak w języku angielskim, stąd międzynarodowe określenie aut elektrycznych skrótem BEV, czyli Battery Electric Vehicle, z którego wzięła się kalka językowa w polszczyźnie. W „auto motor i sport” posługujemy się słowem akumulator, a wyrażenie „bateria” umieszczamy w cudzysłowie, jako ustępstwo na rzecz języka potocznego.

Co można zrobić, żeby w zimie na stacjach szybkiego ładowania w krótkim czasie zasilić akumulator elektryka?

Szybkie ładowarki prądu stałego ładują akumulatory z mocą do 350 kW, co sprawia, że proces ten nie trwa długo. Większość samochodów jest jednak przystosowana do ładowania z mocą od 50 do 200 kW. To, ile energii elektrycznej rzeczywiście zostanie dostarczone do akumulatora, zależy od sterowniczego modułu elektronicznego w samochodzie. Ważnym czynnikiem jest temperatura akumulatora – najlepiej, gdy wynosi od 20 do 35 stopni. Przy niskiej temperaturze procesy elektrochemiczne zachodzące w jego wnętrzu toczą się wolniej. Jony nie są w stanie szybko przemieszczać się w akumulatorze, elektronika zmniejsza więc moc ładowania, żeby nie doszło do jego uszkodzenia. Kierowca, który samochodem zaparkowanym przez noc na dworze podczas mrozu, uda się rankiem na stację szybkiego ładowania, zapewne mocno się zdziwi, gdy zauważy, jak powoli rozpoczyna się cały proces. Lepiej przejechać najpierw kilka kilometrów, żeby akumulator się rozgrzał. W niektórych autach elektrycznych można z wyprzedzeniem przygotować akumulator do ładowania dzięki aktywnemu systemowi, który ogrzewa „baterię” w drodze do stacji zasilania.

Materiały prasowe

Dlaczego dla trwałości akumulatora ma znaczenie to, kiedy się go ładuje?

Na trwałość akumulatora wpływają jego wiek i liczba ładowań/rozładowań. Nawet jeśli samochód elektryczny nie jeździ, jego „bateria” się starzeje, gromadząc coraz mniej energii, przez co zmniejsza się zasięg auta. Szczególnie szkodliwe dla substancji wewnątrz akumulatora jest, gdy stan jego naładowania oscyluje blisko zera lub 100 procent. Jeśli auto nie wyrusza w dalszą podróż, najlepiej gdy stopień naładowania akumulatora (SOC, State of Charge) wynosi między 30 a 70 procent. Dlatego samochodu elektrycznego nie powinno się ładować automatycznie po każdej podróży. Jeśli szykuje się dalszy wyjazd, najkorzystniej dla akumulatora będzie naładować go do 100 procent bezpośrednio przed podróżą. W wielu wypadkach czas rozpoczęcia podróży można zaprogramować w komputerze samochodu tak, by ładowanie rozpoczęło się automatycznie w odpowiednim czasie. Na starzenie się akumulatora ma też wpływ temperatura, upał bardzo mu szkodzi. Najgorsze, co można zrobić „baterii” samochodu elektrycznego, to naładować ją do pełna i zaparkować auto w pełnym słońcu.

Materiały prasowe

Czy w akumulatorach samochodowych występuje tzw. efekt pamięci?

W akumulatorach niklowo-kadmowych (NiCd) i niklowo-metalowo-wodorkowych (NiMH) tzw. efekt pamięci jest dużym problemem. Jeśli energię zgromadzoną w akumulatorze wykorzystuje się tylko częściowo i doładowuje „baterię” do pełna, w końcu „zapomni” ona tę niewykorzystaną ilość i zmniejszy swoją pojemność. Efekt ten jest spowodowany osadzaniem się kryształków na kadmowej katodzie. Jednak akumulatorów tego rodzaju w samochodach elektrycznych już się prawie nie stosuje. W „bateriach” litowo-jonowych, w jakie wyposaża się współczesne pojazdy, ten efekt nie występuje. A więc to, czy się on pojawi, czy nie, zależy od rodzaju substancji chemicznych zastosowanych w akumulatorze.

Fot. Shutterstock.com

Dlaczego ładowanie niektórych aut elektrycznych z wallboxa trwa o wiele dłużej niż wynika z danych fabrycznych?

