چرا خودروهای برقی در زمستان کندتر شارژ می‌شوند؟

هوای سرد واکنش‌های شیمیایی در باتری لیتیوم-یون را کند می‌کند و می‌تواند برد را تا 30 درصد کاهش دهد؛ اما پیش‌گرم‌کردن، شارژ سریع را بازمی‌گرداند.
هوای سرد واکنش‌های شیمیایی در باتری لیتیوم-یون را کند می‌کند و می‌تواند برد را تا 30 درصد کاهش دهد؛ اما پیش‌گرم‌کردن، شارژ سریع را بازمی‌گرداند.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

در زمستان خودروهای الکتریکی کندتر شارژ می‌شوند، زیرا واکنش‌های شیمیایی در باتری لیتیوم-یون در دمای پایین کند می‌شود: الکترولیت غلیظ‌تر می‌شود، حرکت یون‌ها دشوارتر می‌گردد و مقاومت داخلی افزایش می‌یابد. باتری سرد برای محافظت از خود، جریان کمتری از شارژر می‌پذیرد؛ در نتیجه هم زمان شارژ طولانی‌تر می‌شود و هم برد حدود 10 تا 30 درصد کاهش می‌یابد. اما وقتی باتری از قبل گرم شود، سرعت شارژ سریع به شکل محسوسی بازمی‌گردد.

نکات برجسته

  • افت برد در دمای نزدیک به نقطه انجماد حدود 10 تا 20 درصد است و در شرایط سخت زمستانی به بیش از 30 درصد می‌رسد.
  • در دمای معتدل، یک شارژ سریع DC معمولی از 20 تا 80 درصد حدود 20 تا 30 دقیقه طول می‌کشد؛ در باتری سرد این زمان بیشتر می‌شود.
  • پیش‌شرط‌بندی باتری را به حدود 20 تا 25 درجه سانتی‌گراد گرم می‌کند و امکان پذیرش شارژ با تمام قدرت را فراهم می‌آورد.
  • دلیل اصلی افت برد در زمستان خود باتری نیست، بلکه گرمایش کابین است.
  • این افت موقتی است: با گرم شدن هوا، برد به حالت عادی بازمی‌گردد.

سرمای هوا داخل باتری چه می‌کند؟ کند شدن شیمی

باتری لیتیوم-یون برای تولید برق به رفت و آمد یون‌های لیتیوم بین الکترودها متکی است. این حرکت در یک محیط مایع به نام الکترولیت انجام می‌شود. با کاهش دما، الکترولیت غلیظ‌تر شده و روانی خود را از دست می‌دهد؛ درست مانند عسل شکرکرده در زمستان که کند می‌ریزد، یون‌ها نیز آهسته‌تر بین الکترودها جابه‌جا می‌شوند. انتقال الکترون بین الکترودها دشوار می‌شود، اجزا به طور فیزیکی منقبض می‌شوند و مقاومت داخلی سلول افزایش می‌یابد.

نتیجه دو جنبه دارد. نخست برد: باتری نمی‌تواند همان انرژی را با همان بازدهی تأمین کند و در دماهای نزدیک به نقطه انجماد، افت معمولاً در محدوده 10 تا 20 درصد است؛ در زمستان معتدل این رقم به 30 درصد و در شرایط سخت‌تر حتی بالاتر می‌رسد. دوم شارژ: باتری با مقاومت داخلی افزایش‌یافته نمی‌تواند جریان بالا را به سلامت بپذیرد و سرعت شارژ طبیعتاً کاهش می‌یابد.

خطر لایه‌نشانی لیتیوم: چرا شارژ سریع در سرما می‌تواند خطرناک باشد

نکته ظریف اینجاست: اگر یون‌ها در سرما نتوانند به‌درستی روی الکترودها جای بگیرند، لیتیوم فلزی می‌تواند روی سطح انباشته شود. به این پدیده لایه‌نشانی لیتیوم (plating) می‌گویند. شارژ بیش از حد سریع در باتری سرد این انباشتگی را تسریع می‌کند؛ دندریت‌های لیتیوم در حال رشد می‌توانند دیافراگم جداساز بین الکترودها را سوراخ کنند و به اتصال کوتاه داخلی و حتی آتش‌سوزی باتری منجر شوند.

