آشنایی با انواع باتری خودروهای برقی

باتری در خودرو های برقی

باتری خودروهای برقی یا الکتریکی Electric-Vehicle Battery به اختصار EVB خوانده می شوند. باتری خودروهای برقی، با باتری‌های سربی-اسیدی که در خودروهای بنزینی استفاده می‌شوند بسیار متفاوت هستند و از لحاظ کارایی نیز، سطح انرژی بالا‌تری را تامین می‌کنند. بسته‌های باتری لیتیوم-یون به‌کار رفته در خودرو‌های برقی، مشابه آن چیزی است که سابق بر این در گوشی‌های موبایل و لپ‌تاپ‌ها مشاهده کرده‌ایم اما با ابعادی بزرگ‌تر!

در کل، باتری خودرو‌های برقی از سری‌کردن سلول‌های باتری جداگانه ساخته می‌شوند که براساس مدل، چند صد عدد از آنها به صورت سری با هم بسته می‌شوند و باتری خودرو ساخته می‌شود.

انواع باتری های خودروهای برقی

این باتری ها در طول 20 سال اخیر با تکنولوژی های متفاوتی ساخته شده اند.

باتری های سرب- اسیدی Lead–acid

باتری خودروهای برقی تا سال 1997 سرب – اسیدی Lead–acid بودند. عمر این باتری ها سه سال بود و می توانستند 300 تا 500 چرخه ( سیکل Cycle) را تحمل کنند. باتری های اسید سرب سیل ارزان ترین و در گذشته رایج ترین باتری های خودروهای هیبریدی بودند.

دو نوع اصلی باتری های اسید سرب وجود دارد: 1- باتری های استارت موتور 2- باتری های چرخه عمیق.

باتری های استارت اتومبیل به گونه ای طراحی شده اند که قابلیت شارژ سریع را داشته باشند،

باتری های چرخه عمیق برای وسایل نقلیه برقی مانند لیفتراک یا چرخ دستی های گلف مورد استفاده قرار می گیرند،

هیچ باتری اسید سربی نباید کمتر از 50٪ ظرفیت آن تخلیه شود، زیرا عمر باتری را کوتاه می کند.

اکثر وسایل نقلیه برقی به دلیل بلوغ تکنولوژی باتری های سرب اسیدی و دسترس بودن زیاد و کم هزینه بودن از باتری های اسید سرب استفاده کرده اند (استثنا: برخی از خودروهای برقی اولیه مانند دیترویت برقی از باتری نیکل آهن استفاده کرده اند. ).

باتری های سرب چرخه عمیق گران هستند و عمر کمتری نسبت به خود وسیله نقلیه دارند، به طور معمول نیاز به تعویض هر 3 سال دارند.

باتری های نیکل- متال هیبرید Nickel–metal hydride

باتری های اسید-سرب به مروز زمان  این باتری ها جای خود را به باتری های هیبرید نیکل-متال Nickel–metal hydride دادند. باتری های هیدرید نیکل فلز اکنون یک فناوری نسبتاً بالغ محسوب می شوند.

در حالی که در شارژ و تخلیه حتی از اسید سرب، کارایی کمتری دارند (60 تا 70 درصد)، آنها دارای انرژی ویژه 30-80 وات ساعت/کیلوگرم ( Wh/kg)، بیشتری نسبت به باتری های اسید سرب هستند.

در صورت استفاده صحیح از باتریهای نیکل فلزی هیدرید، این باتری ها می توانند به طرز خارق العاده ای عمر طولانی داشته باشند،

مثلا باتری تویوتا راو4 TOYOTA RAV4  از نوع نیکل- متال است و نشان داده شده است که هنوز هم پس از 100، 000 مایل (160، 000 کیلومتر) و بیش از یک دهه هنوز هم کار می کنند.

