هر آنچه می‌خواهید در مورد باتری خودرو های الکتریکی بدانید ,

سرعت، مسافت طی شده، گشتاور و تمامی پارامترهای حیاتی یک خودروی الکتریکی فقط به مشخصات موتور و پک باتری مورد استفاده در خودرو بستگی دارد. استفاده از یک موتور قدرتمند مشکل بزرگی نیست، مشکل در طراحی یک پک باتری است که بتواند جریان کافی برای موتور را تامین کند، بدون اینکه طول عمر آن کاهش بیابد. برای مقابله با تقاضای ولتاژ و جریان، تولیدکنندگان خودروهای برقی مجبورند صدها یا هزاران سلول را با هم ترکیب کنند تا یک پک باتری برای یک خودرو تشکیل دهند. برای مثال، تسلا مدل S حدود 7104 سلول و Nissan Leaf حدود 600 سلول دارد. این تعداد زیاد همراه با ماهیت ناپایدار سلول های لیتیومی، طراحی پک باتری برای خودروهای الکتریکی را دشوار می‌کند. در این مقاله نحوه طراحی پک باتری خودروی الکتریکی برای خودروهای برقی و پارامترهای حیاتی مرتبط با باتری‌ها را بررسی کنیم که باید به آنها توجه کرد.

چه چیزی داخل پک باتری خودروی الکتریکی است؟

تصویر زیر پک باتری Nissan Leaf را نشان می‌دهد که تا سطح سلول جدا شده است.

خودروهای برقی مدرن به دلایل واضحی که در ادامه این مقاله به آنها خواهیم پرداخت، از باتری های لیتیومی برای تامین انرژی خودروهای خود استفاده می‌کنند. اما، این باتری‌های لیتیومی تنها حدود 3.7 ولت در هر سلول دارند در حالی که یک خودروی برقی تقریباً 300 ولت نیاز دارد. برای دستیابی به چنین ولتاژ بالا و ظرفیت Ah (Amp hour) سلول های لیتیوم به صورت سری و موازی ترکیب می‌شوند تا ماژول ها را تشکیل دهند و این ماژول ها به همراه برخی سیستم مدیریت (BMS) و سیستم خنک کننده در یک محفظه مکانیکی قرار می‌گیرند که مجموعاً به عنوان پک باتری نامیده می‌شود.

انواع باتری

در حالی که اکثر خودروها از باتری های لیتیومی استفاده می‌کنند، فقط به‌ آنها محدود نمیشود. انواع مختلفی از شیمی باتری موجود است. به طور کلی باتری ها را می‌توان به سه نوع طبقه بندی کرد.

• باتری های اولیه (Primary Batteries) :

باتری های غیر قابل شارژ هستند. یعنی می‌تواند انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند و برعکسش امکان پذیر نیست. به عنوان مثال می‌توان از باتری های قلیایی (AA، AAA) برای اسباب بازی ها و کنترل از راه دور استفاده کرد.

• باتری های ثانویه (Secondary Batteries) :

این ها باتری هایی هستند که ما به آنها برای وسایل نقلیه الکتریکی علاقه مندیم. این نوع باتری ها می‌تواند انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی برای تغذیه ماشین های الکتریکی تبدیل کند و همچنین می‌تواند انرژی الکتریکی را در طول فرآیند شارژ دوباره به انرژی شیمیایی تبدیل کند. این باتری‌ها معمولاً در تلفن‌های همراه، خودروهای برقی و بسیاری از وسایل الکترونیکی قابل حمل دیگر استفاده می‌شوند.

• باتری های ذخیره (Reserve Batteries) :

نوع خاصی از باتری ها هستند که در کاربردهای بسیار منحصر به فردی استفاده می‌شوند. همانطور که از نام آن مشخص است، باتری‌ها در بیشتر زمان عمر خود به عنوان ذخیره (حالت اماده به کار یا اضطراری ) نگهداری می‌شوند و از این رو نرخ خود تخلیه بسیار پایینی دارند.به عنوان مثال می‌توانیم به باتری های جلیقه نجات اشاره کنیم.

