Straty ładowania

Straty ładowania podczas szybkiego ładowania DC o dużej mocy to różnica między energią dostarczoną przez stację ładowania a energią ostatecznie zmagazynowaną w akumulatorze pojazdu.

Różnica ta zwykle nie oznacza, że ładowarka jest niedokładna. Publiczne ładowarki DC korzystają z regulowanych systemów pomiarowych do rozliczeń, ale mierzą transakcję ładowania — nie końcową ilość energii chemicznej zmagazynowanej w ogniwach akumulatora.

Część energii zamienia się w ciepło w kablach, złączach, osprzęcie pojazdu i samym akumulatorze. Część jest celowo zużywana na ogrzewanie akumulatora, chłodzenie, pompy, wentylatory, jednostki sterujące i inne systemy działające podczas sesji.

W tym artykule straty ładowania obejmują oba te elementy:

• straty fizyczne, które zamieniają energię elektryczną w ciepło
• energię pomocniczą zużywaną przez pojazd podczas ładowania

Zużycie pomocnicze nie musi oznaczać energii zmarnowanej. Ogrzewanie i chłodzenie akumulatora mogą być konieczne, aby ładowanie było szybkie, bezpieczne i powtarzalne. Jednak ta energia nadal nie zostaje zmagazynowana w akumulatorze.

Obliczanie strat ładowania

Straty ładowania zwykle wyraża się w procentach:

Straty ładowania = (Energia dostarczona - Energia zmagazynowana) / Energia dostarczona

Jeśli ładowarka dostarczy 70 kWh, a akumulator zmagazynuje 66 kWh, szacowane straty ładowania wynoszą:

(70 kWh - 66 kWh) / 70 kWh = 5.7%

Efektywność ładowania to odwrotne wyrażenie:

Efektywność ładowania = Energia zmagazynowana / Energia dostarczona

W tym przykładzie efektywność ładowania wynosi około 94.3%.

Trudność nie leży we wzorze, lecz w uzyskaniu dokładnej wartości energii faktycznie zmagazynowanej w akumulatorze.

Co mierzy ładowarka

Publiczna ładowarka DC mierzy energię elektryczną przekazaną podczas sesji ładowania. Jest to wartość używana do obliczenia rachunku i zwykle wyświetlana na ekranie ładowarki lub na potwierdzeniu ładowania.

Ważne jest rozróżnienie czterech różnych wartości:

• Energia rozliczana jest mierzona przez ładowarkę w kWh.
• Moc ładowarki to chwilowa szybkość ładowania raportowana przez ładowarkę w kW.
• Moc ładowania pojazdu jest mierzona lub szacowana przez pojazd.
• Energia dodana do akumulatora zwykle musi być obliczona na podstawie danych akumulatora lub oszacowana na podstawie zmiany stanu naładowania.

Ładowarka nie mierzy końcowej energii chemicznej zmagazynowanej wewnątrz ogniw. Sesja ładowania może więc być prawidłowo rozliczona, mimo że akumulator zmagazynuje mniej kilowatogodzin niż wskazuje ładowarka.

Co pokazuje wyświetlacz pojazdu

Moc ładowania pokazywana w samochodzie może być nieco niższa niż moc pokazywana przez ładowarkę.

Ładowarka i pojazd korzystają z oddzielnych czujników i obliczeń. Ładowarka mierzy zgodnie ze swoim zatwierdzonym systemem pomiarowym, natomiast pojazd oblicza wartość na podstawie pomiarów w swoim własnym układzie wysokiego napięcia.

Dokładny punkt pomiarowy po stronie pojazdu różni się między producentami. W zależności od konstrukcji wyświetlana moc może oznaczać:

• moc wchodzącą do pojazdu
• moc na wewnętrznej magistrali wysokiego napięcia
• moc docierającą do pakietu akumulatorów
• wartość obliczoną przez system zarządzania akumulatorem

Liczby pokazywane w samochodzie nie powinny więc być automatycznie interpretowane jako moc netto magazynowana w ogniwach. Wewnętrzna rezystancja akumulatora, zużycie związane z zarządzaniem termicznym, obciążenia niskonapięciowe i inne straty mogą nadal występować poza wartością przedstawioną na wyświetlaczu lub po jej uwzględnieniu.

