سرعت، مسافت پیموده شده، گشتاور و سایر پارامتر های مهم یک خودرو الکتریکی فقط به مشخصات موتور و بسته باتری استفاده شده در خودرو بستگی دارد. اگرچه استفاده از یک موتور قدرتمند کار چندان بزرگی نیست، اما مشکل در طراحی یک بسته باتری است که می تواند جریان کافی برای موتور را برای مدت طولانی بدون کاهش عمر آن تأمین کند. برای مقابله با ولتاژ و تقاضای جریان، تولیدکنندگان خودروی الکتریکی مجبورند صد ها تا هزاران سلول را با هم ترکیب کنند و یک بسته باتری برای یک خودرو تشکیل دهند. برای مثال، تسلا مدل S حدود 7104 سلول و نیسان لیف حدود 600 سلول دارد. این تعداد زیاد به همراه ماهیت ناپایدار سلول های لیتیوم، طراحی یک بسته باتری را برای یک خودرو الکتریکی دشوار می کند. بیایید در این مقاله بررسی کنیم که چگونه یک بسته باتری برای خودرو الکتریکی طراحی شده است و چه پارامتر های حیاتی مرتبط با باتری باید در نظر گرفته شود.
داخل بسته باتری خودرو الکتریکی چیست؟
اگر مقاله را خوانده اید، تاکنون پاسخ این سوال را می دانید. به هر حال بیایید یک مروری بر این مبحث داشته باشیم. تصویر زیر نشان می دهد که بسته باتری نیسان لیف به سطح سلول از بسته آن جدا شده است.
خودرو های برقی مدرن به دلایل واضحی از باتری های لیتیوم برای تأمین انرژی اتومبیل خود استفاده می کنند که در ادامه این مقاله به آن ها خواهیم پرداخت. اما، این باتری های لیتیومی فقط حدود 3.7 ولت در هر سلول دارند در حالی که یک خودرو الکتریکی تقریباً به 300 ولت نیاز دارد. برای دستیابی به چنین بالایی و درجه بندی آمپر ساعت سلول های لیتیوم به صورت سری و موازی با یکدیگر ترکیب می شوند و ماژول ها را تشکیل می دهند. این ماژول ها به همراه برخی از مدار های محافظتی (BMS) و سیستم خنک کننده در یک بدنه مکانیکی قرار می گیرند که به عنوان یک بسته باتری نامگذاری می شوند. همانطور که در بالا نشان داده شده است.
انواع باتری ها
در حالی که اکثر اتومبیل ها از باتری های لیتیومی استفاده می کنند، ما تنها محدود به آن نمی شویم. انواع مختلفی ساختار شیمیایی برای باتری وجود دارد. بطور گسترده باتری ها را می توان به سه نوع تقسیم کرد:
باتری های ثانویه: این ها باتری هایی هستند که ما از آن ها برای خودرو های الکتریکی استفاده می کنیم . این باتری می تواند انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند تا برق خودرو الکتریکی را تأمین کند و همچنین می تواند انرژی الکتریکی را دوباره در طی فرآیند شارژ به انرژی شیمیایی تبدیل کند. این باتری ها معمولاً در تلفن های همراه، خودرو الکتریکی و در بسیاری از وسایل الکترونیکی قابل حمل دیگر استفاده می شوند.
باتری های ذخیره: این نوع باتری های خاصی هستند که در کاربرد های بسیار منحصر به فرد استفاده می شوند. همانطور که از نام آن مشخص است، باتری ها بیشتر عمر خود را به صورت ذخیره (در حالت آماده به کار) نگه می دارند و در نتیجه سرعت تخلیه خود بسیار پایینی دارند. نمونه آن می توان به باتری های جلیقه نجات اشاره کرد.
جهت کسب اطلاعات بیشتر، مقاله را بخوانید.
برای خرید باتری در تهران میتوانید به فروشگاه نکاس باتری مراجعه کنید.
