Wszystko, czego nie wiedzieliście o akumulatorach trakcyjnych. Porsche zdradziło mi sekrety swojego zamkniętego laboratorium w Weissach

Do premiery elektrycznego Porsche 718 zostało jeszcze wiele miesięcy, tymczasem tutaj tych aut jest więcej niż taksówkowych Priusów w Warszawie. W centrum w Weissach prototypy są po prostu parkowane jak zwykłe auta, w szeregu innych samochodów. Jest to bardzo ważny punkt na mapie różnych placówek Porsche, bo jest to kluczowe miejsce rozwoju nowych rozwiązań i modeli. Istnieje od 1961, kiedy powstała pierwsza płyta poślizgowa. W 1971 roku przeniesiono tu z Zuffenhausen centrum rozwojowe. Ma 7,5 tys. pracowników, 900 tys. m2, 2,8 km toru i mieści m.in. tunel aerodynamiczny z 8-metrowej średnicy turbiną zdolną wygenerować pęd powietrza na poziomie 300 km/h.

To tutaj pracują jedni z najlepszych ekspertów w branży. W nowoczesnym kampusie mogłem zajrzeć w miejsca, gdzie wielu konkurentów pewnie chciałoby móc rzucić okiem, a do tego na moje pytania odpowiedzieli najlepsi eksperci Porsche, zajmujący się akumulatorami od lat. Dzięki nim mogę odpowiedzieć bardzo dokładnie na kilka pytań, które nawet nie wiedzieliście, że chcielibyście zadać.

Oczywiście jest to bardzo szerokie pytanie i ogólna odpowiedź brzmi: to zależy. Jednak jeśli uściślimy – jaką pojemność powinien mieć akumulator trakcyjny w Porsche? – możemy dostać już jednoznaczną odpowiedź.

Na starcie mogę wam powiedzieć – akumulatory nie będą już znacząco rosły. Eksperci przewidują, że średnie zasięgi osiągane przez auta (wg WLTP) będą kreślić wypłaszczający się wykres. Taycan miał początkowo 450 km, a po liftingu osiąga 680 km. Teraz nastąpi jednak spowolnienie. W okolicy 2030 dojdzie do stabilizacji na poziomie 800 km.

Kluczowe dla producenta jest, żeby dostosować parametry swojego auta elektrycznego do realnych potrzeb klienta. Tutaj fundamentalnie istotny jest kompromis między czasem podróży i dynamiką jazdy. Z kolei po stronie producenta stoją trzy wymagania: emisyjne, bezpieczeństwo baterii i żywotność baterii. Są one zależne są od dwóch głównych czynników, które muszą osiągnąć kompromis – pojemność akumulatora trakcyjnego oraz jego masa.

Pytanie o idealną pojemność akumulatora trzeba rozbić na czynniki, które regulowane są przez wymagania rynkowe, wewnętrzne i legislacyjne, a dopiero ich pochodną jest sama pojemność. Te wymagania to:

• ślad węglowy,
• żywotność baterii,
• wydajność energetyczna,
• bezpieczeństwo baterii,
• dynamika jazdy,
• czas podróżowania,
• masa baterii.

Jakiego zasięgu oczekują kierowcy elektrycznych Porsche deklaratywnie? 85 proc. z nich twierdzi, że między 300 a 500 km. 15 proc. deklaruje zapotrzebowanie na 600-1000 km zasięgu. Tymczasem dane zebrane z samochodów pokazują, że dzienne przebiegi rozkładają się inaczej. 95 proc. klientów pokonuje dziennie mniej niż 200 km. Tylko 2 proc. pokonuje więcej niż 300 km.

Czy to oznacza, że w rzeczywistości duże zasięgi nie są potrzebne? To byłoby złe założenie. Dr Matthias Goldsche podkreśla: "błędem byłoby skupić się na tych 95 procentach. Ci klienci od czasu do czasu wchodzą w te 2 proc." Duży zasięg jest potrzebny okazjonalnie, ale ostatecznie jest niezbędny nawet dla tych, którzy na co dzień go nie potrzebują, żeby samochód był pełnowartościowy.

Ważne dla klienta jest też stabilne szybkie ładowanie. Stąd też zmiana w Taycanie po liftingu, który zamiast nieco ponad 300 kW utrzymywanych przez około 5 minut, osiąga teraz 320 kW przez znaczną część ładowania. Przy liftingu tego modelu udało się też zwiększyć maksymalny prąd rozładowania z 860 do 1100 A, co przełożyło się na dużo lepszą dynamikę samochodu.