To wyjaśnia, dlaczego trzy różne liczby mogą jednocześnie być poprawne:

1. ładowarka pokazuje najwyższą moc lub energię
2. pojazd pokazuje nieco niższą wartość ładowania
3. akumulator magazynuje mniej energii, niż sugeruje którakolwiek z tych wartości

Prawny pomiar i certyfikacja

Publiczne urządzenia do ładowania używane do komercyjnego rozliczania podlegają wymaganiom metrologii prawnej. Zasada jest podobna jak w przypadku dystrybutora paliwa: klient musi być rozliczany na podstawie systemu pomiarowego, który pozostaje w określonych granicach dokładności.

W Unii Europejskiej dyrektywa (UE) 2026/706 zmieniła dyrektywę w sprawie przyrządów pomiarowych, aby objąć systemy pomiarowe dla urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych. Weszła w życie 9 kwietnia 2026 r. Państwa członkowskie muszą dokonać transpozycji wymagań do kwietnia 2028 r. i stosować krajowe środki od października 2028 r., z przepisami przejściowymi dla urządzeń i certyfikatów już obecnych na rynku.

Dyrektywa definiuje punkt przekazania jako punkt, w którym energia jest przekazywana między EVSE a pojazdem. Chociaż fizyczny licznik może być zainstalowany wewnątrz szafy ładowarki, zatwierdzony system pomiarowy EVSE musi uwzględniać energię dostarczoną w zdefiniowanym punkcie przekazania. Ciepła generowanego w kablu nie należy więc po prostu zakładać jako w pełni doliczanego do energii rozliczanej klienta.

Na poziomie międzynarodowym OIML G 22 zawiera wytyczne obejmujące wymagania metrologiczne i techniczne dla zarówno AC, jak i DC EVSE, w tym zatwierdzanie, weryfikację, testowanie, dane metrologiczne i pełne zachowanie systemu pomiarowego.

W Stanach Zjednoczonych NIST Handbook 44 zawiera specyfikacje i tolerancje dokładności dla systemów tankowania pojazdów elektrycznych. NIST publikuje również procedury testowe służące do oceny detalicznych urządzeń do ładowania EV pod kątem tych wymagań.

Zasady te zapewniają uczciwy pomiar transakcji handlowej. Nie oznaczają jednak, że każda rozliczona kilowatogodzina zostaje zmagazynowana w akumulatorze pojazdu.

Gdzie powstają straty ładowania

Podczas ładowania HPC stacja ładowania przekształca prąd AC z sieci w kontrolowaną moc DC i dostarcza ją do układu wysokiego napięcia pojazdu. Pokładowa ładowarka AC pojazdu jest pomijana, ale pozostaje kilka innych miejsc strat i zużycia.

Główne czynniki to:

• rezystancja kabla i złącza
• rezystancja wlotu pojazdu i styków
• styczniki, szyny zbiorcze, czujniki i okablowanie wysokiego napięcia
• konwersja napięcia, jeśli jest wymagana
• rezystancja wewnętrzna ogniw akumulatora
• ogrzewanie i chłodzenie akumulatora
• pompy płynu chłodzącego, wentylatory, zawory i sprężarki
• system zarządzania akumulatorem i inne układy elektroniki sterującej
• zasilanie DC/DC dla niskonapięciowego układu elektrycznego

Różnice spowodowane zaokrągleniem SoC lub szacunkami pojemności nie są fizycznymi stratami ładowania. Są źródłem niepewności przy próbie obliczenia strat na podstawie publicznie dostępnych danych ładowania.

Straty kabla i złącza

Duży prąd powoduje nagrzewanie się przewodników i styków elektrycznych. Kable HPC są więc często chłodzone cieczą, co pozwala im przewodzić kilkaset amperów bez nadmiernej grubości, masy lub nagrzewania.

Fizyczny licznik energii może znajdować się wewnątrz szafy ładowania, przed trwale podłączonym kablem. Jednak metrologia prawna uwzględnia działanie kompletnego systemu pomiarowego i jego zdefiniowanego punktu przekazania, a nie tylko położenie samego licznika.

Straty kabla i złącza nadal mają znaczenie techniczne. Wpływają na limity termiczne, chłodzenie kabla, efektywność ładowarki i maksymalny prąd, jaki urządzenie może utrzymać.

Straty te stają się coraz bardziej istotne przy 500–800 amperach. Przy takich prądach niewielkie zmiany rezystancji styków, temperatury przewodników, konstrukcji kabla i chłodzenia złącza mogą znacząco wpływać na wydzielanie ciepła.

Straty elektryczne po stronie pojazdu

Po wejściu do pojazdu prąd ładowania przechodzi przez wlot, styczniki, czujniki prądu, szyny zbiorcze, okablowanie wysokiego napięcia i ewentualnie sprzęt do konwersji napięcia, zanim dotrze do akumulatora.

