ทำไมการชาร์จจึงช้าลงหลังจาก 80 เปอร์เซ็นต์?

ความเร็วในการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าจะช้าลงเมื่อแบตเตอรี่ถึงระดับ 80 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากระบบจัดการแบตเตอรี่จะลดกระแสไฟลงทีละขั้นเมื่อเซลล์ใกล้ถึงแรงดันไฟสูงสุดที่อนุญาต; นี่ไม่ใช่ความผิดปกติ แต่เป็นกลไกที่ออกแบบมาเพื่อปกป้องเซลล์จากความเครียดจากการชาร์จเกิน ผลลัพธ์คือ 20 เปอร์เซ็นต์สุดท้ายอาจใช้เวลานานเท่ากับ 70 เปอร์เซ็นต์แรก ด้วยเหตุนี้ระดับ 80 เปอร์เซ็นต์จึงถือเป็นจุดจอดที่เหมาะสมในการวางแผนการเดินทาง

เส้นโค้งการชาร์จคืออะไร และทำไมจึงไม่ใช่เส้นตรง?

เส้นโค้งการชาร์จคือกราฟที่แสดงกำลังชาร์จที่ได้รับเทียบกับระดับการชาร์จของแบตเตอรี่ (SoC) มันไม่ได้ดำเนินไปด้วยกำลังเท่ากันตั้งแต่ต้นจนจบอย่างที่คนขับหลายคนคาดหวัง; ตัวแปรต่างๆ เช่น แรงดันไฟ สภาพภายในของเซลล์ และอุณหภูมิ กำหนดรูปร่างของเส้นโค้ง ช่วงที่เร็วที่สุดโดยทั่วไปคือช่วง SoC 20-60%; ในช่วงเวลานี้เซลล์จะดูดซับพลังงานด้วยความต้านทานต่ำที่สุด

สามารถอธิบายหลักการพื้นฐานด้วยการเปรียบเทียบได้ว่า: การหาที่นั่งในโรงละครที่เต็ม ไม่ง่ายเท่ากับการเข้าไปนั่งและลงจากโรงละครที่ว่างเปล่า เมื่อแบตเตอรี่ว่าง ไอออนลิเทียมสามารถหาที่อยู่ในแอโนดได้อย่างสบาย; เมื่อระดับการชาร์จเพิ่มขึ้น ที่ว่างที่เหมาะสมก็ลดลง ไอออนตัวใหม่แต่ละตัวต้องฝังตัวด้วยความต้านทานที่มากขึ้น และความต้านทานนี้กลายเป็นทั้งความร้อนและแรงดันไฟที่สูงขึ้น นั่นคือ ยิ่งแบตเตอรี่เต็มมากเท่าไร ก็ยิ่งชาร์จช้าลงเท่านั้น - นี่ไม่ใช่ทางเลือกของซอฟต์แวร์ แต่เป็นข้อกำหนดทางเคมีไฟฟ้า

หลักการ CC-CV: การเปลี่ยนจากกระแสคงที่สู่แรงดันคงที่

แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนแทบทุกชนิดทำงานด้วยกลยุทธ์การชาร์จสองเฟส ในเฟสแรก คือเฟสกระแสคงที่ (CC) เครื่องชาร์จจะรักษากระแสไว้ใกล้ขีดจำกัดบนที่อนุญาต และเส้นโค้งกำลังไฟจะไปถึงจุดสูงสุด; ข้อความอย่าง "กำลังเต็มจนถึง 60%" อธิบายถึงเฟสนี้ เมื่อแบตเตอรี่ใกล้ถึงแรงดันไฟสูงสุดที่อนุญาต ระบบจะเปลี่ยนไปสู่เฟสที่สอง คือเฟสแรงดันคงที่ (CV): แรงดันไฟคงที่ กระแสลดลง และการชาร์จค่อยๆ เข้าสู่ขั้นตอนความอิ่มตัว

เบื้องหลังการเปลี่ยนผ่านนี้มีเหตุผลทางกายภาพสองประการ ประการแรกคือความต้านทานภายใน: ยิ่ง SoC เพิ่มขึ้น ความต้านทานภายในของเซลล์ยิ่งเพิ่มขึ้น กระแสเท่าเดิมจะสร้างความร้อนมากขึ้นและแรงดันไฟที่สูงขึ้น ประการที่สองคือความไวต่อการชาร์จเกิน: ที่ระดับการชาร์จสูง เซลล์ลิเทียมไอออนจะเข้าใกล้เกณฑ์ปฏิกิริยาที่อันตราย และอาจเกิดความเสียหายถาวร เช่น การสะสมลิเทียมโลหะที่ไม่ต้องการบนแอโนด (plating) ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) จำเป็นต้องลดกระแสไฟลงทีละขั้นเพื่อป้องกันความเสี่ยงเหล่านี้ จุดเริ่มต้นของ taper แตกต่างกันระหว่าง 75-85% ขึ้นอยู่กับสารเคมีและกลยุทธ์ของ BMS; ระดับ 80 เปอร์เซ็นต์เป็นจุดอ้างอิงทั่วไป ไม่ใช่เกณฑ์สากล

