چرا شارژ بعد از ۸۰ درصد کند می‌شود؟

سرعت شارش خودروهای برقی وقتی به ۸۰ درصد می‌رسد کند می‌شود، زیرا سیستم مدیریت باتری با نزدیک شدن سلول‌ها به حداکثر ولتاژ مجاز، جریان را به‌تدریج کاهش می‌دهد؛ این یک خرابی نیست، بلکه مکانیزمی است که برای محافظت از سلول‌ها در برابر استرس شارژ بیش از حد طراحی شده است. در نتیجه، ۲۰ درصد پایانی ممکن است به همان اندازهٔ ۷۰ درصد اول زمان ببرد و به همین دلیل ۸۰ درصد در برنامه‌ریزی سفر به عنوان نقطهٔ توقف عملی در نظر گرفته می‌شود.

منحنی شارژ چیست و چرا یک خط صاف نیست؟

منحنی شارژ نموداری است که توان شارژ دریافتی را در برابر وضعیت پرشدگی باتری (SoC) نشان می‌دهد. برخلاف انتظار بسیاری از رانندگان، از ابتدا تا انتها با توان یکسانی پیش نمی‌رود؛ متغیرهایی مانند ولتاژ، وضعیت داخلی سلول و دما، شکل منحنی را تعیین می‌کنند. سریع‌ترین بخش معمولاً بازهٔ ۲۰ تا ۶۰ درصد SoC است؛ در این پنجره، سلول‌ها انرژی را با کمترین مقاومت جذب می‌کنند.

می‌توان منطق اصلی را با یک تشبیه توضیح داد: پیدا کردن صندلی در یک سالن تئاتر پر، به اندازهٔ نشستن و بلند شدن در سالنی خالی آسان نیست. وقتی باتری خالی است، یون‌های لیتیوم به‌راحتی جای خود را در آند پیدا می‌کنند؛ با افزایش پرشدگی، جای‌های مناسب کم می‌شود، هر یون جدید با مقاومت بیشتری جای می‌گیرد و این مقاومت هم به گرما و هم به افزایش ولتاژ تبدیل می‌شود. یعنی هرچه باتری پرتر باشد، کندتر شارژ می‌شود - این یک انتخاب نرم‌افزاری نیست، بلکه الزام الکتروشیمی است.

منطق CC-CV: گذار از جریان ثابت به ولتاژ ثابت

تقریباً هر باتری لیتیوم‌یونی با استراتژی شارژ دومرحله‌ای کار می‌کند. در فاز اول، یعنی فاز جریان ثابت (CC)، شارژر جریان را نزدیک سقف مجاز ثابت نگه می‌دارد و منحنی توان به اوج می‌رسد؛ عبارت‌هایی مانند «تا ۶۰ درصد توان کامل» همین فاز را توصیف می‌کنند. وقتی باتری به حداکثر ولتاژ مجاز نزدیک می‌شود، به فاز دوم یعنی فاز ولتاژ ثابت (CV) منتقل می‌شویم: ولتاژ ثابت می‌ماند، جریان کاهش می‌یابد و شارژ به‌تدریج وارد مرحلهٔ اشباع می‌شود.

پشت این گذار دو دلیل فیزیکی وجود دارد. اول مقاومت داخلی: با افزایش SoC، مقاومت داخلی سلول بیشتر می‌شود و همان جریان، گرمای بیشتری و ولتاژ بالاتری تولید می‌کند. دوم حساسیت به شارژ بیش از حد: در پرشدگی بالا، سلول‌های لیتیوم‌یونی به آستانهٔ واکنش خطرناک نزدیک می‌شوند و آسیب‌های دائمی مانند انباشت ناخواستهٔ لیتیوم فلزی روی آند (plating) می‌تواند رخ دهد. سیستم مدیریت باتری (BMS) برای پیشگیری از این ریسک‌ها ناچار است جریان را به‌صورت پله‌ای کاهش دهد. شروع کاهش جریان بسته به شیمی باتری و استراتژی BMS بین ۷۵ تا ۸۵ درصد متغیر است؛ ۸۰ درصد یک نقطهٔ مرجع عمومی است، نه آستانه‌ای جهانی.

ملموس‌سازی با اعداد

داده‌های زمان به بهترین شکل نشان می‌دهند که کند شدن به چه معناست. یک هیوندای آیونیک 5 با باتری برد بلند در شارژ سریع DC، بازه %10 تا %80 را در حدود 18 دقیقه تکمیل می‌کند، اما برای ۲۰ درصد آخر به‌طور اضافی حدود 32 دقیقه منتظر می‌ماند. یعنی کندترین بخش منحنی شارژ، تقریباً دو برابر زمان بخش سریع را می‌گیرد. این در خودرویی با برد حدود 300 مایل (480 کیلومتر) چنین خوانده می‌شود: جدا کردن شارژر در ۸۰٪ و ادامه مسیر، بسیار کارآمدتر از انتظار برای ۲۰ درصد آخر است - در همان مدت زمان می‌توانید مسیری بیش از 100 مایل را در جاده پیش رو طی کنید.

