مقدمه ای بر باتری وسایل نقلیه الکتریکی ,

باتری ها منبع سوخت خودروهای الکتریکی هستند، اما این را هم باید بدانید که باتری ها تنها منبع سوخت نیستند. جایگزین های دیگری برای نیرو دادن به خودروهای الکتریکی مانند پیل سوختی یا سوپر خازن ها وجود دارد، اما هر دوی آنها هنوز در مرحله توسعه هستند و هیچ خودروی تجاری در جاده از آنها استفاده نمی کند. بنابراین اجازه دهید در این مقاله فقط بر روی خودرو های الکتریکی با باتری کار کنیم.

اولین چیزی که باید در مورد باتری های EV بدانید این است که بر خلاف تلفن همراه شما که فقط یک باتری دارد، EV ها توسط صدها یا هزاران باتری به صورت یک بسته به هم متصل می شوند. برای مثال، تسلا 7000 باتری دارد و شورولت اسپارک 600 باتری درون آنها دارد.

سلول

سلول به یک باتری منفرد اشاره دارد. اندازه ها و شکل های مختلفی برای یک سلول بر اساس شیمی وجود دارد. رایج ترین شیمی مورد استفاده باتری های سرب اسید و باتری های لیتیومی است. این باتری ها در اشکال مختلف مانند استوانه ای، سکه ای، منشوری و تخت موجود هستند که تعدادی از آنها در زیر نشان داده شده است.

مقدار ولتاژ سلول ها (در هر سلول) از 3.7 ولت برای باتری های لیتیومی و حداکثر 12 ولت برای باتری های سرب اسید خواهد بود. اما همانطور که ممکن است حدس بزنید این ولتاژ برای راه اندازی یک ماشین الکتریکی کافی نیست. به عنوان مثال تسلا دارای ولتاژ پک باتری 356 ولت است و حتی برای یک دوچرخه برقی معمولی حداقل به 36 ولت نیاز داریم، بنابراین چگونه می توانیم این ولتاژ بالاتر را از سلول های لیتیومی که فقط 3.7 ولت هستند دریافت کنیم؟

ماژول باتری

بنابراین برای به دست آوردن ولتاژ بالاتر از سلول های لیتیومی 3.7 ولت، از پک های باتری استفاده می شود که از ترکیب بیش از یک باتری با هم تشکیل می شوند. هنگامی که دو باتری به صورت سری به هم متصل می شوند، مقدار ولتاژ آنها اضافه می شود و زمانی که دو باتری به صورت موازی متصل می شوند، مقدار Ah آنها اضافه می شود. به عنوان مثال فرض کنید باتری های لیتیومی 3.7 ولتی 2000 میلی آمپر ساعتی داریم. اگر دو تا از اینها را به صورت سری وصل کنید، سیستم حاصل ماژول نامیده می شود و این ماژول دارای 7.4 ولت 2000 میلی آمپر ساعت خواهد بود. به همین ترتیب، اگر دو تا از اینها را به صورت موازی وصل کنیم، ماژول حاصل 3.7 ولت 4000 میلی آمپر ساعت خواهد بود.

یک ولتاژ سلول لیتیومی و مقدار Ah برای راه اندازی یک EV کافی نیست، بنابراین این سلول ها به صورت سری و موازی به هم متصل می شوند تا ولتاژ سیستم را افزایش دهند. این بسته به عنوان ماژول نامیده می شود. برای افرادی که به تازگی با باتری آشنا شده اند، عبارت Ah ممکن است گیج کننده باشد، پارامترهای زیادی در رابطه با باتری ها وجود دارد که در مقاله ای جداگانه به آنها خواهیم پرداخت. در حال حاضر شما می توانید Ah  (Amp houre) را به عنوان برد سوخت یک EV در نظر بگیرید.  هرچه Ah بیشتر مسافت بیشتری  خودروی الکتریکی طی میکند.