شیمی پایه یک باتری

همانطور که قبلاً گفته شد، شیمی مختلفی برای باتری ها وجود دارد. هر نوع مزایا و معایب خاص خود را دارد. اما صرف نظر از نوع آن، موارد کمی وجود دارد که برای همه باتری‌ها مشترک است، اجازه دهید بدون پرداختن به شیمی آن، نگاهی به آنها بیندازیم.

سه لایه اصلی در باتری وجود دارد که عبارتند از کاتد، آند و جداکننده.

کاتد لایه مثبت باتری و آند لایه منفی باتری است. هنگامی که یک بار به ترمینال های باتری متصل می‌شود، جریان (الکترون ها) از آند به کاتد جریان می‌یابد. به طور مشابه، هنگامی که یک شارژر به ترمینال های باتری متصل می‌شود، جریان الکترون ها معکوس می‌شود، یعنی از کاتد به آند همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است.

برای اینکه هر باتری کار کند یک واکنش شیمیایی به نام واکنش اکسایش–کاهش باید انجام شود. این واکنش بین آند و کاتد باتری از طریق الکترولیت (جداکننده) انجام می‌شود. طرف آند باتری مایل به گرفتن الکترون است و از این رو یک واکنش اکسایش رخ می‌دهد و طرف کاتدی باتری مایل به از دست دادن الکترون است و بنابراین واکنش کاهش رخ می‌دهد. به دلیل این واکنش یون ها از طریق جداکننده از کاتد به سمت آند باتری منتقل می‌شوند. در نتیجه یون های بیشتری در آند انباشته می‌شوند. برای خنثی کردن این، آند باید الکترون ها را از سمت خود به سمت کاتد هل دهد.

اما جداکننده فقط جریان یون ها را از طریق آن اجازه می‌دهد و هرگونه حرکت الکترون از آند به کاتد را مسدود می‌کند. بنابراین تنها راهی که باتری می‌تواند الکترون ها را منتقل کند از طریق ترمینال های بیرونی آن است، به همین دلیل است که وقتی باری را به ترمینال های باتری وصل می‌کنیم، جریانی (الکترون ها) در جریان است.

مبانی شیمی باتری لیتیومی

از آنجایی که ما در مورد باتری های لیتیومی بحث خواهیم کرد زیرا آنها مناسب ترین باتری برای ماشین های برقی هستند، بیاید کمی بیشتر در مورد شیمی آن تحقیق کنیم. باتری های لیتیومی نیز انواع زیادی دارد، آلومینیوم نیکل کبالت لیتیوم (NCA)، کبالت لیتیوم نیکل منگنز (NMC)، لیتیوم-منگنز اسپینل (LMO)، لیتیوم تیتانات (LTO)، فسفات لیتیوم-آهن (LFP) بیشترین نوع هستند. مجدداً هر شیمی ویژگی های خاص خود را دارد که به زیبایی در تصویر زیر توسط گروه مشاوره بوستون نشان داده شده است.

از بین اینها، آلومینیوم نیکل لیتیوم کبالت به دلیل هزینه کم، بیشترین استفاده را دارد. در ادامه این مقاله به موارد بیشتری از این پارامترها خواهیم پرداخت. اما یک چیز رایج که در اینجا می‌توانید متوجه شوید این است که لیتیوم در همه باتری ها وجود دارد. این عمدتا به دلیل آرایش الکترونی لیتیوم است. یک اتم خنثی فلز لیتیوم در زیر نشان داده شده است.

عدد اتمی لیتیم 3 است، به این معنی که سه الکترون در اطراف هسته آن قرار می‌گیرند و بیرونی ترین لایه فقط یک الکترون ظرفیت دارد. در طی واکنش، این الکترون ظرفیت به بیرون کشیده می‌شود، بنابراین یک الکترون و یک یون لیتیوم با دو الکترون که یک یون لیتیوم را تشکیل می‌دهند، به ما داده می‌شود. همانطور که قبلاً بحث شد، الکترون به عنوان جریان از طریق ترمینال های بیرونی باتری و یون لیتیوم از طریق الکترولیت (جداکننده) در طی واکنش ردوکس (اکسایش–کاهش) جریان می‌یابد.

