چرا برد در زمستان کاهش می‌یابد؟ تأثیر هوای سرد بر باتری خودروهای برقی

سرما به باتری شما آسیب دائمی نمی‌زند؛ خطر اصلی، شارژ کردن یک باتری یخ‌زده در شرایط نامناسب است.
سرما به باتری شما آسیب دائمی نمی‌زند؛ خطر اصلی، شارژ کردن یک باتری یخ‌زده در شرایط نامناسب است.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

علت اصلی کاهش برد در زمستان، کند شدن واکنش‌های الکتروشیمیایی باتری لیتیوم-یون در سرما و اینکه انرژی گرمایش کابین مستقیماً از باتری گرفته می‌شود، است. هنگامی که دما به حدود 4 °C می‌رسد، برد به طور میانگین 20 تا 25 درصد نسبت به هوای معتدل کاهش می‌یابد؛ این افت موقتی است و با گرم شدن هوا برمی‌گردد. خطر آسیب دائمی اما نه در سرما، بلکه عمدتاً در شارژ کردن باتری سرد در شرایط نادرست ظاهر می‌شود.

نکات برجسته

  • در دمای 4 °C برد نسبت به 18 °C تقریباً 25% کاهش می‌یابد؛ در سفرهای کوتاه این افت می‌تواند به 50%برسد.
  • افت برد در سرما موقتی است؛ خطر اصلی آسیب دائمی، شارژ در زیر دمای انجماد است (رسوب لیتیوم).
  • پمپ حرارتی در شرایط سرد، برد را 8 تا 10 درصد افزایش می‌دهد.
  • اقلیم گرم، باتری را در مقایسه با اقلیم معتدل سالانه به میزان اضافی 0.4% سریع‌تر پیر می‌کند.
  • نگه داشتن شارژ در بازه 20 تا 80 درصد و پیش‌گرم کردن خودرو در حین اتصال به پریز، عمر باتری را حفظ می‌کند.

چرا و چقدر سرما برد را کاهش می‌دهد؟

سلول لیتیوم-یون با حرکت یون‌ها بین الکترودها کار می‌کند. سرما، حرکت این یون‌ها در داخل الکترولیت و واکنش‌های شیمیایی روی سطح الکترود را کند می‌کند؛ نتیجه آن، کاهش توان لحظه‌ای و بازده ذخیره انرژی سلول است. پیش از رسیدن به نقطه انجماد، هنگامی که دما به 4 °C می‌رسد، افت برد قابل اندازه‌گیری می‌شود.

اعداد بسته به روش و شرایط متفاوت‌اند، اما ترتیب بزرگی یکسان است: در دماهای زیر انجماد، مالکان معمولاً 10 تا 20 درصد افت برد گزارش می‌کنند؛ در یک روز 4 درجه‌ای، افت نسبت به هوای معتدل تقریباً 25%است. سفرهای کوتاه این وضعیت را بدتر می‌کنند، زیرا پس از هر توقف، کابین باید دوباره گرم شود - گرمایش کابین، چون خودروی برقی گرمای اگزوز ندارد، مستقیماً از باتری انرژی می‌کشد و در سرمای شدید می‌تواند تا 40%از ظرفیت باتری را مصرف کند. همپوشانی سرمای شدید و گرمایش کابین می‌تواند برد را تا 50 درصد کاهش دهد.

تست‌های سبک کمپینی نیز همین تصویر را تأیید می‌کنند. در یک تست طولانی‌مدت بزرگراهی، در روزی با دمای −11 °C و با سرعت 75 mph، بردی معادل 190 مایل به دست آمد؛ در هوای معتدل همان خودرو 250 مایل داد - یعنی 24% افت. در یک تست زمستانی با شرکت‌کنندگان گسترده (20 خودروی برقی متفاوت) افت میانگین تقریباً 20% بود؛ بهترین مدل تنها 9 درصد زیر مقدار WLTP باقی ماند و بدترین عملکرد، 30 درصد از برد خود را از دست داد. یک نکته جالب دیگر از همین تست: بیشتر خودروهایی که نشانگر بردشان صفر شده بود، توانستند مسافت کوتاه دیگری را با سرعت کم طی کنند - باتری کاملاً خالی نبود، فقط از انقباض موقتی ناشی از سرما شکایت داشت.

پمپ حرارتی و پیش‌گرم کردن در زمستان چقدر برد اضافه می‌کنند؟

گرمایش مقاومتی، تمام انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می‌کند اما از نظر بازده عقب می‌ماند. پمپ حرارتی مانند حالت معکوس کولر گازی کار می‌کند: به ازای برق مصرفی، گرمای بیشتری از محیط منتقل می‌کند و حتی در زیر دمای انجماد معمولاً 2 تا 3 برابر بهره‌ورتر است. یک مطالعه میدانی که حدود 7000 خودروی برقی را پوشش می‌داد، اندازه‌گیری کرد که پمپ حرارتی در شرایط سرد، برد را 8 تا 10 درصد افزایش می‌دهد.

