Producenci reklamują często samochody elektryczne mówiąc o czasie ładowania „do 80% baterii”. Dlaczego właśnie do 80 procent, a nie do 60, 90 albo 100 procent? Dlaczego szybkie ładowanie przeprowadza się do 80 procent, skoro z punktu widzenia użytkownika najlepsza bateria to pełna bateria? Przyjrzyjmy się tematowi i wytłumaczmy to krok po kroku.
Baterie w samochodzie elektrycznym – dlaczego do 80 procent? [na szybkiej stacji ładowania]
Spis treści
Aby zrozumieć, dlaczego ładujemy się do 80 procent, musimy zacząć od budowy baterii. Podstawową cegiełką, z której składają się baterie samochodu elektrycznego, jest ogniwo. Ogniwo może pełnić rolę baterii, jest tak na przykład w przypadku baterii do zegarków albo urządzeń zasilanych jedną baterią-paluszkiem. Jednak baterie samochodowe buduje się ze zbioru ogniw, od kilkudziesięciu do kilku tysięcy, w zależności od wyboru producenta.
Na górze po lewej: pojedyncze woreczkowe (ang. pouch) ogniwo baterii. Ogniwa łączy się w moduły ze względów technologiczno-konstrukcyjnych (na górze po prawej), a z modułów składa się całą baterię (na dole)
Dlatego baterie samochodowe buduje się ze zbiorów ogniw? Otóż każde ogniwo jest w stanie wygenerować jakieś napięcie, różnicę potencjałów między elektrodami. Dla paluszka jest to 1,5 wolta. Dla ogniw stosowanych w samochodach zwykle są to 4 wolty (choć Tesla stosuje właśnie ogniwa cylindryczne – patrz: Dlaczego Tesla wybiera ogniwa cylindryczne, skoro inni producenci wolą bardziej płaskie ogniwa?).
Załóżmy teraz, że producent samochodu potrzebuje baterii dającej napięcie 400 woltów (400 V). Musi zatem skorzystać ze 100 połączonych ogniw, z których każde daje napięcie 4 woltów (4 V).
Zrozumiałe? Jeśli tak, pierwszy krok mamy za sobą. Drugim będzie zrozumienie, co tak naprawdę oznacza „80% baterii”, a w trzecim przejdziemy do meritum.
Co oznaczają procenty naładowania na wyświetlaczu? *)
Mamy zatem w samochodzie baterię, która jest naładowana do pełna i daje napięcie 400 woltów. Co się dzieje, gdy zaczniemy z niej korzystać? Otóż w miarę rozładowywania, napięcie na ogniwach baterii zaczyna spadać. Może przebiegać to na przykład w taki sposób:
- 400 V = samochód wyświetla 100% baterii,
- 380 V = samochód wyświetla 80% baterii,
- 350 V = samochód wyświetla 50% baterii,
- 320 V = samochód wyświetla 20% baterii i zaczyna ostrzegać kierowcę o konieczności ładowania,
- 300 V = samochód wyświetla 0% baterii i znacząco ogranicza możliwości jazdy.
Widzimy, że nawet przy „rozładowanej baterii”, napięcie na elektrodach ciągle wynosi 300 woltów, więc nadal powinno całkiem nieźle poruszać silnikiem elektrycznym. Dlaczego więc samochód odmawia dalszej [szybkiej] jazdy? W grę wchodzi chemia ogniw. Otóż około 2,5 wolta dla ogniwa/250 woltów dla naszej baterii jest wartością graniczną**), poniżej której dochodzi do nieodwracalnego uszkodzenia ogniw. Dlatego elektronika samochodu dopuszcza pracę w przedziale 300-400 woltów.
*) wywód dotyczy zarówno samochodów elektrycznych, jak też laptopów czy smartfonów, ale tam, oczywiście, napięcia będą inne
**) dla różnych ogniw i samochodów elektrycznych wartości napięć mogą być inne:
> Pojemność baterii całkowita a użyteczna – o co w tym chodzi? [ODPOWIADAMY]
A co to ma wspólnego z ładowaniem do 80%?