مبانی باتری وسایل نقلیه الکتریکی

اکنون می‌دانیم که باتری چگونه کار می‌کند و چگونه از آن در یک خودروی الکتریکی استفاده می‌شود، اما برای ادامه از اینجا باید برخی اصطلاحات اساسی را که معمولاً هنگام طراحی پک باتری استفاده می‌شود، درک کنیم.

• درجه مقدار ولتاژ:

دو درجه بندی بسیار رایج که می‌توانید روی باتری مشخص کنید، درجه بندی بر اساس درجه ولتاژ و درجه بندی بر اساس درجه ظرفیت Ah است. باتری های سرب اسید معمولاً 12 ولت و باتری های لیتیومی 3.7 ولت هستند. به این ولتاژ اسمی باتری می‌گویند. این به این معنی نیست که باتری همیشه 3.7 ولت را در ترمینال های خود تامین می‌کند. مقدار ولتاژ بر اساس ظرفیت باتری متفاوت خواهد بود. بعداً در این مورد بیشتر بحث خواهیم کرد.

• درجه ظرفیت Ah یا Ah-rating :

در کنار درجه بندی ولتاژ یکی دیگر از پارامترهای رایج، درجه بندی بر اساس ظرفیت Ah است. عبارت Ah مخفف آمپر ساعت است. برخی از افراد از mAh استفاده می‌کنند که چیزی جز میلی آمپر ساعت نیست، یعنی 1Ah = 1000mAh. مقدار Ah یک باتری به ما در مورد ظرفیت باتری می‌گوید.به عنوان مثال یک باتری 2Ahساعتی می‌تواند 2 آمپر در یک ساعت بدهد، همان باتری برای 2 ساعت 1 آمپر می‌دهد و اگر 4 آمپر از آن بگیریم، باتری تنها 30 دقیقه دوام می‌آورد.
Run time = Ah Rating / Current rating
مقدار جریان = Current rating
فرمول بالا برای همه موارد صدق نمی‌کند، اما باید تصوری تقریبی از مدت زمان ماندگاری باتری به شما بدهد. شما نمی‌توانید انتظار داشته باشید که 30A را از یک باتری 2Ah بکشید و انتظار داشته باشید که 3.6 دقیقه دوام بیاورد. محدودیت‌هایی برای حداکثر جریان وجود دارد که می‌توانید طرح کنید، و همچنین مقداری تلفات در این فرآیند وجود دارد که همیشه زمان اجرا را کاهش می‌دهد. همچنین هیچ ماشین الکتریکی جریان ثابتی مصرف نمی‌کند، بنابراین تعیین مدت زمان کارکرد ماشین الکتریکی شما با این باتری کار آسانی نیست.

چه زمانی باید استفاده از باتری را متوقف کنیم؟

ولتاژ قطع: ولتاژ قطع، حداقل ولتاژ باتری است که کمتر از آن نباید استفاده شود. مثلاً برای یک سلول لیتیومی با 3.7 ولت، ولتاژ قطع آن چیزی حدود 3.0 ولت خواهد بود. این بدان معنی است که تحت هیچ شرایطی این باتری نباید به بار وصل شود که ولتاژ آن کمتر از 3.0 ولت باشد. مقدار ولتاژ قطع باتری را می‌توان در برگه اطلاعات آن یافت.

اگر باتری کمتر از مقدار ولتاژ قطع تخلیه شود به آن over discharging گفته می‌شود. این به باتری آسیب می‌رساند و بر ظرفیت و طول عمر آن تأثیر می‌گذارد. تخلیه بیش از حد باتری باعث اختلال در شیمی باتری می‌شود که ممکن است منجر به دود کردن یا دود شدن باتری ها بشود.

چه زمانی باید باتری را شارژ کنیم؟

• حداکثر ولتاژ شارژ:

در حالی که ولتاژ قطع، حداقل ولتاژ یک باتری، حداکثر است. ولتاژ شارژ حداکثر ولتاژی است که باتری می‌تواند به آن برسد. وقتی باتری را شارژ می‌کنیم، ولتاژ آن افزایش می‌یابد، مقدار ولتاژی که در آن باید شارژ را متوقف کنیم، حداکثر نامیده می‌شود. ولتاژ شارژ برای سلول لیتیومی با ولتاژ نامی 3.7 ولت حداکثر ولتاژ شارژ 4.2 ولت خواهد بود. این مقدار را می‌توان در برگه اطلات نیز یافت.

