Elektromos a jövő? XIII. rész: Töltés és használhatóság

Az elektromos autó mindennapos használata nem igényel kompromisszumokat, ezt állítja sok fanatikus villanyautós már most is. Nagyon speciális használati igények mellett még akár igazuk is lehet, de egy átlagos magyar család számára az elektromos autózás elsősorban a töltés miatt kíván türelmet és kitartást.

Az elektromos autók töltése lehetséges az otthoni áramhálózatról, illetve közforgalmú töltőkről is. Bár ez utóbbiaknak több fajtája is van, általánosságban elmondható, hogy a legfontosabb paraméter az, hogy az autó beépített töltésvezérlője mekkora töltőáram használatát teszi lehetővé. Hiába csatlakozunk ugyanis egy 350 kW-os töltőoszlopra, ha az autó mondjuk csak 22 kW-os töltést tud fogadni.

Ha egy Mode lenne rá…

A legtöbb töltőpont képes a töltőkábelen keresztül kommunikálni az autó töltésvezérlőjével és az igénynek megfelelően beállítani a töltőáramot, illetve üzemzavar esetén megszakítani a folyamatot. Ezt a kommunikációt egy ún. „Control Pilot” csatornának nevezett kábelen keresztül valósítják meg, mely a töltőkábel része. Az ilyen formájú adatcserére képes töltőket Mode 2, 3, vagy 4 osztályba sorolják, a Mode 1 nem képes kommunikációra, de azt már nem is használják.

A Mode 2 töltőkábelen van egy vezérlőelektronika, de ennek ellenére használható otthoni konnektorral is, bár ügyelni kell arra, hogy a folyamatos, nagy áramerősségű töltés könnyen túlterhelheti ezeket, így ajánlott az autótöltésre használt konnektort ellátni saját életvédelmi-relével, és kicserélni ipari szabványú, nagy terhelésnek is ellenálló kivitelűre.

A Mode 2 töltők hagyományos konnektorra csatlakoztatva általában maximum 10 A-rel töltik az autót, ám ebbe a tapasztalatok szerint bele kell számolni nagyjából 20 % töltési veszteséget is, így ennyivel később lesz feltöltve az autó, és az akkuk kapacitásánál ennyivel több áramot vesz ki a hálózatból a töltő.

A következő lehetőség a Mode 3 töltő, amit sokszor Wall Boxnak is neveznek. Ezek már akár 22 kW-tal, 1 vagy akár 3 fázissal is tudnak tölteni, ám kiépítésük költséges, mivel nem csak a már önmagában is drága „dobozt” kell kifizetni, hanem gyakran az áramszolgáltatónak is jelentős összeget kell fizetni az elektromos hálózat teljesítménybővítése miatt.

A közforgalmú töltőknél előfordulhat olyan, amelyik fix kábeles, azaz a töltőpont magába foglalja a kábelt is (ilyen például a Tesla Superchargere), és olyan is, ahol a tulajdonos hozza a saját kábelét, és azt csatlakoztatja az autóhoz és a töltőoszlophoz is.

A Mode 2 és a Mode 3 kábelek lehetnek egyfázisúak (3 + 2 érintkezős) vagy háromfázisúak (5 + 2 érintkezős). A + 2 érintkezőből az egyik a már említett Control Pilot jelhez tartozik, a második pedig a Proximity Pi­lot, amelynek kettős feladata van: egyrészt jelzi a töltőoszlop­nak, hogy csatlakoztatva van, másrészt a bele épített ellenállás értéke alapján tudja eldönteni az oszlop, hogy mekkora ára­mot küldhet át maximálisan a kábelen.

Ki gépen száll fölébe, annak térkép e Type

A Mode 2 és 3 töltők kábeleinek két szabványos csatlakozója lehet: a Type 1 és a Type 2. A Type 1 csak egyfázisú töltésre alkalmas, mivel csak 3 nagyáramú csatlako­zója van. A Type 2 Európában elterjedtebb, ennek már 5 nagyáramú csatlakozója van, így 3 fázisú töltésre is alkal­mas, feltéve, hogy ezt az autó is támogatja.

