اگر تاکنون خودروی برقی را به یک شارژر سریع DC متصل کرده باشید، احتمالاً متوجه شدهاید که افزایش شارژ از مثلاً ۲۰ به ۶۰ درصد با سرعت زیادی انجام میشود، اما وقتی نشانگر باتری به محدوده ۸۰ درصد نزدیک میشود، سرعت شارژ افت محسوسی پیدا میکند. در نگاه اول ممکن است تصور شود شارژر دیگر توان کافی ندارد یا باتری با مشکلی مواجه شده است، اما این کاهش سرعت کاملاً عمدی و بخشی از نحوه مدیریت باتری است.
خودرو در ابتدای شارژ میتواند توان بالایی دریافت کند، اما باتری برای دریافت همین توان در سطوح بالای شارژ شرایط متفاوتی دارد. هرچه باتری پرتر میشود، سیستم مدیریت باتری محدودیتهای بیشتری اعمال میکند تا ولتاژ سلولها، دما و جریان در محدوده ایمن باقی بماند. در واقع بیشتر باتریهای خودروهای برقی در بازه ۸۰ تا ۱۰۰ درصد، توان شارژ کمتری دریافت میکنند.
باتری چرا نمیتواند تا ۱۰۰ درصد با همان سرعت شارژ شود؟
برای پاسخ به این پرسش باید به رفتار سلولهای لیتیوم یون توجه کرد. در فرایند شارژ، انرژی الکتریکی وارد سلول میشود و یونهای لیتیوم در ساختار مواد فعال باتری جابهجا میشوند. در بخش ابتدایی شارژ، شرایط برای ورود جریان بیشتر مناسبتر است و خودرو میتواند از ظرفیت شارژر استفاده بیشتری کند.
اما با بالا رفتن سطح شارژ، ولتاژ سلولها افزایش پیدا میکند و باتری به محدوده بالایی ولتاژ مجاز خود نزدیک میشود. در این مرحله ادامه دادن شارژ با جریان زیاد میتواند فشار بیشتری به سلولها وارد کند. به همین دلیل، سیستم کنترل شارژ جریان را پایین میآورد.
این فرایند با الگوی شناختهشده CC-CV یا جریان ثابت ـ ولتاژ ثابت ارتباط دارد. در مرحله نخست، جریان در سطح بالایی نگه داشته میشود؛ اما پس از رسیدن سلول به ولتاژ تعیینشده، سیستم وارد مرحله ولتاژ ثابت میشود و جریان بهتدریج کاهش پیدا میکند. در نتیجه، مسئله فقط پر شدن باک انرژی نیست؛ خود باتری در نزدیکی ظرفیت کامل، دیگر نمیتواند همان میزان جریان را مانند ابتدای فرایند بپذیرد.
نقش سیستم مدیریت باتری چیست؟
در یک خودروی برقی، شارژر و باتری بهصورت مستقل از یکدیگر تصمیم نمیگیرند. سیستم مدیریت باتری BMS بهطور مستمر وضعیت سلولها را زیر نظر دارد و محدودیتهای لازم برای شارژ را تعیین میکند.
ولتاژ سلولها، دمای باتری و وضعیت شارژ از جمله عواملی هستند که بر میزان توان قابل دریافت تأثیر میگذارند. باید دانست پروفایل شارژ خودروهای برقی در طول فرایند شارژ باتری ثابت نیست و BMS میتواند با توجه به دمای باتری، نرخ شارژ را تغییر دهد.
این موضوع اهمیت زیادی دارد، چون یک شارژر ۳۵۰ کیلوواتی الزاماً به این معنا نیست که خودرو در تمام مدت با توان ۳۵۰ کیلووات شارژ میشود. حداکثر توان قابل دریافت را در هر لحظه، مجموعهای از عوامل شامل مشخصات خودرو، باتری، دما، سطح شارژ و محدودیتهای سیستم تعیین میکند.