خودروهای الکتریکی این خطر را می‌شناسند و بر اساس آن رفتار می‌کنند. سامانه مدیریت باتری (BMS) هنگام پایین بودن دمای سلول، جریان شارژ را محدود می‌کند. یعنی حتی اگر واحد شارژر پشت پریز بتواند 400 کیلووات تحویل دهد، خودروی شما از انتقال آن توان به یک باتری سرد خودداری می‌کند. این یک خرابی نیست، بلکه یک محافظت طراحی‌شده است. همان فیزیکی در کار است که وقتی گوشی هوشمندتان را در سرما روی شارژ می‌گذارید و پر شدن کند آن را می‌بینید؛ تفاوت این است که باتری‌های خودرو سیستم مدیریت حرارتی بسیار پیشرفته‌تری دارند و این محافظت را به طور عامدانه و قابل اندازه‌گیری اعمال می‌کنند.

چرا شارژ سریع DC در سرما در دقایق اول بسیار کند می‌ماند؟

Park halinde soğuyan bir batarya, yol ısısını henüz almış bir bataryadan çok daha yavaş şarj olur; bu yüzden istasyona varmadan önce 30 dakika sürmek bile işe yarar.

باید بدانید که سرعت شارژ سریع DC در واقع یک مقدار ثابت نیست؛ توان در طول منحنی شارژ و بسته به دمای سلول به طور مداوم تغییر می‌کند. وقتی به مقداری نگاه می‌کنید که دمای هوا را اندازه‌گیری می‌کند - گیرنده اصلی اینجاست.

باتری سرد، جریانی را که می‌تواند ایمن بداند از طریق BMS محدود می‌کند. به همین دلیل در دقایق اولیه اتصال به شارژر سریع، مقداری بسیار کمتر از انتظار خود روی نمایشگر توان می‌بینید. با گرم شدن سلول‌ها، حد جریان به تدریج باز می‌شود و توان افزایش می‌یابد؛ در دماهای معتدل یک شارژ سریع 20 تا 80 درصد معمولاً در 20 تا 30 دقیقه تکمیل می‌شود و در سرما این مدت به طور محسوسی طولانی‌تر می‌گردد. ایستگاه‌های توان در محدوده 30 تا 400 کیلووات DC کار می‌کنند و در شرایط معتدل معمولاً باتری را در 20 تا 40 دقیقه تا 80 درصد پر می‌کنند؛ در زمستان این تصویر در بهترین حالت از مقادیر بالا عقب‌تر است.

نکته‌ای کاربردی: باتری سردشده در حالت پارک، بسیار کندتر از باتری استفاده‌شده در جاده شارژ می‌شود. حتی 30 تا 60 دقیقه راندن خودرو پیش از رفتن به شارژ سریع، به تنهایی تفاوت ایجاد می‌کند، زیرا سلول‌ها هنگام استفاده با گرمای درونی واکنش‌های خودشان گرم می‌شوند.

پیش‌شرط‌بندی: گرم کردن باتری برای صرفه‌جویی در زمان

پیش‌شرط‌بندی (preconditioning) یعنی گرم کردن باتری به دمای هدف پیش از رسیدن به ایستگاه. برای سریع‌ترین شارژ، هدف حدود 25 درجه سانتی‌گراد است و سطح قابل قبول حداقل 20 درجه سانتی‌گراد حدود آن است. باتری گرم‌شده از همان لحظه اول شارژر سریع، توان کامل را می‌پذیرد. این فرایند کمی از برد می‌کاهد؛ در مقابل، زمان شارژی که به دست می‌آید از برد مصرف‌شده ارزشمندتر است.

در بیشتر خودروها این کار ساده است: وقتی یک ایستگاه شارژ سریع را در ناوبری وارد می‌کنید، بسیاری از مدل‌ها به طور خودکار آماده‌سازی باتری را آغاز می‌کنند. برخی تولیدکنندگان این قابلیت را با یک حالت زمستانی جداگانه نیز ارائه می‌دهند؛ حالت زمستانی گروه خودروسازی هیوندای، باتری سردشده زیر دمای مشخص را پیش‌گرم کرده و هم عملکرد رانندگی و هم سرعت شارژ را حفظ می‌کند. کارآمدترین روش، گرم کردن باتری در زمانی است که خودرو به شارژر متصل است، بلافاصله پیش از حرکت؛ از آنجا که این مصرف از شبکه تأمین می‌شود، به برد دست نمی‌زند.