Az európai szabvány a Type 2, de létezik olyan töltőkábel, melynek töltőoldali csatlakozója Type 2-es, az autó felőli pedig Type 1, ebből semmilyen probléma nem adódhat.

A Mode 4 rendszerű töltők képzik a kivételt a szabály alól, ezek ugyanis nem az autó saját töltésvezérlőjén keresztül csatlakoznak (bár változatlanul az autó irá­nyítja a töltést), hanem magas feszültségű és magas áramerősségű (akár 1000 V és 400 A) egyenárammal töltik az akkumulátort. A DC töltők, avagy „villámtöl­tők” mindig fix kábelesek, és az autón is külön szá­mukra fenntartott nagyáramú érintkezők vannak. A villámtöltés azonban nagyon megterheli az akkumulá­torokat, mivel nagyon magas a hőfejlődés (részletesen lásd később).

Type1 J1772
Type 1 csatlakozó
Type1-ccs
Type 1 CCS
Type 2 mennekes
Type 2 Mennekes
Combo-ccs-eu
Type 2 CCS
Chademo type4
CHAdeMO
Tesla-hpwc-model-s
Tesla (Model S)

 

 

 

 

 

 

A villámtöltők csatlakozói két fő típusba sorolhatók. Az első a külön csatlakozós, azaz a villámtöltőnek egy külön csatlakozója van, általában a jármű sima töltő­csatlakozásától eltérő helyen. Ebbe a külön csatlakozós kategóriába sorolható a japán szabványú CHAdeMO, és a kínai CATARC (ez utóbbival nem igazán lehet Európában találkozni). A két nagyáramú érintkező mellett van két kisebb is, amelyek közvetlenül a jármű CAN hálózatára kapcsolódnak, így biztosítva a kommunikációt. A másik fő csoport a kombinált, avagy CSS csatlakozóké, amely úgy épül fel, hogy a szabványos Type 1 vagy a Type 2 csatlakozó alá tesznek két nagyáramú érintkezőt. Így a kábel egyszerre megy rá a két nagyáramúra, és a Type 1-re vagy 2-re, amelyből azonban csak a kommunikációs csatornákat, a Control Pilotot és a Proximity Pilotot használja. Az infók forrása.

Hatótávolság, töltők száma

Az elektromos autók töltése még mindig a legfontosabb ellenérv ellenük, a hagyományos, vagy akár más alternatív üzemanyaggal (CNG, LPG, stb.) hajtott járművekkel szemben. Lássuk be ez többnyire nem is alaptalan, legalábbis Magyarországon biztosan nem.

A Forsense 2018 októberi felmérése szerint a hazai lakosság mindössze 16 százalékában van kettő vagy több autó a családban. Ez azt jelenti, hogy a napi ingázásokat és az utazásokat is ugyanazzal a járművel kell abszolválni, így annak képesnek kell lennie hosszabb utakat is megtenni.

Egy átlagos történet

Ahogyan azt korábban már megismertük, egy Renault Zoe (ami minden, csak nem családi autó) otthoni feltöltése 337 km-es hatótávolságra valahol 16 és 37 óra közötti időtartamot vesz igénybe.

Egy tipikus élethelyzetet ismertetek röviden: agglomerációban élő kétgyermekes család, Miskolcon élő nagyszülőkkel. Pénteken két gyerek iskolába elszállítása, majd munkahelyre autózás, ahol nincs elérhető közelségben autótöltő. Ez reggel nagyjából 30 km, majd hazafelé újra ugyanennyi. Délután a család elindul a nagyszülőkhöz, ahol szintén nem tölthető az autó, majd vasárnap vissza. Az utazás autópályán történik, klímával vagy fűtéssel. Ez önmagában 2 x 180 + 2 x 30, azaz 420 km, ami a már nem csak a 80, hanem a 100 %-ra töltött akkuk hatótávolságát is bőven felemésztette, még optimális körülmények között is, pláne nagy terheléssel, autópályán, klímával.

