ทำไมรถไฟฟ้าถึงบางครั้งไม่ออกแรงเต็มกำลัง?

รถยกไฟฟ้าบางครั้งอาจไม่ให้กำลังเต็มที่ เนื่องจากเมื่อเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิบนแบตเตอรี่ อินเวอร์เตอร์ และมอเตอร์ตรวจจับว่าอุณหภูมิออกนอกช่วงการทำงานที่ปลอดภัย ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังจะลดกระแสไฟและกำลังขับออกโดยเจตนา สภาวะนี้เรียกว่า derating หรือการลดกำลัง มันไม่ใช่ความผิดปกติ แต่เป็นพฤติกรรมป้องกันที่ถูกออกแบบมาเพื่อปกป้องเซมิคอนดักเตอร์และเซลล์ที่อ่อนไหว กำลังขับที่ลดลงอย่างกะทันหันบนแผงหน้าปัดมักบ่งบอกว่าระบบกำลังทำงานตามที่ออกแบบไว้พอดี

Derating คืออะไร และระบบทำอะไรกันแน่?

Derating คือการที่ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังลดกำลังเอาต์พุตลงโดยอัตโนมัติเมื่ออุณหภูมิภายในเกินขีดจำกัดการทำงานที่ปลอดภัย กลไกนี้ทำงานสามอย่างร่วมกัน: กำหนดขีดจำกัดกระแสไฟ ลดความถี่ในการสวิตชิ่ง และลดกำลังเอาต์พุตลงอย่างเป็นขั้นตอน เป้าหมายคือป้องกันไม่ให้เซมิคอนดักเตอร์ ตัวเก็บประจุ และส่วนประกอบที่อ่อนไหวอื่นๆ เกินขีดจำกัดทางความร้อน

เพื่อให้เห็นภาพชัดขึ้น: อินเวอร์เตอร์ที่ออกแบบมาตามสเปก 5 kW ที่อุณหภูมิแวดล้อม 25°C อาจลดลงเหลือ 4.5 kW หรือต่ำกว่าที่อุณหภูมิ 40°C อัตราส่วนนี้ไม่เหมือนกันในทุกผลิตภัณฑ์ แต่ขึ้นอยู่กับระยะปลอดภัยทางความร้อนของการออกแบบ ในระบบที่ออกแบบด้วยวิศวกรรมที่อ่อนแอ ระยะปลอดภัยทางความร้อนจะต่ำ เข้าถึงเกณฑ์ได้เร็วกว่า และประสิทธิภาพเริ่มลดลงเร็วกว่า นี่คือเหตุผลที่อินเวอร์เตอร์สองตัวที่มีกำลังพิกัดเท่ากันให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันมากในโลกจริง

ในยานยนต์ไฟฟ้า ภาพนี้ไม่สามารถลดทอนลงเหลือเพียงชิ้นส่วนเดียวได้ ตัวกระตุ้นการลดกำลังอาจมาจากฝั่งแบตเตอรี่ ฝั่งอินเวอร์เตอร์ หรือฝั่งมอเตอร์ก็ได้ โดยส่วนใหญ่มักพิจารณาทั้งสามส่วนร่วมกัน หน้าที่ของระบบจัดการความร้อนในยานพาหนะก็คือสิ่งนี้: ทำให้แบตเตอรี่ อินเวอร์เตอร์ และมอเตอร์สามารถทำงานได้ก่อนที่จะเข้าสู่โหมดลดกำลังหรือปิดทำงานทั้งหมด เซ็นเซอร์อยู่ตรงกลางของสถาปัตยกรรมนี้ การตัดสินใจทั้งหมดของระบบอ้างอิงจากอุณหภูมิที่พวกมันอ่านได้

การจำกัดกระแสในแบตเตอรี่เย็น: ทำไมกำลังจึงลดลงในฤดูหนาว?

