Energia se pierde în principal sub formă de căldură în timpul încărcării unui vehicul electric, atât în componentele vehiculului, cât și în stația de încărcare și cabluri. Aceste pierderi sunt influențate de tipul de curent (AC sau DC), puterea de încărcare și eficiența sistemelor implicate.
Pierderi în încărcarea AC (curent alternativ)
Încărcarea în curent alternativ (AC) implică conversia energiei de la rețea la curent continuu (DC) de către redresorul de la bordul vehiculului. Această conversie este o sursă semnificativă de pierderi. Redresorul, cunoscut și sub denumirea de OBC (On-Board Charger), transformă curentul AC disponibil la prizele casnice sau stațiile publice de putere mică în curentul DC necesar pentru bateria vehiculului.
Eficiența OBC-ului variază în funcție de design și putere. Un OBC de 11 kW, de exemplu, va avea o eficiență diferită față de unul de 22 kW. Pierderile se manifestă sub formă de căldură disipată de componentele electronice ale OBC-ului. Cu cât puterea de încărcare AC este mai mare, cu atât OBC-ul este supus unui stres termic mai intens, iar sistemele de răcire integrate devin cruciale. Un vehicul cu un OBC de 3,7 kW va încărca mai lent, dar pierderile relative pot fi similare sau chiar mai mari la puteri mici, deoarece componentele electronice au o eficiență optimă într-un anumit interval de putere.
Pe lângă OBC, cablul de încărcare și conectorii contribuie și ei la pierderi prin rezistență electrică. Aceste pierderi sunt direct proporționale cu lungimea cablului și invers proporționale cu secțiunea transversală a conductorilor. Un cablu mai gros și mai scurt are o rezistență mai mică și, implicit, pierderi mai reduse.
Pentru un drum ipotetic București–Cluj, un șofer care încarcă predominant acasă sau la destinație folosind AC va experimenta aceste pierderi la fiecare sesiune. Verificarea puterii maxime de încărcare AC suportate de vehicul se face în manualul utilizatorului sau în specificațiile tehnice oficiale ale producătorului. De exemplu, un vehicul poate suporta 11 kW AC trifazat, în timp ce altul doar 7,4 kW AC monofazat.
Pierderi în încărcarea DC (curent continuu)
Încărcarea în curent continuu (DC), cunoscută și sub denumirea de încărcare rapidă, mută procesul de conversie AC-DC de la bordul vehiculului la stația de încărcare. Astfel, redresorul masiv este integrat în stație, nu în vehicul. Aceasta elimină pierderile din OBC-ul vehiculului, dar introduce pierderi în stația de încărcare însăși.
Stațiile de încărcare DC de mare putere (peste 50 kW) conțin convertoare de putere complexe, sisteme de răcire și echipamente de control. Aceste componente generează căldură în timpul funcționării, reprezentând pierderi de energie. Eficiența stațiilor DC variază, dar producătorii vizează valori ridicate pentru a minimiza costurile operaționale.
În plus, cablurile de încărcare DC sunt adesea mai groase și mai grele decât cele AC, deoarece trebuie să gestioneze curenți mult mai mari. Pierderile prin rezistență în cablu rămân o componentă, deși sunt minimizate prin utilizarea de conductori cu secțiune mare. Sistemele de răcire active, integrate în unele cabluri de încărcare DC de putere foarte mare (peste 150 kW), contribuie la gestionarea căldurii, dar necesită și ele energie pentru funcționare.
Un avantaj al încărcării DC este că bateria vehiculului primește direct curent continuu, ocolind OBC-ul. Cu toate acestea, bateria însăși are o rezistență internă, iar procesul de încărcare generează căldură în celule. Sistemul de management al bateriei (BMS) monitorizează temperatura și ajustează curentul de încărcare pentru a preveni supraîncălzirea și a proteja longevitatea bateriei, conform cerințelor din UNECE GTR No. 22 privind durabilitatea bateriilor. Această ajustare poate duce la o reducere a puterii de încărcare pe măsură ce bateria se apropie de o stare de încărcare mai mare sau dacă temperatura devine prea ridicată.
Pentru un șofer care parcurge frecvent distanțe lungi, cum ar fi ruta București–Cluj, încărcarea DC este esențială pentru a minimiza timpul petrecut la stație. Informațiile despre puterea maximă de încărcare DC suportată de vehicul se găsesc în manualul de utilizare sau în documentația tehnică.
Pierderi în sistemul de management al bateriei (BMS) și bateria însăși
Bateria unui vehicul electric nu este un recipient perfect de energie. În timpul încărcării, apar pierderi interne în celulele bateriei și în sistemul de management al bateriei (BMS).
BMS-ul este un sistem electronic complex care monitorizează și controlează parametrii esențiali ai bateriei, cum ar fi tensiunea, curentul, temperatura și starea de încărcare a fiecărei celule. Rolul său este crucial pentru siguranța, performanța și longevitatea bateriei, așa cum este subliniat de Regulamentul UE privind bateriile. BMS-ul consumă o cantitate mică de energie pentru a funcționa și pentru a echilibra celulele, asigurându-se că toate celulele sunt încărcate uniform. Acest proces de echilibrare poate genera și el o cantitate minimă de căldură.