Tegyük fel, hogy Budapesten, a munkahely közelében van szabad töltőhely, ahol 100 %-ra tölthető az autó, de ez még mindig csak 30 km-t von le a kiszámolt 420-ból, sőt, ha a nagyszülők adott esetben családi házban laknak, és ott lehetséges mondjuk 10 amperrel tölteni az autót, és egy este 8 óra körüli érkezéskor az egyből töltőre kerül, akkor is csak vasárnap hajnali 3 órára lesz 80 %-ig, és reggel 9-ig lesz teljesen feltöltve, miközben felmerülhet a kínos kérdés, hogy a villanyszámlát (plusz rossz esetben a folyamatosan nagy terhelés miatt szétégett konnektort) ki fogja kifizetni a vendéglátóknak. Mindemellett hangsúlyozom, hogy ez esetben az autó folyamatosan töltőn volt, és nem használták még városon belüli utakra (barátok meglátogatása stb.) sem.

Ó csak egy töltőt látna tekintetem…

A fenti esetet megkönnyítené, ha mondjuk a Budapest és a példánkban szereplő Miskolc közötti autópálya szakaszon lenne egynél több villámtöltő. Ez a helyzet hamarosan változni fog, hiszen a MOL folyamatosan bővíti a Plugee hálózatát, amelyben elsősorban az autópálya melletti töltőpontok telepítésére mennek rá. Addig viszont az az egy darab marad, ami a Shell geleji pihenőben lévő kútjánál van (csak a Nyíregyháza felé vezető oldalon!), és persze meglehetősen optimális az a helyzet, ha a töltőt, illetve annak teljes kapacitását az autó tudja is használni, részben a foglaltsága, részben pedig az akkumulátorainak a termomenedzsmentje miatt.

Amikor a Zoe elér a Shell kútig, az akkuból 2×30 km, plusz a Budapest-Gelej távolság, azaz 140 km, összesen 200 km hiányzik. Ha a maximális hatótávként a 337 km-t vesszük alapul (ami marhaság, hiszen megpakolva, klímával vagy fűtéssel, normális autópálya tempó mellett nagyon nem megy el ennyit az autó), akkor Gelejnél 40 %-on lesz a töltöttség. Az 50 kW-os DC gyorstöltő 1 óra 11 perc alatt tölti fel 0-ról 80 %-ra az akksikat. A 40-ről 80 %-ra töltésnél ennek a felével ugyan számolhatunk, de nem lesz reális a végeredmény, mert minél inkább telítődik az akku, annál jobban csökken a töltőáram. De tegyük fel, hogy minden oké, és szűk 40 perc alatt felmegy a töltöttség 80 %-ra.

Mégis mi a túrót csinálok adott esetben két gyerekkel? 40 percen át poshadunk az álló autóban? Vagy bemegyünk a kútra, ott én iszok egy kávét, a kölykök pedig a kút összes csokiját összevásároltatják velem, amit el is fogyasztanak, így könnyes szemmel inthetek búcsút a hátsó ülésen út közben csendesen szundikáló gyerekek koncepciójának.

A zord valóság azonban más

Ráadásul ez még mindig az optimális eset. Mert nem cammogok a külső sávban, a kamionokat feltartva 90-nel. Mert használom a klímát vagy a fűtést. Mert a kocsiban 4 ember utazik, és tele van csomagokkal.

A valóság sokkal inkább a következő: 120-szal megyek, és ez még mindig elmarad az általam, és a legtöbb – nem fogyasztás-fanatikus – ember által kényelmesnek tartott óra szerinti 140-től, de legalább már nem cammogás. Az említett körülmények között sokkal reálisabb, ha azt mondjuk, hogy Gelejen már nagyjából 0 % a töltöttség, amikor megérkezek a töltőhöz, ami foglalt. Kivárom azt a nagyjából fél órát, amíg felszabadul a DC töltő, majd csatlakozok, és beletöltök annyit, amennyi a hátralévő szűk 50 km-re kell, ez mondjuk 20 perc. 50 percet álltam a parkolóban, és fizettem 150 forintot kilowattonként.

