Όσοι έχουν οδηγήσει ηλεκτρικό θα έχουν παρατηρήσει ότι μετά από ένα ποσοστό της μπαταρίας δεν είναι το ίδιο ισχυρό. Γιατί συμβαίνει αυτό και τι ισχύει στα υβριδικά;
Ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο δεν αποδίδει απαραίτητα την ίδια ισχύ με 90% και με 10% μπαταρία. Το ίδιο μπορεί να συμβεί σε PHEV και, ακόμη πιο έντονα σε ορισμένα full hybrid, έπειτα από παρατεταμένη απαίτηση μέγιστης ισχύος. Η εξήγηση είναι σχετικά απλή: άλλο η μέγιστη ισχύς που μπορεί να δώσει στιγμιαία ένα εξηλεκτρισμένο σύστημα και άλλο η ισχύς που μπορεί να διατηρήσει συνεχώς.
Για δεκαετίες, όταν λέγαμε ότι ένα αυτοκίνητο έχει 200 ή 300 ίππους, το νούμερο αυτό ήταν σχετικά απλό. Εφόσον ο κινητήρας βρισκόταν στις σωστές στροφές και στις κατάλληλες συνθήκες λειτουργίας, η διαθέσιμη μέγιστη ισχύς δεν εξαρτιόταν από το αν το ρεζερβουάρ ήταν γεμάτο ή σχεδόν άδειο. Είτε είχε μέσα 50 λίτρα καυσίμου είτε μόλις 5 λίτρα, ο κινητήρας εξακολουθούσε να αποδίδει την ίδια ισχύ.
Στα εξηλεκτρισμένα αυτοκίνητα όμως τα πράγματα είναι διαφορετικά.
Η μπαταρία δεν είναι απλώς το αντίστοιχο ενός ρεζερβουάρ. Δεν αποθηκεύει μόνο την ενέργεια, αλλά πρέπει και να μπορεί να την παραδώσει με τον απαιτούμενο ρυθμό στον ηλεκτροκινητήρα. Και όσο μειώνεται το State of Charge, δηλαδή το ποσοστό φόρτισης, η μέγιστη ισχύς που μπορεί να παραδώσει με ασφάλεια η μπαταρία μπορεί επίσης να μειωθεί. Ο λόγος είναι ότι όσο αδειάζει η μπαταρία μεταβάλλεται και η τάση της, ενώ όταν ζητάμε απότομα πολύ μεγάλη ισχύ -όπως συμβαίνει με τέρμα γκάζι- η τάση πέφτει επιπλέον όσο η μπαταρία βρίσκεται υπό μεγάλο φορτίο. Για να διατηρηθεί η ίδια ισχύς θα έπρεπε τότε το σύστημα να τραβήξει ακόμη περισσότερο ρεύμα. Αυτό όμως έχει όρια: αυξάνει τις απώλειες και τη θερμοκρασία και μπορεί να οδηγήσει τις κυψέλες έξω από το ασφαλές παράθυρο λειτουργίας τους.
Σε εκείνο το σημείο παρεμβαίνει το BMS (Battery Management System, το σύστημα διαχείρισης και προστασίας της μπαταρίας). Περιορίζει το ρεύμα που επιτρέπεται να δώσει η μπαταρία και, κατά συνέπεια, μειώνεται και η διαθέσιμη ισχύς προς τον ηλεκτροκινητήρα.