باتریهای لیتیوم – یون Lithium-ion

باتری های لیتیوم یونی، در ابتدا برای استفاده در لپ تاپ ها و لوازم الکترونیکی تولید و تجاری سازی شدند. این باتریها با چگالی انرژی بالا و عمر طولانی چرخه، کاندیدای اصلی استفاده در خودروهای الکتریکی شده اند.

باتری های لیتیوم یون اولین بار در سال 1997 در خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار گرفتند. این باتری ها 1000 چرخه سیکل باتری را تحمل می کردند و بین 2 تا 4 سال طول عمر این باتری ها بود.

تکنولوژی ساخت این باتری ها هر روز پیشرفت کرد تا اینکه در هم اکنون این باتری ها می توانند 4000 چرخه سیکل را داشته باشند. همچنین طول عمر 10 سال و مسافت 1 میلیون مایل را شما می توانید از آنها استفاده کنید.

خودروهای برقی جدید در حال استفاده از تغییرات جدید در شیمی یون لیتیوم  باتریهای خود هستند که انرژی کمتری داشته باشند اما مقاومت در برابر آتش، دوستی در محیط زیست، شارژ سریع (به سرعت چند دقیقه) و طول عمر بیشتر داشته باشند.

 هم اکنون شرکت های مختلف خودروسازی در حال آزمایش و بهبود باتریهای لیتیون یون هستند. داده های جدید نشان داده است که قرار گرفتن در معرض گرما و استفاده از شارژ سریع باعث خراب شدن باتری های لیتیوم یون زودتر از سن و استفاده واقعی آن می شود.

به عنوان مثال، باتری موجود در نیسان LEAF، دو برابر سریعتر از باتری موجود در تسلا کاهش می یابد، زیرا LEAF سیستم خنک کننده فعال برای باتری خود ندارد.

باتری های دیگر

انواع مختلفی از باتری ها وجود دارند که می توانستند در صنعت خودروسازی پر کاربرد شوند، اما هیچکدام از آنها به دلایل گوناگون با استقبال مواجه نشدند. کبالت اکسید، آهن فسفات (FePo) و لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4)، لیتیوم هوا (Li-Air)، باتری لیتیوم پولیمر (LiPo)، نیکل کبالت منگنز (NCM)، نیکل کبالت آلومینیوم (NCA) و منگنز اکسید اسپینل (MnO) برخی از این موارد هستند.

باتری های کبالت اکسید برای بیش از یک دهه است که در بازار حضور دارند. این نوع از باتری ها نیروبخش لوازم خانگی کوچک مثل تلفن، اسباب بازی ها و لپ تاپ ها بوده اند. حرارت بیش از حد و هزینه تولید بالا مخصوصا در لوازم و وسایل بزرگ جزو ایرادات اساسی این باتری ها به شمار می روند، اما در مقابل از مزیت توانایی ذخیره انرژی زیاد برخوردارند.

باتری های دیگر

انواع مختلفی از باتری ها وجود دارند که می توانستند در صنعت خودروسازی پر کاربرد شوند، اما هیچکدام از آنها به دلایل گوناگون با استقبال مواجه نشدند. کبالت اکسید، آهن فسفات (FePo) و لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4)، لیتیوم هوا (Li-Air)، باتری لیتیوم پولیمر (LiPo)، نیکل کبالت منگنز (NCM)، نیکل کبالت آلومینیوم (NCA) و منگنز اکسید اسپینل (MnO) برخی از این موارد هستند.

باتری های کبالت اکسید برای بیش از یک دهه است که در بازار حضور دارند. این نوع از باتری ها نیروبخش لوازم خانگی کوچک مثل تلفن، اسباب بازی ها و لپ تاپ ها بوده اند. حرارت بیش از حد و هزینه تولید بالا مخصوصا در لوازم و وسایل بزرگ جزو ایرادات اساسی این باتری ها به شمار می روند، اما در مقابل از مزیت توانایی ذخیره انرژی زیاد برخوردارند.