اگر باتری بیش از مقدار حداکثر ولتاژ شارژ شود، به آن over charging گفته می‌شود. شارژ بیش از حد نیز به باتری برای همیشه آسیب می‌رساند و همچنین ممکن است منجر به خطرات آتش سوزی شود.

• ولتاژ مدار باز (OCV):

ولتاژ مدار باز مقدار ولتاژ اندازه گیری شده در ترمینال مثبت و منفی باتری در شرایط بدون بار است. OCV یک باتری لیتیومی باید همیشه بین 3.0 ولت تا 4.2 ولت برای یک باتری سالم باشد. ولتاژ قطع و حداکثر ولتاژ تخلیه در شرایط مدار باز اندازه گیری می‌شود.

• ولتاژ ترمینال:

ولتاژ ترمینال مقدار ولتاژ اندازه گیری شده در باتری در حالت باردار است. مقدار OCV و ولتاژ ترمینال برابر نخواهد بود، زیرا هنگامی که یک بار وصل می‌شود و جریان از باتری کشیده می‌شود، ولتاژ آن بر اساس مقدار جریان کشیده شده کاهش می‌یابد.

چه مقدار جریان می‌توانم از باتری دریافت کنیم؟

• ضریب تخلیه باتری (C-rating):

این یکی دیگر از درجه بندی های مهم در مورد باتری است. این درجه بندی ارتباط نزدیکی با درجه ظرفیت (Ah) یک باتری دارد. C-rating باتری به ما کمک می‌کند تا بدانیم حداکثر جریانی که می‌توان از باتری گرفت چقدر است. برای مثال اگر گفته شود باتری 2Ah @ 8C است. سپس به این معنی است که حداکثر 16A(8*2) را می‌توان از باتری کشید و 7.5 دقیقه دوام می‌آورد. ما محاسبات این مورد را قبلا انجام دادیم. باتری در C-ratingپایین تر در حداکثر کارایی خود خواهد بود. کاربردی که در آن اندازه باتری کوچک است اما جریان مصرفی آن بسیار زیاد است (مثال هواپیماهای بدون سرنشین) به باتری‌هایی با C-rating بالا نیاز دارد.

C-rate = Current / Ah Rating

• مقاومت داخلی:

هر مولفه مقاومت خاص خود را دارد، ظرفیت خازنی آن را به نام راکتانس خازنی و سلف آن را به نام راکتانس القایی دارد. به طور مشابه، باتری نیز دارای مقاومتی در بین ترمینال های آند و کاتد در داخل است. این مقاومت به عنوان مقاومت داخلی نامیده می‌شود که گاهی اوقات به عنوان امپدانس داخلی نیز نامیده می‌شود.

مانند تمام مقاومت‌ها، این مقاومت‌ها نیز با اتلاف گرما باعث تلفات می‌شوند، بنابراین برای یک سیستم ایده‌آل، مقاومت داخلی باید صفر باشد. در عمل نمی‌توان باتری با IR (مقاومت داخلی) صفر طراحی کرد، بنابراین باید تا حد امکان پایین ساخته شود. مقدار IR پارامترهای ثابتی نیست و بر اساس ظرفیت و عمر باتری متفاوت است.

• انرژی ویژه:

انرژی ویژه را می‌توان انرژی ای دانست که پریونیت جرم (وزن) به دست می‌آید. در ماشین های الکتریکی وزن باتری عامل مهمی است زیرا خودرو باید باتری را همراه خود حمل کند. بنابراین وزن باتری باید تا حد امکان کم باشد. انرژی ویژه یک باتری به ما می‌گوید که چه مقدار توان (ولتاژ * جریان) می‌تواند پریونیت جرم باتری تامین کند، بنابراین انرژی ویژه یک باتری باید تا حد امکان بالا باشد. باتری های لیتیومی در مقایسه با باتری اسید سرب دارای انرژی ویژه بسیار بالایی هستند. توان ویژه نیز همانند آن است ولی زمان را نیز در نظر می‌گیرد. به ما می‌گوید که چقدر سریع می‌توان انرژی را از باتری به دست آورد.

