Почему скорость зарядки электромобиля снижается после достижения уровня 80%?

Для большинства моделей электромобилей при быстрой зарядке постоянным током (DC) точка перехода от режима «постоянный ток» к режиму «постоянное напряжение» приходится примерно на уровень 80% заряда. После этого зарядный ток постепенно снижается. Это делается для того, чтобы найти баланс между эффективностью восполнения энергии, предотвращением повреждения аккумулятора, обеспечением безопасности и сохранением срока службы батареи.

Когда аккумулятор разряжен, напряжение на отдельных ячейках низкое. Система управления аккумулятором (BMS) запрашивает у зарядной станции подачу постоянного тока высокой силы (например, 150 А, 250 А), что позволяет быстро передавать энергию в аккумулятор.

На этом этапе напряжение аккумулятора постепенно растет по мере накопления заряда, однако оно еще не достигло порогового значения (примерно 4,1–4,2 В для тройных литиевых аккумуляторов и около 3,6–3,65 В для литий-железо-фосфатных аккумуляторов). Зарядка может продолжаться на полной мощности, что обеспечивает максимально высокую скорость процесса.

Заявления производителей о возможности «зарядить аккумулятор до 80% за 20 минут» относятся именно к этому высокоэффективному этапу.

Когда уровень заряда (SOC) достигает примерно 80%, напряжение на отдельных ячейках приближается к безопасному верхнему пределу. Дальнейшее повышение напряжения нежелательно, так как оно может спровоцировать необратимые побочные реакции.

BMS начинает постепенно снижать силу тока, чтобы поддерживать напряжение на постоянном уровне. Мощность зарядки уменьшается одновременно с силой тока, из-за чего скорость зарядки заметно падает.

Чем ближе аккумулятор к полному заряду, тем ниже сила тока. Зачастую время, необходимое для восполнения последних 5–10% емкости, сопоставимо со временем, затраченным на зарядку первых 80%.

При высоком уровне заряда (SOC) большинство мест внедрения (интеркаляции) ионов лития в графитовом отрицательном электроде оказывается занято, что значительно затрудняет дальнейшее проникновение ионов лития в структуру электрода.

Если продолжать зарядку высоким током, ионы лития не успевают внедриться в отрицательный электрод и начинают осаждаться на его поверхности в виде металлического лития, образуя древовидные кристаллы — дендриты.

Дендриты лития могут проткнуть сепаратор, вызывая внутреннее короткое замыкание. Это ведет к необратимой потере емкости, резкому сокращению срока службы (количества циклов) или даже к тепловому разгону и возгоранию.

Снижение скорости зарядки уменьшает силу тока, давая ионам лития достаточно времени для внедрения в отрицательный электрод. Это предотвращает их осаждение на поверхности и в несколько раз продлевает срок службы аккумулятора.

Зарядка высоким током вызывает электрохимическую поляризацию и концентрационную поляризацию. Чем выше уровень заряда (SOC), тем сильнее проявляются эти эффекты, что приводит к росту внутреннего сопротивления и интенсивному выделению тепла.

Если продолжать зарядку высоким током после достижения 80% емкости, температура аккумулятора начнет стремительно расти. При достижении порога срабатывания системы тепловой защиты произойдет принудительное резкое снижение мощности зарядки.

Постепенное и контролируемое снижение скорости зарядки позволяет удерживать температуру аккумулятора в оптимальном диапазоне (для литиевых батарей это 0–45 °C), предотвращая деградацию электродных материалов и нарушение герметичности корпуса из-за перегрева.

На этапе быстрой зарядки высоким током невозможно точно отрегулировать уровень заряда каждой отдельной ячейки. В результате некоторые ячейки могут зарядиться полностью, в то время как другие останутся недозаряженными.

На завершающем этапе, при низком токе, система управления аккумулятором (BMS) активирует механизм балансировки, дозаряжая ячейки с более низким напряжением. Это выравнивает напряжение всех ячеек в блоке, обеспечивает точность расчета запаса хода и предотвращает перезаряд отдельных ячеек, что в конечном итоге продлевает срок службы всего аккумуляторного блока.

На общественных станциях быстрой зарядки одновременная зарядка большого количества электромобилей на высокой мощности создает пиковую нагрузку на электрическую сеть. Снижение скорости зарядки также позволяет уменьшить нагрузку на силовой модуль зарядной станции и продлить срок службы оборудования. Впрочем, это лишь сопутствующий фактор; в основе всего всегда лежат требования к защите аккумуляторной батареи.

Тип аккумуляторной системы: В литий-никель-марганец-кобальтовых (NMC) аккумуляторах переход к режиму постоянного напряжения обычно происходит при уровне заряда 75–85%. У литий-железо-фосфатных (LFP) аккумуляторов плато напряжения более пологое, а фаза постоянного тока — более продолжительная; точка перегиба у них обычно приходится на диапазон 85–90%, поэтому снижение скорости зарядки выражено менее заметно.

Мощность зарядки: В электромобилях, поддерживающих сверхбыструю зарядку (свыше 250 кВт), точка перегиба может наступать раньше — это необходимо для предотвращения перегрева при работе на высокой мощности. При использовании домашних зарядных устройств (7 кВт) сила тока ниже, поэтому точка перегиба достигается позже, а снижение мощности происходит более плавно — практически незаметно для пользователя.

Температура окружающей среды: При низких температурах активность аккумулятора падает, из-за чего точка перегиба наступает раньше, а снижение мощности становится более выраженным. Высокие температуры также провоцируют раннее срабатывание механизмов защиты, ограничивающих мощность зарядки.

Стратегия производителя: Некоторые модели электромобилей предлагают режим «приоритет быстрой зарядки», который отодвигает точку перегиба ближе к 90%. Однако производители обычно предупреждают, что частое использование такого режима ускоряет деградацию аккумулятора.