باتری های آهن فسفات اگر چه هزینه ساخت کم و بالاترین پایداری را دارند، اما فقط در ولتاژهای پایین فقط می توانند کار کنند، به همین جهت امکان استفاده از آنها برای تامین انرژی خودروها میسر نیست.

نمونه های لیتیوم پلیمری در واقع زیر مجموعه باتری های لیتیوم یونی به حساب می آیند. تفاوت اصلی این باتری ها با نمونه های لیتیوم یونی به طراحی پلیمرها در فرایندی با عنوان “pouch format” مربوط می شود که آن هم مزایا و معایب خاص خود را دارد. این باتری ها اخیرا وارد صنعت خودروسازی شده و برخی از اتومبیل ها با نمونه های لیتیوم پلیمری راهی بازار شده اند.

باتری های NCM و NCA هنوز فاصله زیادی با هزینه تولید بهینه داشته و نسبت به حرارت نیز حساسیت بالایی دارند، به همین جهت خودروسازان مختلف فعلا روی خوشی به آنها نشان نمی دهند.

جدیدترین و جالب ترین تکنولوژی ساخت باتری به نمونه های لیتیوم هوا (Li-Air) تعلق دارد. در این نوع از باتری ها از اکسیداسیون لیتیوم در آند و کاهش اکسیژن در کاتد برای ایجاد جریان استفاده می شود. باتری های لیتیوم هوا امکان ذخیره انرژی بسیار بیشتری نسبت به نمونه های لیتیوم یونی فعلی داشته و به احتمال زیاد در آینده کاربردهای آنها گسترش می یابد.

با در نظر گرفتن همه جوانب هنوز چندین سال لازم است تا باتری دیگری جایگزین باتری های رایج کنونی شده و بتواند به اتومبیل های هیبریدی، پلاگین (هیبریدی شارژی) راه پیدا کند. اما خبر خوش اینکه تکنولوژی ساخت باتری با سرعت خوبی رو به پیشرفت بوده و در آینده نه چندان دور مشکل میزان مسافت قابل پیمایش خودروهای برقی به طور کامل رفع خواهد شد.

مشخصات باتری خودرو های الکتریکی

باتری درخودرو‌های برقی نقشی مهم را ایفا می‌کند. ظرفیت و مقدار جریان دو فاکتور مشخصه باتری‌ها هستند. ظرفیت، مقدار انرژی ذخیره شده در باتری است و به فاکتور‌های زیادی وابسته هستند که مهمترین آن‌ها عبارتند از:

• سطح یا اندازه فیزیکی صفحاتی که توسط الکترولیت پوشیده می‌شوند
• وزن و مقدار مواد در صفحات
• تعداد صفحات و نوع جدا کننده بین آن‌ها
• مقدار الکترولیت و جرم مخصوص آن
• سن باتری
• شرایط سلول – مقدار رسوب در ته سلول
• دما
• حد ولتاژ پایینی
• نرخ دشارژ

شاید تنها ضعف خودرو برقی باتری‌های آن باشد، به علت چگالی کم انرژی ذخیره شده در باتری باید از تعداد زیادی باتری استفاده نمود که وزن خود را افزایش داده انرژی اضافه‌ای برای حمل این وزن مصرف می‌شود و مسافت پیموده شده در مقایسه با خودرو‌های احتراقی کمتر است همچنین شارژر این باتری‌ها زمان برخواهد بود هزینه بالایی نیز صرف خرید باتری‌ها خواهد شد اگر باتری‌های مناسبی برای خودرو ساخته شود که مشکلات فعلی را نداشته باشد یقیناً خودرو‌های با موتور احتراق داخلی کنار گذاشته می‌شوند.