• چگالی انرژی:

چگالی انرژی و توان ویژه کمی به هم مرتبط هستند. در حالی که انرژی ویژه به ما می‌گوید که پریونیت جرم باتری چقدر انرژی می‌توان به دست باورد، چگالی انرژی به ما می‌گوید که پریونیت حجم باتری چقدر توان می‌توان بدست بیاورد. این به ما ایده ای از اندازه باتری ها می‌دهد چون ما حجم باتری را در نظر می‌گیریم. باتری‌هایی که چگالی انرژی بالایی دارند، باتری‌هایی هستند که می‌توانند با بسته‌بندی کوچکی مانند باتری‌های لیتیوم پلیمری که در هواپیماهای بدون سرنشین استفاده می‌شوند، قدرت بالایی را ارائه دهند. چگالی توان نیز یکسان است اما زمان را نیز در نظر می‌گیرد. به ما می‌گوید که چقدر سریع می‌توان انرژی را از باتری به دست آورد.

• انرژی وات ساعت (kWh):

پک باتری خودروهای الکتریکی بر حسب kWh (کیلو وات ساعت) درجه بندی می‌شود. این میزان مسافت پیموده شده ماشین الکتریکی را شرح می‌دهد. این مشابه با Ah-rating است اما در اینجا ما ولتاژ و جریان را در نظر می‌گیریم. به عنوان مثال تسلا دارای باتری 60 تا 100 کیلووات ساعتی است به این معنی که می‌تواند 60 وات برق را برای 3 ساعت تامین کند.

• آهنگ تخلیه خودکار:

باتری حتی زمانی که ایده آل باشد مقداری از ظرفیت خود را از دست می‌دهد. به دلیل خواص شیمیایی آن نمی‌توان از این امر اجتناب کرد، اما می‌توان آن را به حداقل رساند. سرعتی که باتری با آن شارژ خود را از دست می‌دهد حتی زمانی که به یک بار متصل نیست، خود تخلیه نامیده می‌شود.

هنوز اصطلاحات کوچک زیادی وجود دارد که ممکن است از قلم افتاده باشیم، اما این ها تقریباً خلاصه ای از تمام اصطلاحات مهمی را که باید هنگام کار با باتری بدانیم را شامل می‌شود.

سیستم مدیریت باتری (BMS)

سیستم مدیریت باتری یا BMS به عنوان مغز یک پک باتری در نظر گرفته می‌شود. یک مداری است که با یک الگوریتم ترکیب شده که ولتاژ، جریان و دمای سلول‌های یک پک باتری را نظارت می‌کند و عملکرد و ایمنی هر سلول‌ را بصورت جداگانه در یک پک باتری تضمین می‌کند. همچنین مسئول تعادل در شارژ، اندازه گیری SOC و SOH سلول ها و بسیاری از عملکردهای مهم دیگر است. بیایید بررسی کنیم که آنها چه می‌کنند.

چگونه مقدار شارژ باقی مانده در باتری را پیدا کنیم؟

• وضعیت شارژ (State of Charge or SOC):

وضعیت شارژ یا SOC یکی از اساسی ترین پارامترهایی است که در باتری اندازه گیری می‌شود. همانطور که قبلاً دیدیم، مقادیر Ah باتری را نمی‌توان برای تعیین میزان ظرفیت باقی مانده در باتری استفاده کرد. فقط زمانی که SOC را محاسبه کنیم می‌توانیم به کاربر بگوییم چقدر شارژ در باتری باقی مانده است. SOC به ما می‌گوید که چند درصد شارژ در باتری باقی مانده است. تصور کنید وقتی گوشی شما اطلاعاتی در مورد درصد باتری ندارد، چقدر برای شما سخت است.
اندازه‌گیری ظرفیت باتری به آسانی اندازه‌گیری ولتاژ در ترمینال های آن نیست همانطور که ا بسیاری از افراد معتقدند که عوامل زیادی بر ظرفیت باتری تأثیر می‌گذارند، از جمله چرخه‌ شارژ، دما، نرخ‌های دشارژ و غیره. روش‌های زیادی وجود دارد که در آن می‌توان این کار را انجام داد. انجام شود، روش رایج شمارش کلمب (Colomb counting) است.
SOC = Total charge Input / Maximum Capacity
ظرفیت ماکسیمم / ورودی شارژکل   = وضعیت شارژ