Με άλλα λόγια, δεν είναι ο ηλεκτροκινητήρας που ξαφνικά «χάνει άλογα». Είναι η πηγή που τον τροφοδοτεί που, υπό τις συγκεκριμένες συνθήκες, δεν μπορεί ή δεν επιτρέπεται να του δώσει την ίδια ηλεκτρική ισχύ. Και δεν υπάρχει ένα συγκεκριμένο ποσοστό φόρτισης από το οποίο συμβαίνει αυτό σε όλα τα EV. Σε ορισμένα αυτοκίνητα η πρώτη μετρήσιμη διαφορά μπορεί να εμφανιστεί σχετικά νωρίς, ενώ άλλα διατηρούν σχεδόν ολόκληρη την απόδοσή τους μέχρι πολύ χαμηλό SOC. Παίζουν ρόλο η μπαταρία, η χημεία της, η ψύξη, η ισχύς των ηλεκτροκινητήρων και κυρίως το πόσο μεγάλο περιθώριο έχει προβλέψει ο κατασκευαστής ανάμεσα σε όσα μπορεί να δώσει η μπαταρία και σε όσα μπορούν να ζητήσουν τα μοτέρ. Συνήθως πάντως, όσο πλησιάζουμε στα τελευταία ποσοστά φόρτισης, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα ο περιορισμός να γίνει αισθητός.
Γι’ αυτό στα EV έχει σημασία να ξεχωρίζουμε δύο έννοιες:
peak power και sustained power.
Η πρώτη είναι η μέγιστη ισχύς που μπορεί να αποδώσει το σύστημα όταν όλες οι προϋποθέσεις είναι κατάλληλες. Η δεύτερη είναι η ισχύς που μπορεί να διατηρήσει όταν η απαίτηση συνεχίζεται ή όταν οι συνθήκες δεν είναι πλέον ιδανικές.
Σε ένα αμιγώς ηλεκτρικό, το διαθέσιμο peak επηρεάζεται μεταξύ άλλων από το SOC, την τάση της μπαταρίας, το μέγιστο ρεύμα που επιτρέπει το BMS και τη θερμοκρασία του συστήματος. Σε ένα PHEV προστίθεται ένας ακόμη παράγοντας: ο τρόπος με τον οποίο συνεργάζονται θερμικός και ηλεκτροκινητήρας. Αν ο θερμικός κινητήρας μπορεί να μεταφέρει μεγάλο μέρος της ισχύος του απευθείας στους τροχούς, η μείωση της ηλεκτρικής συνεισφοράς μπορεί να γίνει σχετικά μικρή. Αν όμως το σύστημα βασίζεται πολύ περισσότερο στην ηλεκτρική πρόωση, το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας αποκτά μεγαλύτερη σημασία για τη συνολική απόδοση.
Και σε ορισμένα full hybrid η διαφορά μπορεί να γίνει ακόμη πιο έντονη. Ειδικά σε συστήματα με πολύ ισχυρό ηλεκτροκινητήρα και μικρή μπαταρία, ένα μέρος της μέγιστης απόδοσης βασίζεται στο ηλεκτρικό ενεργειακό απόθεμα της μπαταρίας. Ο θερμικός κινητήρας και η γεννήτρια μπορούν να αναπληρώνουν ενέργεια όσο το αυτοκίνητο κινείται, όχι όμως απαραίτητα με τον ίδιο ρυθμό με τον οποίο αυτή καταναλώνεται όταν ζητάς συνεχώς τη μέγιστη ισχύ.
Αν λοιπόν επί αρκετή ώρα ζητάς περισσότερη ισχύ από όση μπορεί να αναπληρώνει το σύστημα, το ενεργειακό αυτό απόθεμα μειώνεται. Όταν φτάσει στο κατώτερο επίπεδο που θέλει να διατηρήσει το υβριδικό σύστημα, περιορίζεται και η ηλεκτρική συνεισφορά. Γι’ αυτό ένα full hybrid μπορεί να επιταχύνει αρχικά πολύ δυνατά και, έπειτα από παρατεταμένο τέρμα γκάζι, να εμφανίσει πολύ μεγαλύτερη πτώση απόδοσης από αυτή που θα περίμενε κανείς κοιτώντας απλώς την ονομαστική ισχύ του.
