Od czego zależy szybkość ładowania samochodu elektrycznego i czym różni się AC od DC?

Samochód samochodowi nierówny. Szczególnie samochód elektryczny. Jeden potrafi naładować się w 32 minuty, drugi w 1,5 godziny, a jeszcze inny potrzebuje na to aż 6 godzin. Decyduje o tym nie tylko natężenie prądu, ale również inne czynniki, w tym ładowarka, którą zamontowano na pokładzie auta. Od czego zależy szybkość ładowania samochodu elektrycznego i czym różni się AC od DC?

Dla kierowcy większa moc ładowania oznacza krótszy czas spędzony przy słupku. Tyle tylko, że rzeczywista szybkość ładowania jest zależna zarówno od możliwości samochodu, jak i samej ładowarki, a dokładniej prądu, jaki jest w stanie ona podać. W domu, w gniazdkach mamy prąd zmienny (AC), w słupkach szybkiego ładowania dostępny jest prąd stały (DC) i właśnie ten drugi ma większe natężenie. A to znacznie skraca czas ładowania samochodu.

Przykładowo, jeśli dysponujesz autem, zdolnym przyjąć prąd o mocy 200 kW, ale podłączasz go do ładowarki 50 kW, będzie się on ładował się z mocą podpiętego słupka.

Szybkość ładowania jest zależna zarówno od architektury samego samochodu, jak i mocy ładowarki.

I na odwrót. Gdy podłączysz auto, zdolne przyjąć prąd z mocą 100 kW do ładowarki 350 kW, wcale to nie przyspieszy czasu ładowania. Tutaj maksymalna moc wyniesie 100 kW. Oba te elementy muszą do siebie pasować. Dopiero wtedy można się cieszyć naprawdę krótkim ładowaniem.

Moc ładowania: kilowaty i kilowatogodziny

Głównymi jednostkami, wykorzystywanymi przy ładowaniu są kW i kWh. Pierwsze określają moc ładowania, natomiast drugie – ilość energii, jaką może otrzymać bateria. Im większy akumulator, tym więcej potrzebuje czasu, aby został w pełni naładowany.

Jak to działa? Weźmy auto z malutkim akumulatorem (np. hybrydę plug-in) o pojemności 10 kWh. Jeśli zostanie on podłączony do ładowarki o mocy 1 kWh, teoretycznie będzie on w pełni naładowany w czasie 10 godzin. Z kolei przy mocy ładowania 5 kWh, bateria powinna zostać „nabita” do pełna w czasie o połowę krótszym.

Nie jest to jednak takie proste. Szczególnie przy ładowaniu z użyciem prądu stałego (DC). Dlaczego? Im w baterii pozostaje mniej prądu, tym łatwiej się ona napełnia. Im więcej – tym trudniej, stąd moc ładowania zwalnia. Dzieje się tak szczególnie powyżej 80%, co ma na celu również ochronę akumulatora przed nadmierną degradacją (TUTAJ przeczytasz, dlaczego ładowanie zwalnia).

Na podstawowym poziomie prędkości ładowanie można podzielić na dwa obozy: wolniejsze ładowanie w domu, oparte na prądzie zmiennym (AC) i szybkie ładowanie prądem stałym (DC), dostępne przede wszystkim w publicznych stacjach ładowania, jak Superchargery Tesli, Ionity czy wspomniany GreenWay.

Ładowanie prądem stałym (DC) to najszybszy rodzaj ładowania, dostępny w świecie pojazdów elektrycznych i osiągający moc do 350 kW. Jednak nie wszystkie szybkie ładowarki DC są takie same.

Ładowarki Ionity oferują moc do 350 kW.

Przykładowo Ionity oferuje ładowarki z mocą sięgającą 350 kW, na stacjach Orlen naładujesz auto z mocą do 100 kW, natomiast w sieci GreenWay zdarzają się takie, które „nabijają” do 150 kW. Z kolei w przypadku Superchargerów Tesli – obecnie największej sieci ładowarek na świecie – słupki zawsze mają moc 250 kW.

Według Amerykanów pozwalają one na uzupełnienie zasięgu o 320 km w czasie zaledwie 15 minut.

Domowe metody

W domowych warunkach używa się wallboxów na prąd zmienny (AC). Dostarczają one do samochodu prąd z maksymalną mocą 22 kW. Ładowarka zamontowana jest bowiem w samym pojeździe. Po drodze następuje zamiana prądu zmiennego na prąd stały (DC) – tylko taki „przyjmuje” akumulator.

Najmocniejsze wallboxy oferują moc ładowania sięgającą 22 kW.

Zaletą wallboxów (AC) o małej mocy jest ich kompaktowy rozmiar oraz fakt, że uzupełnianie poziomu baterii za ich pomocą powoduje tylko minimalną degradację baterii. Wada to czas ładowania. Przy 11 kW należy przyjąć, że przeciętna bateria o pojemności 60 kWh zostanie „nabita” w około 6 godzin.

To jednak wystarczający czas, aby rano wsiąść do samochodu z pełną baterią.

Dlaczego pojazdy elektryczne ładują się szybciej na stacjach ładowania DC?

Stacje prądu stałego (DC) są w stanie dostarczyć nawet 350 kW, dzięki trójfazowemu połączeniu z siecią energetyczną o napięciu do 800 woltów. Ładowanie prądem stałym uzyskuje absurdalne prędkości, ponieważ słupek łączy się bezpośrednio z akumulatorem, omijając wewnętrzną ładowarkę pojazdu w celu zamiany prądu zmiennego na stały.