Przy odświeżeniu Taycana zmniejszono także minimalną temperaturę rozpoczęcia szybkiego ładowania z 25 do 15 stopni Celsjusza. Zredukowano masę akumulatora z 634 kg do 625 kg. To przełożyło się też na większą o 13 proc. gęstość energetyczną – ze 148,7 wzrosła ona do 168,3 Wh/kg. Wszystkie te zmiany wynikały z potrzeby klientów wydłużenia okna szybkiego ładowania. Cała reszta to, jak mówią eksperci Porsche, przyjemne skutki uboczne.

Ostatecznie po analizie wszystkich czynników odpowiedź, która będzie jednak nieco inna dla każdego modelu samochodu, dla Taycana brzmi: idealna pojemność akumulatora trakcyjnego to 100-110 kWh. Zupełnie inny wynik analizy będzie dla Porsche 718, które nawet konstrukcyjnie może być kompletnie inne niż standardowe BEV-y. Nie będzie miało bowiem sensu umieszczenie szerokiego akumulatora trakcyjnego pod podłogą – auto byłoby za wysokie, więc nie tylko pojemność, ale i upakowanie będą tu inne.

Wstępna utrata pojemności, która następuje zawsze i jest nieunikniona, zależy od tempa formowania akumulatora w produkcji. Wymaga to kompromisu, żeby nie formować akumulatora zbyt długo – to znacząco wpływałoby na spowolnienie produkcji. Normalnie proces ten zajmuje około 2-3 tygodnie. Im szybszy, tym mniej precyzyjnie wyprodukowane anody i katody i tym bardziej są one narażone na przyspieszoną degradację.

Parametry wpływające na przyspieszone starzenie się akumulatorów już w eksploatacji to:

• temperatura użytkowania,
• stan naładowania – tak przy regularnym ładowaniu, jak i przy przechowywaniu akumulatora,
• maksymalne prądy rozładowania, czyli dynamika użytkowania.

W trakcie ładowania następuje dyfuzja jonów litu z elektrolitu w anodę. Tym procesem i jego skutkami da się sterować, dobierając odpowiednio materiały. Krzem w anodzie ułatwia zwiększenie wydajności, ale zwiększą swoją objętość przy ładowaniu o 300 proc., podczas gdy grafit jedynie 10 proc.

Starzenie się baterii wynika m.in. z odbywających się w skali mikro zmian napięć mechanicznych wynikających z cykli ładowania i rozładowania. Dlatego pozornie wydajniejszy krzem może ostatecznie doprowadzać do szybszej degradacji akumulatora.

Starzenie się baterii może wynikać też z wytrącania się litu w postaci zmetalizowanej z elektrolitu i jego osadzania się na anodzie. To przekłada się na zmniejszenie powierzchni materiału aktywnego i doprowadza do zwiększenia rezystancji.

By zredukować ten problem, bardzo istotny jest dobór odpowiednich proporcji pierwiastków stosowanych na anodzie, katodzie i w elektrolicie. Co ciekawe, nawet Porsche nie ma pełnej informacji o tym, jakie dokładnie proporcje stosują poddostawcy. Jak twierdzi autor tej części wykładu – Carlos Aberto Cordoca Tineo – są to jedne z najbardziej strzeżonych tajemnic poszczególnych producentów akumulatorów.

Dobór odpowiedniej chemii w bateriach jest uwarunkowany planowaną liczbą cykli, profilem potencjalnego kierowcy i przewidywaną proporcją szybkich ładowań i dynamicznej jazdy w zestawieniu z ładowaniem niskim napięciem i użytkowaniem z niskim obciążeniem. To oznacza, że jeśli Porsche ma opracowane ogniwa do Taycana, nie wystarczy odjąć kilku segmentów, żeby włożyć mniejszy akumulator do elektrycznego 718. Ze względu na inną charakterystykę, samochód ten musi dostać inny miks pierwiastków w swoich akumulatorach.

Osadzanie litu może też zostać zredukowane przez zmniejszenie prądu ładowania wraz ze wzrostem SOH_C (realnej wartość akumulatora po degradacji). Nie można bowiem dopuścić do nadmiernego zmetalizowania się litu na anodzie, bo w skrajnych przypadkach może to doprowadzić do gwałtownego spadku wydajności akumulatora i wręcz do sytuacji, którą eksperci określają mianem "sudden death", czyli nagłej śmierci akumulatora. Degradacja jego parametrów postępuje wtedy gwałtownie i błyskawicznie doprowadza do praktycznie nieużywalności akumulatora. Są to jednak skrajne przypadki, które traktuje się jako wyjątki wynikające z ekstremalnie niewłaściwego użytkowania samochodu. Tak jak auto spalinowe można zakatować, tak można zamęczyć też auto elektryczne.