ลองทำให้เป็นรูปธรรมด้วยตัวเลข

ข้อมูลเวลาในการชาร์จบอกความหมายของการชาร์จที่ช้าลงได้ดีที่สุด รถ Hyundai Ioniq 5 ที่มีแบตเตอรี่ระยะทางไกล ใช้เวลาชาร์จด่วน DC ในช่วง 10-80% ประมาณ 18 นาที ในขณะที่ต้องรอเพิ่มอีกประมาณ 32 นาที สำหรับ 20 เปอร์เซ็นต์สุดท้าย นั่นหมายความว่าช่วงที่ช้าที่สุดของเส้นการชาร์จใช้เวลาเกือบสองเท่าของช่วงที่เร็ว บนรถที่มีระยะทางประมาณ 300 ไมล์ (480 กม.) ข้อมูลนี้อ่านได้ว่า: การถอดสายชาร์จที่ 80% แล้วเดินทางต่อ มีประสิทธิภาพกว่าการรอ 20 เปอร์เซ็นต์สุดท้ายมาก - ในเวลาเท่ากันคุณสามารถเดินทางได้ มากกว่า 100 ไมล์ บนถนนข้างหน้า

การต่อรองกำลังไฟระหว่างยานพาหนะกับสถานีชาร์จ

ความเร็วในการชาร์จไม่ใช่การตัดสินใจฝ่ายเดียว; รถยนต์กับสถานีจะเจรจาต่อรองกันทันทีที่เสียบปลั๊ก รถจะแจ้งกระแสไฟที่แบตเตอรี่ของตนอนุญาตและสถานะปัจจุบัน; สถานีก็จะโฆษณากำลังไฟที่ตนสามารถจ่ายได้ ผลลัพธ์คือค่าที่ต่ำกว่าของทั้งสองฝ่ายเสมอ: ไม่ว่าฝ่ายใดจะจำกัด ความจุที่ต่ำกว่าจะเป็นตัวกำหนด นั่นคือเหตุผลที่รถยนต์ไฟฟ้าแทบไม่เคยชาร์จด้วยความเร็วสูงสุดที่เขียนไว้ในสเปก

ชั้นการสื่อสารก็เป็นส่วนหนึ่งของการต่อรองนี้ด้วย รถยนต์และเครื่องชาร์จจัดการเซสชันการชาร์จผ่านโปรโตคอลอย่าง ISO 15118 และ OCPP; หากซอฟต์แวร์ของสถานีไม่ทันสมัย รถอาจเข้าถึงความจุเต็มไม่ได้ นอกจากนี้ในระบบที่ใช้ร่วมกันซึ่งมีรถหลายคันต่อกับสถานีเดียว กำลังไฟจะถูกแบ่งกัน: ในระบบ 1 MW รถสองคันจะได้รับ คันละ 350 kW รถสี่คันจะลดเหลือ 250 kW และรถแปดคันจะลดเหลือ 125 kW

อุณหภูมิ อายุการใช้งาน และปัจจัยชะลอความเร็วอื่น ๆ

สิ่งที่ทำให้เส้นการชาร์จช้าลงไม่ใช่แค่ระดับการชาร์จเท่านั้น BMS ตรวจสอบเงื่อนไขต่าง ๆ แบบเรียลไทม์เพื่อปกป้องแบตเตอรี่และลดกำลังไฟเมื่อจำเป็น:

• อุณหภูมิ: ช่วงอุณหภูมิเซลล์ที่เหมาะสมคือ 20-30°C ในอากาศเย็นปฏิกิริยาเคมีช้าลงและแบตเตอรี่รับพลังงานได้น้อยลง - ที่ 0°C การรับประจุอาจลดลงประมาณ 36% ในอากาศร้อนจัด BMS จะลดกำลังไฟเพื่อป้องกันการสะสมความร้อน; ระหว่างการชาร์จด่วน DC อุณหภูมิภายในสามารถเพิ่มขึ้นได้ 10-15°C อยู่แล้ว
• อายุแบตเตอรี่: เมื่อเก่าลงความต้านทานภายในจะสูงขึ้น; กระแสไฟเท่าเดิมจะกลายเป็นความร้อนมากขึ้น และ BMS เริ่มลดเส้นการชาร์จอย่างก้าวร้าวมากขึ้น
• สภาพฮาร์ดแวร์: สายไฟและขั้วต่อที่ชำรุดหรือเสียหายจะจำกัดความสามารถในการนำกระแสไฟ
• ข้อจำกัดด้านซอฟต์แวร์: อัลกอริทึมของผู้ผลิตอาจจำกัดพฤติกรรมการชาร์จโดยเจตนาตามสารเคมีของเซลล์

ในสภาพอากาศหนาว วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดคือการปรับสภาพล่วงหน้า (preconditioning): เมื่อตั้งเป้าหมายไปยังจุดชาร์จด่วนในระบบนำทาง รถจะอุ่นแบตเตอรี่ก่อนออกเดินทาง และเมื่อเซลล์ใกล้ถึงอุณหภูมิที่เหมาะสมก็สามารถใช้เส้นการชาร์จเต็มรูปแบบได้ การอุ่นล่วงหน้าสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการชาร์จในภูมิอากาศหนาวได้ถึง 30%; การขับขี่ระยะสั้นไปยังจุดชาร์จก็ช่วยได้ในลักษณะเดียวกัน

การตลาด "ความเร็วชาร์จสูงสุด" มีความหมายเพียงใด?

กำลังสูงสุดที่ผู้ผลิตเน้นย้ำในโบรชัวร์เป็นตัวชี้วัดที่ไม่ดีนักหากพิจารณาเพียงอย่างเดียว กำลังสูงสุดปรากฏเพียงช่วงไม่กี่นาทีที่เร็วที่สุดของเส้นการชาร์จเท่านั้น ค่าเฉลี่ยของทั้งเซสชันนั้นต่ำกว่ามาก ตัวอย่างเช่น รุ่นที่โฆษณาว่ามีกำลังสูงสุด 250 kW จะมีกำลังเฉลี่ยในเซสชันการชาร์จที่สมบูรณ์ต่ำกว่าตัวเลขนั้นอย่างชัดเจน ด้วยเหตุนี้ สำหรับการเปรียบเทียบ ตัวชี้วัดอย่าง เวลา 10-80% และค่าเฉลี่ยของเซสชันจะให้ข้อมูลมากกว่าค่าสูงสุดเพียงค่าเดียวอย่างมาก

การเปรียบเทียบที่เป็นรูปธรรม: ในการวัดของสำนักข่าวหนึ่ง Ioniq 5 ชาร์จช่วง 10-80% เสร็จเร็วกว่า Tesla Model 3 ประมาณ 9-11 นาที โดย Model 3 ที่ว่ากันว่าอยู่ในช่วง 24-26 นาที สถาปัตยกรรม 800V ของ Ioniq 5 ส่งกำลังระดับเดียวกันด้วยกระแสที่น้อยกว่า จึงสร้างความร้อนและการสูญเสียน้อยกว่า ซึ่งเป็นรากฐานที่ทำให้เส้นกราฟคงความชันได้นานขึ้นแม้ในช่วงการชาร์จที่สูง สถาปัตยกรรมไม่ได้ขจัด taper - เพียงแต่ดันเส้นกราฟทั้งเส้นให้สูงขึ้น

กฎ 80 เปอร์เซ็นต์: ความเร็ว หรือ อายุการใช้งานแบตเตอรี่ หรือทั้งสองอย่าง?

การหยุดชาร์จที่ 80 เปอร์เซ็นต์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเหตุผลเพียงข้อเดียว แต่ให้ประโยชน์สองประการพร้อมกัน ประการแรกคือเวลา: การรอหลังจากที่ taper เริ่มต้นแล้วมีประสิทธิภาพต่ำในแง่ของพลังงานที่ได้รับต่อนาที ประการที่สองคือสุขภาพแบตเตอรี่: การชาร์จถึง 100 เปอร์เซ็นต์ด้วย DC ชาร์จเร็วซ้ำ ๆ ทำให้เซลล์อยู่ภายใต้ความเครียดจากแรงดันสูงและเร่งการสูญเสียความจุในระยะยาว แบตเตอรี่ไม่ชอบการเต็ม ๆ - เช่นเดียวกับโทรศัพท์และสว่านไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้ทั้ง Tesla และ Hyundai จึงแนะนำการชาร์จ 80% สำหรับการใช้งานประจำวัน

