Mała bateria LFP czy duża bateria NMC, którą wybrać? Przykład Kia EV2

Baterie typu LFP stają się coraz powszechniejsze w tanich samochodach elektrycznych, podczas gdy modele o długim zasięgu nadal często wykorzystują technologię NMC. Ale jakie są różnice w praktycznym użyciu i który typ należy preferować? Kia EV2, który oferuje obie opcje, stanowi doskonały przykład do zbadania.

Wybór spośród kilku baterii oferowanych dla tego samego samochodu elektrycznego polegał zazwyczaj na prostym rozstrzyganiu między zasięgiem, szybkością ładowania a osiągami w odniesieniu do ceny, przy prostym założeniu: im drożej, tym potężniejszy, tym dalszy zasięg i tym szybsze ładowanie. Jednak zasady zmieniają się wraz z pojawieniem się baterii LFP. Są one coraz częściej preferowane przez producentów dla „mniejszych” modeli, podczas gdy te większe nadal wykorzystują baterie NMC. Dotyczy to np. Kia EV2, który służy nam dziś jako przykład, ale tak samo jest z całym nowym pokoleniem modeli grupy Volkswagen, takimi jak ID.Polo, Skoda Epiq czy Cupra Raval, a wkrótce także w Renault – przede wszystkim modeli R5, Mégane i Scenic. To sprawia, że równanie staje się nieco bardziej złożone.

Poznaj także

Kia EV2: do 10 100 € dotacji na zakup tego małego elektrycznego SUV-a

Weźmy pod uwagę ten mały koreański elektryczny SUV, który dostępny jest w dwóch pojemnościach – 42,2 i 61 kWh – ale z dwiema różnymi chemiami. Mała bateria ma typ LFP (lit-żelazo-fosforan), natomiast większa wykorzystuje chemię NMC (nikel-mangan-kobalt). Analizując ich parametry techniczne, odkrywamy kilka sprzecznych z intuicją faktów: mała bateria jest połączona z najsilniejszym silnikiem, charakteryzuje się najwyższym napięciem oraz wyższym pułapem ładowania. Z drugiej strony, większa bateria przechowuje o około 45% więcej energii, mimo że waży zaledwie kilka dodatkowych kg.

Który więc wybrać?

317 czy 453 km? Zasięg oczywiście ma znaczenie

Zacznijmy od najprostszego. Dzięki pojemności 42,2 kWh bateria LFP umożliwia EV2 osiągnięcie zasięgu do 317 km według standardu WLTP w zależności od konfiguracji. Przy baterii NMC o pojemności 61 kWh maksymalny zasięg wzrasta do 453 km. Różnica wynosi więc 136 km, co stanowi około 43% dodatkowego zasięgu.

Dla samochodu przeznaczonego głównie do codziennych podróży, około 300 km zapewniane przez mniejszą baterię powinno w pełni wystarczyć wielu kierowcom, szczególnie przy możliwości ładowania w domu. Aby EV2 stał się głównym pojazdem w gospodarstwie domowym i umożliwił dłuższe trasy, pojemność 61 kWh jest oczywiście znacznie bardziej atrakcyjna.

Różnica między dwiema bateriami wynosi zaledwie 6 kg!

Prawdopodobnie jest to najbardziej zaskakująca cecha obu pakietów: akumulator LFP o pojemności 42,2 kWh waży 319 kg, podczas gdy akumulator NMC o pojemności 61 kWh waży 325 kg. Innymi słowy, różnica między nimi wynosi zaledwie 6 kg, mimo że drugi posiada pojemność 18,8 kWh, co stanowi prawie 45% więcej energii. Ta różnica ilustruje jeden z głównych wad technologii LFP: jej gęstość energetyczna jest zazwyczaj niższa od gęstości chemii NMC. Przy porównywalnej masie lub objętości, technologia NMC umożliwia zatem przechowywanie większej ilości energii.

Należy jednak unikać wyciągania z tych danych bezpośredniego porównania gęstości komórek. Kia podaje masę kompletnych pakietów, które obejmują również ich strukturę, system chłodzenia, elektronikę oraz zabezpieczenia. Architektura może znacznie różnić się pomiędzy poszczególnymi bateriami. Dla kierowcy jednak fakt pozostaje imponujący: wzrost pojemności z 42,2 na 61 kWh praktycznie nie wpływa negatywnie na masę EV2.

Dla producenta istnieje jeszcze jeden zaleta posiadania gamy pojazdów o masywnie podobnej wadze – nie trzeba dostosowywać elementów kontaktujących się z podłożem ani systemu hamulcowego w zależności od baterii.

Mniejsza bateria LFP ma również swoje zalety

Dlaczego więc Kia używa LFP w swojej małej baterii? Ta chemia posiada kilka zalet, w tym dobrą stabilność termiczną. Jest ponadto znana ze swojej trwałości: przy porównywalnych parametrach takie ogniwa często wytrzymują więcej pełnych cykli ładowania i rozładowywania, zanim dojdzie do znacznego uszkodzenia.

