لماذا يبطئ الشحن بعد نسبة 80%؟

تتضاءل سرعة شحن المركبات الكهربائية عند بلوغ النسبة 80 بالمئة، لأن نظام إدارة البطارية يخفض التيار تدريجياً كلما اقتربت الخلايا من أقصى جهدها المسموح؛ وهذه ليست عطلاً، بل آلية مصممة لحماية الخلايا من إجهاد الشحن الزائد. ونتيجة لذلك، قد تستغرق النسبة الأخيرة 20 بالمئة قدر ما استغرقت أول 70 بالمئة، ولذلك تُعد نسبة 80 بالمئة نقطة توقف عملية عند تخطيط الرحلات.

ما هو منحنى الشحن ولماذا ليس خطاً مستقيماً؟

منحنى الشحن هو مخطط يوضح قدرة الشحن المستلمة مقابل حالة امتلاء البطارية (SoC). فهو لا يتقدم بنفس القدرة من البداية إلى النهاية كما يتوقع كثير من السائقين؛ بل إن متغيرات مثل الجهد والحالة الداخلية للخلية والحرارة هي التي تحدد شكل المنحنى. وأسرع قسم يكون عادةً في نطاق 20-60 بالمئة SoC ؛ في هذه النافذة تمتص الخلايا الطاقة بأقل مقاومة.

يمكن توضيح المنطق الأساسي بمثال: إيجاد مقعد في قاعة مسرح ممتلئة ليس بالسهولة التي تجلس فيها وتنهض فيها في قاعة فارغة. حين تكون البطارية فارغة، تجد أيونات الليثيوم أماكن مريحة في المِصعد؛ ومع ازدياد الامتلاء تقل الأماكن المناسبة، وكل أيون جديد يستقر بمقاومة أكبر، وتتحول هذه المقاومة إلى حرارة وارتفاع في الجهد. أي أن كلما امتلأت البطارية أكثر، شحنها أبطأ - وليس هذا تفضيلاً برمجياً، بل ضرورة كيمياء كهربائية.

منطق CC-CV: الانتقال من التيار الثابت إلى الجهد الثابت

تعمل كل بطارية ليثيوم-أيون تقريباً باستراتيجية شحن من مرحلتين. في المرحلة الأولى، أي مرحلة التيار الثابت (CC)، يحافظ الشاحن على تيار ثابت قريب من الحد الأعلى المسموح، فيبلغ منحنى القدرة ذروته؛ وتصف عبارات مثل "قدرة كاملة حتى 60 بالمئة" هذه المرحلة. وعندما تقترب البطارية من أقصى جهد مسموح، ننتقل إلى المرحلة الثانية، وهي مرحلة الجهد الثابت (CV): يثبت الجهد، وينخفض التيار، ويدخل الشحن تدريجياً في مرحلة التشبع.

ثمّة سببان فيزيائيان وراء هذا الانتقال. الأول هو المقاومة الداخلية: كلما ارتفعت حالة الشحن SoC زادت المقاومة الداخلية للخلية، وينتج التيار نفسه حرارة أكبر وجهداً أعلى. والثاني هو حساسية الشحن الزائد: عند الامتلاء العالي تقترب خلايا الليثيوم-أيون من عتبة تفاعل خطيرة، وقد تتشكل أضرار دائمة مثل تراكم الليثيوم المعدني غير المرغوب على المِصعد (plating). ويجب على نظام إدارة البطارية (BMS) خفض التيار تدريجياً لتفادي هذه المخاطر. ويختلف بداية التناقص Taper تبعاً للكيمياء واستراتيجية BMS بين 75-85 بالمئة ؛ ونسبة 80 بالمئة نقطة مرجعية عامة، وليست عتبة عالمية.

لنوحّد الأمر بالأرقام

إن بيانات زمن الشحن هي الأفضل في توضيح معنى هذا التباطؤ. فسيارة هيونداي أيونيك 5، في الشحن السريع بالتيار المستمر تكمل نطاق %10-80 في حوالي 18 دقيقة بينما تنتظر إضافةً لنسبة الـ20 الأخيرة حوالي 32 دقيقة بمعنى أن أبطأ جزء في منحنى الشحن يستغرق وقتاً يقارب ضعف الجزء السريع. هذا يعني في مركبة بمدى حوالي 300 ميل (480 كم) أن فصل القابس عند %80 والمواصلة في الطريق أكثر كفاءة بكثير من انتظار النسبة الأخيرة البالغة 20% - في نفس الوقت يمكنك قطع مسافة تفوق 100 ميل على الطريق أمامك.

