В Україні знову прийшла осінь. Природа повільно засинає, все частіше температура вночі падає майже до нуля і, в середньому, тримається нижче 15 градусів. В електромобілістів у цей час теж настає пора змін. Популярні влітку напрямки у бік моря змінюються на поїздки до гір для охочих помилуватися осінніми Карпатами. Великі пробіги змінюються меншими, день стає коротшим. Кількість коментарів у відгуках “Тут я заряджався і приймав 200 кіловат, а тепер 40”, “на станції написано 160 кіловат, а видає 50”, “моя машина може приймати 300, а мені заряджає 80” зростає втричі. Астрологи пророкують значне зростання відгуків на кшталт “у мене машина приймає 50 кіловат у батарею, а зарядило 55, шахраї!”. Що ж все-таки відбувається з електромобілем у холодну пору року?
Використані коментарі за останній час
Історично склалося так, що електромобіль і його батарея схильні до наслідування загальних фізичних принципів і використання алгоритмів, закладених у їх бортові системи інженерами. Різні автовиробники мають різні інженерні підходи до використання і заряджання. Матеріали, що використовуються для будівництва батарей, відрізняються, хімія буває різна, алгоритми її використання теж різні. Відповідно, різних практик у різних моделях EV — сотні.
Як завжди, спробуємо стисло згадати усі фактори, які будь-яким чином впливають на розряджання та заряджання батареї, контурно зведемо їх до декількох пунктів:
1) Сукупність бортових пристроїв електромобіля щодо батареї. Йдеться про черговість використання систем електромобіля, їх “апетит”, наявність або відсутність рекуперації, еко-режимів тощо.
2) Тип батареї, її хімія, форма комірок, оснащеність додатковим термоменеджментом батареї та/або інших бортових пристроїв з менеджменту енергосистеми. Тут все просто. Різні батареї — різна хімія — різні алгоритми зарядки. Давати більше струму на початку заряджання і повністю скидати після 80 відсотків; плавно піднімати/опускати струм десь до середини заряду — залежно від елементів, з яких зроблена батарея; довше тримати однакову потужність на середині заряду тощо. Те саме з архітектурою — 400 чи 800 V. 800-вольтова архітектура дозволяє вдвічі, а в деяких випадках навіть утричі зменшити ампераж, необхідний для зарядки. Необхідність у “шоковому заряді” в 4С–5С відпадає і є можливість “лити” достатньо великий струм протягом довгого періоду часу.
Хімія, що найчастіше використовується в батареях сучасних EV
Як видно з інфографіки вище, жодна з найуживаніших батарей сьогодення не сягає максимальних показників за шкалою “Продуктивність”, що в даному випадку означає не найкращу поведінку в умовах складних температур. Типи батарей майбутнього (як-от LTO, наприклад) покликані вирішити і цю проблему також.
3) Алгоритми, закладені виробником у конкретну модель щодо використання (заряджання і розряджання) батареї. Тут повна terra incognita. Тільки виробники і, частково, досвідчені власники конкретних електромобілів мають розуміння, що відбувається в “мізках” їх сталевих друзів і що на що впливає. Якщо відкинути речі, властиві деяким конкретним моделям, як-от: “не заряджати з відкритими дверима”, “перед зарядкою увімкнути кондиціонер”, “закрити повністю автомобіль і тільки після цього стартувати зарядку” та інші, досить дивні алгоритми (які тим не менш існують і працюють), зі стандартних і загальновідомих можна говорити про чинники, пов’язані з SoH (state of health, стан батареї) і SoC (state of charge, рівень поточного заряду), та температурою батареї і навколишнього середовища.
Для цього графіка взята модель KIA EV6 і графіки заряджання за минулий рік з порівнянням потужності за різних температур батареї
Графік вище, в принципі, показує приблизну залежність температури батареї щодо можливості використання паспортних потужностей електромобіля. Зменшення температури на 5 градусів зменшує “полицю” пікового заряджання за потужністю на 30 кіловат, але й за SoC спроможність автомобіля тримати цю потужність падає на 15 відсотків. Зменшення температури до 15 градусів “ріже” потужність удвічі. Температура батареї порядку 10 градусів (стандартна для осінньо-зимово-весняного періоду) виключає будь-яку можливість досягти половини заявленої паспортної потужності. В принципі, така ситуація спостерігатиметься з усіма автомобілями з надшвидкими зарядками. За все потрібно платити, і струми 5–6С (200–300 kW) допускають вкрай обмежений коридор температур. Для автомобілів зі значно нижчими початково потужностями (і іншим типом хімії та комірок), наприклад, Toyota bZ4X (82 kW) або Volvo EX40 (75 kW), падіння становитиме порядку 20–30 відсотків у середньому — що значно менше за їхніх більш “швидких” візаві.
Базово для графіка взяті дані по Audi e-tron 55 по кривих за літній період і за умови можливого наявного пре-підігріву батареї
Загалом прийнятною температурою для більшості електромобілів буде 25–30 градусів. Tesla любить “погарячіше” — вона гріє свої комірки в деяких випадках до 40. Різні марки використовують різні підходи у своїх авто.