A kábé 180 km-es Budapest-Miskolc út hagyományos üzemanyaggal, szűk 2 óra, elektromossal szűk 3. Ez sajnos jelenleg nem versenyképes, főleg úgy, hogy ha hozzáadjuk, hogy mire a Zoe Miskolcra ér, megint teljesen üres lesz. Miskolcon ugyan létezik 50 kW-os villámtöltő, de ennek is másfél órára van szüksége a Zoe ekkorra már valószínűleg megint csak majdnem teljesen üres akkuinak feltöltésére, és ennyi ideig tétlenül várakozni egy töltő mellett a kocsiban nem kellemes. Ráadásul vagy 80 Ft /kWh-t, vagy 100 Ft / percet fizetek a töltésért, így vagy 3300 vagy 7100 forintot vonnak le a kártyámról.

Az M3-as autópálya másik pihenőjében, a jakabpusztaiban van még egy 22 kW-os töltő, mely elég rég óta nem működik már, de ha működne is, a Zoe nem igazán tudná kihasználni, hiszen Jakabpuszta Budapesttől mindössze 23 km-re van, azaz ekkorra az akkuból csak 2×30+23, azaz 83 km hiányozna. Az M3-as és az M30-as további részén nincs semmilyen autótöltő.

Talán furcsa lehet egy ilyen kalkulációt olvasni, de azért tartottam mindezt nagyon fontosnak leírni, mert egy elektromos autó megvásárlása napjainkban, hazánkban ilyen aprónak tűnő, de valójában nagyon is jelentős tényezőkön múlik.

Töltők száma európában, grafikon
Az adatok forrása: International Energy Agency (2018.)

A fentiek, és a Plugshare alkalmazás adatai alapján elmondható, hogy hazánk – bár az alábbi ábrán nem szerepel – nagyon messze áll a holland átlagtól, pedig a feltüntetett adatok 2018 éviek.

Meddig tart az akku?

A mindennapi használhatóság szempontjából nem mellékes az akkucellák tartóssága. A Tesla például 8 éves és modelltől függően 160-200 ezer kilométer garanciát vállal az akkumulátorokra, ahol „rossznak” az számít, ha a cellák kapacitása az eredeti 70 %-a alá csökken.

Egy esettanulmány mutat rá a megfelelő akkumulátor kapacitás, illetve a töltési-kisütési ciklusok hőmérsékleti viszonyainak fontosságára:

Az első generációs Nissan Leaf bemutatása előtt a gyártó az autóba kerülő akkumulátorokat tesztelésnek vetette alá, ahol 60 Celsius fokos hőmérsékleten 1,5 C töltési sebességgel és 2,5 C kisütési sebességgel tesztelte a cellákat. A C, azaz a Charge Rate jelentése: a cella kapacitása, a sebesség viszonylatában például 1 C töltési vagy kisütési sebesség azt jelenti, hogy egy 1 Ah kapacitású cella 1 órán keresztül egy A áramot ad le, vagy vesz fel.

A teszt előfeltevése az volt, hogy amennyiben a cellák 500 ciklus alatt kevesebb mint 10 %-ot veszítenek kapacitásukból, akkor az megfelelő, és ez a módszer képes modellezni egy 1-2 éves extenzív használatot. A cellák teljesítették a feltételt, azonban amikor a sorozatgyártású autókba kerültek, akkor a felhasználók normál körülmények közötti használat mellett is átlagosan 27,5 %-os kapacitáscsökkenést tapasztaltak, főként hűvösebb klímájú országokban, amely teljesen ellentmondott a gyártó feltevéseinek.

A jelenség megértéséhez tisztáznunk kell még egy fogalmat, ez pedig a Coulombic Efficiency, ami talán Coulombikus hatásfoknak, vagy töltésmozgási hatásfoknak lenne fordítható, de a továbbiakban csak CE-ként említem. A CE azt mutatja meg, hogy egy akkucella belsejében mennyi töltéshordozó (esetünkben Li-ion) mozog töltéskor és kisüléskor.

A cellák a ciklusok számával arányosan használódnak el, így csökken a CE, és ennek a Li-ion cellákban két fő oka van: az egyik a katódon végbemenő elektrolit-oxidáció, a másik az anódon képződő, filmszerű Solid Electrolite Interface (SEI), avagy szilárd elektrolit bevonat. A töltéshordozó Li-ionok ezen a filmszerű rétegen egyre nehezebben tudnak átjutni, majd ahogy ez egyre vastagabb lesz, a Li ionok végleg benne ragadnak, így egyre kevesebb töltéshordozót képes mozgatni a cella, egyre alacsonyabb lesz a CE-je.