อากาศเย็นทำให้ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ลิเธียมไอออนช้าลง เมื่อปฏิกิริยาช้าลง แบตเตอรี่จะจ่ายกระแสไฟไม่ได้ในอัตราที่ต้องการ ซึ่งลดทั้งระยะทางวิ่งและความสามารถในการให้กำลังฉับพลัน การสูญเสียระยะทางที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิใกล้จุดเยือกแข็งอธิบายได้บางส่วนจากการลดประสิทธิภาพนี้ และอีกส่วนหนึ่งมาจากการที่การทำความร้อนในห้องโดยสารใช้พลังงานจำนวนมาก นั่นคือส่วนหนึ่งของข้อจำกัดกำลังที่แสดงบนแผงหน้าปัดในฤดูหนาวมาจากกระแสไฟที่ลดลงซึ่งแบตเตอรี่ส่งมอบได้ทางไฟฟ้าโดยตรง

เหตุใดการเบรกแบบรีเจนเรทีฟจึงหายไป?

อีกด้านหนึ่งของแบตเตอรี่เย็นคือฝั่งการชาร์จ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เย็นตัวลงไม่สามารถรับปริมาณการชาร์จจำนวนมากได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยง lithium plating เมื่อลิเธียมโลหะเริ่มสะสมบนพื้นผิวอะโนด การเปลี่ยนแปลงนี้จะเป็นแบบถาวร ด้วยเหตุนี้ซอฟต์แวร์ควบคุมของยานพาหนะจึงลดหรือปิดการใช้งานการเบรกแบบรีเจนเรทีฟชั่วคราวจนกว่าแบตเตอรี่จะอุ่นขึ้น ผู้ขับขี่จะสังเกตเห็นสิ่งนี้จากความรู้สึกในการเบรกที่เปลี่ยนไป ผู้ผลิตบางรายเสนอการตั้งค่าที่เลียนแบมพฤติกรรมของแป้นเบรกแบบดั้งเดิมเพื่ออุดช่องว่างนี้ ตรรกะเดียวกันนี้ใช้ได้กับการชาร์จเร็วเช่นกัน แพ็กเย็นจะพอใจด้วยกระแสเพียงส่วนเล็กน้อยจากที่สามารถรับได้ และช่วงต้นของเส้นโค้งการชาร์จจะดำเนินไปอย่างช้าอย่างไม่คาดคิด

การตีความพฤติกรรมนี้อย่างถูกต้องเป็นเรื่องสำคัญ ข้อจำกัดนี้คือพฤติกรรมพื้นฐานที่ออกแบบมาเพื่อป้องกันความเสียหายของแบตเตอรี่ ในยานพาหนะที่มีการปรับอุณหภูมิแบตเตอรี่ล่วงหน้าทำงานอยู่ ขอบเขตจำกัดนี้มักไม่ถูกสังเกตเห็นเลย เนื่องจากแพ็กจะถูกให้ความร้อนก่อนการชาร์จ

การป้องกันทางความร้อนที่อุณหภูมิสูงและการแยกความสูญเสียชั่วคราว-ถาวร

ฝั่งอุณหภูมิสูงวาดภาพที่ไม่ตื่นเต้นเท่าความเย็น แต่ผลลัพธ์อาจถาวรกว่า เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น การสูญเสียของคอนเวอร์เตอร์จะเพิ่มขึ้น ระยะปลอดภัยทางความร้อนของระบบแคบลง และการ derating กำลังจะถูกกระตุ้น ระบบจัดการความร้อน ทำงานร่วมกับการติดตามอุณหภูมิที่มากเกินไป การจำกัดกำลังอัตโนมัติ และกลยุทธ์การป้องกันข้อผิดพลาด เพื่อพยายามป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังออกนอกหน้าต่างความปลอดภัย เมื่อหน้าต่างนี้ถูกข้ามไป ระบบป้องกันที่ทำงานจะเป็นสองขั้นตอน ก่อนอื่นกำลังจะถูกลดลง หากขอบเขตถูกเกิน การชาร์จและการคายประจุจะหยุดชั่วคราวอย่างสมบูรณ์ การปิดระบบทั้งหมดเป็นการตอบสนองด้านความปลอดภัยที่แข็งแกร่งกว่าการจำกัด และไม่ใช่หลักฐานของข้อผิดพลาดในตัวมันเอง