Такі випадки — прям мої улюблені. “Підігріта батарея” на автомобілі без терморегулювання. У народі чомусь ходить думка, що проїхавши 5–10 кілометрів, батарея автомобіля за температури на дворі 7–10 градусів розігрівається “по повній програмі” і готова брати потужність просто ложкою. Повертаючись до початку пункту третього, згадуємо про алгоритми і ту terra incognita, закладену автовиробником у BMS свого авто. Швидкі прискорення і використання гальма з рекуперацією грітимуть батарею. Швидка їзда протягом декількох годин грітиме батарею. Багаття в лісі під машиною теж грітиме батарею. Повільна або стабільна їзда трасою 70 км/год на двадцять кілометрів — гріти батарею не буде. Особливо якщо ми говоримо про зимовий період і температури, значно менш комфортні за 10 градусів мінімуму.
Говорити про розігріту батарею можемо тільки у тому випадку, якщо:
- Є OBD або штатний датчик, який показує температуру цієї батареї
- Машина дійсно довго використовувалась у навантажливих режимах для цієї моделі
- Ви дійсно гріли машину якимись сторонніми обігрівачами знизу, що, м’яко кажучи, не рекомендується
У випадках, якщо датчика немає і станція не вміє або не віддає температуру батареї авто, ми — зі сторони операторів і власників ЗС, та власники EV — у спробах зрозуміти поточну температуру батареї “сидимо разом у темній кімнаті в пошуках чорної кішки, якої там немає”. В усіх випадках, коли ви щойно сіли в автомобіль, машина стояла декілька годин, батарея буде чи зовсім холодною, чи (за умови наявності її підігріву і можливості його попередньо увімкнути — у деяких моделях підігрів вмикається, коли власник прокладає маршрут до офіційної зарядної станції, інформація про яку є в картах машини) — за 10 хвилин батареї вдасться відійти від критично низьких для неї температур, що, звісно, підніме криву заряджання, але десь до третини максимальної потужності.
4) Але годі виправдовувати непрофесійність, час все ж таки зрозуміти, хто “підставив Кролика Роджера” або яку ж роль у житті електромобіля відіграє зарядна станція і куди ж підступні оператори щоосені “ховають” цю потужність.
Зв’язок автомобіля з зарядною станцією трохи різниться залежно від типу і протоколу конекторів (CCS, GBT тощо), але загалом принцип (за умови, що зарядна станція відповідає нормі протоколу заряджання) завжди один. Спробуємо на базі графіка CharIN видати щось на кшталт сильно спрощеної блок-схеми комунікації авто під час старту і заряджання і, сподіваюсь, колеги з цієї сфери пробачать нас і не сильно закидатимуть камінням.
Загалом у документації не існує поняття “зарядна станція”. З точки зору правильності формулювання — це EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment, обладнання постачання електрики електромобілю). “Серце” станції — SECC (Supply Equipment Charge Controller), контролер спілкування з електромобілем.
Схема зроблена на базі офіційної документації CharIN (розробники стандартів CCS/MCS)
Перші дві колонки на малюнку вище — процес, який проходить кожна зарядна сесія від моменту підключення автомобіля до станції і до, в даному випадку, фактичного заряджання. Останнім повідомленням — “Вимогою по поточному струму” — і “відповіддю” на неї автомобіль зі станцією обмінюються безперервно протягом усього процесу подачі струму до електромобіля. Якщо подивитися на останні дві колонки, там можна побачити майже повний перелік того, що містить це повідомлення. Зовсім спрощуючи: електромобіль ВИМАГАЄ конкретні значення вольтажу, амперажу та потужності, станція дає знати, чи може вона виконати ці вимоги, і надає усю свою потужність, або просить автомобіль зменшити вимогу до того рівня, який станція здатна виконати. Наприклад, умовний Porsche Taycan вимагатиме від 50-кіловатної станції звичні для себе 800 вольт і 400 ампер. Станція дасть йому зрозуміти, що не може виконати цю вимогу: у неї є тільки 400 вольт і 125 ампер. Якщо автомобіль зменшить свою вимогу і ПОГОДИТЬСЯ на те, що станція пропонує, процес заряджання відбудеться. Але при цьому автомобіль постійно нагадуватиме, що йому потрібно більше.
Десь після другої зими команда, сива від відгуків “свідків потужності”, додала в застосунок графіки, за якими будь-який користувач (за умови, що сесія тривала більше 10 хвилин) може подивитися в застосунку графік власного заряджання і перевірити, чи дійсно станція видавала заявлену потужність, чи, можливо, мало місце ділення або перегрів конектора.
До речі, ділення і перегрів конектора — це два реальні фактори, у яких станція дійсно може обмежити потужність заряджання саме зі свого боку, але в такому разі ви бачитимете криву пропозиції і споживання як об`єднані в одну.