Το θετικό είναι ότι η μικρή μπαταρία ενός full hybrid μπορεί και να αναπληρώσει σχετικά γρήγορα μέρος αυτού του αποθέματος, μέσω ανάκτησης ενέργειας στην επιβράδυνση ή μέσω του θερμικού κινητήρα και της γεννήτριας. Έτσι, όταν το SOC επανέλθει στο κατάλληλο επίπεδο, μπορεί να γίνει ξανά διαθέσιμη μεγαλύτερη ηλεκτρική υποβοήθηση.
Με απλά λόγια, ένα εξηλεκτρισμένο αυτοκίνητο μπορεί αρχικά να επιταχύνει με όλη τη δύναμη που ανακοινώνει ο κατασκευαστής και, λίγο αργότερα ή με χαμηλότερο SOC, να μην μπορεί να επαναλάβει ακριβώς την ίδια επίδοση.
Γι’ αυτό πλέον η ερώτηση «πόσους ίππους έχει;» δεν αρκεί πάντα.
Πιο σωστό είναι να ρωτήσουμε: Πόσους ίππους μπορεί να δώσει αυτή τη στιγμή και για πόση ώρα μπορεί να τους διατηρήσει;
Από αυτό το σημείο και μετά, μπορούμε να δούμε γιατί ακριβώς συμβαίνει.
Όλα ξεκινούν από την τάση της μπαταρίας
Η βασική σχέση της ηλεκτρικής ισχύος είναι απλή:
P = V × I
όπου P είναι η ισχύς, V η τάση και I το ρεύμα.
Η τάση μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου δεν παραμένει ακριβώς ίδια καθώς η μπαταρία αποφορτίζεται. Καθώς μειώνεται το SOC, μεταβάλλεται και η τάση ανοικτού κυκλώματος των κυψελών, το λεγόμενο Open Circuit Voltage ή OCV (Open Circuit Voltage, η τάση της μπαταρίας χωρίς φορτίο). Η ακριβής καμπύλη εξαρτάται από τη χημεία της κυψέλης και δεν είναι ίδια, για παράδειγμα, σε μια NMC και μια LFP μπαταρία. Η βασική αρχή όμως παραμένει: όσο πλησιάζουμε προς το χαμηλό άκρο του επιτρεπόμενου SOC, τόσο μικρότερο γίνεται το περιθώριο τάσης που έχει στη διάθεσή του το σύστημα.
Και αυτό έχει άμεση σχέση με την ισχύ.
Ας πάρουμε ένα εντελώς θεωρητικό παράδειγμα. Αν μια μπαταρία δίνει 400 Volt και το σύστημα τραβά 500 Ampere:
400 V × 500 A = 200 kW
Αν η διαθέσιμη τάση πέσει στα 350 V και το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα παραμείνει στα 500 A:
350 V × 500 A = 175 kW
Η διαφορά είναι ήδη 25 kW, χωρίς να έχει αλλάξει τίποτα στον ίδιο τον ηλεκτροκινητήρα.
Γιατί δεν αυξάνει απλώς το ρεύμα;
Θεωρητικά, θα μπορούσε κάποιος να πει ότι το αυτοκίνητο αρκεί να ζητήσει περισσότερο ρεύμα για να αντισταθμίσει τη χαμηλότερη τάση. Στην πράξη, όμως, δεν είναι τόσο απλό.
Μια πραγματική μπαταρία έχει εσωτερική αντίσταση και, όταν απαιτούμε μεγάλο ρεύμα, η τάση της πέφτει επιπλέον υπό φορτίο. Σε ένα απλοποιημένο ισοδύναμο μοντέλο αυτό περιγράφεται από τη σχέση:
Vterminal = VOC – I × R
Αυτό είναι το voltage sag. Η τάση που βλέπει ο inverter τη στιγμή που πατάμε τέρμα γκάζι είναι χαμηλότερη από την τάση που θα μετρούσαμε στην ίδια μπαταρία χωρίς φορτίο.