Lepiej radzą sobie również z częstym ładowaniem do 100%, co pozwala częściowo zredukować różnicę w zasięgu. Co więcej, konieczne jest dokonanie pełnego ładowania w celu zrównoważenia ogniw, co jest regularnie wymagane przez komputer pokładowy – to zupełnie inny temat, do którego Soufyane wkrótce powróci.

Oczywiście to nie oznacza, że bateria NMC nigdy nie powinna być w pełni naładowana, ale utrzymywanie jej przez dłuższy czas w stanie bardzo wysokiego naładowania tradycyjnie mniej sprzyja jej starzeniu się.

Dlaczego mała bateria daje większą moc?

Kolejna ciekawostka: bateria małego modelu EV2 jest potężniejsza od tej większej, mimo że silnik wydaje się identyczny. Pierwsza z nich zapewnia maksymalną moc 107,8 kW (147 KM), podczas gdy w przypadku baterii NMC jest to 99,5 kW (135 KM). Moment obrotowy pozostaje taki sam i wynosi 250 Nm. W rezultacie, w zależności od wersji, przyspieszenie z 0 do 100 km/h trwa około 8,5–8,7 sekundy przy małej baterii oraz 9,5–9,7 sekundy przy dużej.

Czy w tym przypadku wracamy do cech wewnętrznych LFP kontra NMC? Tak… Ale też nie. Oczywiście chemia odgrywa rolę, ponieważ wpływa m.in. na napięcie ogniwa, jego opór wewnętrzny, zachowanie termiczne oraz prąd, jaki może przyjąć podczas rozładowania. Jednak nie istnieje prosta zasada mówiąca, że „LFP dostarcza większej mocy niż NMC” — ani odwrotnie. Badania porównujące różne ogniwa pokazują, że osiągi mocy znacznie się różnią w zależności od wybranego ogniwa i jego konstrukcji, niezależnie już tylko od chemii.

W przypadku EV2 jest to szczególnie ważne, ponieważ obserwujemy coś nieco paradoksalnego. Komórka NMC ma zazwyczaj wyższą napięcie nominalne niż komórka LFP — zwykle około 3,6–3,7 V w porównaniu do 3,2–3,3 V. Mimo to to właśnie pełny pakiet LFP w EV2 wykazuje najwyższe napięcie: 358 V w porównaniu do 297 V. Oznacza to bardzo prawdopodobnie, że oba pakiety nie mają tej samej architektury szeregowo/paralelnie. Kia musi połączyć więcej komórek LFP w szereg, aby osiągnąć 358 V, podczas gdy układ baterii NMC bardziej faworyzuje pojemność w Ah. Jest to spójne z wartościami, które mamy:

LFP: 358 V × 118,2 Ah ≈ 42,3 kWh

NMC: 297 V × 206 Ah ≈ 61,2 kWh

I to właśnie tutaj napięcie może faktycznie odegrać rolę – 147 KM przeciwko 135 KM. Aby uzyskać około 108 kW przy napięciu 358 V, potrzeba mniej więcej 301 A. Aby wyprodukować te same 108 kW przy napięciu 297 V, potrzeba by około 364 A, co stanowi około 21% większy prąd.

Jednak to nadal nie dowodzi, że Kia ogranicza wersję NMC do 99,5 kW z powodu jej napięcia 297 V. Pakiet może być doskonale zaprojektowany tak, by przyjmować większy prąd. Ograniczenie może pochodzić od ogniw, systemu BMS, konwertera, okablowania, zarządzania ciepłem lub po prostu z decyzji Kia dotyczących kalibracji.

Szybkie ładowanie przynosi inny efekt, który na pierwszy rzut oka wydaje się paradoksalny. Kia ogłasza, że mała bateria pozwala osiągnąć 80% naładowania w 29 minut, podczas gdy duża potrzebuje jedynie 30 minut. Różnica wynosi zaledwie minutę, mimo że duża bateria magazynuje o blisko 45% więcej energii!

Różnica w chemicznej strukturze może również pomóc wyjaśnić różnice w krzywych ładowania obu baterii – komórki LFP i NMC nie charakteryzują się takimi samymi właściwościami elektrycznymi i termicznymi. Jednak to nie wyjaśnia wszystkiego: podobnie jak w przypadku mocy, decydujący wpływ ma dokładny typ komórek, ich układ w pakiecie, system chłodzenia oraz strategia BMS.