مفاوضات القوة بين المركبة ومحطة الشحن

سرعة الشحن ليست قراراً من طرف واحد؛ فالمركبة والمحطة تجريان نوعاً من المفاوضة لحظة توصيل القابس. المركبة تبلّغ التيار الذي تسمح به بطاريتها وحالتها اللحظية، والمحطة تروّج للقدرة التي تستطيع توفيرها. النتيجة دائماً هي القيمة الأقل بين الطرفين: أياً كان الذي يقيّد، فإن السعة الأدنى هي الحاسمة. لهذا السبب لا تشحن المركبات الكهربائية عملياً أبداً بالسرعة القصوى المذكورة في كتالوجاتها.

طبقة الاتصال جزء من هذه المفاوضة أيضاً. تدير المركبة وشاحن الشحن جلسة الشحن عبر بروتوكولات مثل ISO 15118 وOCPP؛ وإذا لم يكن برنامج المحطة محدثاً، فقد لا تتمكن المركبة من الوصول إلى سعتها الكاملة. كما أن في الترتيبات المشتركة التي تتصل فيها مركبات عديدة بنفس المحطة تُوزَّع القدرة: في تركيب بقدرة 1 ميجاواط تستلم مركبتان 350 كيلوواط لكل منهما بينما تخفض أربع مركبات هذه القيمة إلى 250 كيلوواط وثماني مركبات تخفضها إلى 125 كيلوواط.

درجة الحرارة وعمر البطارية وعوامل الإبطاء الأخرى

ليس الشحن الممتلئ وحده ما يبطئ منحنى الشحن. فنظام إدارة البطارية (BMS) يراقب لحظياً مجموعة من الشروط لحماية البطارية ويخفض القدرة عند الحاجة:

• درجة الحرارة: النطاق الأمثل لحرارة الخلايا هو 20-30 درجة مئوية . في البرد تتباطأ الكيمياء وتقبل البطارية طاقة أقل - عند 0 درجة مئوية قد ينخفض الاستيعاب بنحو 36%. أما في الحرارة الشديدة فيخفض BMS القدرة لمنع تراكم الحرارة؛ فأثناء الشحن السريع بالتيار المستمر ترتفع الحرارة الداخلية أصلاً بنحو 10-15 درجة مئوية .
• عمر البطارية: مع التقادم ترتفع المقاومة الداخلية؛ فيتحول التيار نفسه إلى حرارة أكبر ويبدأ BMS في خفض المنحنى بحذر أكبر.
• حالة العتاد: الأسلاك والموصلات البالية أو التالفة تحدّ من قدرة حمل التيار.
• قيود البرمجيات: قد يقيد برنامج المصنّع سلوك الشحن طوعاً حسب كيمياء الخلايا.

الحل الأكثر فاعلية في ظروف الشتاء هو التكييف المسبق (preconditioning): تستهدف المركبة نقطة شحن سريع في الملاحة فتسخّن البطارية قبل الانطلاق، وعندما تقترب الخلايا من الحرارة المثالية يمكنها الاستفادة من منحنى الشحن الكامل. التسخين المسبق قد يرفع كفاءة الشحن في المناخات الباردة بنسبة تصل إلى 30% ؛ كما أن قيادة قصيرة باتجاه نقطة الشحن تساعد بالمثل.

ما مدى جدوى تسويق "سرعة الشحن القصوى"؟

قوة الذروة التي يبرزها المصنّعون في كتيباتهم هي مقياس سيئ بمفرده. قوة الذروة تظهر في بضع دقائق فقط من أسرع لحظات منحنى الشحن؛ أما متوسط الجلسة فهو أقل بكثير. على سبيل المثال، نموذج يُقدَّم بذروة 250 كيلوواط، متوسط قوته في جلسة شحن كاملة يبقى أدنى بوضوح. لذلك، من أجل المقارنة أزمنة %10-80 ومعايير مثل متوسط الجلسة تعطي معلومات أكثر بكثير من قيمة ذروة واحدة.

مقارنة ملموسة: في قياس أحد الناشرين Ioniq 5، أكمل النطاق %10-80 Tesla Model 3 أسرع بنحو 9-11 دقيقة من؛ وكانت موديلات Model 3 المعنية 24-26 دقيقة ضمن هذا النطاق. بنية Ioniq 5 ذات 800 فولت تنقل مستويات القدرة نفسها بتيار أقل، فتنتج حرارة وفقداناً أقل؛ وهذا هو الأساس الذي يسمح لها بإبقاء المنحنى حاداً لمدة أطول حتى عند نسبة امتلاء عالية. البنية لا تُلغي التخفيض التدريجي - بل ترفع المنحنى كاملاً إلى الأعلى فقط.

