Straty podczas ładowania – ukryty koszt elektromobilności
frimufilms/freepik.comPodczas ładowania samochodów elektrycznych może dochodzić do utraty nawet 30% energii pobranej z sieci. Straty te przekładają się bezpośrednio na wyższe koszty ładowania i eksploatacji pojazdów elektrycznych. W obliczu dynamicznego rozwoju elektromobilności zrozumienie mechanizmów powstawania tych strat i wiedza, jak je minimalizować, stają się kluczowe zarówno dla użytkowników, jak i pracowników branży serwisowej.
Elektromobilność w Polsce rozwija się w szybkim tempie. Według danych licznika elektromobilności Polskiego Stowarzyszenia Nowej Mobilności (PSNM) pod koniec lipca 2025 r. po polskich drogach jeździło już 86 590 samochodów osobowych z napędem elektrycznym – zarówno BEV (battery electric vehicles), jak i PHEV (plug-in hybrid electric vehicles) – a infrastruktura ładowania obejmowała 10 730 ogólnodostępnych punktów.
Wraz z rozwojem rynku coraz większą uwagę zwraca się na efektywność ładowania i związane z tym koszty. Straty podczas ładowania samochodów elektrycznych bowiem dotyczą każdego użytkownika, niezależnie od marki czy modelu pojazdu.
Różnica między energią pobraną z sieci a rzeczywiście zgromadzoną w akumulatorze może być znacząca, a tym samym będzie wpływać na rzeczywiste koszty eksploatacji. Problem ten nabiera szczególnego znaczenia w dobie rosnących cen energii elektrycznej w Polsce.
Mechanizm powstawania strat energetycznych
Straty podczas ładowania samochodów elektrycznych mają charakter wieloczynnikowy i wynikają z podstawowych zjawisk fizycznych. Kluczowym źródłem jest konwersja prądu przemiennego pobieranego z sieci na prąd stały, którego wymagają akumulatory litowo-jonowe.
Proces ten nie może być w pełni efektywny, a dodatkowe straty generują:
- systemy zarządzania baterią (battery management system – BMS),
- układ klimatyzacji akumulatora trakcyjnego
- i rezystancja wewnętrzna ogniw.
Rezystancja wewnętrzna ogniw baterii wysokonapięciowej odgrywa istotną rolę w powstawaniu strat. W samochodach elektrycznych mieści się ona zazwyczaj w przedziale 50–200 miliomów (mΩ), w zależności od konstrukcji i stanu ogniw.
Wraz ze wzrostem natężenia prądu ładowania rosną również straty cieplne. Szczególnie widać to podczas szybkiego ładowania prądem stałym.
Wysokie wartości prądu powodują wtedy znaczną emisję ciepła, co z kolei wymaga dodatkowej energii do chłodzenia baterii. System zarządzania baterią, który przyczynia się do strat, monitoruje temperaturę, napięcie i prąd ogniw, balansuje ładunek między modułami oraz zarządza procesem kondycjonowania termicznego akumulatora. Wszystkie te operacje zużywają energię, która nie jest magazynowana w ogniwach.
Wpływ temperatury na efektywność ładowania
Fundamentalny wpływ na wielkość strat podczas ładowania samochodów elektrycznych ma temperatura otoczenia. Testy, które przeprowadził niemiecki automobilklub ADAC, wykazały, że przy temperaturze 23°C straty podczas szybkiego ładowania wynoszą 1–3%.
Już przy 0°C mogą jednak wzrosnąć nawet do 10%. Zimne warunki atmosferyczne wpływają negatywnie na efektywność ładowania z kilku powodów.
Ogniwa litowo-jonowe w niskich temperaturach charakteryzuje zwiększona rezystancja wewnętrzna, co prowadzi do większych strat energii w postaci ciepła. Dodatkowo bateria musi zostać podgrzana do optymalnej temperatury pracy, aby mogła bezpiecznie przyjmować duże ilości energii podczas szybkiego ładowania.
Energia potrzebna do termicznego kondycjonowania akumulatora pobierana jest z prądu ładowania lub bezpośrednio z baterii, np. podczas dojazdu do stacji ładowania. Badania ADAC pokazały, że w Tesli Model Y czas ładowania w temperaturze –7°C może być nawet o 70% dłuższy niż w warunkach letnich.
Wynika to przede wszystkim z konieczności wstępnego podgrzewania akumulatora, które zajmuje ok. 18 min przed rozpoczęciem właściwego procesu ładowania. Optymalna temperatura dla efektywnego ładowania akumulatorów litowo-jonowych mieści się w zakresie 15–25°C.
W tych warunkach straty energii są minimalne, a akumulator może przyjmować ładunek z maksymalną efektywnością. Producenci coraz częściej więc wyposażają samochody elektryczne w systemy automatycznego kondycjonowania baterii, które przygotowują akumulator do ładowania jeszcze przed podłączeniem pojazdu do stacji.