Każdy przewodnik i połączenie mają pewną rezystancję. Może ona być bardzo niska, ale prąd podczas ładowania HPC jest wysoki.

Nagrzewanie elektryczne opisuje wzór:

Strata mocy = Prąd² × Rezystancja

Ponieważ prąd jest podnoszony do kwadratu, podwojenie prądu powoduje czterokrotny wzrost strat rezystancyjnych, jeśli rezystancja pozostaje bez zmian.

Dla przybliżonego porównania:

• 200 kW przy 400 woltach wymaga około 500 amperów
• 200 kW przy 800 woltach wymaga około 250 amperów

To jeden z powodów, dla których architektury wyższego napięcia są przydatne przy szybkim ładowaniu. Mogą dostarczyć tę samą moc przy niższym prądzie, zmniejszając nagrzewanie rezystancyjne kabli, złączy i przewodników wysokiego napięcia.

Rzeczywiste napięcie akumulatora zmienia się wraz z SoC i obciążeniem, więc „400-woltowe” i „800-woltowe” to klasy architektury, a nie stałe napięcia robocze.

Wewnętrzne straty akumulatora

Ogniwa litowo-jonowe mają rezystancję wewnętrzną. Gdy prąd ładowania przepływa przez ogniwa, część energii wejściowej zamienia się w ciepło zamiast w zmagazynowaną energię chemiczną.

Wewnętrzne straty akumulatora zależą od:

• chemii ogniwa
• formatu ogniwa i konstrukcji elektrod
• temperatury akumulatora
• prądu ładowania
• stanu naładowania
• wieku akumulatora
• strategii ładowania producenta

Strata nie jest stała w całej sesji ładowania. Ogniwa mogą generować więcej ciepła podczas ładowania dużym prądem, podczas gdy ładowanie blisko pełnego SoC wykorzystuje niższy prąd, ale trwa dłużej.

Jeśli temperatura akumulatora wzrośnie powyżej preferowanego zakresu pracy, pojazd zmniejsza moc ładowania lub zwiększa wysiłek chłodzenia. Jeśli akumulator jest zbyt zimny, pojazd może wykorzystać część dostarczanej energii do jego ogrzania.

Dwa EV z taką samą deklarowaną szczytową mocą ładowania mogą więc mieć różną efektywność ładowania i odmienne zachowanie termiczne.

Zużycie energii przez zarządzanie termiczne

Ładowanie wysokiej mocy to również proces zarządzania termicznego.

Podczas sesji ładowania pojazd może uruchamiać:

• pompy płynu chłodzącego
• wentylatory chłodnicy
• sprężarkę czynnika chłodniczego
• zawory płynu chłodzącego
• chłodnicę akumulatora
• grzałkę wysokiego napięcia
• pompę ciepła
• jednostki sterujące akumulatorem i ładowaniem

Systemy te zużywają energię elektryczną, ale ich zadaniem jest utrzymanie ogniw i sprzętu ładowania w dopuszczalnym zakresie temperatur.

Odświeżony Porsche Taycan pokazuje skalę systemu termicznego wymaganego do utrzymania ładowania HPC. Porsche podaje ładowanie z mocą do 320 kW na odpowiednim sprzęcie 800-woltowym, a także ponad 300 kW dostępne przez maksymalnie pięć minut w odpowiednich warunkach. Porsche podało również, że zmodyfikowana płyta chłodząca akumulator zwiększyła zdolność chłodzenia z 6 do 10 kW.

Wartość 10 kW opisuje zdolność odprowadzania ciepła, a niekoniecznie 10 kW zużycia energii elektrycznej. System chłodzenia z czynnikiem chłodniczym może przenosić więcej energii cieplnej, niż wynosi moc elektryczna zużywana przez sprężarkę, pompy i wentylatory.

Mimo to energia elektryczna zużywana przez system termiczny zmniejsza ilość energii dostępnej do zmagazynowania podczas sesji. Jej wpływ jest stosunkowo niewielki, gdy akumulator przyjmuje ponad 300 kW, ale staje się bardziej znaczący, gdy moc ładowania maleje lub gdy ogrzewanie bądź chłodzenie trwa dłużej.

Jak temperatura wpływa na straty ładowania

Zimny akumulator

Zimny akumulator zwykle nie może przyjąć maksymalnej mocy ładowania. Pojazd może więc ogrzewać akumulator przed przyjazdem, podczas sesji ładowania lub w obu tych momentach.

