Novinári (s výnimkou TeslaBjorn), ani predajcovia elektromobilov často ani len nevedia, že problém s názvom coldgate existuje. Dnes si povieme niečo viac o zanedbanej príprave batérie na plnú rýchlosť nabíjania. Pre tých, ktorí ma nepoznajú sa v krátkosti predstavím. Volám sa Ľuboš a od marca jazdím na Kia e-Niro 2020 64kWh. Bývame na sídlisku v meste bez AC/DC nabíjačiek. S coldgate v rôznych stupňoch sa tak stretávame na DC/UFC po väčšinu roka (september až jún). Vyvinul som vlastný diagnostický nástroj eNiroDashboard, aby som lepšie pochopil ako pracuje termomanažment batérie. Dá sa povedať, že som taký “lovec” coldgate. Grafy, ktoré zaznamenám, uverejňujem na svojom YT kanály. Niektoré časti článku sú určené pre začiatočníkov, ostatné skôr pre technicky zdatnejších. Prosím preskočte časti, ktorým nerozumiete.
Dôležitá poznámka: Tento článok nie je žiadny hejt na Kia e-Niro. Ak by som si mal teraz kúpiť auto znova, stále je to pre mňa jasná voľba. E-Niro je vynikajúci stroj po mnohých stránkach.
Čo je to ten #coldgate?
Lítiové batérie chráni systém správy batérie (tzv. BMS), aby vydržali životnosťou čo najdlhšie. Vieme, že tieto batérie nemajú radi nabíjanie do 100% a vybíjanie do 0%. Preto BMS povolí plnú rýchlosť nabíjania väčšinou iba do 20-30% úrovne nabitia (SOC). Táto rýchlosť postupne klesá podľa tzv.krivky nabíjania. Obzvlášť po 80% SOC ide nabíjanie výrazne pomalšie. Lenže je tu ďalší dôležitý faktor, ktorý obmedzuje rýchlosť nabíjania. A tým je teplota batérie. Z fyzikálneho hľadiska, ak by sme do studenej baterky aj pri 20% SOC dali plný nabíjací výkon, tak ju poškodíme, alebo v lepšom prípade výrazne znížime jej životnosť. To určite nikto nechce, BMS robí v tomto smere dobre. Len problém nastáva, ak BMS požaduje na plnú rýchlosť nabíjania vyššiu teplotu. A zaroveň auto neponúka vodičovi mechanizmy ako ju dosiahnúť. Tým vzniká coldgate. Bežné 42 minutové nabíjanie z 20 na 80% (“64 kWh verzia: rýchle nabíjanie s 80 kW a viac, za 42 minút z 20 na 80%”) sa tak predĺži aj na 70 minút.
Stupne coldgate? Je ich viac?
Čím viac stupňov coldgate je do ideálnej požadovanej teploty, o to pomalšie sa auto nabíja. Optimálna teplota pre plnú rýchlosť je 25ºC (max. 200A, ~75kW na Kia e-Niro). Ak jeden zo štyroch teplotných senzorov na blokoch batérie má menej ako 25ºC, BMS obmedzí rýchlosť nabíjania na max.150A (~56kW). Toto by sa dalo ešte časovo zvládnuť. Horšie, ak je teplota na batérií pod 15ºC. Vonkajšia teplota pod 10ºC je bežná pre obdobie od októbra do apríla. Pod 15ºC je nabíjací výkon obmedzený na 110A (cca 43kW).
Toto je hranica, ktorá ma už dopad aj na 50kW DC stanice. Aj keď časová strata medzi 110A a 125A (43kW vs 48kW) nie je veľká, pri UFC nabíjaní je rozdiel takmer dvojnásobný. Najhorší scenár, ak sú teploty pod 5ºC. Vtedy je obmedzenie BMS oveľa tvrdšie, na 60A (cca 22kW). Je smutné, že o takto dôležitých obmedzeniach predajcovia áut nikde nepíšu, alebo o tom ani nevedia.
Obr. Auto prechádza medzi stupňami coldgate podľa aktuálnej teploty batérie.
Zimný režim? Módy termomanažmentu
Asi sa pýtate: “Ako to? Auto má predsa kompletný termo manažment a zimný režim v menu”. Termo manažment baterky obsahuje 3 režimy.
1. PTC. V zime, ak je zapnutý zimný režim sa aktivuje PTC ohrev. V e-Nirovi je 2kW výhrevné teleso umiestené na kvapalinovom okruhu baterky. Auto si vie uzatvoriť dva 3-cestné ventily a čerpadlom rozprúdi kvapalinu na tomto skrátenom okruhu. Zimný režim funguje v mrazoch, zvyčajne pod -5ºC. Na opačnej strane máme chladenie v lete.
2. COOLING. Na okruhu je vedľa PTC ohrevu umiestnený výmenník (chiller), ktorý vie z iného okruhu klimatizácie kvapalinu v batériovom okruhu chladiť. Ak s autom nabíjate aj zime na UFC 200A, batéria má 25ºC, auto takisto ochladzuje baterku cez tento režim. Posledný je
3. LTR. Režim pre nízke teploty (low temperature radiator) je aktívny zvyčajne v pásme teplôt baterky od 0ºC do 25ºC. Spočíva v tom, že sa prepnú 3-cestné ventily a skrátená slučka sa zmení na dlhú. Vtedy kvapalina prúdi cez palubnú nabíjačku, výkonovú elektroniku a motor. Odtiaľ sa vezme zostatkové teplo na ohrev batérie. Ale nie sú to závratné hodnoty, nakoľko pri bežnom jazdení veľa tepla nevzniká.
