چرا باتری خودروی الکتریکی شما وقتی در گرما شروع به شارژ سریع می‌کند، برد حرکتی‌اش سریع‌تر از آنچه آزمایش‌های آزمایشگاهی پیش‌بینی می‌کنند کاهش می‌یابد؟

من دوازده سال را صرف بررسی پک‌های لیتیوم-یون در خودروهای الکتریکی کرده‌ام و شکاف بین داده‌های چرخه آزمایشگاهی و آنچه واقعاً در جاده اتفاق می‌افتد هنوز بزرگ‌تر از آن چیزی است که اکثر مردم انتظار دارند. پک‌هایی که پس از چند هزار چرخه کنترل‌شده در اتاق شرایط اقلیمی سالم به نظر می‌رسند، اغلب وقتی تحت شارژ سریع DC مداوم در دمای محیط بالای ۳۰ درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرند، افت ظرفیت سریع‌تری را نشان می‌دهند. عامل اصلی، عمر تقویمی نیست؛ بلکه ترکیبی از نرخ بالای شارژ و دمای بالای سلول‌هاست که سیستم مدیریت حرارتی در جلسات شارژ پشت سر هم، به‌طور کامل آن را کنترل نمی‌کند.

بیشتر بسته‌های باتری خودروهای الکتریکی امروزی از سلول‌های NMC یا LFP با خنک‌کننده‌ی مایع استفاده می‌کنند. در آزمایشگاه می‌توانید دمای سلول را به‌طور دقیق کنترل کرده و نرخ شارژ را محدود کنید، بنابراین حفظ ظرفیت پس از ۱٬۰۰۰ چرخه‌ی کامل معادل اغلب بالای ۹۰٪ باقی می‌ماند. در جاده، مدار خنک‌کننده باید هم با گرمای سلول‌ها و هم با گرمای جذب‌شده از هوای محیط و جاده مقابله کند. وقتی راننده در یک روز گرم به یک شارژر ۱۵۰ تا ۲۵۰ کیلوواتی متصل می‌شود، دمای سلول‌ها حتی با کار کردن شدید سیستم خنک‌کننده نیز می‌تواند به اواسط دهه ۴۰ درجه سانتی‌گراد برسد. این بازه دمایی واکنش‌های جانبی را در رابط‌های آند و کاتد تسریع می‌کند.

اعداد آزمایشگاهی از یک مقایسه کنترل‌شده

ما دو مجموعه از ماژول‌ها را از همان دسته تولیدی تحت آزمایش تسریع‌شده قرار دادیم. یک مجموعه در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد با حداکثر نرخ شارژ ۱C چرخه شد. مجموعه دیگر در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد سلولی با نرخ‌های شارژ تا ۲.۵C چرخه شد تا شارژ سریع مکرر DC شبیه‌سازی شود. پس از ۸۰۰ چرخه کامل معادل، گروه ۲۵ درجه سانتی‌گراد حدود ۶٪ از ظرفیت خود را از دست داده بود. گروه ۴۰ درجه سانتی‌گراد با نرخ بالا ۱۱–۱۳٪ کاهش ظرفیت داشت. افزایش امپدانس نیز در گروه داغ‌تر بیشتر بود—حدود ۱۸٪ در مقابل ۹٪. بررسی‌های پس از آزمایش نشان داد که لایه‌های SEI در آندهای سلول‌های با دمای بالا و نرخ شارژ بالا ضخیم‌تر و شواهد بیشتری از رسوب لیتیم وجود دارد. این تفاوت از نظر مطلق چشمگیر نبود، اما به اندازه کافی مداوم و بزرگ بود که توضیح دهد چرا برخی خودروها، بسیار پیش از رسیدن به مسافتی که طبق محاسبات گارانتی باید می‌رسیدند، برد قابل توجهی را از دست می‌دهند.