مذاکره توان میان خودرو و ایستگاه شارژ

سرعت شارژ تصمیمی یک‌جانبه نیست؛ خودرو و ایستگاه، همان لحظه‌ای که شارژر وصل می‌شود نوعی مذاکره را پیش می‌برند. خودرو جریان مجاز باتری خود و وضعیت لحظه‌ای‌اش را اعلام می‌کند و ایستگاه نیز توانی که می‌تواند تأمین کند را معرفی می‌کند. نتیجه همیشه مقداری است که زیر مقدار هر دو طرف قرار دارد: هرکدام که محدود کند، ظرفیت پایین‌تر تعیین‌کننده است. به همین دلیل خودروهای برقی عملاً تقریباً هرگز با حداکثر سرعت ذکرشده در کاتالوگشان شارژ نمی‌شوند.

لایه ارتباطی نیز بخشی از این مذاکره است. خودرو و شارژر، جلسه شارژ را از طریق پروتکل‌هایی مانند ISO 15118 و OCPP مدیریت می‌کنند؛ اگر نرم‌افزار ایستگاه به‌روز نباشد، ممکن است خودرو نتواند به ظرفیت کامل خود دست یابد. همچنین در ساختارهای اشتراکی که بسیاری از خودروها به یک ایستگاه متصل هستند، توان تقسیم می‌شود: در یک نصب ۱ مگاواتی، دو خودرو هرکدام 350 کیلووات دریافت می‌کنند در حالی که چهار خودرو این مقدار را به 250 کیلووات و هشت خودرو به 125 کیلووات کاهش می‌دهد.

دما، عمر باتری و سایر عوامل کندکننده

تنها سطح شارژ نیست که منحنی شارژ را کند می‌کند. BMS برای محافظت از باتری، مجموعه‌ای از شرایط را به‌صورت لحظه‌ای پایش می‌کند و در صورت نیاز توان را کاهش می‌دهد:

• دما: بازه دمای بهینه سلول 20 تا 30 درجه سانتی‌گراد است. در سرما شیمی کند می‌شود و باتری انرژی کمتری می‌پذیرد - در 0 درجه سانتی‌گراد میزان پذیرش تقریباً تا 36 درصد کاهش می‌یابد. در گرمای شدید، BMS برای جلوگیری از تجمع گرما توان را کاهش می‌دهد؛ در حین شارژ سریع DC دمای داخلی از قبل ممکن است 10 تا 15 درجه سانتی‌گراد افزایش یابد.
• عمر باتری: با کهنه شدن، مقاومت داخلی افزایش می‌یابد؛ همان جریان گرمای بیشتری تولید می‌کند و BMS شروع به کاهش تهاجمی‌تر منحنی می‌کند.
• وضعیت سخت‌افزار: کابل‌ها و کانکتورهای فرسوده یا آسیب‌دیده ظرفیت انتقال جریان را محدود می‌کنند.
• محدودیت‌های نرم‌افزاری: الگوریتم سازنده می‌تواند رفتار شارژ را بسته به شیمی سلول‌ها آگاهانه محدود کند.

مؤثرترین راه‌حل در شرایط زمستانی پیش‌گرمایش (preconditioning) است: خودرو وقتی در ناوبری یک نقطه شارژ سریع هدف‌گذاری می‌شود، باتری را پیش از حرکت گرم می‌کند و وقتی سلول‌ها به دمای ایده‌آل نزدیک شدند، می‌تواند از منحنی شارژ کامل استفاده کند. پیش‌گرمایش می‌تواند بازدهی شارژ در اقلیم‌های سرد را تا 30 درصد افزایش دهد؛ یک رانندگی کوتاه در مسیر نقطه شارژ نیز به شیوه‌ای مشابه کمک می‌کند.

تبلیغ «حداکثر سرعت شارژ» چقدر معنادار است؟

ارزش توان اوجی که سازندگان در بروشورهای خود برجسته می‌کنند، به‌تنهایی معیار بدی است. توان اوج فقط در چند دقیقه سریع‌ترین بخش منحنی شارژ دیده می‌شود؛ میانگین جلسه بسیار پایین‌تر است. برای مثال، میانگین توان یک مدلی که با توان اوج 250 کیلووات معرفی می‌شود، در یک جلسه شارژ کامل به‌طور محسوسی پایین‌تر از آن است. به همین دلیل برای مقایسه زمان‌های 10 تا 80 درصد و معیارهایی مانند میانگین جلسه، اطلاعات بسیار بیشتری از یک مقدار اوج واحد می‌دهند.

یک مقایسه ملموس: در اندازه‌گیری یک ناشر، Ioniq 5، بازه 10 تا 80 درصد را حدود Tesla Model 3 از 9 تا 11 دقیقه سریع‌تر کامل کرد؛ مدل‌های مذکور Model 3 در محدوده 24 تا 26 دقیقه بودند. معماری 800 ولت Ioniq 5 همان سطوح توان را با جریان کمتری منتقل می‌کند و در نتیجه حرارت و تلفات کمتری تولید می‌کند؛ این زیربنای توانایی آن در نگه داشتن منحنی به مدت طولانی‌تر در شیب تند حتی در بارهای بالا است. معماری، taper را حذف نمی‌کند - فقط کل منحنی را به بالا می‌کشد.