จุดแบ่งสำคัญในการจัดการอุณหภูมิคือประเภทของการสูญเสียความจุ การสูญเสียความจุที่ใช้งานได้ชั่วคราวคือข้อจำกัดที่เกิดจากอุณหภูมิของ BMS และจะกลับคืนเมื่ออุณหภูมิกลับสู่ภาวะปกติ ในขณะที่การสัมผัสความร้อนซ้ำ ๆ จะเร่งการชราภาพของเซลล์ ทำให้เกิดการสูญเสียความจุถาวร ด้วยเหตุนี้ ข้อจำกัดที่เห็นในยานพาหนะที่จอดอยู่ในความร้อนของฤดูร้อนจึงมักสามารถย้อนกลับได้ ในขณะที่การทำซ้ำเงื่อนไขเดียวกันหลายครั้งจะทำให้อายุการใช้งานของแพ็กสั้นลงจริง ๆ

ยังมีจุดละเอียดอ่อนอีกประการในแพ็กแบตเตอรี่ การกระจายตัวของอุณหภูมิสำคัญพอ ๆ กับขนาดของมัน การกระจายอุณหภูมิที่สม่ำเสมอภายในแพ็กเป็นตัวกำหนดในแง่ของประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และความปลอดภัย ความแตกต่างที่เปิดขึ้นระหว่างเซลล์ทำให้ระบบต้องจำกัดการทำงานตามเซลล์ที่ร้อนที่สุด ด้วยเหตุนี้ การจัดการความร้อนจึงไม่ใช่แค่การทำให้เย็น แต่คือการทำให้เย็นอย่างสม่ำเสมอ ฝั่งมอเตอร์ การจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพช่วยป้องกันผลลัพธ์ที่รุนแรงกว่า การสูญเสียแม่เหล็กในแม่เหล็กถาวร การชราภาพของวัสดุฉนวน การลดลงของประสิทธิภาพ และการไหม้ของขดลวดมอเตอร์จะไม่เกิดขึ้นเนื่องจากการป้องกันเหล่านี้

อะไรจะเกิดขึ้นเมื่ออินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ร้อนจัด?

ชุดอินเวอร์เตอร์แรงบิด (traction inverter) เป็นส่วนประกอบที่ทำงานสวิตชิ่งหนักที่สุดของยานพาหนะ และการสูญเสียทั้งหมดของมันจะกลายเป็นความร้อน กลยุทธ์การระบายความร้อนเป็นตัวกำหนดว่าความร้อนนี้จะถูกถ่ายเทออกไปเร็วเพียงใด การระบายความร้อนด้วยอากาศแบบพาสซีฟอาศัยการพาความร้อนตามธรรมชาติและขึ้นอยู่กับการไหลของอากาศในตำแหน่งที่ติดตั้ง การระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับต้องการการระบายอากาศและระยะห่าง (clearance) ส่วนการระบายความร้อนด้วยของเหลวให้การถ่ายเทความร้อนที่ควบคุมได้ แต่เป็นระบบที่ซับซ้อนกว่า ความเร็วที่อินเวอร์เตอร์จะไปถึงเกณฑ์ทางความร้อนนั้นเปลี่ยนแปลงตามระดับความสามารถในการระบายความร้อน พัดลมภายในเสียหายหรืออุปกรณ์ระบายความร้อนถูกปิดกั้น อาจทำให้การจำกัดประสิทธิภาพปรากฏให้เห็นได้แม้ในสภาวะที่ไม่เคยพบมาก่อน