ساختار شیمیایی یک باتری
همانطور که قبلاً گفته شد ساختار های شیمیایی مختلفی برای باتری ها وجود دارد. هر ساختار مزایا و معایب خاص خود را دارد. اما صرف نظر از نوع ساختار شیمیایی، موارد کمی وجود دارد که برای همه باتری ها مشترک است، بدون اینکه خیلی به ساختار شیمیایی آن بپردازیم، نگاهی به آن ها می اندازیم.
در باتری سه لایه اصلی وجود دارد که عبارتند از: کاتد، آند و جدا کننده. کاتد لایه مثبت باتری و آند لایه منفی باتری است. هنگامی که بار به ترمینال های باتری متصل می شود، جریان (الکترون ها) از آند به کاتد جریان می یابد. به طور مشابه وقتی شارژر به ترمینال های باتری متصل می شود، جریان الکترون ها بصورت معکوس از کاتد به آند جریان می یابد. همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است.
برای عملکرد هر باتری، باید یک واکنش شیمیایی به نام واکنش اکسیداسیون – کاهش ایجاد شود. گاهی اوقات به عنوان واکنش اکسایش-کاهش نیز نامیده می شود. این واکنش بین آند و کاتد باتری از طریق الکترولیت (جدا کننده) اتفاق می افتد. طرف آند باتری تمایل برای بدست آوردن الکترون دارد و از این رو یک واکنش اکسیداسیون اتفاق می افتد و سمت کاتدی باتری تمایل به از دست دادن الکترون دارد و از این رو واکنش کاهش اتفاق می افتد. به همین دلیل یون ها از طریق جدا کننده از کاتد به سمت آند باتری منتقل می شوند. در نتیجه یون های بیشتری در آند جمع می شوند. برای خنثی سازی این آند، باید الکترون ها را از سمت آن به سمت کاتد سوق دهیم.
اما جدا کننده فقط اجازه می دهد که یون ها از طریق آن جریان یابند و از حرکت الکترون از آند به کاتد جلوگیری می کند. بنابراین تنها راه باتری این است که می تواند الکترون ها را از طریق ترمینال های بیرونی آن منتقل کند، به همین دلیل است که وقتی بار را به ترمینال های باتری وصل می کنیم، جریان (الکترون ها) جریان می یابد.
برای خرید باتری دولتی تهران روی لینک زیر کلیک کنید.
مبانی ساختار شیمیایی باتری لیتیوم
اگر در مورد این مطلب سوالی دارید در قسمت نظرات بپرسید
از بین این ها، آلومینیوم کبالت نیکل لیتیوم به دلیل هزینه کم بیشترین استفاده را دارد. بعداً در این مقاله بیشتر وارد این پارامتر ها خواهیم شد. اما یک نکته ای که می توانید در اینجا مشاهده کنید این است که لیتیوم در همه باتری ها وجود دارد. این بیشتر به دلیل پیکربندی الکترون لیتیوم است. در زیر یک اتم فلز لیتیوم خنثی نشان داده شده است.
عدد اتمی آن 3 است به این معنی که سه الکترون در اطراف هسته آن قرار دارند و پوسته بیرونی تنها یک الکترون ظرفیت دارد. در طول واکنش، این الکترون ظرفیت بیرون کشیده می شود بنابراین یک الکترون و یون لیتیوم به شکل دو الکترون یک یون لیتیوم به ما داده می شود. همانطور که قبلاً گفته شد، الکترون از طریق ترمینال های خارجی باتری جریان می یابد و یون لیتیوم از طریق الکترولیت (جدا کننده) در طی واکنش اکسایش-کاهش جریان می یابد.
مبانی باتری های خودرو های الکتریکی
اکنون می دانیم که باتری چگونه کار می کند و چگونه از آن در خودرو های الکتریکی استفاده می شود، اما برای ادامه کار باید برخی اصطلاحات اساسی را که معمولاً هنگام طراحی بسته باتری استفاده می شود، درک کنیم. بگذارید درباره آن ها صحبت کنیم.