Przykład EV2 jest dobrym tego ilustracją. Mała bateria LFP osiąga nieco wyższy szczyt – 118 kW w porównaniu z 112 kW u baterii NMC. Mimo to, w zakresie od 10 do 80% nasze obliczenia na podstawie danych Kia wskazują średnią teoretyczną moc około 61 kW dla baterii LFP oraz 85 kW dla baterii NMC. Dlatego duża bateria musi utrzymywać wysoką moc przez znacznie dłuższy czas. Rzeczywiście istotna jest zatem krzywa ładowania, a co za tym idzie średnia moc utrzymywana przez całą sesję. Można ją dość łatwo oszacować na podstawie oficjalnych danych. Przeładowanie z 10% do 80% odpowiada 70% pojemności baterii. W przypadku małej baterii LFP:

42,2 × 70% = 29,5 kWh

Tych 29,5 kWh teoretycznie można odzyskać w ciągu 29 minut, co odpowiada średniej mocy około 61 kW.

W przypadku dużej baterii NMC:

61 × 70% = 42,7 kWh

Odbieranie tej energii w ciągu 30 minut odpowiada średniej mocy około 85 kW. To całkowicie zmienia ocenę charakterystyk urządzenia. Duży akumulator wykazuje średnią teoretyczną moc na poziomie 10-80% o około 40% wyższą niż mały akumulator. W ciągu zaledwie jednej dodatkowej minuty odbiera on przybliżenie 13 kWh energii więcej.

Uwaga, wartości 61 i 85 kW to nie pomiary dokonane na stacji ładowania, lecz średnie wartości teoretyczne obliczone na podstawie mocy i czasu ładowania podanych przez Kia. Rzeczywista dostępna moc, buforowanie w systemie BMS oraz straty podczas ładowania uniemożliwiają uzyskanie dokładnych wartości. Mimo to doskonale ilustrują one, dlaczego szczytu mocy ładowania nie należy analizować w izolacji. Bateria, która potrafi na krótko osiągnąć bardzo wysoką wartość, niekoniecznie oznacza tę, która ładowa naj szybciej. Moc mniej imponująca, ale utrzymywana przez znacznie dłuższy czas, może dać lepsze rezultaty.

A ile kosztuje duża bateria?

Pri równej pojemności energetycznej, pakiet LFP jest zazwyczaj tańszy w produkcji niż pakiet NMC. Głównym powodem jest materiał użyty w katodzie – LFP wykorzystuje żelazo i fosforan, które są powszechne i stosunkowo tanie, natomiast w katodach NMC znajdują się nikel, mangan i kobalt, znacznie droższe i bardziej podatne na wahania cen.

To właśnie jeden z głównych powodów rozwoju technologii LFP w samochodach elektrycznych klasy entry i średniej: poświęca się część gęstości energetycznej, aby obniżyć koszt kWh. Dzięki temu można oferować tańsze baterie, gdy masa i rozmiar nie są kryteriami priorytetowymi.

Poznaj również

Samochód elektryczny: ta duża bateria LFP ładowuje się w mniej niż 10 minut

I to właśnie ta kwota najprawdopodobniej będzie miała największy wpływ na decyzję. Kia EV2 kosztuje 26 670 € w wersji Light z baterią LFP o pojemności 42,2 kWh – tej wersji nie ma z większą baterią. W wersji Air mała bateria kosztuje 28 820 €, a duża 33 320 €, czyli o 4 500 € więcej. W wersji Earth cena wzrasta z 31 320 € do 35 320 €. Tym razem różnica wynosi 4 000 €. Wreszcie wersja GT-Line za 37 320 € jest dostępna wyłącznie z baterią o pojemności 61 kWh.

Zatem, przy porównywalnym wyposażeniu, należy zasadniczo zastanowić się: czy dodatkowe 136 km zasięgu maksymalnego jest dla Ciebie usprawiedliwione kosztem około 4 000–4 500 €? Odpowiedź tutaj zależy w pełni od Twojego sposobu użytkowania pojazdu.

Zatem, LFP czy NMC?

Ostatecznie nie istnieje technologia systematycznie lepsza od drugiej. Dla samochodu przeznaczonego przede wszystkim do codziennych podróży akumulator LFP ma mocne atuty: jest tańszy, wytrzymały i oferuje wystarczającą autonomię do większości zastosowań. NMC zachowuje jednak decydującą przewagę, gdy konieczne jest przeniesienie dużej ilości energii bez zwiększania masy i rozmiarów, co czyni go szczególnie odpowiednim dla wersji o dużej autonomii.

Kia EV2 pokazuje przede wszystkim, że nie należy ograniczać wyboru wyłącznie do aspektów chemicznych. Architektura pakietu baterii, napięcie, użyte komórki, zarządzanie ciepłem czy strategia ładowania mogą przynosić czasami efekty sprzeczne z intuicją. W tym przypadku mała bateria typu LFP jest bardziej wydajna i osiąga lepszy szczyt prądu podczas ładowania, natomiast duża bateria typu NMC rekompensuje znacznie więcej energii w praktycznie tym samym czasie. Dlatego przy wyborze lepiej zwrócić uwagę na to, do czego będzie służył samochód — oraz na całą jego specyfikację techniczną — zamiast na trzy litery umieszczone po słowie „bateria”.