Це ті два випадки, у яких обмеження дійсно може відбуватися від станції. При діленні частина потужності “забирається”, і станція в зміненій відповіді на запит поточного струму повідомляє, що її максимальна потужність тепер така. У випадку з нагріванням кабелю — усе просто. Хтось із “прекрасних” людей з “офіційними і найкращими перехідниками прямо від Ілона Маска” завітав на цю станцію перед вами та підпалив контакти кабелю станції, що призвело до перегріву. Якщо в цей момент ви на цій станції заряджаєтесь із перехідником… Що ж, можливо, ви навіть особисто знайомі з цією “прекрасною” людиною.
Останній варіант, який трапляється дуже рідко (окремо моніториться, але іноді виникає) — на станції “спалило” силовий модуль. Перепади напруги в мережі України після обстрілів “мишебратів” бувають абсолютно жахливі, тож техніка іноді такого просто не витримує. У такому випадку крива пропозиції буде десь на 40 кіловат менша заявленої (на 160 буде 120, на 240 — 200 тощо), і, в такому разі, ваш коментар буде дуже доречним для швидкого усунення проблеми.
Ми свідомо залишаємо поза кадром ті варіанти, коли власник автомобіля не знає, що його автомобіль може брати тільки певну потужність. Тобто якщо власник умовного “Гольфа” на станції на 240 кіловат напише “не видає потужність” — це не велике зло. Апріорі неможливо знати всього і, зазвичай, такі випадки просто вирішуються дзвінком техпідтримки до користувача — і проблема усувається сама собою. Коментарі, правда, лишаються і живуть там, на локації, довго, збиваючи з пантелику, але це вже трохи інше.
Щодо ситуацій типу “у мене тут батарея 50 кіловат, а у вас написано, що зарядило 55” — там два сценарії. Перший існує завжди — це користувачі на AC-станціях. AC-струм такими станціями видається автомобілю у вигляді, як не дивно, AC, і вже самостійно переробляється інвертором автомобіля в DC-струм, який зберігається в батареї. ККД бортових пристроїв варіюється залежно від виробника і моделі, та й під тиском зовнішніх і внутрішніх факторів втрати завжди сягають більше 10 відсотків. Це в ідеальному варіанті. У гіршому може бути і більше 25. Відповідно, з 55 кіловат за середньої втрати в 15–17 відсотків у батарею потрапить порядку 46–47.
Другий варіант — якраз наш, рідний; кількість таких коментарів теж збільшується переважно в холодну пору року, але частково бувають і влітку. У випадку з DC-зарядками усі втрати лишаються на стороні власника станції. Єдиними втратами в цьому випадку будуть теплові втрати на пінах — зазвичай це 3–6 відсотків. Такі коментарі пишуть зазвичай власники авто, в яких спожитий струм під час зарядної сесії записується в кВт·год замість кілометрів пробігу, поділок, “черепашок” тощо. Власне, у цей лічильник автомобіль записує обсяг, який він “поклав” у батарею. Кожен автомобіль із термоменеджментом з моменту підключення до станції використовує можливості будь-якого обігріву своєї батареї, щоб якомога швидше вийти на паспортний “тунель” за температурою і почати брати повну потужність, мінімізуючи шкоду коміркам батареї. Відповідно, цю енергію він бере від зарядної станції напряму, “обминаючи” батарею. Тож загальна картина виглядатиме так: енергія, заряджена у батарею + термоменеджмент (4–7 кіловат на годину зазвичай, залежно від моделі та розміру батареї) + власне споживання автомобіля (підігрів салону, освітлення, клімат, музика тощо).
Загальний порядок використання енергії машиною під час заряджання за несприятливих температур
Наостанок, для завершення можна додати тільки декілька речей. Відомі ситуації, коли деякі ділки ставили 150-кіловатні станції на заправках із підведеною потужністю в 50 кіловат. Відомі виробники “лудших” у світі чарджерів з України і Піднебесної, які з незрозумілих причин не видавали задану потужність, перегрівалися, завдавали шкоди і просто псували репутаційно хороші локації. Напевно, для використання всього цього потрібен якийсь специфічний склад розуму — не знаю. Ні власнику локації, ні оператору не вигідно у перспективі писати потужність більшу, ніж існуюча. Якщо на станції написано 160 кіловат — вона може видавати ці 160 кіловат. І за підведеною потужністю. І за модулями, і за іншим устаткуванням. На 240-кіловатній станції по модулях і 150 кіловатах підведеної потужності буде написано “150”. На 160-кіловатній з підведеними 130-ма кіловатами — “130”. Дозволяє спати з чистою совістю і зберігає зуби краще, ніж Colgate :) Головне — щоб поменше нервів. Посміхайтесь, ставте резервування на трохи більший, ніж звичний, час і заряджайтесь. Не тримайте автомобіль розрядженим — форс-мажорів з енергетикою цієї зими, судячи з усього, буде багато. Але ми постараємось усіх зарядити та обігріти.
Про автора
Денис Грінус — спеціаліст з інтеграції зарядної інфраструктури та зовнішніх систем GO TO-U. Має практичний досвід у тестуванні програмного забезпечення, зокрема у сфері електромобільності. Працює над забезпеченням сумісності зарядних станцій з платформою GO TO-U, бере участь у тестуванні функціоналу та впровадженні нових технічних рішень.