Run time = Ah Rating / Current rating
زمان اجرا = درجه بندی آمپر ساعت / درجه بندی جریان
فرمول بالا برای همه موارد صدق نمی کند اما به شما یک مقدار تقریبی از عمر باتری می دهد. نمی توانید انتظار دریافت 30 آمپر از یک باتری 2 آمپر ساعت داشته باشید و انتظار داشته باشید که 3.6 دقیقه دوام داشته باشد.
محدودیت هایی برای حداکثر جریانی که می توانید دریافت کنید وجود دارد و همچنین در روند کار تلفاتی وجود دارد که همیشه باعث کاهش زمان کار می شود. همچنین هیچ خودروی الکتریکی یک جریان ثابتی مصرف نمی کند، بنابراین تعیین اینکه چه مدت خودروی الکتریکی شما با این باتری کار می کند کار ساده ای نیست.
چه زمانی باید استفاده از باتری را متوقف کنیم؟
ولتاژ قطع: ولتاژ قطع حداقل ولتاژ یک باتری است که در زیر آن نباید از باتری استفاده شود. برای یک باتری لیتیوم با 3.7 ولت ولتاژ قطع آن در حدود 3.0 ولت است. این به این معنی است که وقتی ولتاژ آن به زیر 3.0 ولت می رسد، تحت هیچ شرایطی این باتری نباید به بار متصل شود. مقدار ولتاژ قطع باتری را می توان در دیتاشیت آن یافت.
اگر باتری زیر این ولتاژ قطع تخلیه شود، تخلیه بیش از حد نامیده می شود. این کار به باتری آسیب می رساند و بر ظرفیت و طول عمر آن تأثیر می گذارد. تخلیه بیش از حد باتری باعث اختلال در ساختار شیمیایی باتری می شود که ممکن است منجر به دود کردن باتری یا از بین رفتن باتری شود.
چه زمانی باید باتری را شارژ کنیم؟
حداکثر ولتاژ شارژ: در حالی که ولتاژ قطع حداقل ولتاژ باتری است، حداکثر ولتاژ شارژ حداکثر ولتاژی است که باتری می تواند به آن برسد. وقتی باتری را شارژ می کنیم ولتاژ آن افزایش می یابد، مقدار ولتاژی که باید شارژ آن را متوقف کنیم حداکثر ولتاژ نامیده می شود. حداکثر ولتاژ شارژ برای یک باتری لیتیوم با ولتاژ نامی 3.7 ولت، 4.2 ولت خواهد بود. این مقدار را می توان در دیتاشیت نیز یافت.
اگر یک باتری بیشتر از این ولتاژ شارژ شود، آن را به عنوان شارژ بیش از حد می نامند. شارژ بیش از حد نیز به طور دائمی باتری را خراب می کند و همچنین ممکن است منجر به خطرات آتش سوزی شود.
ولتاژ مدار باز (OCV): ولتاژ مدار باز مقدار ولتاژ اندازه گیری شده از طریق ترمینال مثبت و منفی باتری در شرایط بدون بار است. OCV باتری لیتیوم برای یک باتری سالم همیشه باید بین 3.0 ولت تا 4.2 ولت باشد. ولتاژ قطع و حداکثر ولتاژ تخلیه در شرایط مدار باز اندازه گیری می شود.
ولتاژ ترمینال: ولتاژ ترمینال مقدار ولتاژ اندازه گیری شده در باتری در شرایط وجود بار است. مقدار ولتاژ OCV و ترمینال برابر نخواهد بود، زیرا هنگامی که بار متصل می شود و جریان از باتری خارج می شود، ولتاژ آن بر اساس مقدار جریان کشیده شده کاهش می یابد.