دمای باتری هم سرعت شارژ را تغییر میدهد
افت توان شارژ فقط به رسیدن باتری به ۸۰ درصد مربوط نیست. دمای سلولها نیز نقش مهمی دارد. شارژ سریع با جریان بالا گرمای قابلتوجهی تولید میکند و کنترل این گرما برای حفظ عملکرد و عمر باتری ضروری است.
اگر باتری بیش از حد سرد یا گرم باشد، خودرو ممکن است حتی در درصدهای پایینتر نیز توان شارژ را کاهش دهد. به همین دلیل برخی خودروهای برقی پیش از رسیدن به شارژر سریع، باتری را با استفاده از سیستم مدیریت حرارتی به دمای مناسب نزدیک میکنند.
چرا ۸۰ درصد به یک عدد مهم تبدیل شده است؟
۸۰ درصد یک مرز فنی ثابت برای همه خودروهای برقی نیست. ممکن است یک مدل از قبل شروع به کاهش توان کند و خودروی دیگری بخش بیشتری از مسیر را با توان بالا ادامه دهد. نوع سلول، معماری باتری، سیستم خنک کاری، ولتاژ باتری و نرمافزار مدیریت شارژ همگی در شکل منحنی شارژ مؤثر هستند.
با این حال، در بسیاری از خودروها کاهش سرعت در محدوده ۸۰ تا ۱۰۰ درصد آنقدر محسوس است که این بازه به یک معیار رایج برای شارژ سریع تبدیل شده است. در بسیاری از شرایط، شارژ تا حدود ۸۰ درصد میتواند زمان توقف در ایستگاه را کاهش دهد، زیرا بخش پایانی شارژ با توان پایینتری انجام میشود.
به همین دلیل، در سفرهای طولانی معمولاً رسیدن به درصدی از شارژ که امکان ادامه مسیر را فراهم کند، از منتظر ماندن برای رسیدن باتری به ۱۰۰ درصد منطقیتر است. البته اگر مقصد دور باشد یا دسترسی به شارژر بعدی دشوار باشد، چند دقیقه اضافه برای دریافت انرژی بیشتر کاملاً توجیه دارد.
آیا کند شدن شارژ از ۸۰ درصد به باتری آسیب میزند؟
برعکس؛ کاهش توان در این مرحله اساساً برای محافظت از باتری انجام میشود. شارژ سریع با توان بالا باید در محدودههایی انجام شود که سلولها بتوانند جریان را بدون ایجاد شرایط نامطلوب تحمل کنند. شارژ با نرخهای بسیار بالا میتواند چالشهایی مانند افزایش حرارت و پدیدههایی از جمله رسوب لیتیوم در الکترود منفی ایجاد کند؛ به همین دلیل کنترل نرخ شارژ اهمیت اساسی دارد.
بنابراین اگر هنگام شارژ سریع مشاهده کردید که توان از یک مقدار بالا بهتدریج پایین میآید، لزوماً با نقص فنی روبهرو نیستید. خودرو در حال اجرای همان فرایندی است که برای شارژ ایمن و کنترلشده باتری طراحی شده است.
سخن پایانی
کند شدن شارژ سریع خودروهای برقی پس از ۸۰ درصد نتیجه محدود شدن عمدی توان ورودی است. با افزایش سطح شارژ، ولتاژ سلولها بالا میرود و باتری برای ادامه شارژ به جریان کمتری نیاز دارد. همزمان، BMS وضعیت ولتاژ و دما را کنترل میکند و در صورت نیاز توان دریافتی را کاهش میدهد.
به همین دلیل، تفاوت زمانی میان رسیدن باتری از ۱۰ به ۸۰ درصد و سپس از ۸۰ به ۱۰۰ درصد میتواند بسیار بیشتر از چیزی باشد که صرفاً با مقایسه درصدها انتظار داریم. این رفتار بخشی طبیعی از منحنی شارژ باتریهای لیتیوم یون است، نه نشانه کمتوان بودن شارژر یا خراب شدن باتری.