موردی از یک ناوگان در آب‌وهوای گرم

یک ناوگان تحویل کالا که در منطقه‌ای با دماهای روزانهٔ مداوم ۳۵–۳۸ درجهٔ سانتی‌گراد از ون‌های الکتریکی استفاده می‌کرد، پس از حدود ۱۸ ماه کاهش بردی سریع‌تر از حد انتظار را گزارش کرد. ون‌ها عمدتاً شب‌ها با شارژ AC شارژ می‌شدند، اما رانندگان در طول شیفت‌های کاری دو یا سه بار از شارژرهای سریع DC استفاده می‌کردند. داده‌های داخل خودرو نشان می‌داد که دمای سلول‌ها در طول این جلسات شارژ سریع اغلب به ۴۲–۴۶ درجه سانتی‌گراد می‌رسید، با اینکه سیستم خنک‌کننده فعال بود. میانگین کاهش ظرفیت در کل ناوگان، حدود ۸ تا ۹ درصد در سال بود، نه ۳ تا ۴ درصدی که پیش‌بینی چرخه کاری ملایم‌تر سازنده نشان می‌داد. خودروهایی که به شارژ با جریان متناوب (AC) پایبند ماندند و از گرم‌ترین ساعات روز اجتناب کردند، نرخ کاهش تقریباً نصف این مقدار را نشان دادند. به محض اینکه ناوگان یک قاعده ساده را اضافه کرد—محدود کردن شارژ سریع DC زمانی که دمای محیط بالای ۳۲ درجه سانتی‌گراد بود و اختصاص دادن ۲۰ تا ۳۰ دقیقه خنک‌سازی فعال به باتری پس از آن—نرخ افت سالانه به حدود ۵٪ کاهش یافت. خود باتری‌ها تغییری نکرده بودند؛ بلکه چرخه کاری تغییر کرده بود.

در استفادهٔ روزمره واقعاً چه چیزی ظاهر می‌شود؟

سیستم‌های مدیریت حرارتی در اکثر خودروهای الکتریکی فعلی برای ترکیبی از رانندگی و شارژ سریع گاه‌به‌گاه طراحی شده‌اند، نه برای جلسات مکرر با توان بالا در گرمای محیط زیاد. مایع خنک‌کننده می‌تواند گرما را از بین ببرد، اما تأخیری وجود دارد و سلول‌های مرکز ماژول اغلب داغ‌تر از حسگرهای نزدیک صفحات خنک‌کننده کار می‌کنند. پک‌های LFP از نظر ماندگاری، گرما را بهتر از بسیاری از پک‌های NMC مدیریت می‌کنند، اما وقتی در حین شارژ به طور منظم در دمای بالای ۴۰ درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرند، همچنان ظرفیت بیشتری را نسبت به آنچه داده‌های چرخه در دمای اتاق نشان می‌دهد، از دست می‌دهند.

کاهش برد در دنیای واقعی نیز تشدید می‌شود، زیرا راننده‌ها متوجه افت برد می‌شوند و بیشتر شارژ می‌کنند که این امر رویدادهای شارژ با نرخ بالا را افزایش می‌دهد. آزمایش‌های آزمایشگاهی که عمر باتری را حدود ۱۰۰۰ یا ۱۵۰۰ چرخه تا ۸۰٪ ظرفیت اعلام می‌کنند، معمولاً دمای کنترل‌شده و نرخ‌های متوسط را فرض می‌کنند. وقتی دماهای مداوم سلول در محدودهٔ ۴۰ تا ۴۵ درجهٔ سانتی‌گراد و چندین شارژ سریع DC در هفته را اضافه کنید، سازوکارهای پیری بر اساس تقویم و چرخه سریع‌تر از آنچه آن نمودارها نشان می‌دهند، تشدید می‌شوند.

اگر یک خودروی الکتریکی در آب‌وهوای گرم سریع‌تر از حد انتظار برد خود را از دست می‌دهد، اولین مواردی که ارزش بررسی دارند این است که هر چند وقت یک‌بار شارژ سریع DC را تجربه می‌کند و دماهای سل‌ها در طول آن جلسات واقعاً به چه میزان می‌رسند. تفاوت بین بسته‌ای که در دمای نزدیک ۳۰ درجه سانتی‌گراد باقی می‌ماند و بسته‌ای که زیر بار به‌طور منظم به ۴۵ درجه می‌رسد، آن‌قدر زیاد است که می‌تواند نرخ تخریب را سالانه چند درصد تغییر دهد، حتی وقتی سایر موارد عادی به نظر می‌رسند.