چه مقدار جریان می توانم از یک باتری دریافت کنیم؟
C-rate = Current / Ah Rating
درجه بندی C = جریان / درجه بندی آمپر ساعت
مقاومت داخلی: هر یک از اجزاء مقاومت خاص خود را دارد، ظرفیت آن به نام راکتانس خازنی و آن به نام راکتانس القایی است. به طور مشابه، باتری نیز در بین ترمینال های آند و کاتد دارای مقاومت است. این مقاومت به عنوان مقاومت داخلی خوانده می شود، گاهی اوقات نیز به عنوان امپدانس داخلی نامیده می شود.
مانند تمام مقاومت ها، این ها نیز با اتلاف گرما تلفات ایجاد می کنند، بنابراین برای یک سیستم ایده آل مقاومت داخلی باید صفر باشد. در عمل نمی توان باتری را با IR صفر (مقاومت داخلی) طراحی کرد، بنابراین باید در کمترین حد ممکن ساخته شود. مقدار IR پارامتر های ثابتی نیست و براساس ظرفیت و سن باتری فرق می کند.
انرژی ویژه: انرژی ویژه را می توان انرژی در واحد جرم (وزن) دانست. در وزن خودرو الکتریکی باتری فاکتور مهمی است زیرا خودرو باید باتری را با خود حمل کند. بنابراین وزن باتری باید تا حد ممکن کم باشد. انرژی ویژه یک باتری به ما می گوید که چه مقدار (ولتاژ × جریان) می تواند در واحد جرم باتری فراهم کند. بنابراین انرژی ویژه یک باتری باید تا حد ممکن زیاد باشد. باتری های لیتیوم در مقایسه با سرب اسید دارای انرژی ویژه بسیار بالایی هستند. توان ویژه نیز مشابه همین است اما زمان را نیز در نظر می گیرد. توان ویژه به ما می گوید که چقدر سریع انرژی را می توان از باتری بدست آورد.
چگالی انرژی: چگالی انرژی و توان ویژه کمی به هم مرتبط هستند. در حالی که انرژی ویژه به ما می گوید چه مقدار انرژی را می توان در واحد جرم یک باتری بدست آورد، چگالی انرژی به ما می گوید که چه مقدار انرژی را می توان در واحد حجم باتری بدست آورد. این به ما ایده ای از اندازه باتری ها می دهد، زیرا ما حجم باتری را بررسی می کنیم. باتری هایی که چگالی انرژی بالایی دارند، باتری هایی هستند که می توانند با بسته بندی کوچکی مانند که در هواپیما های بدون سرنشین استفاده می شوند، انرژی زیادی را تحویل دهند. چگالی توان نیز مشابه همین است اما زمان را نیز در نظر می گیرد. این به ما می گوید که چقدر سریع انرژی را می توان از باتری بدست آورد.
سرعت خود تخلیه: باتری حتی در صورت ایده آل بودن مقداری از ظرفیت خود را از دست می دهد. به دلیل خواص شیمیایی نمی توان از این امر جلوگیری کرد اما می توان برای به حداقل رساندن آن یک طراحی انجام داد. سرعت شارژ باتری حتی در صورتی که به بار متصل نیست، به عنوان خود تخلیه خوانده می شود.
این خلاصه تقریبا تمام اصطلاحات مهمی است که شما باید هنگام کار با باتری بدانید.
سیستم مدیریت باتری (BMS)
وقت آن است که به چیز های مهم برسیم. سیستم مدیریت باتری یا BMS مغز یک بسته باتری در نظر گرفته می شود. این یک مدار همراه با یک الگوریتم است که ولتاژ، جریان و دمای سلول های یک باتری را کنترل می کند و عملکرد و ایمنی سلول های فردی را در یک باتری تضمین می کند. همچنین وظیفه تعادل میزان شارژ، اندازه گیری SOC و SOH باتری ها و بسیاری دیگر از قابلیت های مهم را دارد. بیایید بررسی کنیم که آن ها چه کاری انجام می دهند.