W tym kontekście ważny jest fakt, że Porsche nie przygotowuje modeli konkretnie pod dany rynek – musi mieć samochody globalne. Dlatego temperatura pracy akumulatora zawiera się między -30 a 60 stopni Celsjusza. Jednocześnie implikacją tego jest różna żywotność baterii w zależności od rynku, na którym jest eksploatowana. Np. im wyższa temperatura użytkowania, tym szybciej z elektrolitu będzie formował się w bateriach gaz.

To oznacza oczywiście utratę elektrolitu i będzie to widoczne od zewnątrz w poszczególnych modułach baterii, których próżniowo zamknięta folia z czasem będzie się wygładzać w miejscach, które są wklęsłym naddatkiem przygotowanym do zmagazynowania tego gazu bez wytworzenia ciśnienia. Proces ten jest nieunikniony, ale przyspiesza go regularne ładowanie do maksimum pojemności akumulatora oraz wysoka temperatura użytkowania. Dlatego jeśli planujecie sprowadzić do kraju używane auto elektryczne z zagranicy, lepszym wyborem będą kraje o niższych średnich temperaturach rocznych.

Istotne jest też przechowywanie auta elektrycznego, jeśli nie użytkujecie go dłuższy czas. Zalecane jest ładowanie do nie więcej niż 90 proc. SOH_C, jeśli auto ma stać dłużej.

Ostatecznie Porsche określa minimalną żywotność akumulatora, czyli uwzględniającą trudne warunki użytkowania na 15 lat. Pytanie – co potem? I tutaj przechodzimy do kolejnego ważnego pytania.

Już wkrótce producenci będą zobowiązani przepisami, żeby odebrać od konsumenta zużyty akumulator i dokonać jego recyklingu. Przepisy mówią, że określona ilość materiałów z recyklingu ma być udziałem produkcji nowych akumulatorów od 2031 roku. Ilość ta zostanie zwiększona w przepisach w 2036.

Porsche zainwestowało w startup Cylib, który opracowuje proces odzyskiwania metali ziem rzadkich z baterii. Na razie jest to etap laboratoryjny, na niewielką skalę, bo na razie z rynku nie wracają jeszcze zużyte akumulatory, a jedynie pojedyncze egzemplarze, które pochodzą z poważnych wypadków. Od 2027 Cylib ma przetwarzać około 20 tys. ton rocznie, a pełną wydajność skali przemysłowej i gotowość odbioru z rynku akumulatorów zapowiadają na 2035. Proces ten wygląda w ogólnym zarysie tak:

1. pozyskanie akumulatora,
2. rozładowanie i demontaż – wstępne odzyskanie aluminium i miedzi,
3. pre-treatment – odzyskanie aluminium, miedzi i żelaza,
4. OLiC (Optimized Lithium and Graphite Recovery) – odzyskanie litu i grafitu,
5. proces hydrometalurgiczny – odzyskanie niklu, kobaltu i manganu.

Z akumulatora udaje się już teraz odzyskać 85 proc. grafitu, 80 proc. litu, 95 proc. kobaltu, 95 proc. niklu i 95 proc. manganu. Generalnie jest to średnio 90 proc. masy metali ziem rzadkich.

Porsche posiada w Weissach stanowiska badawcze, które pozwalają zasymulować dowolne warunki dla napędu i akumulatora. Dlatego testy dla pojazdów elektrycznych można zrobić w pełni stacjonarnie. Zaawansowana hamownia nie wymaga postawienia całego auta. Silniki elektryczne są łączone z hamowniami, a w osobnym pomieszczeniu z regulowaną temperaturą umieszczany jest akumulator.

Hamownia może symulować opory toczenia, uślizg kół, zwiększający się z prędkością opór aerodynamiczny. Pozwala programować symulację przejazdu po poszczególnych torach, dlatego jeszcze zanim Taycan Turbo GT wyjechał na Nurburgring, już po badaniu napędu Porsche wiedziało, jaki osiągnie czas i wiedzą, że teoretycznie samochód ten byłby w stanie pokonać to okrążenie jeszcze szybciej. Różnica między wynikiem badania na stanowisku testowym vs rzeczywistość to około 5 s.

Stanowisko pomiarowe pozwala też programować różne sytuacje. Jest tu w pełni sterowalna stacja ładowania, która nie tylko pozwala symulować prąd i złącza z różnych krajów, ale może zaserwować także niedoskonałości – niestabilność połączenia, niestabilność napięcia, a nawet przegrzanie pojedynczych pinów złącza, by sprawdzić reakcję samochodu na poszczególne anomalie.