Παράλληλα, οι ωμικές απώλειες ακολουθούν τη σχέση:
Ploss = I² × R
Και αυτό είναι σημαντικό, γιατί σημαίνει ότι αν διπλασιαστεί το ρεύμα, οι συγκεκριμένες απώλειες τετραπλασιάζονται. Περισσότερο ρεύμα σημαίνει περισσότερη θερμότητα, μεγαλύτερο voltage sag και μεγαλύτερη καταπόνηση της μπαταρίας. Το BMS επομένως δεν μπορεί να αυξάνει απεριόριστα το ρεύμα μόνο και μόνο για να διατηρήσει την ίδια ισχύ. Η επιστημονική βιβλιογραφία χρησιμοποιεί μάλιστα τον όρο State of Available Power ή State of Power για να περιγράψει ακριβώς αυτό: πόση ισχύ μπορεί να δώσει ή να δεχθεί η μπαταρία εκείνη τη στιγμή, μέσα στα επιτρεπόμενα όρια τάσης, ρεύματος, θερμοκρασίας και SOC.
Το BMS προστατεύει πρώτα την μπαταρία
Ακόμη και αν στο καντράν υπάρχει υπόλοιπο ενέργειας, το BMS, το σύστημα διαχείρισης της μπαταρίας δηλαδή, δεν θα επιτρέψει σε κάποια κυψέλη να περάσει κάτω από το κατώτερο ασφαλές όριο τάσης της.
Όταν λοιπόν το SOC είναι χαμηλό και ο οδηγός ζητήσει απότομα μεγάλη ισχύ, το voltage sag μπορεί να φέρει μία ή περισσότερες κυψέλες κοντά σε αυτό το όριο. Το σύστημα αντιδρά περιορίζοντας το ρεύμα και, κατά συνέπεια, την ισχύ. Γι’ αυτό τα τελευταία ποσοστά της μπαταρίας είναι συνήθως εκεί όπου η μείωση γίνεται πιο έντονη.
Δεν υπάρχει όμως ένα καθολικό «κάτω από 20% χάνει άλογα». Η πρώτη μετρήσιμη διαφορά μπορεί να εμφανιστεί νωρίτερα σε ένα αυτοκίνητο και πολύ αργότερα σε κάποιο άλλο. Εξαρτάται από τη χημεία και το μέγεθος της μπαταρίας, την ισχύ των μοτέρ, την ψύξη, τα όρια ρεύματος και κυρίως από το πόσο μεγάλο power headroom έχει προβλέψει ο κατασκευαστής. Ανεξάρτητες μετρήσεις έχουν δείξει ακριβώς αυτή τη διαφοροποίηση: ορισμένα EV διατηρούν σχεδόν αναλλοίωτη την επιτάχυνσή τους μέχρι πολύ χαμηλό SOC, ενώ άλλα παρουσιάζουν σταδιακή υποχώρηση αρκετά νωρίτερα.
Υπάρχουν όμως και σαφή παραδείγματα εργοστασιακού περιορισμού. Σε πρόσφατο εγχειρίδιο ηλεκτρικού μοντέλου της Kia, ανάλογα με την έκδοση της μπαταρίας, το μήνυμα «Charge immediately. Power limited» εμφανίζεται περίπου στο 10%-15% και ο κατασκευαστής αναφέρει ρητά ότι η ισχύς του αυτοκινήτου μειώνεται για να περιοριστεί η κατανάλωση της μπαταρίας. Αυτό δεν σημαίνει ότι όλα τα EV χάνουν ισχύ στο 10% ή στο 15%. Δείχνει όμως πόσο πραγματικός και ελεγχόμενος από το λογισμικό είναι ο περιορισμός όταν το SOC πέσει αρκετά χαμηλά.
Γιατί η διαφορά φαίνεται πολύ στην εθνική;
Στις υψηλές ταχύτητες προστίθεται ένας ακόμη παράγοντας: η αεροδυναμική.