Zdroj obr.: news.hyundaimotorgroup.com
Priebeh nabíjania, čas nábehu PTC ohrevu
Ako prebieha nabíjanie v chladných teplotách? Príklad z posledného nabíjania. Ochladilo sa ku teplotám tesne nad 0ºC. Baterka mala celú cestu až do príchodu na nabíjačku 4ºC. Termomanažment bol v móde LTR (okruh cez motor), PTC ohrev vypnutý. Po spustení nabíjania sa zapol PTC ohrev. Ale nábeh a zvýšenie o +1ºC na 5ºC autu zabralo až 4 minúty. Ohrev potom pokračoval do 15ºC. Zvýšenie teploty z 5ºC na 15ºC trvalo ďalších 17 minút. Auto pri dosiahnutí 15ºC na baterke vždy dosť nelogicky vypne PTC ohrev. Hranicu 25ºC dosahuje už batéria svojpomocne. Vysoký nabíjací prúd prirodzene ohrieva batériu, ale trvá to tiež dosť dlho. Prirodzený ohrev batérie z 15ºC na 25ºC cez 20 minút. To sú všetko časy, kedy už pominie nabíjacia krivka pre maximálny nabíjací výkon.
Obr.: Tretí stupeň coldgate (<5ºC) pri 32% SOC na Kia e-Niro 2020
Riešenie iba od automobiliek
Inšpirácia z áut, ktoré sa s týmto problémom vysporiadali. Tesla pridala automatický predohrev baterky pred príchodom na nabíjačku, ktorá je vybratá v navigácií. Hyundai Ioniq má vzduchový manažment. Auto pod zadnými sedadlami nasáva zohriaty vzduch z kabíny a využíva ho na ohrev batérie. V oboch prípadoch sa teda javí ako riešenie predohrev batérie na trase pred nabíjaním.
Pri bežnom jazdení bez plánovaného nabíjania je zbytočné, aby auto spotrebovalo navyše 2kW na ohrev baterky. Dobrým a rýchlym riešením tohoto problému by bola voľba v menu/infotainmente na ručné spustenie PTC ohrevu na 15ºC v prípade plánovaného 50kW nabíjania, a 25ºC pre 75kW nabíjanie. Ak by takáto možnosť predohrevu batérie bola aj v aplikácií UVO, potom by sa dala batéria auta pripraviť ešte na parkovisku pred jazdou z pohodlia domova.
Alternatívne možnosti ohriatia batérie
Ako záplata sa dá použiť tzv. jo-jo (viď. video od TeslaBjorn). Trik spočíva v opakovaní prudkej akcelerácií a brzdenia, kým sa batéria nezohreje. Z/do batérie idú výkony aj okolo 120-150kW. V LTR móde sa zároveň zohrieva aj výkonová elektronika pri motore, ktorá následne ohrieva kvapalinu. Na R1 som pred Beladicami robil podobné testy, ale veľmi to neodporúčam. Auto v okamžiku naberá rýchlosť za povolenú hranicu. Na mokrej a zľadovatenej ceste je to nebezpečné a zbytočne sa “trápi” aj batéria. Na úseku 30 kilometrov, alebo za 20 minút batéria sa ohreje batéria približne o 6 stupňov. Týmto spôsobom je možné ohriať batériu z 8ºC na 25ºC na približne 50-60km trase.
Udržiavanie teploty medzi nabíjačkami
Pri diaľkovej trase s viacerými nabíjaniami sa vyhreje batéria na 25ºC na prvej nabíjačke. Pred príchodom vieme pomôcť jazdou zohriať napr. na 15ºC. Ak sú vonkajšie teploty okolo 8ºC, pri rýchlosti 120km/h sa dá udržať teplota batérie na 25-27ºC. Nabíjanie na ďalšej nabíjačke potom začne plnou rýchlosťou. Pri teplotách okolo 3-4ºC je to náročnejšie. Tu sa napr. vyžaduje už rýchlosť jazdy minimálne 130km/h. Pri 120km/h nám teplota pozvoľne klesala.
Na okresných cestách je v zime udržanie 25ºC na baterke nereálne. Príklad. Z R1 Beladíc sme pri Seredi zišli na cestu 62 na Senec. V Senci mal 2.blok batérie teplotu už len 21ºC. Chladiaca kvapalina, ak sa nevyhrieva je v trubkách mimo batérie ochladzovaná vonkajším studeným vzduchom a ochladzuje blok, ktorý je najbližšie ku vstupu kvapalinového okruhu do batérie. Rozdiel medzi 2. a ostatnými blokmi býva potom aj niekoľko stupňov.
Záver
Cieľom článku bolo priniesť základné informácie, nakoľko týmto problémom trpia aj iné modely elektromobilov. Napr. VW ID.3 1st edition pri 10ºC baterke takisto nabíjalo iba okolo 40kW. Bolo by dobré, aby si novinári aj bežní používatelia všímali viac tieto veci. A nie iba to, že auto podporuje nabíjanie výkonom 100kW. Ak by sa automobilkám podarilo softvérovou aktualizáciou pridať možnosť ručného predohrevu batérie, bolo by to samozrejme ideálne riešenie tejto situácie.