A Jeff Dahn professzor által vezetett kutatócsoport a halifaxi Dalhousie Egyetemen kimutatta, hogy a SEI képződését két dolog befolyásolja: a cella töltöttségi állapota, és a környezeti hőmérséklet. Minél hosszabb ideig tartunk egy cellát magas, 4,1 V körüli töltöttségi állapotban, és minél magasabb a környezeti hőmérséklet, a katódon végbemenő elektrolit-oxidáció annál nagyobb kárt okoz.

A kutatócsoport eredményei összecsengtek a NASA kutatásaival, melyek során műholdak Li-ion celláit vizsgálták, és azt találták, hogy amennyiben a cellákat 4,1 V helyett csak 3,9 V-ra töltjük, élettartamuk drasztikusan megnövekedik, és akár 8 évet és 40 ezer ciklust is tudnak teljesíteni. Amennyiben azonban a 3,9 V-os értéknél alacsonyabbra töltjük a cellákat, már az anódon kialakuló SEI okoz gondot, így az optimális töltöttségi szint elméletileg a 3,9 V cellánként. Ugyanez az eset akkor is, ha a töltést ugyan csak 3,9 V-ig engedélyezzük, de a cellák hőmérsékletét lecsökkentjük, ilyenkor is felgyorsul a SEI képződése, és pontosan ez vezetett az említett Nissan Leaf akkumulátorok gyors elöregedéséhez.

A gyorstöltés is nagyon erősen befolyásolja egy cella élettartamát. Dahn professzor és csoportja ezt is vizsgálta, és a következő ábrán látható következtetésre jutott.

Akkucella-degradáció
Az egyes töltési sebességek hatása a cellák élettartamára (Forrás)

Jól látható, hogy minél na­gyobb a töltőáram, annál ke­vésbé tartósak a cellák. Ezt a hatást a Tesla ultrakapacitások beépítésével csökkentette, így erős gyorsulás vagy rege­neratív fékezés esetén nem az akku tárolja a töltés nagy ré­szét, hanem átmenetileg az ultrakapacitások, melyek akár közvetlenül a hajtás felé (egy erős fékezés utáni gyorsítás­kor) vagy alacsonyabb töltőárammal, fokozatosan az akkumulátorok felé továbbítják az energiát, így tulajdonképpen „kisimítják” az akkucellák terhelését.

Akku termomenedzsment

Ahogy fentebb már említettem, a cellák maximális töltöttségének limitálása nagyon meghosszabbítja azok élettartamát, és – prémium gyáróként ez könnyedén megvalósítható – a Tesla pont ezért épít be autóiba a szükségesnél nagyobb mennyiségű cellát. Így az autó bekerülési költsége ugyan megnő, de az akkumulátorok élettartama meghosszabbítható.

A másik paraméter a hőmérséklet. Az akkumulátorok termomenedzsmentje hivatott azt biztosítani, hogy az akkucellák hőmérséklete lehetőség szerint 20 és 40 Celsius fok között legyen, mivel a Li-ion akkuk ebben a hőmérséklet tartományban működnek a legjobban, elöregedésük ekkor a legcsekélyebb. Hidegben a belső ellenállásuk megnő, és így az általuk biztosított feszültség is alacsonyabb, ugyanakkor a belső ellenállás miatt az akku hőt termel, így előfordul olyan eset is, amikor a kisütési ciklus megkezdése után a hőtermelés miatt az akku feszültsége nemhogy nem csökken, de még növekszik is.

Hideg időjárás esetén az elektromos autók többsége képes arra, hogy a töltő csatlakoztatásakor a töltést alacsonyabb áramerősséggel kezdje meg, így a gyorstöltéssel megvárja, amíg az akku az optimális hőmérsékletre melegedik. Nyáron a helyzet fordított, lehet, hogy az autó képes mondjuk 50 kW-tal töltődni, erre az oszlop is képes lenne, de a töltőelektronika rossz esetben csak 5-10 kW-os töltést „enged be” mondjuk egy hosszabb autópálya szakasz után, mivel az akkucellák hőmérséklete olyan magas, hogy ha erre „ráengedné” a több száz amperes töltőáramot, akkor azok véglegesen károsodnának.