Η αντίσταση του αέρα υπολογίζεται από:
Fdrag = ½ × ρ × Cd × A × v²
Για να διατηρήσει όμως το αυτοκίνητο αυτή την ταχύτητα χρειάζεται ισχύ:
P = F × v
Επομένως, η αεροδυναμική ισχύς γίνεται:
Pdrag = ½ × ρ × Cd × A × v³
Με απλά λόγια, η ισχύς που απαιτείται μόνο για να νικήσουμε τον αέρα αυξάνεται περίπου με τον κύβο της ταχύτητας.
Έτσι, μια απώλεια 30 ή 40 kW μπορεί να μην καταστρέψει την αίσθηση του αυτοκινήτου στα 50 χλμ./ώρα. Στα 130 ή 150 χλμ./ώρα όμως ένα πολύ μεγαλύτερο μέρος της διαθέσιμης ισχύος καταναλώνεται ήδη για να διατηρηθεί η ταχύτητα. Αυτό που περισσεύει για την προσπέραση είναι λιγότερο. Υπάρχει και η πλευρά του ηλεκτροκινητήρα. Σε υψηλές στροφές αυξάνεται η αντί-ηλεκτρεγερτική τάση, το λεγόμενο back-EMF, και το σύστημα πλησιάζει το όριο τάσης του DC bus (το κύκλωμα υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος μεταξύ μπαταρίας και inverter). Πάνω από τη βασική ταχύτητα λειτουργίας, οι ηλεκτροκινητήρες χρησιμοποιούν τεχνικές field weakening και η διαθέσιμη ροπή αρχίζει ούτως ή άλλως να μειώνεται. Χαμηλότερη τάση μπαταρίας σημαίνει μικρότερο voltage headroom για τον inverter, γεγονός που κάνει την υψηλή ταχύτητα ακόμη πιο απαιτητική.
Γι’ αυτό ένα χαμηλό SOC μπορεί να φανεί πολύ περισσότερο σε ένα 100-140 ή 120-160 50 χλμ./ώρα παρά σε ένα απλό ξεκίνημα από φανάρι.
Ισχύει το ίδιο στα Plug-in Hybrid;
Ναι, αλλά το μέγεθος της διαφοράς εξαρτάται από την αρχιτεκτονική.
Σε ένα PHEV όπου ο βενζινοκινητήρας μπορεί να μεταφέρει μεγάλη ισχύ απευθείας στους τροχούς, η μείωση της ηλεκτρικής συνεισφοράς δεν σημαίνει ότι το αυτοκίνητο μένει ξαφνικά χωρίς δύναμη. Μπορεί να χάσει το ηλεκτρικό boost, αλλά εξακολουθεί να υπάρχει η ισχύς του θερμικού κινητήρα. Σε συστήματα που βασίζονται περισσότερο στην ηλεκτρική πρόωση, η κατάσταση γίνεται πιο σύνθετη. Ο θερμικός κινητήρας μπορεί να λειτουργεί ως γεννήτρια, να συνδέεται μηχανικά στους τροχούς σε συγκεκριμένες συνθήκες ή να γίνονται και τα δύο, ανάλογα με την ταχύτητα, το φορτίο και το SOC.
Επομένως, το ότι ένα PHEV ανακοινώνει μια συγκεκριμένη συνδυαστική ισχύ δεν σημαίνει αυτομάτως ότι αυτή είναι διαθέσιμη σε κάθε SOC και για απεριόριστο χρόνο.
Και στα full hybrid μπορεί να γίνει ακόμη πιο έντονο
Η πιο ενδιαφέρουσα περίπτωση είναι ορισμένα full hybrid με πολύ ισχυρό ηλεκτροκινητήρα αλλά μικρή μπαταρία. Κυρίως αυτά που μας έρχονται από την Κίνα.