قانون 80 درصد: سرعت یا عمر باتری، یا هر دو؟

توقف در 80 درصد فقط بر یک دلیل استوار نیست؛ دو فایده جداگانه را هم‌زمان فراهم می‌کند. اولی زمان است: انتظار پس از شروع taper از نظر انرژی دریافتی در هر دقیقه بازدهی پایینی دارد. دومی سلامت باتری است: رسیدن مکرر به 100 درصد با شارژ سریع DC، سلول‌ها را تحت تنش ولتاژ بالا قرار می‌دهد و در بلندمدت افت ظرفیت را تسریع می‌کند. باتری‌ها حالت پر بودن را دوست ندارند - درست مثل گوشی‌ها و دریل‌های شارژی. به همین دلیل هم Tesla و هم Hyundai، برای استفاده روزمره شارژ تا 80 درصد را توصیه می‌کنند.

این را باید نه یک قانون، بلکه یک پیش‌فرض خوب خواند. باتری‌های با شیمی LFP به لطف پروفایل‌های ولتاژ متفاوت می‌توانند سرعت شارژ بالا را تا حدود 90 درصد حفظ کنند؛ نقطه شروع taper هم از مدلی به مدل دیگر بین 75 تا 85 درصد در نوسان است. رسیدن به 100 درصد اما اگر گاه‌به‌گاه قبل از سفرهای طولانی انجام شود مشکلی ندارد - تا زمانی که به روتین روزانه تبدیل نشود. یک تمایز آخر: در شارژ AC (شارژ خانگی) چون توان از قبل پایین است، taper به قدری خفیف است که از نظر عملی قابل تشخیص نیست. کند شدن فقط در شارژ سریع DC تجربه‌ای چشمگیر ایجاد می‌کند.

کند شدن یک نقص است؟ چه زمانی باید مشکوک شد؟

کند شدن پس از 80 درصد یک مکانیسم حفاظتی ذاتی در طراحی است؛ اگر خودرو خراب نباشد، این رفتار مورد انتظار است. سؤال اصلی این است که آیا بخش‌های دیگر منحنی کندتر از انتظار هستند یا خیر. سریع‌ترین بازه یعنی 20 تا 60 درصد باند در صورتی که به طور جدی زیر اوج توان مورد انتظار باقی بمانید، عاملی غیر از تیپر در کار است: باتری سرد، نرم‌افزار قدیمی ایستگاه، اشتراک توان، کابل فرسوده یا پیری باتری. اگر پیش‌شرط‌سازی پیش از شارژ انجام شده باشد و دما مناسب باشد، نرسیدن به اوج مورد انتظار سیگنالی ارزش ارزیابی دارد.

خود گلوگاه نیز با فناوری به‌تدریج کوچک می‌شود. پلتفرم‌های 800V توان بالاتری با اتلاف کمتر منتقل می‌کنند؛ مدیریت حرارتی پیشرفته و الگوریتم‌های تطبیقی BMS ولتاژ، جریان و خنک‌کاری را در زمان واقعی بهینه می‌کنند؛ و باتری‌های حالت جامد ثبات حرارتی بهتری در سطح اشغال بالا وعده می‌دهند. اینها تیپر را حذف نخواهند کرد - اقتضای فیزیک پایدار است - اما می‌توانند هزینه زمانی فاز CV را به شکل چشمگیری کمتر از امروز کاهش دهند.

نتیجه عملی کوتاه است: جلسات شارژ سریع را در حدود 80 درصد پایان دهید، پیش از سفرهای طولانی در صورت نیاز گاه‌به‌گاه تا 100 درصد بروید، در زمستان باتری را پیش‌شرط‌سازی کنید و در مقایسه خودروها به اوج توان نه بلکه به زمان‌های 10 تا 80 درصد نگاه کنید. راننده‌ای که منحنی شارژ را درست می‌خواند، هم در زمان صرفه‌جویی می‌کند و هم عمر باتری خود را طولانی‌تر می‌سازد.

منابع

• قانون 80 درصد: چرا نباید خودروی برقی خود را تا 100 درصد شارژ کنید
• چرا سرعت شارژ خودروی برقی بعد از 80 درصد کند می‌شود؟
• چرا خودروهای برقی اینقدر آهسته شارژ می‌شوند؟
• چرا شارژ خودروی من اینقدر کند است؟ مهم‌ترین دلایل و راه‌حل‌ها
• شارژ باتری و عملکرد شارژ
• منحنی شارژ خودروی برقی: چرا سرعت شارژ نوسان دارد
• آزمایش شارژ Edmunds: هر خودروی برقی با چه سرعتی شارژ می‌شود؟
• Tesla Model 3 LR در مقابل Hyundai Ioniq 5: شارژ سریع
• آنچه ماشین‌حسابگر زمان شارژ خودروی برقی به شما نمی‌گوید
• درک منحنی شارژ و قانون 80 درصد
• پنج نکته برای شارژ خودروهای برقی در آب‌وهوای سرد