Dostarczanie prądu stałego bezpośrednio do akumulatora oznacza, że ładowarka pokładowa nie generuje ciepła, a prędkość ładowania nie podlega jej ograniczeniom.

Na stacjach DC prąd bezpośrednio trafia do akumulatora, a nie musi zostać wcześniej przekonwertowany z AC na DC.

Szybkie ładowanie prądem stałym nie jest jednak pozbawione wad. Największa to degradację baterii. Typ ładowarki to jednak tylko jeden z aspektów posiadania pojazdu elektrycznego. Stosowanie odpowiednich nawyków to tak naprawdę jedyna droga do utrzymania dobrej kondycji baterii i optymalizacji zasięgu (TUTAJ przeczytasz o tym, jak wydłużyć żywotność baterii).

Architektura 400- czy 800-woltowa?

Obecnie większość producentów w swoich elektrykach wykorzystuje architekturę 400-woltową. Skąd to się wzięło? Choćby z faktu, że pierwsze masowo produkowany hybrydy korzystały właśnie z takiego rozwiązania – dotyczyło to ich silników i akumulatorów – więc naturalną koleją rzeczy auta na prąd również przejęły takie napięcie.

Ale przejście na 800V oznacza przede wszystkim duży skok w wydajności. Wysokie napięcie pozwala bowiem na dostarczanie tej samej ilości energii przy niższym natężeniu prądu. Co to oznacza? Mniejsze straty ciepła w systemie zasilania.

Pozwala to również na zastosowanie cieńszych przewodów oraz mniejszej ilości miedzi w silnikach elektrycznych. Płynie z tego kolejna korzyść, polegająca na zmniejszeniu masy własnej całego układu, ale nie tylko (TUTAJ przeczytasz o recyklingu akumulatorów do aut na prąd).

Przyszła elektryczna architektura Volvo ma wykorzystywać napięcie 800V.

Tutaj dochodzimy do sedna. Architektura 800-woltowa umożliwia również ładowanie z większą mocą. Z czego to wynika? Ponieważ niższy prąd zmniejsza przegrzewanie się przewodów ładujących i związanych z nim komponentów. Trzeba bowiem pamiętać, że wraz z rosnącym ciepłem zwiększa się strata mocy.

O ile samochody zaopatrzone w architekturę 400-woltową są w stanie przyjmować prąd DC z mocą sięgającą 125-150 kW, dodanie kolejnych 400V pozwala na wyraźne jej zwiększenie. Przykłady? Porsche Taycan może być ładowany z mocą dochodzącą do 270 kW, Lucid Air przyjmie 350 kW (architektura ponad 900V), czyli podobnie jak Hyundai Ioniq 5 (również 350 kW).

Ale to nie wszystko – architektura 800-woltowa zwiększa również efektywność odzyskiwania energii z hamowania. Dlatego też więcej utraconej energii wraca z powrotem do akumulatora, zamiast iść w… gwizdek.

Moc ładowania: już nie tylko Porsche

Pierwszym samochodem z architekturą 800-woltową było Porsche Taycan. Później dołączyły do niego m.in. Audi e-tron GT (zbudowane na tej samej platformie), Lucid Air, Hyundai Ioniq 5 i 6 oraz Kia EV6. Przykładowo koreańskie modele po podłączeniu do odpowiedniej ładowarki (350 kW) mogą w ciągu 5 minut dodać 108 km zasięgu.

Lucid Air ma architekturę ponad 900V.

Mimo że jedną z barier tempa adopcji systemów 800-woltowych są same stacje ładowania (głównie 400-woltowe), z pewnością będzie ona coraz bardziej powszechna. Przyjmą ją wkrótce nie tylko Rivian i General Motors, ale także Volvo oraz produkty koncernu Stellantis. Korzystają z niej również chińskie tygrysy, jak Xpeng, Nio, Li Auto oraz BYD.

Zresztą tempo przyjmowania architektury 800-woltowej ma zacząć szybko rosnąć. W 2025 roku większość pojazdów wchodzących na rynek będzie korzystać właśnie z tej technologii. Do końca dekady architektury o wyższym napięciu z pewnością zdominują rynek.

Architektura pojazdu elektrycznego: komponenty

Typowa architektura elektrycznego pojazdu składa się z 5 podstawowych komponentów. Są to:

• silnik elektryczny – dostarcza niutonometry do kół pojazdu, wykorzystując pole elektromagnetyczne oraz energię z akumulatora. Jest on kontrolowany przez zmianę przepływu prądu, a jego sprawność wynosi 90%, dzięki czemu wystarczy mu jedno przełożenie do jazdy w przód
• akumulator – odpowiada za magazynowanie energii, a więc jest w stanie zarówno przyjmować prąd, jak i dostarczać go do silnika
• falownik – zapewnia konwersję pomiędzy prądem DC i AC oraz sterowanie momentem obrotowym silnika
• konwerter DC/DC – służy do konwersji napięcia z akumulatora na 12 woltów, dzięki czemu może zasilać wycieraczki, klimatyzację czy system multimedialny
• ładowarka pokładowa – spełnia trzy funkcje, czyli zamienia prąd zmienny na stały. Kontroluje prąd płynący do akumulatora poprzez sterowanie napięciem wyjściowym DC oraz „komunikuje się” z pojazdem i „sprzętem” poza nim