สิ่งนี้ควรอ่านว่าเป็นค่าเริ่มต้นที่ดี ไม่ใช่กฎ แบตเตอรี่ที่ใช้เคมี LFP สามารถรักษาความเร็วการชาร์จสูงได้ถึง ราว 90% ด้วยโปรไฟล์แรงดันที่แตกต่างกัน จุดเริ่มต้นของ taper ก็เลื่อนได้ระหว่าง 75-85% แล้วแต่รุ่น ส่วนการชาร์จถึง 100 เปอร์เซ็นต์ไม่ใช่ปัญหาหากทำเป็นครั้งคราวก่อนการเดินทางไกล - ตราบใดที่ไม่กลายเป็นกิจวัตรประจำวัน การแยกแยะสุดท้าย: ในการชาร์จ AC (การชาร์จที่บ้าน) กำลังมีค่าต่ำอยู่แล้ว taper จึงเบาจนแทบไม่รู้สึกในทางปฏิบัติ ความช้าจะสร้างประสบการณ์ที่เห็นได้ชัดเจนเฉพาะในการชาร์จเร็ว DC เท่านั้น

ความช้าเป็นความผิดปกติหรือไม่? ควรสงสัยเมื่อไร?

ความช้าหลัง 80% เป็นกลไกป้องกันตามการออกแบบ หากรถไม่ได้เสียหาย นี่คือพฤติกรรมที่คาดหวัง คำถามที่ควรถามจริง ๆ คือ ส่วน อื่น ของเส้นกราฟช้ากว่าที่ควรจะเป็นหรือไม่ หากในช่วงที่เร็วที่สุดคือช่วง 20-60% กำลังต่ำกว่าค่าสูงสุดอย่างมาก ย่อมมีปัจจัยอื่นที่ไม่เกี่ยวกับ taper เข้ามาเกี่ยวข้อง: แบตเตอรี่เย็น ซอฟต์แวร์สถานีที่ไม่ทันสมัย กำลังที่ถูกแบ่งใช้ สายที่สึกหรอ หรือความชราของแบตเตอรี่ หากมีการปรับอุณหภูมิแบตเตอรี่ก่อนชาร์จและอุณหภูมิเหมาะสม การไม่ไปถึงกำลังชาร์จสูงสุดที่คาดไว้ถือเป็นสัญญาณที่น่าสนใจนำมาวิเคราะห์

ตัวคอขวดเองก็ค่อยๆ ลดลงไปพร้อมกับเทคโนโลยี แพลตฟอร์ม 800V ส่งกำลังได้สูงขึ้นโดยสูญเสียน้อยลง ระบบจัดการความร้อนขั้นสูงและอัลกอริทึม BMS แบบปรับตัวช่วยเพิ่มประสิทธิภาพแรงดัน กระแส และการระบายความร้อนแบบเรียลไทม์ ส่วนแบตเตอรี่โซลิดสเตตให้คำมั่นว่าจะมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีกว่าแม้ในระดับการชาร์จสูง สิ่งเหล่านี้จะไม่ขจัดช่วง taper ออกไป - มันคือกฎของฟิสิกส์ที่คงอยู่ - แต่สามารถลดต้นทุนด้านเวลาของช่วง CV ลงได้อย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับปัจจุบัน

ข้อสรุปในทางปฏิบัติสั้นๆ คือ: จบเซสชันชาร์จเร็วที่ราวๆ 80% เพิ่มขึ้นเป็น 100% เป็นครั้งคราวเมื่อจำเป็นก่อนเดินทางไกล ปรับอุณหภูมิแบตเตอรี่ในฤดูหนาว และเวลาเปรียบเทียบรถยนต์ให้ดูที่ เวลาช่วง 10-80% แทนกำลังชาร์จสูงสุด คนขับที่อ่านเส้นกราฟการชาร์จได้อย่างถูกต้องจะประหยัดเวลาและยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ออกไปได้พร้อมกัน

แหล่งอ้างอิง

• The 80% rule: Why you shouldn't charge your EV to 100%
• Why does EV charging slow down after 80%?
• Why Do EVs Charge So Slowly?
• Why Is My Car Charging So Slow? Top Reasons and Solutions
• Battery Charging and Charging Performance
• EV charging curve: Why charging speed fluctuates
• Edmunds EV Charging Test: How fast does each EV charge?
• Tesla Model 3 LR Vs Hyundai Ioniq 5: Fast Charging
• What Your EV Charging Time Calculator Doesn't Tell You
• Understanding the Charging Curve and the 80% Rule
• Five tips for charging electric vehicles in cold weather