آیا ارزشش را دارد؟ در سفرهای زمستانی طولانی که از شارژ سریع DC استفاده می‌کنید، قطعاً. پژوهش‌های داوری‌شده مهندسی موجودی وجود دارد که نشان می‌دهد گرم کردن باتری زمان شارژ را کوتاه و مصرف کل انرژی را کاهش می‌دهد؛ مطالعه استراتژی کنترل پیش‌گرمایش سریع منتشرشده در سال 2024 در Applied Thermal Engineering مصداق کمی این موضوع است. اگر فقط درون شهری و با شارژ AC کم‌توان شارژ می‌کنید، سهم پیش‌شرط‌بندی در این معادله محدود می‌ماند.

عامل واقعی افت برد: گرمایش کابین

برخلاف باور رایج، عامل اصلی افت برد زمستانی خود باتری نیست، بلکه گرم کردن کابین است. موتور احتراق داخلی کابین را با گرمای اتلافی رایگان گرم می‌کند؛ در خودروی برقی تولید این گرما مستقیماً از باتری تأمین می‌شود. در زمستان‌های سخت، رانندگان ممکن است تا یک‌سوم برد اسمی خود را عملاً از دست بدهند و اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در شرایط واقعی زمستانی کاهشی در محدوده 14 تا 39 درصد نسبت به برد رسمی نشان می‌دهد.

کارآمدترین فناوری در اینجا پمپ حرارتی است. مانند وارونه یخچال خانه عمل می‌کند: با متراکم کردن هوای سرد بیرون، گرمای آزادشده را به کابین منتقل می‌کند و با انرژی بسیار کمتری نسبت به بخاری برقی مقاومتی، همان آسایش را فراهم می‌آورد. در بسیاری از خودروهای برقی جدید استاندارد یا آپشن است؛ در زمستان یعنی برد واقعی.

راه‌های قابل اندازه‌گیری برای حفظ برد در زمستان

  • کابین و باتری را حدوداً 10 تا 15 دقیقه قبل از حرکت، در حالی که خودرو به پریز وصل است، گرم کنید.
  • به‌جای گرم کردن کل کابین، از صندلی و فرمان گرم‌شونده استفاده کنید؛ گرمایش فردی انرژی بسیار کمتری نسبت به بخاری بادگیر مصرف می‌کند.
  • در صورت امکان خودرو را در خانه به پریز متصل نگه دارید؛ برای گرم نگه داشتن باتری جریان کمی می‌کشد.
  • به حالت Eco بروید و سرعت بزرگراه را به میزان معقولی کاهش دهید؛ افزایش مقاومت هوا در زمستان مصرف را در سرعت‌های بالا بالا می‌برد.
  • در گاراژ یا مکان سرپوشیده پارک کنید؛ دمای سلول‌ها در طول شب باارزش‌ترین دستاورد برای صبح است.

در جاده‌های یخ‌زده نکته‌ای را هم یادآور شویم: ترمز احیاکننده وقتی باتری سرد است کاهش می‌یابد. خود سیستم از کار نمی‌افتد؛ بازیابی برد با رانندگی معقول ادامه می‌یابد.

عادت‌های شارژ در زمستان: تصورات رایج و واقعیت‌ها

شایع‌ترین ادعاهایی که درباره استفاده در زمستان می‌شنویم را یکی‌یکی بررسی کنیم.

تصور نادرستواقعیت
"خودروهای برقی در زمستان کاملاً بی‌فایده‌اند."در سرما برد و سرعت شارژ کاهش می‌یابد اما خودرو قابل استفاده است؛ نروژ که دمای زمستانش زیر 0 درجه سانتی‌گراد می‌رود، یکی از بزرگ‌ترین بازارهای خودروی برقی جهان است.
"برد از دست‌رفته در زمستان دائمی است."افت موقتی است؛ با گرم شدن هوا برد به حالت عادی برمی‌گردد.
"فقط خودروهای برقی از سرما تأثیر می‌پذیرند."خودروهای بنزینی و دیزلی هم در سرما بازده کمتری دارند و برد از دست می‌دهند.
"شارژ هر شب تا 100% در زمستان درست است."برای استفاده روزانه محدوده 20 تا 80 درصد ایده‌آل است؛ 100 درصد فقط زمانی منطقی است که مسیر طولانی لازم باشد.
"استفاده از شارژ سریع در هر بار شارژ بی‌ضرر است."شارژ سریع DC به‌طور منظم می‌تواند باتری را سریع‌تر از شارژ AC کم‌قدرت شبانه فرسوده کند؛ برای شارژ روزمره باید از شارژ آهسته خانگی استفاده شود.