قاعدة 80 بالمئة: السرعة أم عمر البطارية أم كلاهما؟

التوقف عند 80 بالمئة لا يستند إلى مسوّغ واحد؛ بل يحقق فائدتين منفصلتين في آن واحد. الأولى الوقت: الانتظار بعد بدء التخفيض التدريجي غير فعّال من حيث الطاقة المأخوذة لكل دقيقة. الثانية صحة البطارية: الوصول إلى 100 بالمئة بشكل متكرر عبر شحن DC السريع يعرّض الخلايا لإجهاد جهد عالٍ ويسرّع فقدان السعة على المدى الطويل. البطاريات لا تحب أن تكون ممتلئة - تماماً كالهواتف والمثاقب المشحونة. لذلك توصي كل من Tesla وHyundai بشحن 80% للبطارية للاستخدام اليومي.

يجب قراءة ذلك كافتراض جيد وليس كقاعدة. البطاريات ذات كيمياء LFP يمكنها، بفضل ملفات الجهد المختلفة، الحفاظ على معدل شحن مرتفع حتى نحو 90% ؛ كما تتأرجح نقطة بدء التخفيض التدريجي من موديل إلى آخر بين %75-85 أما الوصول إلى 100 بالمئة فليس مشكلة إذا تم أحياناً قبل رحلة طويلة - ما دام لم يتحول إلى روتين يومي. تمييز أخير: في الشحن بالتيار المتردد AC (الشحن المنزلي)، القدرة منخفضة أصلاً، لذا فالتخفيض التدريجي خفيف إلى درجة لا تُلاحظ عملياً. التباطؤ يخلق تجربة درامية فقط في الشحن السريع DC.

هل التباطؤ عطل؟ متى نشك؟

التباطؤ بعد 80% هو آلية حماية بحكم التصميم؛ فإذا لم تكن السيارة معطلة فهذا هو السلوك المتوقع. السؤال الحقيقي الذي ينبغي طرحه هو ما إذا كانت أجزاء أخرى من المنحنى أبطأ من المتوقع. أسرع نطاق، وهو %20-60 إذا كنتِ تحت قوة الذروة بشكل كبير بعد النطاق، فهناك عامل مستقل عن التدريج (taper) في العمل: بطارية باردة، برنامج محطة غير محدث، طاقة مشتركة، كابل متآكل أو تدهور في البطارية. إذا تمت المعالجة الحرارية المسبقة قبل الشحن وكانت درجة الحرارة مناسبة، فإن عدم الوصول إلى الذروة المتوقعة يعد إشارة تستحق التقييم.

أما عنق الزجاجة نفسه فيتقلص تدريجياً مع التكنولوجيا. منصات 800V تنقل طاقة أعلى بخسائر أقل؛ أنظمة الإدارة الحرارية المتقدمة وخوارزميات BMS التكيفية تعمل على تحسين الجهد والتيار والتبريد في الوقت الفعلي؛ والبطاريات ذات الحالة الصلبة تعد باستقرار حراري أفضل عند نسب الامتلاء العالية. لن تلغي هذه التطورات التدريج - فمقتضى الفيزياء باقٍ - لكنها يمكن أن تخفض التكلفة الزمنية لمرحلة CV بشكل ملحوظ عن الوضع الحالي.

النتيجة العملية باختصار: أنهِ جلسات الشحن السريع عند نحو 80%، وارتفع أحياناً إلى 100% عند الحاجة قبل الرحلات الطويلة، وعالج البطارية مسبقاً في الشتاء، وعند مقارنة السيارات لا تنظر إلى قوة الذروة بل إلى أزمنة الشحن من 10% إلى 80% . السائق الذي يقرأ منحنى الشحن بشكل صحيح يوفر الوقت ويطيل عمر بطاريته في آن واحد.

المصادر

• قاعدة 80%: لماذا لا ينبغي أن تشحن سيارتك الكهربائية إلى 100%
• لماذا تتباطأ عملية شحن السيارات الكهربائية بعد 80%؟
• لماذا يتم شحن السيارات الكهربائية ببطء شديد؟
• لماذا يتم شحن سيارتي ببطء شديد؟ أهم الأسباب والحلول
• شحن البطارية وأداء الشحن
• منحنى شحن السيارات الكهربائية: لماذا تتغير سرعة الشحن
• اختبار شحن السيارات الكهربائية من Edmunds: ما مدى سرعة شحن كل سيارة كهربائية؟
• Tesla Model 3 LR مقابل Hyundai Ioniq 5: الشحن السريع
• ما لا يخبرك به حاسبة وقت شحن سيارتك الكهربائية
• فهم منحنى الشحن وقاعدة 80%
• خمس نصائح لشحن السيارات الكهربائية في الطقس البارد