Różnice między typami ładowarek
Typ ładowarki znacząco wpływa na wielkość strat energetycznych podczas ładowania samochodów elektrycznych. Wyróżnia się 3 główne kategorie:
- domowe ładowarki AC (alternating current – prąd przemienny),
- publiczne ładowarki AC
- i szybkie ładowarki DC (direct current – prąd stały).
Największe straty występują przy ładowaniu ze zwykłego gniazdka – mogą sięgać nawet 30% pobranej energii. Główną przyczyną jest niska efektywność prostowników wbudowanych w pojazdy i długi czas ładowania, w trakcie którego energia zużywana jest na pracę systemów pokładowych.
Dodatkowo przy niskiej mocy (ok. 2,3 kW) rośnie względny udział energii zużywanej przez systemy pomocnicze pojazdu. Lepszą efektywność oferują ładowarki ścienne (wallbox) o mocy zazwyczaj 11 kW lub 22 kW.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Dzięki wyższej mocy i sprawniejszym przetwornicom straty mieszczą się tu w zakresie 6–14%. Dodatkowym atutem jest możliwość sterowania procesem ładowania i wykorzystania tańszych taryf nocnych, co przekłada się na niższe koszty eksploatacji.
Szybkie stacje ładowania DC mogą osiągać najniższy poziom strat w optymalnych warunkach. Ponieważ prąd stały dostarczany jest bezpośrednio do akumulatora, eliminuje się konieczność konwersji AC/DC w pojeździe.
Główne straty w tym przypadku wynikają z konieczności chłodzenia akumulatora, szczególnie na początku procesu ładowania. Dlatego specjaliści zalecają maksymalizowanie ilości energii ładowanej w trakcie jednej sesji.
Analiza rzeczywistych danych pomiarowych
Szczegółowe badania strat podczas ładowania ADAC przeprowadził w 2020 r., testując 15 różnych modeli samochodów elektrycznych. W badaniach korzystano z metodologii EcoTest z ładowaniem prądem przemiennym o mocy 22 kW przez złącze Typu 2.
Wyniki wykazały znaczne różnice między poszczególnymi modelami. Najlepszy wynik osiągnęła Kia e-Niro, ze stratami na poziomie 9,9%. Bardzo dobrze wypadły również Hyundai IONIQ Electric, Kia e-Soul i BMW i3 (120 Ah) – w ich przypadku strat wyniosły 12,2–12,3%.
Do grupy pojazdów o średnich stratach, 14–16%, zaliczono m.in. Audi e-tron, Mini Cooper SE, VW e-Up! oraz Mercedesa EQC 400 4 Matic. Różnice te wynikają m.in. z odmiennych rozwiązań konstrukcyjnych, które zastosowano w systemach ładowania i zarządzania akumulatorami.
Najwyższe straty zarejestrowano w przypadku niektórych modeli Tesli i Renault. Tesla Model 3 w wersji Long Range osiągnęła wynik 24,9%, co oznacza, że do akumulatora docierało ok. 75% energii pobranej z ładowarki.
Renault Zoe w standardowej wersji odnotowało straty na poziomie 19%. Tak wysokie wartości prawdopodobnie wynikały z wielu czynników, w tym wieku testowanych egzemplarzy i specyfiki systemów zarządzania baterią stosowanych w tamtym okresie.
Co wpływa na efektywność ładowania?
Krzywe ładowania wskazują, że pojazdy osiągają najwyższą moc ładowania przy niskim poziomie naładowania, a następnie stopniowo redukują pobór energii wraz ze wzrostem SoC. Testy przeprowadzone przez ADAC wykazały, że rozpoczynanie procesu ładowania przy wyższym stanie naładowania może znacząco obniżyć jego efektywność.
Na przykład VW ID.3 ładowany od 10% do 80% SoC osiąga moc 100 kW przy 50% naładowania. Natomiast przy rozpoczęciu ładowania już od 50% SoC początkowa moc wynosi jedynie ok. 60 kW.
Ta charakterystyka ma praktyczne konsekwencje dla użytkowników. Z punktu widzenia czasu najbardziej efektywne jest rozpoczynanie ładowania przy możliwie niskim poziomie SoC.
Z kolei ładowanie powyżej 80% wiąże się z wyraźnym spadkiem mocy i proporcjonalnym wzrostem strat energetycznych w przeliczeniu na czas. Producenci pojazdów elektrycznych stosują różne strategie ładowania w celu ochrony akumulatorów.
Systemy BMS ograniczają prąd po przekroczeniu 80% pojemności, co sprawia, że ostatnie 20% ładuje się znacznie dłużej i z większymi stratami. Podsumowując, straty podczas ładowania samochodów elektrycznych znacząco wpływają na rzeczywiste koszty eksploatacji pojazdów zeroemisyjnych. Wielkość tych strat – wahająca się od 3% w optymalnych warunkach do nawet 30% w najmniej korzystnych scenariuszach – wymaga większej uwagi ze strony producentów, operatorów infrastruktury i użytkowników końcowych.
Źródło: Materiały redakcyjne
O Autorze