لازم است یک حالت مرزی را هم صادقانه بیان کنیم: باتری‌هایی که در دمای بسیار پایین و به مدت طولانی پارک رها می‌شوند ممکن است آسیب دائمی ببینند. چون سلول‌ها حین استفاده خودشان را گرم می‌کنند، این ریسک در استفاده روزانه کم است؛ موضوع خودرویی است که هفته‌ها در هوای آزاد و یخبندان منتظر مانده است.

شارژ در زمستان در ترکیه: واقعیت آناتولی مرکزی و آناتولی شرقی

شرایط زمستانی در ترکیه بر اساس جغرافیا به‌شدت متفاوت است. در شهرهای آناتولی مرکزی مانند قیصری، آنکارا و قونیه یخ‌زدگی امری عادی است؛ در ارزروم، قارص یا آگری درجات زیر صفر می‌تواند هفته‌ها طول بکشد. برای رانندگی که در این مناطق زندگی می‌کند، فیزیک بالا نظریه نیست، بلکه تجربه‌ای است که هر صبح پیش از پشت فرمان رفتن اتفاق می‌افتد: نشانگر برد می‌تواند تا 20 تا 40 درصد پایین‌تر از مقادیر تابستان برود.

زیرساخت به سطحی رسیده که از پس این سناریو برآید. بر اساس داده‌های وزارت صنعت و فناوری، تعداد ایستگاه‌های شارژ پرسرعت در ترکیه به 16,650 رسید و نقاط شارژ سریع در سراسر کشور تقریبا هر 70-100 کیلومتر یک‌بار مستقر شده‌اند. باتری در هر 81 استان خدمات‌رسانی می‌کند؛ برای مسیرهای بزرگراهی در آناتولی مرکزی و شرقی، برنامه‌ریزی سفر طولانی دیگر نیازی به محافظه‌کاری ندارد.

چک‌لیست شارژ زمستانی در خانه و ایستگاه

گزینه‌های اصلی شارژ خانگی، سرعت‌های وال‌باکس تک‌فاز 3.7 کیلووات و 7.4 کیلووات و سه‌فاز 11 کیلووات و 22 کیلووات است. در نصب، مناسب بودن زیرساخت برقی، تطابق با توان واحد شارژ داخلی خودرو و برنامه‌ریزی کابل‌کشی تعیین‌کننده است؛ برقرار بودن صحیح این معادله پیش از فرا رسیدن زمستان، ارزان‌ترین بیمه برای آن است که صبح با 20 درصد کاهش برد بیدار نشوید.

  • در صورت امکان خودرو را در گاراژ یا فضای سرپوشیده پارک کنید.
  • شارژ شبانه را با توان حدود 7 کیلووات AC برنامه‌ریزی کنید؛ باتری را ملایم شارژ می‌کند و انرژی گرمایش صبح را از شبکه تأمین می‌کند.
  • پیش از رفتن به شارژ سریع، ایستگاه را در ناوبری وارد کنید و پیش‌شرط‌بندی را فعال کنید.
  • اگر مقدار توان اولیه کم به نظر رسید، وحشت نکنید؛ با گرم شدن سلول‌ها توان به‌تدریج افزایش می‌یابد.
  • اگر برنامه سفر طولانی دارید، تکمیل شارژ تا 100 درصد را فقط برای همان روز انتخاب کنید.

خلاصه اینکه سرما دشمن باتری نیست، بلکه محدودکننده سرعت آن است. به محض اینکه دمایی را که شیمی باتری را کند می‌کند مدیریت کنید، هم سرعت شارژ و هم برد شما تا حد زیادی بازمی‌گردد؛ افت کوچک باقی‌مانده موقتی است و با رسیدن بهار از بین می‌رود.

منابع