پک باتری

هنگامی که مقدار ولتاژ و Ah سیستم با ترکیب ماژول های مختلف به صورت سری و موازی به دست آمد، این چیدمان باید در داخل EV قرار گیرد. اما آنقدرها هم آسان نیست. دلیل آن پیچیدگی آن است. سلول‌های لیتیومی در طبیعت ناپایدار هستند، هر گونه اتفاق ناگواری مانند اتصال کوتاه یا شارژ یا تخلیه بیش از حد می‌تواند باتری‌ها را بسیار داغ کند و منجر به آتش‌سوزی یا انفجار شود. بنابراین جریان ولتاژ و دمای هر سلول باید برای عملکرد ایمن نظارت شود. وظیفه نظارت بر سلول ها در طول فرآیند شارژ و دشارژ بر عهده مداری است که سیستم مدیریت باتری یا به اختصار BMS نامیده می شود. بعداً عمیقاً به آن خواهیم پرداخت.

بنابراین، هنگامی که ماژول باتری آماده شد، باید به BMS و یک سیستم خنک کننده متصل شوند تا باتری عملکرد ایمنی را داشته باشد. چیدمان کامل در یک محفظه فولادی نگهداری می شود تا از آسیب مکانیکی جلوگیری شود. این چیدمان کامل به همراه BMS، بدنه سیستم خنک‌کننده و ماژول‌های باتری با هم به عنوان پک باتری خودرو نامیده می‌شود. این پک ها معمولاً بزرگ هستند و با توجه به تصویر زیر، کل سطح یک خودروی الکتریکی را اشغال می‌کنند. این تصویر مربوط به Nissan Leaf  است که از نصف بریده شده تا شما ببینید و نظرتان را بدهید.

سیستم مدیریت باتری (BMS)

اکنون که ما در مورد باتری‌ها در خودروهای برقی اطلاع داریم، در ادامه باید در مورد سیستم مدیریت باتری بدانیم. BMS مانند مغز یا مراقب باتری ها است، همانطور که قبلاً دیدیم باتری های زیادی در یک EV وجود دارد و هر باتری باید برای اطمینان از ایمنی کنترل شود. برای باتری های سرب اسید BMS اجباری نیست اگرچه برخی افراد از آن استفاده می کنند اما برای سلول های لیتیومی به دلیل ماهیت ناپایدار آن BMS ضروری می شود.

تقریباً تمام سلول‌های لیتیومی اگر در لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده شوند، مدار حفاظتی مخصوص به خود را دارند. این به این دلیل است که اگر آنها به درستی کار نکنند، مانند شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حد، باتری داغ می شود و حتی ممکن است بسوزد. مدار به سادگی ولتاژ یا جریان سلول را نظارت و کنترل می کند و در صورت تجاوز از حد ایمن، اتصال به بار را قطع می کند. راه های زیادی برای انجام این کار وجود دارد.

هر BMS تنها سه پارامتر حیاتی باتری را اندازه گیری می کند که عبارتند از ولتاژ، جریان و دمای سلول. دائماً این مقادیر را با محدودیت های ایمنی مقایسه می کند و در صورت تجاوز از مقادیر آستانه، بار را قطع می کند. جدای از هدف ایمنی، BMS برای برخی اهداف محاسباتی نیز استفاده می شود، مانند اندازه گیری SOC و SOH یک باتری.

SOC مخفف Sate of Charge و SOH مخفف State of Health است. برخلاف خودروهای ICE، میزان سوخت باقی مانده در باتری را نمی توان با نگاه مستقیم به آن اندازه گیری کرد. برخی از مردم حتی فکر می کنند که اندازه گیری ولتاژ در پایانه های باتری می تواند ظرفیت باتری را به شما بدهد، خوب این درست نیست و به این راحتی هم نیست. به طور مشابه SOH طول عمر باتری را نشان می دهد. SOC و SOH هر دو اطلاعات حیاتی برای مصرف کننده هستند زیرا SOC به شما می گوید که قبل از شارژ مجدد چقدر می توانید رانندگی کنید و SOH به شما می گوید که زمان تعویض باتری ها فرا رسیده است. این وظیفه BMS است که هر دوی این پارامترها را اندازه گیری کند.

مدارهای BMS اغلب پیچیده هستند، یک BMS لیتیومی 4 سلولی ساده در تصویر زیر نشان داده شده است. BMS ماشینی را تصور کنید که باید حدود 7000 سلول را کنترل کند.

ماژول باتری خودرو برقی

انواع مدل های سلول باتری لیتیوم

ماژول های باتری خودرو برقی