Wiele ładowarek pokładowych prądu przemiennego w autach elektrycznych przystosowanych do ładowania z mocą 7,4 kW podczas ładowania akumulatora ze standardowego wallboxa o mocy 11 kW tak naprawdę pobiera energię elektryczną z mocą zaledwie 3,7 kW. Czyżby awaria? Nie, przyczyną jest nieprzystosowanie samochodu do korzystania z prądu trójfazowego. Wallboxy przekazują do auta zazwyczaj prąd trójfazowy (czyli dostarczany trzema przewodami). Moc 11 kW jest w nich przekazywana za pośrednictwem trzech przewodów jednofazowych po 3,7 kW każdy. Jeżeli jednak ładowarka w samochodzie jest przystosowana do ładowania tylko prądem jednofazowym, pobiera zaledwie 3,7 kW, wykorzystując jeden przewód fazowy wallboxa. Jeśli chce się wykorzystać jej pełną moc 7,4 kW, potrzebny jest wallbox o mocy ładowania wynoszącej 22 kW, który każdym z trzech przewodów dostarcza 7,4 kW energii. Jednak tak duże obciążenie pojedynczego przewodu może być niebezpieczne, dlatego gdy pozostałe przewody nie są wykorzystywane do ładowania, obciążenie nie powinno być wyższe niż 4,6 kW.

Materiały prasowe

Dlaczego współczynnik oporu powietrza jest w autach elektrycznych jeszcze ważniejszy niż w spalinowych?

Samochody elektryczne potrafią odzyskiwać energię (rekuperacja), dlatego ich masa ma dla zużycia paliwa mniejsze znaczenie niż ma to miejsce w autach spalinowych. Wyższa masa sprawia przecież, że podczas hamowania odzyskuje się większą energię kinetyczną ruchu, która po zamianie w prądnicy w elektryczną jest gromadzona w akumulatorze. Tym większe znaczenie mają za to straty energii wynikające z oporu powietrza. Od mniej więcej 80 km/h jej większość jest wykorzystywana do pokonywania oporu powietrza, który rośnie z kwadratem prędkości. Dlatego samochód elektryczny z nadwoziem optymalnym pod względem aerodynamiki zajedzie na autostradzie dalej niż auto mniej dopracowane pod tym względem. Poza tym elektryki muszą oszczędniej obchodzić się ze swoim paliwem. Energia o wartości 100 kWh (akumulatory, które gromadzą jej tyle, są montowane w niektórych luksusowych samochodach elektrycznych) odpowiada energii zawartej w 10 litrach benzyny. Dzięki większej sprawności silników elektrycznych samochody mimo to uzyskują spory zasięg – o ile mają aerodynamiczny kształt.

Materiały prasowe

Dlaczego niektórych aut z instalacją elektryczną o napięciu 800 woltów nie udaje się naładować dużo szybciej niż tych z instalacją 400-woltową?

Dwa razy wyższe napięcie oznacza dwa razy krótszy czas ładowania – w teorii brzmi to sensownie. Typowa „szybka ładowarka” przy autostradzie dostarcza prąd o natężeniu 500 amperów. Jeśli pomnożyć natężenie (A) przez napięcie (V), otrzymamy moc ładowania. W wypadku instalacji 400-woltowej wyniesie ona maksymalnie 200 kilowatów (400 V x 500 A). W autach z instalacją o napięciu 800 woltów moc ładowania teoretycznie powinna być więc dwa razy większa i wynosić 400 kW. Tyle że większość akumulatorów nie jest w stanie sprostać tak wysokiej mocy. Nawet w pionierskim Porsche Taycanie z instalacją o napięciu 800 woltów moc ładowania ograniczono do 270 kW, a i te 270 kW uzyskuje się tylko w początkowej fazie procesu ładowania. Żeby nie obciążyć za mocno akumulatora, moc ładowania zmniejsza się stopniowo zależnie od poziomu naładowania „baterii”. Dlatego ważniejsze niż teoretyczna wartość maksymalna jest to, jaką moc ładowania udaje się utrzymać przez dłuższy czas, np. poprzez skuteczne chłodzenie akumulatora. Poziom napięcia w pojedynczej celi akumulatora litowo-jonowego i tak wynosi zawsze 3,7 wolta – niezależnie od tego, czy „bateria” jest elementem instalacji 400- czy 800-woltowej. Główną zaletą tej drugiej są raczej mniejsze straty przepływu prądu (mniejszy opór), przez co sprawność 800-woltowej instalacji jest większa i można stosować np. cieńsze przewody ładowania.