Σε ένα τέτοιο σύστημα, η μπαταρία λειτουργεί ουσιαστικά και ως power buffer. Αυτή η λογική είναι θεμελιώδης στις σειριακές και series-parallel υβριδικές αρχιτεκτονικές: ο κινητήρας-γεννήτρια και η μπαταρία τροφοδοτούν από κοινού τις στιγμιαίες απαιτήσεις της πρόωσης, ενώ το σύστημα προσπαθεί διαρκώς να κρατά το SOC μέσα στο επιθυμητό παράθυρο.
Η ισορροπία μπορεί να γραφτεί πολύ απλοποιημένα:
Pgenerator + Pbattery = Ptraction + απώλειες
Όταν ο ηλεκτροκινητήρας ζητά περισσότερα από όσα μπορεί εκείνη τη στιγμή να παράγει ο θερμικός κινητήρας μέσω της γεννήτριας, η διαφορά έρχεται από την μπαταρία.
Αυτό όμως δεν μπορεί να συνεχιστεί επ’ αόριστον.
Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα μεγέθους είναι το Chery Tiggo 7 HEV, το οποίο συνδυάζει ηλεκτροκινητήρα 204 ίππων με μπαταρία μόλις 1,83 kWh.
Η σχέση μεταξύ ενέργειας και ισχύος είναι:
E = P × t
Αν, εντελώς θεωρητικά, μια μπαταρία 1,83 kWh τροφοδοτούσε μόνη της συνεχώς έναν ηλεκτροκινητήρα 150 kW, ολόκληρη η ονομαστική της ενέργεια αντιστοιχεί σε περίπου:
1,83 / 150 = 0,0122 ώρες ή 44 δευτερόλεπτα.
Προφανώς το πραγματικό αυτοκίνητο δεν λειτουργεί έτσι. Δεν χρησιμοποιεί όλη την ονομαστική χωρητικότητα, ο θερμικός κινητήρας παράγει παράλληλα ισχύ και το DHT μπορεί να αλλάζει τη διαδρομή της ενέργειας. Ο υπολογισμός δείχνει όμως κάτι πολύ σημαντικό: πόσο μικρό είναι το ενεργειακό απόθεμα μιας HEV μπαταρίας σε σχέση με την τεράστια στιγμιαία ισχύ ενός σύγχρονου ηλεκτροκινητήρα.
Αν λοιπόν ζητάς επίμονα τέρμα γκάζι και καταναλώνεις το ηλεκτρικό buffer γρηγορότερα απ’ όσο μπορεί να αναπληρωθεί, το σύστημα αναγκάζεται κάποια στιγμή να περιορίσει την ηλεκτρική συνεισφορά ώστε να προστατεύσει το κατώτερο SOC. Και τότε η διαφορά μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή που συναντάμε συνήθως σε ένα EV. Το αυτοκίνητο μπορεί να ξεκινά μια επιτάχυνση εντυπωσιακά δυνατά και, ύστερα από παρατεταμένο πλήρες φορτίο, να έχει πολύ μικρότερο απόθεμα ισχύος για την επόμενη προσπέραση.
Υπάρχει βέβαια και η αντίστροφη πλευρά: επειδή η μπαταρία ενός full hybrid έχει πολύ μικρή χωρητικότητα, δεν χρειάζεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να ανακτήσει ξανά ένα σημαντικό μέρος του διαθέσιμου αποθέματός της. Μια δυνατή επιβράδυνση με ανάκτηση ή λίγη λειτουργία του θερμικού κινητήρα μέσω της γεννήτριας μπορεί να ανεβάσει σχετικά γρήγορα το SOC και να καταστήσει ξανά διαθέσιμη μεγαλύτερη ηλεκτρική υποβοήθηση.
Αυτό είναι τελικά και το βασικό συμπέρασμα: στα εξηλεκτρισμένα αυτοκίνητα οι ίπποι δεν είναι πάντοτε ένας απόλυτος, μόνιμα διαθέσιμος αριθμός. Εξαρτώνται και από το πόση ισχύ μπορεί να δώσει το ενεργειακό σύστημα εκείνη ακριβώς τη στιγμή.