A típusok egy részében a jármű aktívan is képes szabályozni az akkuk hőmérsékletét, azaz télen felfűti, nyáron pedig a klímát működtetve lehűti azokat, így hosszabb autópályázás után is gyorsabban képes az autó felvenni a töltést. A Tesla különösen intelligens ilyen szempontból, hiszen, ha tudja, hogy nemsokára le fog merülni az autó, vagy a navigációban a sofőr egy gyorstöltőt adott meg célpontként, akkor mielőtt az autó odaérne, már menet közben elkezdi az akku kondicionálását a gyorstöltéshez: visszavesz a teljesítményből, és / vagy a klímával, vagy az akkuk felfűtésével előállítja a megfelelő hőmérsékletet, így amikor a jármű beáll a töltőoszlophoz, akkor azonnal képes felvenni a maximális töltőáramot. Más típusok ezt a kondicionálás általában csak a töltőkábel csatlakoztatása után kezdik meg (ha tudják egyáltalán).

Elektromos autó vásárlása előtt éppen ezért mindenképpen érdemes megnézni, hogy a kiválasztott típus milyen termomenedzsmenttel rendelkezik, mert például egy Nissan Leaf, egy első generációs Volkswagen e-Golf vagy e-Up! esetében, semmilyen aktív akku fűtés vagy hűtés nincs beépítve, mindössze a Toyota HSD-hez hasonlóan egy ventilátor, amely az utastérből juttat levegőt az akkukhoz. Egy nyári napon azonban, amikor parkoláskor az utastér hőmérséklete is bőven meghaladja a 40 fokot, ez a levegőkeringtetés nem sokat segít.

Környezeti hőmérséklet hatásai, klíma, fűtés

Az elektromos autók ellenérveként sokan hozzák fel az autópályás haladás és a téli üzemeltetés során tapasztalható fogyasztás-növekedést és hatótáv csökkenést. A használati tapasztalatok alapján ez azonban csak részben igaz. A téli üzemeltetéskor az elektromos fűtés érdemben nem csökkenti a hatótávolságot, a BMW i3 esetében nagyjából 15 %-os többletfogyasztást, a Tesla Model 3 AWD Long Range esetében még ennyit sem jelent. Az autópálya használat esetében a két autó jelentősen különbözik egymástól, ami elsősorban az eltérő alaktényezőjükre vezethető vissza: az i3 a városi használathoz képest nagyjából kétszer akkora fogyasztással rendelkezik 130-140 km / h körüli, és másfélszer akkora fogyasztással 110 km/h körüli sebességnél, míg a Tesla esetében ez csak 40, illetve 10-15 %-os fogyasztástöbbletet jelent.

A klíma használata is csökkenti a hatótávolságot, ennek mértéke azonban annyira függ a külső hőmérséklettől, a beállított utastér hőmérséklettől, a napsugárzás erősségétől, a jármű ablakfelületeinek nagyságától, színezettségétől, és sok egyéb paramétertől, hogy erre átlagos adatot megadni nem lenne reális.

Érdekességként a Nissan Leaf klímarendszerét említem meg, amely nem csak hűteni, hanem fűteni is tud, így, ha a külső hőmérséklet nem nagyon alacsony (általában 5 Celsius fok feletti értéket szoktak megadni), akkor a klíma ezen üzemmódja fel tudja fűteni az utasteret, gazdaságosabban, mint az egyébként szintén beépített elektromos fűtőbetét. Ez utóbbira nem csak a nagyon hideg időjárás miatt van szükség, hanem azért is, mert a klíma fűtő üzemben nem párátlanít, így abban az életszerű esetben, ha egyszerre van szükség páramentesítésre és fűtésre a fűtőbetét veszi át a főszerepet.

<— XII. rész: A “villamos gép”

XIV., befejező rész: környezetvédelmi szempontok és végkövetkeztetés –>

Az utolsó részből végre kiderül majd, hogy valóban nullemissziós-e egy elektromos autó, és ha nem, akkor mennyire nem.

 

 

 

, , , , , , , , , , , ,

Vélemény, hozzászólás?