Gdy ogrzewanie akumulatora odbywa się po podłączeniu do ładowarki, część dostarczonej energii jest zużywana przez grzałkę i układ chłodzenia zamiast zwiększać SoC.

Może to sprawić, że efektywna różnica między energią rozliczaną a energią dodaną do akumulatora będzie znacznie większa niż podczas sesji w ciepłych warunkach.

Wstępne ogrzewanie akumulatora na podstawie trasy może poprawić wynik. Pojazd wykorzystuje energię podczas jazdy, aby doprowadzić akumulator do preferowanej temperatury ładowania, co pozwala rozpocząć ładowanie szybciej po przyjeździe. Wstępne ogrzewanie nie sprawia, że energia na ogrzewanie staje się darmowa, ale zmienia moment i miejsce jej zużycia.

Gorący akumulator

Gorący akumulator może wymagać aktywnego chłodzenia podczas ładowania. Może się to zdarzyć po:

• długiej jeździe z dużą prędkością
• jeździe górskiej
• wielokrotnych sesjach HPC
• wysokiej temperaturze otoczenia
• gwałtownym przyspieszaniu tuż przed ładowaniem

Sprężarka, pompy płynu chłodzącego i wentylatory chłodnicy mogą pracować z wysoką wydajnością. Jeśli system termiczny nie jest w stanie utrzymać wymaganej temperatury ogniw, pojazd zmniejsza moc ładowania.

Kierowca może zauważyć głośno pracujące wentylatory chłodzenia, ciepłe powietrze wydostające się z pojazdu lub krzywą ładowania poniżej oczekiwanego poziomu.

Jak SoC wpływa na straty ładowania

Straty ładowania nie są stałe wzdłuż krzywej ładowania.

Przy niskim i średnim SoC ciepły akumulator może przyjmować bardzo wysoki prąd. Powoduje to większe straty rezystancyjne w ogniwach i komponentach wysokiego napięcia.

Przy wyższym SoC moc ładowania maleje, a prąd spada. Chwilowe straty rezystancyjne mogą być wtedy niższe, ale pozostała część sesji trwa dłużej. Pompy, wentylatory, jednostki sterujące i inne systemy nadal zużywają energię przez cały ten czas.

Ładowanie od 80 do 100% może więc być względnie nieefektywne pod względem czasu i energii pomocniczej, mimo że prąd jest niższy niż w wysokiej mocy początkowej fazy sesji.

To jeden z powodów, dla których zakres 10–80% stał się najczęściej używanym zakresem do porównywania wydajności szybkiego ładowania DC.

Szacowanie energii akumulatora na podstawie SoC

Testy ładowania często szacują zmagazynowaną energię na podstawie zmiany SoC i deklarowanej użytecznej pojemności akumulatora pojazdu.

Na przykład:

80 kWh użytecznej pojemności × 70% wzrostu SoC = 56 kWh szacowanej energii dodanej do akumulatora

Jeśli ładowarka raportuje 59 kWh podczas tej samej sesji 10–80%, obliczone straty wyniosłyby:

(59 kWh - 56 kWh) / 59 kWh = 5.1%

To obliczenie jest przydatne, ale nie jest precyzyjnym pomiarem.

Możliwe źródła niepewności obejmują:

• zaokrąglone wartości SoC
• nieliniowe raportowanie SoC
• nieznaną temperaturę akumulatora
• użyteczną pojemność zmieniającą się wraz z temperaturą
• zarządzanie buforem górnym i dolnym
• starzenie się akumulatora
• kalibrację BMS
• zużycie pomocnicze podczas sesji
• niewielkie różnice czasowe między odczytami

Na przykład pokazana zmiana z 10% do 80% nie dowodzi, że akumulator zyskał dokładnie 70.00% swojej aktualnej użytecznej pojemności.

Dlaczego sesja ładowania nie może zmierzyć SOH akumulatora

Potwierdzenia z publicznej ładowarki nie można używać jako bezpośredniego testu pojemności akumulatora ani testu stanu zdrowia.

Załóżmy, że EV ładuje się od 10% do 80%, a ładowarka raportuje dostarczone 63 kWh. Podzielenie 63 kWh przez 70% sugerowałoby pojemność akumulatora na poziomie 90 kWh.