ในฝั่งมอเตอร์ การลดกำลัง (derating) ถูกนำไปใช้ด้วยกลไกที่แตกต่างออกไป: กำลังเอาต์พุตจะถูกลดลงไม่ใช่โดยตรง แต่โดยการลดลิมิตแรงบิด ลิมิตแรงบิดถูกทำให้เกิดขึ้นจริงโดยการลดกระแสไฟที่จ่ายเข้ามอเตอร์ นี่คือสิ่งที่ผู้ขับขี่รู้สึกได้: เมื่อเหยียบคันเร่งเต็มที่ การตอบสนองของยานพาหนะยังคงลักษณะการเร่งความเร็วเดิม แต่เพดานลดลงแล้ว กำลังที่ลดลงในวันที่อากาศร้อน ไม่ได้แปลว่าอินเวอร์เตอร์เสียหาย ตรงกันข้าม การลดกำลังเพราะความร้อนแสดงว่าระบบทำงานตามที่ออกแบบไว้ สถานการณ์ที่มีปัญหาคือกรณีที่การจำกัดประสิทธิภาพเกิดขึ้นในสภาวะปกติ ที่ภาระงานระดับสมเหตุสมผล และเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง

สถาปัตยกรรม 800V และ SiC: ลดปัญหาความร้อนได้อย่างถึงรากฐาน

การต่อสู้กับการจำกัดกำลังมีมิติทางสถาปัตยกรรมอยู่ด้วย สถาปัตยกรรม 800V คือการออกแบบแรงดันสูงที่ครอบคลุมแบตเตอรี่ อิเล็กทรอนิกส์กำลัง และระบบชาร์จ โดยส่งกำลังเดียวกันด้วยแรงดันที่สูงขึ้น ทำให้กระแสลดลง และลดการสูญเสียและความร้อนสะสม ผู้ผลิตได้รับประโยชน์จากการเปลี่ยนผ่านนี้ในด้านการลดเวลาชาร์จลงครึ่งหนึ่ง ลดกระแสชาร์จ และลดความร้อนสูงเกินไป ความร้อนที่น้อยลง หมายถึงการไปถึงเกณฑ์ทางความร้อนที่ช้าลง และหน้าต่างการจำกัดกำลังที่แคบลง

ความท้าทายทางความร้อนเริ่มต้นที่จุดที่วิกฤตที่สุด นั่นคืออุณหภูมิรอยต่อ (junction) ของสารกึ่งตัวนำ ความสามารถทนอุณหภูมิรอยต่อ 200°C ของสารกึ่งตัวนำ SiC ช่วยให้ใช้ระบบระบายความร้อนที่กะทัดรัดกว่าได้ ด้วยงบความร้อนเท่าเดิม จะสวิตช์กำลังได้มากขึ้น การผสมผสานคู่นี้ แรงดัน 800V และการสวิตชิ่งด้วย SiC คือโครงสร้างวิศวกรรมที่อยู่เบื้องหลังความสามารถของยานพาหนะสมัยใหม่ในการจ่ายกำลังเต็มที่ได้เป็นเวลานาน อย่างไรก็ตาม ต้องแยกตารางการตลาดออกจากตารางวิศวกรรม: ในยานพาหนะบางรุ่น แรงดันที่ระบุไว้อาจอิงตามแรงดันสูงสุดของระบบแทนที่จะเป็นแรงดันแพ็กเกจที่กำหนด (nominal) สำหรับเงื่อนไขกำลังเต็มที่ ควรยึดตามเอกสารของผู้ผลิตเองเสมอ

ทำไมกลยุทธ์ของผู้ผลิตจึงแตกต่างกัน?

เกณฑ์การลดกำลัง (derating) ไม่ใช่ค่าอุณหภูมิสากล ช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ระบุไว้ของระบบหนึ่งๆ ไม่รับประกันว่าจะจ่ายกำลังเต็มที่ได้ตลอดทั้งช่วงนั้น เงื่อนไขกำลังเต็มที่ถูกกำหนดไว้แยกต่างหากในเอกสารของผู้ผลิต ยานพาหนะสองคัน แม้ใช้เคมีเซลล์เดียวกัน ก็อาจเข้าสู่การจำกัดประสิทธิภาพที่จุดต่างกันมาก ด้วยเกณฑ์ BMS ที่ต่างกัน ความสามารถในการระบายความร้อนที่ต่างกัน และกลยุทธ์ซอฟต์แวร์ที่ต่างกัน ด้วยเหตุนี้ การเปรียบเทียบพฤติกรรมของรุ่นหนึ่งในอากาศร้อนหรืออากาศเย็นกับพฤติกรรมของอีกรุ่นหนึ่งโดยตรงจึงเป็นเรื่องหลอกลวง; ควรยึดขีดจำกัดเฉพาะของแต่ละรุ่นเป็นหลัก