راهکار قدرتمند دیگر، پیش‌تهویه (preconditioning) است: گرم کردن کابین و باتری با انرژی شبکه برق، در حالی که خودرو به برق متصل است و پیش از ساعت حرکت برنامه‌ریزی‌شده. به این ترتیب، انرژی گرمایش در لحظه حرکت از باتری گرفته نمی‌شود بلکه از شبکه تأمین می‌شود و باتری به دمای بهینه می‌رسد. اثر اندازه‌گیری‌شده این روش ملموس است: سه خودروی برقی یک سازنده با حرکت برنامه‌ریزی‌شده به ترتیب 5، 6 و 7 درصد افزایش بهره‌وری نشان دادند؛ یک خودرو 16 مایل و دیگری 10 مایل برد اضافی پیش‌بینی کرد.

خاموش کردن کامل گرمایش کابین نیز افزایش بهره‌وری قابل توجهی به همراه دارد - در یک آزمایش سرد 7 تا 8 درصد اندازه‌گیری شد - اما رانندگان آزمایشی محیط را آزاردهنده یافتند و این روش جز در موارد اضطراری توصیه نمی‌شود. راه هوشمندانه‌تر، اولویت دادن به راهکارهای هدفمند راحتی مانند گرمایش صندلی به جای گرمایش کابین است.

دمای بالا آسیب دائمی بر جای می‌گذارد: فیزیک تخریب

اثر سرما موقتی است، اما گرما دائمی است. تخریب الکترودها فرآیندی از پیری شیمیایی است که با افزایش دما شتاب می‌گیرد؛ مقاومت سلول به‌ویژه در مراحل اولیه عمر جهش قابل توجهی نشان می‌دهد. برای درک مقیاس: پس از 200 چرخه، سلولی که در دمای 25 °Cحدود 3.3 درصد ظرفیت از دست داده است، در دمای 45 °Cدر همان مدت 6.7 درصد کاهش تجربه می‌کند - یعنی افت به ازای هر درجه دو برابر می‌شود. یک تحلیل بزرگ داده میدانی روی 22700 خودرو نیز همین نتیجه را تأیید می‌کند: در اقلیم‌های گرم، باتری سالانه به میزان 0.4 درصد سریع‌تر پیر می‌شود.

سناریویی نیز وجود دارد که سرما ردپای دائمی بر جای می‌گذارد: مواجهه طولانی‌مدت با دمای پایین، به‌ویژه در ترکیب با نرخ‌های بالا شارژ/دشارژ، افت ظرفیت را تسریع می‌کند. اما آسیب دائمی اصلی که به خودرو وارد می‌شود، شارژ اجباری سلول سرد است - این موضوع، بخشی جداگانه درباره رفتار شارژ دارد.

رسوب لیتیم: بهای گران شارژ در سرما

وقتی در دماهای نزدیک به زیر صفر شارژ انجام می‌شود، یون‌های لیتیم به جای نشستن روی آند، به شکل لیتیم فلزی روی سطح آند انباشته می‌شوند. به این پدیده رسوب لیتیم (lithium plating) گفته می‌شود و از دو جهت مضر است: ظرفیت را به‌طور برگشت‌ناپذیر از دست می‌دهد و با زمینه‌سازی برای رشدهای فلزی موسوم به دندریت، خطر ایمنی ایجاد می‌کند. در شرایط شدید، شارژ در زیر صفر می‌تواند به تورم، نشتی و حتی آتش‌سوزی منجر شود.

آستانه‌های بحرانی روشن هستند: در نرخ‌های شارژ بالاتر از 1C و در دماهای زیر 15 °C رسوب شتاب می‌گیرد. نکته چشمگیرتر این است: هیچ خودروی برقی امروزی به دلیل خطر رسوب لیتیم، شارژ سریع را در دمای سلول واقعاً سرد یا خنک به‌طور ایمن تحمل نمی‌کند. به همین دلیل خودروها پیش از شارژ سریع تلاش می‌کنند باتری را گرم کنند - پیش‌گرمایش باتری. رساندن باتری به دمای بهینه پیش از شارژ سریع DC، سرعت شارژ را نیز به‌طور محسوسی افزایش می‌دهد؛ بسته به دمای محیط، این گرم شدن ممکن است نیم ساعت یا بیشتر طول بکشد. به برنامه‌ریزی نیاز دارد، اما زمان شارژ و آسیب اساسی به باتری را همزمان کاهش می‌دهد.