Taki wniosek byłby niewiarygodny, ponieważ 63 kWh obejmuje więcej niż energię zmagazynowaną w akumulatorze. Może także obejmować:

• straty elektryczne i akumulatora
• ogrzewanie lub chłodzenie akumulatora
• pompy, wentylatory i układy sterujące
• energię dostarczoną do układu niskiego napięcia
• energię zużywaną, gdy pojazd pozostaje aktywny

Wartości SoC wprowadzają dodatkową niepewność związaną z zaokrągleniem, estymacją BMS, zależną od temperatury użyteczną pojemnością, zarządzaniem buforem i możliwą ponowną kalibracją.

Pojedyncza sesja łączy więc zbyt wiele niewiadomych, aby wyodrębnić degradację akumulatora.

Powtarzane sesje w podobnych warunkach mogą ujawnić ogólny trend, ale nadal nie są równoważne z kontrolowanym testem pojemności. Lepsze źródła do oceny SOH obejmują:

• dane systemu zarządzania akumulatorem
• narzędzia diagnostyczne producenta
• powtarzane kontrolowane testy rozładowania i ładowania
• zmierzone wartości prądu i napięcia akumulatora w określonym cyklu
• długoterminowe trendy użytecznej pojemności w porównywalnych warunkach

Nawet te metody muszą uwzględniać temperaturę akumulatora, kalibrację SoC i strategię bufora producenta.

kWh z ładowarki mówi, ile energii dostarczyła ładowarka. Nie ujawnia bezpośrednio, ile użytecznej pojemności akumulatora pozostało.

Jak EVKX obsługuje straty ładowania

Krzywe ładowania EVKX opierają się na mocy ładowania po stronie ładowarki. Odzwierciedla to doświadczenie kierowcy przy publicznej ładowarce: dostarczoną moc, czas ładowania i energię dostarczoną przez ładowarkę.

Aby przeliczyć energię dostarczoną przez ładowarkę na szacowaną energię akumulatora, EVKX obecnie stosuje stałe założenie 5% strat ładowania.

Szacowana energia akumulatora = Energia dostarczona przez ładowarkę × 0.95

Na przykład:

50 kWh × 0.95 = 47.5 kWh

EVKX oszacowałby więc:

• 50 kWh dostarczone przez ładowarkę
• 2.5 kWh strat ładowania i zużycia pomocniczego
• 47.5 kWh zmagazynowane w akumulatorze

Wartość 5% jest założeniem obliczeniowym, a nie zmierzoną wartością dla każdego pojazdu lub każdej sesji ładowania.

Rzeczywiste straty ładowania mogą być niższe lub wyższe w zależności od:

• temperatury akumulatora i otoczenia
• prądu ładowania
• stanu naładowania
• chemii akumulatora i konstrukcji pakietu
• kabla i sprzętu ładowania
• aktywności zarządzania termicznego
• zużycia pomocniczego pojazdu

Użycie jednego spójnego założenia ułatwia porównania ładowania EVKX między pojazdami. Otrzymane wartości należy interpretować jako szacunki porównawcze, a nie laboratoryjne pomiary energii akumulatora.

To samo ograniczenie dotyczy obliczonego zasięgu dodanego na minutę. Zależy on zarówno od szacowanej energii akumulatora, jak i przyjętej wartości zużycia.

Co straty ładowania oznaczają dla kierowców

Straty ładowania zwykle są zauważane pośrednio, a nie jako osobna wartość.

Mogą objawiać się jako:

• więcej kWh rozliczonych niż wynikałoby z przyrostu SoC
• różne wartości mocy na ładowarce i na wyświetlaczu pojazdu
• większe zużycie energii podczas ładowania zimą
• głośne systemy chłodzenia podczas ładowania w upale lub podczas wielokrotnego ładowania
• wyższy koszt na użyteczne kWh, niż sugeruje sama cena ładowarki

Straty ładowania są tylko jedną częścią praktycznego doświadczenia ładowania. W przypadku jazdy na długich dystansach bardziej zauważalne są zwykle kształt krzywej ładowania, dostępność ładowarek, wstępne ogrzewanie akumulatora, niezawodność i czas postoju na ładowanie.

Jednak do szczegółowych porównań ładowania kluczowe jest rozróżnienie między energią dostarczoną a zmagazynowaną. Ładowarka może być dokładna i prawidłowo rozliczać sesję, mimo że akumulator magazynuje mniej energii, niż dostarczyła ładowarka.

Powiązane terminy

• High-Power Charging
• DC Fast Charging
• Krzywa ładowania
• Wstępne ogrzewanie akumulatora
• Efektywność ładowania
• Stan naładowania
• Stan zdrowia
• Użyteczna pojemność akumulatora
• Zarządzanie termiczne akumulatora
• Metrologia prawna