ตัวกลยุทธ์เองก็ยังเป็นข้อถกเถียง เกณฑ์การจำกัดที่ใช้กันในทางปฏิบัติเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันอ้างอิงค่าอุณหภูมิคงที่ และเนื่องจากไม่คำนึงถึงสภาพแวดล้อมหรือรูปแบบการใช้งาน จึงอาจอนุรักษ์นิยมเกินความจำเป็น ฝ่ายวิชาการโต้แย้งว่าแนวทางการควบคุมแบบไดนามิกที่ปรับตามสภาพแวดล้อมและคาดการณ์การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิสามารถคืนส่วนแบ่งนี้ได้ ในทางกลับกัน การที่ผู้ผลิตยึดมั่นในเกณฑ์คงที่ก็มีเหตุผลของมัน: ระยะปลอดภัยถูกกำหนดตามสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด และการแก้ไขสุดท้ายหนึ่ง: เคมีของแบตเตอรี่ที่ได้รับการชื่นชมเรื่องความทนต่อความร้อนไม่สามารถป้องกัน thermal derating ได้ด้วยตัวเอง; สิ่งที่เป็นตัวกำหนดคือ BMS, ฉนวนความร้อน, การจัดวางตำแหน่ง และวิธีการระบายความร้อน

การลดกำลังเป็นเรื่องปกติหรือเป็นข้อบกพร่อง?

คำตอบของคำถามนี้แบ่งออกเป็นสามคำถาม ประการแรก: การจำกัดเกิดขึ้นในสภาวะที่คาดหวังหรือไม่? การลดลงของการฟื้นฟูพลังงานในเช้าวันที่อากาศเย็น การจำกัดกำลังชั่วคราวในอากาศร้อนฤดูร้อน หรือการปิดระบบด้วยความร้อนอย่างสมบูรณ์ ล้วนเป็นการทำงานตามปกติของระบบป้องกัน; ไม่ได้หมายความว่าแบตเตอรี่มีข้อบกพร่อง ประการที่สอง: การจำกัดถูกยกเลิกเมื่ออุณหภูมิกลับสู่ภาวะปกติหรือไม่? การสูญเสียความจุที่ใช้ได้ชั่วคราวจะปรากฏให้เห็นในการทดสอบนี้; เมื่ออุณหภูมิกลับสู่ภาวะปกติ ประสิทธิภาพจะสมบูรณ์ ประการที่สาม: ความถี่และบริบทของการจำกัด หากการจำกัดที่ไม่ควรเกิดขึ้นในสภาวะเดียวกันปรากฏขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่า นั่นเป็นสัญญาณที่ควรตรวจสอบ

สัญญาณที่สนับสนุนความสงสัยว่ามีข้อบกพร่อง ได้แก่:

• ระยะทางลดลงอย่างอธิบายไม่ได้และกลายเป็นถาวร
• การชาร์จที่ช้าลงอย่างผิดปกติ
• การสิ้นเปลืองแฝงที่เพิ่มขึ้นขณะไม่ได้ใช้งาน
• การสูญเสียกำลังอย่างฉับพลันที่อธิบายไม่ได้ด้วยความเย็นหรือความร้อน
• เสียงและกลิ่นที่ผิดปกติ