چگونه میزان شارژ باقی مانده باتری را پیدا کنیم؟
وضعیت شارژ (SOC)
اندازه گیری ظرفیت باتری به راحتی اندازه گیری ولتاژ در ترمینال های آن آسان نیست، زیرا عوامل زیادی در ظرفیت باتری از جمله چرخه شارژ، دما، سرعت تخلیه و…. تاثیرگذار هستند.
SOC = Total charge Input / Maximum Capacity
SOC = کل شارژ ورودی/ حداکثر ظرفیت
عمق تخلیه (DOD)
عمق تخلیه (DOD) نقطه مقابل SOC است. در حالی که SOC به ما می گوید چه مقدار شارژ باقی مانده است، DOD به ما می گوید که چه میزان شارژ در باتری مصرف می شود.
وضعیت سلامت (SOH)
توانایی باتری با افزایش سن آن کاهش می یابد. این باعث کاهش مسافت پیموده شده توسط خودروی الکتریکی می شود. تنها در صورتی که بدانیم عمر باتری چقدر است می توانیم زمان تعویض باتری را بدانیم. عمر خودرو الکتریکی نیز به دمای عملکرد، درجه بندیC، کارکرد باتری، چرخه های شارژ و… بستگی دارد. SOH با در نظر گرفتن عمر باتری، سلامت باتری را درصدی اندازه می گیرد. هرچه بیشتر عمر کند، سلامت باتری نیز کاهش می یابد.
تعادل سلولی
تعادل سلولی وظیفه مهم دیگری است که در سیستم مدیریت باتری (BMS) انجام می شود، زیرا می دانیم چندین سلول به صورت سری یا موازی ترکیب می شوند و یک بسته باتری تشکیل می دهند. ولتاژ سلول همه سلول ها باید همیشه باهم برابر باشد، به عنوان مثال در یک بسته چهار سلولی 18650 که به صورت سری وصل شده اند، ولتاژ تمام سلول ها باید یکسان باشد در غیر اینصورت سلول با ولتاژ پایین بیش از حد تخلیه می شود و سلول با ولتاژ بالاتر بیش از حد شارژ می شود. برای جلوگیری از این BMS چیزی به نام تعادل سلولی را انجام می دهد، سلول های با ولتاژ بالاتر را تشخیص می دهد و آن ها را تخلیه می کند تا اینکه با ولتاژ سلول مجاور خود مطابقت داشته باشد.
ایمنی سلول
به غیر از این، BMS همچنین از حفاظت محیطی و الکتریکی سلول اطمینان می دهد. بر دمای سلول ها نظارت دارد و سیستم خنک کننده موجود در BMS را کنترل می کند. تسلا مدل S دارای یک سیستم خنک کننده مایع (Glycol) در داخل باتری است که توسط BMS کنترل می شود. مایع خنک کننده نه تنها باتری را خنک می کند بلکه در صورت نیاز در زمستان ها آن را تا دمای نامی گرم می کند.
به پایان این مقاله رسیده ایم اما آنچه که می توان در مورد باتری های خودرو الکتریکی آموخت، به پایان نمی رسد. بنابراین اگر می خواهید تخصصی این مطلب را دنبال کنید، اینجاست که تازه شروع به کار می کنید. چیز های زیادی برای یادگیری مانند مدل سازی باتری، طراحی BMS پروتکل های آزمایش باتری و…وجود دارد. اما همه این ها را در یک مقاله متفاوت ارائه خواهیم داد. من معتقدم که این اطلاعات مفید بوده و باعث ایجاد علاقه در شما شده است تا درباره باتری های خودرو الکتریکی و نحوه کار آن ها بیشتر بدانید. نظرات خود را در بخش نظرات برای من بنویسید و اجازه دهید در یک مقاله جالب دیگر در مورد خودرو الکتریکی باز بحث کنیم.