ظرفیت باتری ماشین الکتریکی

ظرفیت باتری خودروی الکتریکی با واحد کیلووات ساعت یا KWh بیان می‌شود. با انتخاب خودرویی که ظرفیت باتری بالاتری دارد محدوده‌ی حرکتی بیشتری خواهید داشت. این امر مشابه خرید خودرویی بنزینی با باک بزرگ‌تر است؛

اما باید دانست به خاطر روش کارکرد خودروهای الکتریکی، شما هرگز به ظرفیت کامل باتری دسترسی نخواهید داشت. دلیل این امر به سیستم مدیریت اصلی خودرو مربوط می‌شود که به خاطر حفظ راندمان و افزایش طول عمر باتری از شارژ 100 درصدی و خالی شدن کامل باتری جلوگیری می‌کند.

ظرفیت باتری خودروهای الکتریکی کنونی از 17. 6 کیلووات ساعت در اسمارت EQ فورتو تا 100 کیلووات ساعت در تسلا مدل S متغیر است. ظرفیت باتری و دیگر مشخصات خودروهای الکتریکی را می‌توان در منابع خودرویی معتبر جست‌وجو کرد.

شارژ باتری خودروی برقی

معمولاً شارژ بیشتر وسایل نقلیه الکتریکی در خانه و با مدار معمولی ۱۲۰ ولت (که به‌عنوان شارژر سطح ۱ شناخته می‌شوند) یا خط اختصاصی ۲۴۰ ولت (شارژر سطح ۲) انجام می‌شود. باتوجه‌به ظرفیت باتری وسیله نقلیه، به کمک شارژر سطح ۱ می‌توان بین ۸ تا ۱۶ ساعت باتری را در هر جایی به شارژ کامل رساند.

گرچه نصب سرویس شارژ ۲۴۰ ولتی در خانه می‌تواند هزینه چند صد دلاری به همراه داشته باشد، اما چنین طرحی می‌توان زمان شارژ را حدود ۴ ساعت کاهش دهد.  اگر شرکت منطقه‌ای برق تخفیف ویژه برای مصرف در ساعات غیراوج بگذارد، افراد می‌توانند با برنامه‌ریزی درست شارژ در اواسط شب، در هزینه‌های خود صرفه‌جویی کنند.

جایگزین سریع‌تری به نام شارژر سطح ۳ نیز وجود دارد که گرچه به ایستگاه‌های شارژ عمومی محدود می‌شود، اما رشد درخورتوجهی دارد. شارژرهای سطح ۳ که اغلب با نام شارژر سریع DC شناخته می‌شوند، قادر هستند باتری خودروی برقی را طی ۳۰ دقیقه به ۸۰ درصد ظرفیت شارژ برسانند. اگرچه در هوای سرد نسبت به هوای گرم زمان بیشتری برای شارژ کامل باتری زمان مصرف می‌شود، اما این موضوع ربطی به سطح شارژر مورداستفاده ندارد.

زمان شارژ اتومبیل برقی مانند پر کردن یک بطری از شیر آب است: هرچه بطریی که می خواهیم آنرا پر کنیم، بزرگتر باشد یا جریان وارد شدن آب به بطری، ضعیف باشد، مدت زمان بیشتری طول می کشد. در همان شارژدهی، شارژ باتری “بزرگ” نسبت به یک باتری کوچکتر بیشتر طول می کشد و در همان ظرفیت، این قدرت خروجی از ایستگاه شارژ است که تفاوت ایجاد می کند.

عمر باتری خودروهای برقی چقدر است؟

با استفاده از چرخه های شارژ کامل و خالی، سرانجام باتری یک ماشین الکتریکی فرسوده می شود و ظرفیت انرژی خود را از دست می دهد. با این حال، شیب این کاهش ظرفیت بسیار کند است و تخمین زده می شود که یک وسیله نقلیه برقی پس از ده سال به طور متوسط 75٪ ظرفیت خود را حفظ کند. در واقع، باتری یک ماشین برقی طوری طراحی شده است که به اندازه خود خودرو دوام می آورد.