آیا انتخاب شیمی باتری تفاوتی ایجاد می‌کند: LFP و NMC در سرما

Sık sık −10 °C'nin altına düşen iklimlerde NMC'nin kışlık menzil üstünlüğü, LFP'nin uzun ömür ve güvenlik avantajıyla dengeleniyor.

میزان افت برد بسته به شیمی باتری خودرو تغییر می‌کند. دو شیمی غالب را مقایسه کنیم:

ویژگیLFPNMC
توان در دمای −20 °Cتنها با ۶۰ درصد ظرفیت کار می‌کند۷۰ تا ۸۰ درصد توان خود را حفظ می‌کند
افت برد در دمای زیر ۰ °C۳۰ درصد و بیشترکمتر، مقاوم‌تر در برابر سرما
عملکرد برد در زمستانسرعت شارژ در سرما بیشتر افت می‌کنددر پارک فضای باز حدود ۵ تا ۸ درصد بهتر
ایمنی و عمر چرخهایمن‌تر و با عمر طولانی‌ترچگالی انرژی بالاتر
شارژ در دمای زیر انجمادممکن است غیرقابل شارژ شودمحدود، نیازمند گرم کردن

نتیجه عملی جدول این است: پروفایل طول عمر و ایمنی LFP که در تابستان برتری دارد، در اقلیم‌هایی که دما مکرراً −10 °Cبه زیر آن می‌رود و خودرو در فضای باز پارک می‌شود، در برابر عملکرد برد زمستانی به سود NMC تا حدی متعادل می‌شود. انتخاب شیمی یک مسئله برد و باخت نیست، بلکه مسئله اولویت‌گذاری است.

سیستم مدیریت حرارتی چگونه این تعادل‌ها را برقرار می‌کند؟

بیشتر خودروهای برقی مدرن یک سیستم مدیریت حرارتی فعال (BTMS) دارند. این سیستم تلاش می‌کند دمای بسته پیل را هم در کف و هم در سقف محدوده نگه دارد: در گرمای زیاد از آسیب پیل‌ها و کوتاه شدن عمر جلوگیری می‌کند و در سرما برای بهبود پذیرش شارژ، پیل‌ها را گرم می‌کند. این سیستم‌ها از خنک‌کاری هوایی تا مایع متغیرند؛ طرح‌های هوایی با تهویه طبیعی و همرفت اجباری با فن کار می‌کنند - در فن، هوا از روی پیل‌ها عبور داده شده و گرما دفع می‌شود.

باید بهای مدیریت حرارتی را فراموش نکرد: نگه داشتن باتری در دمای بهینه خودش انرژی مصرف می‌کند و بخشی از افت برد زمستانی را تشکیل می‌دهد. یعنی بخشی از آن از قبل برای دفاع در برابر سرما صرف می‌شود. جایی برای نگرانی نیست: افت تجربه‌شده در زمستان موقتی است و با گرم شدن هوا برد به حالت عادی بازمی‌گردد.

عادت‌های شارژ درست برای عمر باتری

وقتی به مدیریت دما، انضباط شارژ درست هم اضافه شود، باتری سال‌ها سالم می‌ماند. قواعد اصلی را می‌توان چنین برشمرد:

  • بازه ۲۰ تا ۸۰ درصد: نگه داشتن وضعیت شارژ در این محدوده، تنش شیمیایی ناشی از باتری کاملاً پر و کاملاً خالی را پیشگیری می‌کند. این قاعده پذیرش گسترده‌ای دارد اما یک حکم مطلق نیست؛ ۱۰۰ درصد پیش از سفر طولانی یک استثنای منطقی است.
  • روتین نکردن شارژ سریع: شارژ سریع DC منظم، باتری را نسبت به شارژ آهسته سریع‌تر تخریب می‌کند؛ در استفاده روزانه در صورت امکان شارژ آهسته (~7 kW) ترجیح داده شود.
  • پرهیز از شارژ روتین به ۱۰۰ درصد در سرما: جز در صورت سفر طولانی، پر کردن کامل باتری در سرمای شدید بار شیمیایی را افزایش می‌دهد.
  • گرم کردن باتری سرد پیش از شارژ سریع: اگر باتری خیلی سرد باشد زمان‌های شارژ طولانی می‌شود؛ پیش‌شرط‌بندی هم زمان را هم سلامت باتری نجات می‌دهد.

یک سناریوی غیرمعمول هم در ذهن بماند: یک EV گیرافتاده در برف و کولاک، نتیجه آزمون واقعی‌ای دارد مبنی بر اینکه با شارژ کامل، توانسته کابین را به مدت ۴۵ ساعت در دمای −9 °C گرم نگه دارد. راهی که در زمستان EV را نمی‌فرساید، پرهیز از شارژ باتری در سرما و از گرفتن آن در برابر سرما و سپردن بقیه کار به سیستم مدیریت حرارتی و پمپ حرارتی است.

منابع