Pierderile cele mai semnificative în baterie apar din rezistența internă a celulelor. Pe măsură ce curentul electric trece prin materialele electrozilor și electrolitului, o parte din energie este disipată sub formă de căldură. Această căldură este un indicator al ineficienței procesului de încărcare. Cu cât curentul de încărcare este mai mare (încărcare rapidă DC), cu atât generarea de căldură în baterie este mai intensă.
Sistemul de răcire al bateriei joacă un rol vital în gestionarea acestei călduri. Fie că este vorba de răcire cu aer sau lichid, sistemul menține bateria în intervalul optim de temperatură pentru a maximiza eficiența încărcării și a prelungi durata de viață a bateriei. Un sistem de răcire eficient previne supraîncălzirea, care ar putea duce la reducerea puterii de încărcare sau chiar la deteriorarea bateriei. Energia consumată de sistemul de răcire este o altă formă de pierdere, deși necesară.
Eficiența bateriei variază și în funcție de starea de încărcare (SoC). De obicei, eficiența este mai mare la stări de încărcare medii și scade pe măsură ce bateria se apropie de 100% sau este aproape descărcată. De aceea, ultimele procente de încărcare durează mai mult și sunt mai puțin eficiente.
Influența temperaturii ambientale
Temperatura ambientală are un impact semnificativ asupra eficienței încărcării și, implicit, asupra pierderilor de energie. Atât temperaturile extrem de scăzute, cât și cele extrem de ridicate pot afecta procesul.
La temperaturi scăzute, rezistența internă a bateriei crește. Acest lucru înseamnă că bateria acceptă curentul de încărcare mai puțin eficient, generând mai multă căldură internă pentru aceeași putere de încărcare. Pentru a proteja bateria, BMS-ul poate limita puterea de încărcare la temperaturi sub un anumit prag (de exemplu, sub 0°C). În plus, sistemul de management termic al bateriei poate activa încălzirea bateriei pentru a o aduce la o temperatură optimă de funcționare, consumând energie din rețea sau din bateria însăși. Această energie consumată pentru precondiționare termică este o pierdere suplimentară din perspectiva energiei livrate efectiv roților.
La temperaturi ambientale ridicate, bateria se poate supraîncălzi mai ușor în timpul încărcării, mai ales la puteri mari (încărcare rapidă DC). Pentru a preveni deteriorarea, BMS-ul va reduce din nou puterea de încărcare. Sistemul de răcire al bateriei va funcționa la capacitate maximă, consumând mai multă energie pentru a menține temperatura în limite sigure.
Impactul temperaturii este resimțit și de stațiile de încărcare. Componentele electronice ale stațiilor DC funcționează optim într-un anumit interval de temperatură. La temperaturi extreme, sistemele de răcire sau încălzire ale stației pot consuma energie suplimentară, contribuind la pierderile totale.
Un șofer care călătorește pe ruta București–Cluj în timpul iernii va observa timpi de încărcare mai lungi și o energie totală mai mare consumată pentru a atinge aceeași stare de încărcare, comparativ cu o călătorie similară vara. Manualul vehiculului poate include recomandări privind încărcarea la temperaturi extreme.
Pierderi în infrastructura de rețea și cabluri externe
Pe lângă pierderile din vehicul și stația de încărcare, o parte din energie se pierde și în infrastructura electrică externă. Aceste pierderi sunt adesea subestimate, dar sunt inerente oricărui sistem de distribuție a energiei electrice.
Cablurile de alimentare care conectează stația de încărcare la rețeaua electrică națională au o rezistență electrică. Pe măsură ce curentul trece prin aceste cabluri, o parte din energie este disipată sub formă de căldură. Amploarea acestor pierderi depinde de lungimea și secțiunea transversală a cablurilor, precum și de intensitatea curentului. Pentru stațiile de încărcare de mare putere, care necesită conexiuni robuste la rețea, aceste pierderi pot fi mai semnificative.
Transformatoarele, care ajustează tensiunea electrică de la rețea la nivelul necesar pentru stația de încărcare, sunt o altă sursă de pierderi. Deși transformatoarele moderne sunt foarte eficiente, ele nu sunt perfecte și generează o cantitate mică de căldură în timpul funcționării.
În cazul încărcării AC la domiciliu, pierderile pot apărea și în instalația electrică a locuinței, de la tabloul electric până la priza unde este conectat vehiculul. Cablurile vechi sau subdimensionate pot avea o rezistență mai mare, ducând la pierderi suplimentare și la o încălzire nedorită a instalației.
Regulamentul UE privind infrastructura pentru combustibili alternativi (AFIR) impune cerințe privind disponibilitatea și fiabilitatea punctelor de reîncărcare, dar nu specifică direct eficiența energetică a infrastructurii de rețea. Cu toate acestea, operatorii de rețea și furnizorii de stații de încărcare au un interes economic în minimizarea acestor pierderi, deoarece energia pierdută este energie nefacturată.
Un șofer nu poate influența direct aceste pierderi, dar este important să înțeleagă că energia măsurată la contorul stației de încărcare sau al locuinței include deja aceste ineficiențe ale infrastructurii.