หากพบอาการใดอาการหนึ่งหรือหลายอย่างเหล่านี้ ยานพาหนะจำเป็นต้องได้รับการประเมินโดยศูนย์บริการ การปิดใช้งานระบบป้องกันไม่ใช่ทางเลือกในทุกกรณี: การเอาการป้องกันของ BMS ออกจะเพิ่มความเสี่ยงต่อความเสื่อมสภาพถาวรและ thermal runaway ทางแก้ของปัญหาความร้อนไม่ใช่การยกเลิกการป้องกัน; แต่คือการลดการสัมผัสความร้อนด้วยการบังแดด การจัดวางตำแหน่ง และการไหลเวียนของอากาศ

บทสรุป: การอ่านเส้นกราฟกำลังคือความรู้ด้านวิศวกรรม

กำลังที่ลดลงบนแผงหน้าปัดในหลายครั้งไม่ใช่จุดจบอันเลวร้ายของเรื่องราว แต่เป็นหลักฐานว่าระบบรู้จักขีดจำกัดของตัวเอง เคมีที่ช้าลงในอากาศเย็น ระยะปลอดภัยด้านความร้อนที่หดตัวในอากาศร้อน อินเวอร์เตอร์ที่ร้อนจนตัดกระแส และการยกเลิกขีดจำกัดแรงบิดของมอเตอร์ ล้วนเป็นด้านต่าง ๆ ของหลักการเดียวกัน: ส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนจะทำงานภายในหน้าต่างความปลอดภัยของมันเอง ตำแหน่งที่ขีดจำกัดถูกกำหนดแตกต่างกันไปในแต่ละผู้ผลิต; แต่การแยกแยะว่าขีดจำกัดเป็นแบบชั่วคราวหรือถาวร และการรู้ว่าพฤติกรรมใดคาดหวังได้ในสภาวะใด คือเครื่องมือวินิจฉัยที่ใช้งานได้จริงที่สุดในมือของเจ้าของรถยนต์ไฟฟ้า กฎง่าย ๆ คือ: ในสภาวะที่คาดหวัง การจำกัดที่เป็นแบบชั่วคราวถือเป็นเรื่องปกติ; ในสภาวะที่ไม่คาดคิด ควรตรวจสอบข้อจำกัดที่กลายเป็นถาวร

แหล่งข้อมูล

• อุณหภูมิต่ำส่งผลต่อระยะทางขับขี่ของยานยนต์ไฟฟ้าอย่างไร
• สภาพอากาศหนาวส่งผลต่อรถยนต์ไฟฟ้าอย่างไร?
• ทำไมระบบเบรกสร้างพลังงานย้อนกลับจึงไม่ทำงานในอากาศหนาว?
• อธิบายการลดกำลัง (Derating) แบตเตอรี่บ้านในภูมิอากาศร้อน
• ทำไมความร้อนจึงทำให้อินเวอร์เตอร์ลดกำลัง และระบบกักเก็บพลังงานช่วยได้อย่างไร
• อินเวอร์เตอร์ร้อนเกินไป: ช่วงอุณหภูมิและการลดกำลัง (Derating)
• คู่มือระบบจัดการความร้อนและเทคโนโลยีเซนเซอร์ของยานยนต์ไฟฟ้า
• ระบบจัดการความร้อนของยานยนต์ไฟฟ้า
• คู่มือระบบจัดการความร้อนของยานยนต์ไฟฟ้า
• ผลกระทบของสภาพภูมิอากาศสุดขั้วต่อที่ชาร์จไฟเร็วของรถยนต์ไฟฟ้า
• การควบคุมอุณหภูมิแบบทำนายล่วงหน้าของมอเตอร์ล้อรถจักรยานยนต์ไฟฟ้า
• การลดกำลัง (Derating) ของมอเตอร์ขับเคลื่อนไฟฟ้าและเจเนอเรเตอร์ในยานพาหนะ
• ความท้าทายด้านการออกแบบความร้อนในระบบชาร์จยานยนต์ไฟฟ้า 800V
• สถาปัตยกรรม 800V คืออะไร?
• HEFT D3.1: สถาปัตยกรรมระบบขับเคลื่อนแบบโมดูลาร์ 800V
• สถาปัตยกรรม 800V
• สัญญาณบ่งชี้ว่าแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าของคุณกำลังเสื่อมสภาพ