Ma – i to bardzo dużo. Załóżmy, że naładowaliśmy baterię do 80 procent, czyli napięcie na jej elektrodach wynosi 380 woltów. Pamiętajmy, że mówimy o napięciu podczas rozładowywania (pracy) baterii.
Nieco inaczej wygląda to w procesie ładowania: stacja ładowania tak dobiera napięcie, żeby nie przekroczyło ono 4,1-4,2 wolta na elektrodach ogniw. Dla naszej baterii z setką ogniw będzie to 410-420 woltów. Powyżej około 4,3 wolta na 1 ogniwo mogłoby doprowadzić do eksplozji ogniw.
Idźmy dalej: żeby nie uszkodzić ogniw, baterie litowo-jonowe ładuje się w trybie stałe natężenie -> stałe napięcie [constant current -> constant voltage]. Czyli na początku mierzone w amperach natężenie prądu jest stałe, a rośnie napięcie, właśnie do tych wspomnianych 4,1-4,2 wolta na 1 ogniwo.
Na poziomie 80 procent naładowania baterii w ogniwach zostało już niewiele wolnych jonów litu, które mogłyby się jeszcze związać z elektronami (= natężenie prądu), czyli zgromadzić w baterii ładunek. Te 80 procent jest wartością graniczną.
Jeśli strumień jonów jest niewielki, to rośnie wewnętrzny opór ogniwa. Gdy rośnie opór ogniwa, to zaczyna się ono rozgrzewać. A kiedy ogniwo zaczyna się rozgrzewać, to pojawiają się procesy degradujące ogniwo, w tym rośnie ryzyko wzrostu litowych dendrytów, które mogą doprowadzić do spięcia między elektrodami i uszkodzenia ogniwa.
Kiełkujące dendryty litu między elektrodami baterii. Jeśli dojdzie do złączenia elektrod takim dendrytem, albo pojawi się krótkie spięcie i most ulegnie destrukcji, albo też most zamknie obwód i ogniwo będzie nadawało się do wyrzucenia
Dlatego od 80 procent naładowania stacja przestaje modyfikować napięcie (pozostaje ono na poziomie 4,1-4,2 wolta na każde z ogniw), a zaczyna zmniejszać natężenie, czyli liczbę elektronów trafiających do ogniw baterii.
Obniżone natężenie to wolniejsze ładowanie. Efekt? Do 80 procent bateria ładuje się bardzo szybko, od tego progu spowalnia, a powyżej 90 procent zwolni znacząco. Wszystko po to, żeby nie uszkodzić ogniw baterii.
Właśnie dlatego producenci podają czas ładowania do 80 procent, ponieważ pozostałe 20 procent może trwać drugie tyle.
Przepływ elektronów, czyli dwa słowa o ładowaniu
A jak przebiega ładowanie baterii? Mówiąc najbardziej obrazowo: kiedy przykładamy napięcie do elektrod baterii litowo-jonowej (żeby ją naładować), dodatnio naładowane – czyli pozbawione elektronu walencyjnego – jony litu wędrują przez elektrolit z elektrody dodatniej (wykonanej z użyciem niklu-kobaltu-manganu, NCM) do ujemnej, najczęściej wykonanej z porowatego grafitu.
Na elektrodzie ujemnej metal (lit) osadza się i przechwytuje elektron. Dopóki elektrony nie mają gdzie uciec, metal znajduje się na elektrodzie. Gdy w obwodzie pojawi się odbiornik prądu, metal oddaje elektron, a jon litu wędruje z powrotem do macierzystej elektrody.
Więcej o procesach degradacji ogniw można również poczytać tutaj:
Warto poczytać także: Here’s Why Automakers Don’t Advertise How Long It Takes To Fully Charge An Electric Car