Dzięki temu zanim akumulator wraz z zespołem napędowym trafi do samochodu, może zostać sprawdzony w różnych warunkach, również ekstremalnie niekorzystnych. Testy trakcyjne czy zmęczeniowe można wykonać w zamkniętym głęboko pod ziemią laboratorium, a dopiero później, z już wstępnie opracowanymi i przetestowanymi podzespołami samochód może wjechać na tor.

Ekspert od bezpieczeństwa, zajmujący się m.in. testami zderzeniowymi aut w Porsche na starcie podkreśla: między samochodami z silnikami spalinowymi (ICE) a elektrycznymi z zasilaniem w pełni bateryjnym (BEV) są istotne różnice i każde z rozwiązań ma swoje wady i zalety.

W przypadku aut elektrycznych wyzwaniem jest ochrona akumulatora przy uderzeniach bocznych – trudno jest rozproszyć energię na odkształcenie konstrukcji na tak krótkim dystansie, dlatego trzeba ją umiejętnie przekazywać wokół akumulatora. Z drugiej strony, paradoksalnie, przy wypadku wyższa masa auta elektrycznego jest dla niego korzystna – pasażerowie są dzięki niej poddawani niższym przeciążeniom. W samochodzie spalinowym problematyczny przy wypadkach jest też ciężki, stosunkowo wysoko zawieszony silnik spalinowy.

Inżynierowie Porsche stawiają sobie 3-stopniowy zestaw wymagań przy walidacji nowego samochodu:

• regulacje prawne,
• oceny organizacji konsumenckich (np. Euro NCAP),
• wymagania wewnętrzne (np. 2-krotnie wyższa prędkość przy teście typu side pole niż w testach prowadzonych przez organizacje zewnętrzne).

Podczas wizyty w Weissach mogłem zobaczyć efekt testu zderzeniowego na nowym, elektrycznym Macanie. Był to test wspomnianego wyżej typu – side pole, czyli boczne uderzenie w okolicach słupka B, pionową, wąską konstrukcją. To z założenia trudne badanie dla konstruktorów, bo uderzenie następuje w postaci liniowej, więc siła nie rozkłada się na dużej powierzchni, toteż ma tendencje do powodowania bardzo dużych, punktowych odkształceń na konstrukcji.

Po tego typu kolizji auto jest już właściwie do kasacji – konstrukcja traci swoją geometrię. Mimo to akumulator trakcyjny nie został tu uszkodzony, co najlepiej widać na powyższym zdjęciu. Inżynierowie podkreślają, że to zasługa dystrybucji energii po ścieżkach oplatających akumulator dookoła. Cała konstrukcja auta, nawet jeśli nie jest to widoczne na pierwszy rzut oka, poddawana jest działaniu wysokich naprężeń, żeby zdjąć je z obudowy baterii. I jest to niesamowita praca inżynierska — zdjęcie najlepiej pokazuje, że to bardzo bezpieczna konstrukcja.

W ośrodku w Weissach Porsche przeprowadza kilkaset testów zderzeniowych rocznie, rozbijając blisko 200 aut. Różnica w liczbach wynika z tego, że niektóre samochody można wykorzystać wielokrotnie przy testach, których wyniki i przede wszystkim efekty na siebie nie wpływają.

Podczas całego dnia w centrum rozwojowym w Weissach zajrzałem tylko w kilka miejsc, a i tak zaawansowane rozwiązania, którymi dysponuje tutaj Porsche, zdążyły zrobić na mnie ogromne wrażenie. Marka z Zuffenhausen pokazała, jak wiele od strony organizacyjnej, ale i finansowej potrzeba, żeby powstał bezpieczny, przemyślany samochód. A to dopiero pierwszy krok.

Przy okazji tego wyjazdu, mogłem zajrzeć też na linię produkcyjną, na której powstają 911 i Taycany. W budynkach ciasno upakowanych w Zuffenhausen rozbudowywanych już pod ziemię, bo żaden inny kierunek nie jest możliwy, dostałem pokaz high-techu w wykonaniu Porsche tym razem nie od strony projektowej, ale już produkcyjnej.

Wiele miejsc w zakładach legendarnej niemieckiej marki wygląda wręcz laboratoryjnie i nie odbiega od tego, jak kosmiczne widoki można zobaczyć w Weissach. Ta niesamowita układanka ostatecznie sprowadza się do tego, żeby na ulice trafiło szybkie, bezpieczne auto, bez względu na to, czy wybierzecie napędzane benzyną 911, czy elektrycznego Macana lub Taycana.