• عمق تخلیه (Depth of Discharge or DOD):

عمق تخلیه (DOD) برعکس SOC است. در حالی که SOC به ما می‌گوید چند درصد شارژ باقی مانده است، DOD به ما می‌گوید چه درصدی از شارژ باتری مصرف می‌شود.

• وضعیت سلامت (State of Health or SOH)

ظرفیت باتری با افزایش عمر کاهش می‌یابد. این باعث کاهش دامنه ای می‌شود که ماشین های الکتریکی می‌تواند پوشش دهد. فقط اگر عمری که از باتری سپری شده را دنبال کنیم، می‌توانیم بدانیم چه زمانی باید باتری را عوض کنیم. سرعت پیری یک ماشین الکتریکی به دمای کارکرد، ضریب تخلیه باتری که باتری تحت آن کار می‌کند، چرخه‌های شارژ و غیره نیز بستگی دارد. وضعیت سلامت با در نظر گرفتن فاکتور پیری آن، سلامت باتری را به درصد اندازه‌گیری می‌کند. هر چه بیشتر کهنه شود، سلامت باتری کمتر خواهد بود.

• متعادل سازی یا بالانس سلول (Cell balancing)

بالانس سلول یکی دیگر از وظایف مهمی است که توسط BMS انجام می‌شود، زیرا می‌دانیم چندین سلول به طور سری یا موازی برای تشکیل یک کپ باتری ترکیب می‌شوند. ولتاژ سلول تمام سلول ها باید همیشه برابر باشد، به عنوان مثال در یک پک 4 تایی 18650 سلولی که به صورت سری به هم متصل شده اند، ولتاژ تمام سلول ها باید یکسان باشد، در غیر این صورت سلول با ولتاژ کمتر over dischared و سلول با ولتاژ بالاتر over chared می‌شود. برای جلوگیری از این BMS چیزی به نام Cell balancing را انجام می‌دهد، سلول‌های با ولتاژ بالاتر را شناسایی می‌کند و آن‌ها را تخلیه می‌کند تا پتانسیل با همسایگانش مطابقت پیدا کند.

• ایمنی سلول (Cell Safety ):

جدای از این، BMS همچنین حفاظت محیطی و الکتریکی سلول را تضمین می‌کند. دمای سلول ها را نظارت و سیستم خنک کننده موجود در BMS را کنترل می‌کند. تسلا مدل S دارای یک سیستم خنک کننده مایع (گلیکول - Glycol) در داخل پک باتری است که توسط BMS کنترل می‌شود. خنک کننده نه تنها باتری را خنک می‌کند بلکه در صورت نیاز در زمستان آن را تا دمای نامی گرم می‌کند.

با این کار ما به پایان مقاله رسیده‌ایم، اما آنچه که می‌توان در مورد باتری‌های ماشین های الکتریکی یاد گرفت به پایان نرسیده. بنابراین اگر می‌خواهید یک متخصص باشید، این همان جایی است که تازه شروع کرده اید. چیزهای بیشتری برای یادگیری مانند مدل سازی باتری، پروتکل های تست باتری طراحی BMS و غیره وجود دارد، اما بیایید همه اینها را در مقاله ای متفاوت داشته باشیم. ما امیدواریم این اطلاعات مفید بوده و علاقه شما را به دانستن بیشتر در مورد باتری های خودرو های الکتریکی و نحوه عملکرد آن برانگیخته باشد. نظرات خود را در بخش نظرات به ما بگویید.

هر آنچه می‌خواهید در مورد باتری خودرو های الکتریکی بدانید