ساختار و عملکرد باتری خودروهای الکتریکی

در یک خودروی معمولی، جزء اصلی خودرو، موتور آن است. اما در خودروهای الکتریکی، مهم‌ترین جزء سیستم انرژی خودرو، باتری آن است.

در این مقاله ساختار، اجزا، عملکرد و آینده‌ی فناوری باتری خودروهای الکتریکی را بررسی می کنیم.  ساختار باتری به ترکیب مواد اولیه به کار رفته در اجزای باتری گفته می شود.

ساختار باتری در خودروهای الکتریکی چگونه است؟

باتری‌ خودرو برقی تنها یک قطعه نیست؛ بلکه از هزاران واحد کوچک ساخته شده است.

ساختار باتری خودرو برقی شامل موارد زیر است:
 

سلول باتری (Battery Cell) ، ماژول باتری (Battery Module) ، پک باتری (Battery Pack)

1. سلول باتری (Battery Cell)

هر سلول باتری شامل سه بخش اصلی است.

آند  :(Anode)در باتری های لیتیوم-یون الکترود آند معمولاً از گرافیت ساخته می‌شود و محل ذخیره یون‌های لیتیوم در هنگام شارژ است.

کاتد(Cathode) : کاتد از ترکیبات نیکل، منگنز و کبالت یا فسفات آهن تشکیل شده است.

الکترولیت: الکترولیت یک مایع یا جامد رسانا برای انتقال یون‌ها بین الکترودها می باشد. معمولاً جنس الکترولیت محلولی از نمک‌های لیتیوم در ترکیبی از حلال‌ها مانند دی‌اتیل کربنات یا دی‌متیل کربنات است.

جداکننده (Separator): این بخش کاتد و آند را از هم جدا کرده و از تماس مستقیم آند و کاتد جلوگیری می کند. و از جنس پلیمر است.

2. ماژول باتری (Battery Module)

یک ماژول از کنار هم قرار گرفتن چندین سلول در کنار هم ساخته می شود. ماژول ها دارای سنسورهای حرارتی و مدارهای کنترل جریان هستند.

3. پک باتری (Battery Pack)

پک باتری که متشکل از مجموعه ای از ده ها ماژول می باشد، در زیر کف خودرو یا بخش پشتی آن قرار می‌گیرد. در این مرحله، سیستم‌های BMS (سیستم مدیریت باتری)، سیستم خنک‌کننده فعال یا غیرفعال و قاب محافظ آلومینیومی یا فولادی اضافه می‌شوند.

باتری خودروهای الکتریکی چگونه انرژی تولید می‌کنند؟
 

در باتری خودروهای برقی انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

فرآیند عملکرد به این صورت است:

• در زمان رانندگی (تخلیه انرژی)، یونهای لیتیوم از آند به سمت کاتد حرکت می کنند، این جریان یونی باعث تولید جریان الکتریکی در مدار می شود و در نهایت موتور الکتریکی انرژی دریافتی را به حرکت چرخ ها تبدیل می کند.
• در زمان شارژ (ذخیره انرژی)، جریان برق ورودی از شارژر، جهت حرکت یون ها را برعکس می کند و یون‌های لیتیوم دوباره در آند ذخیره می‌شوند.
• در هنگام ترمزگیری (بازیابی انرژی یا Regenerative braking): موتور مانند ژنراتور عمل می‌کند و انرژی جنبشی را به الکتریسیته تبدیل کرده و دوباره در باتری ذخیره می‌کند.

این سیستم بازیافت انرژی، تا ۲۰٪ مصرف کل انرژی خودرو را کاهش می‌دهد و راندمان حرکتی را افزایش می‌دهد.

انواع باتری‌های خودرو برقی شامل لیتیوم-یون  (Li-ion)، لیتیوم آهن فسفات  (LFP)و باتری حالت جامد (Solid State) می باشد.

سیستم مدیریت باتری (BMS)؛ مغز هوشمند باتری

سیستم مدیریت باتری یا Battery Management System وظیفه کنترل و نظارت بر عملکرد باتری را دارد. نظارت بر جریان شارژ و دشارژ، جلوگیری از شارژ بیش از حد یا تخلیه کامل، متعادل کردن سلول‌ها برای عملکرد یکنواخت، کنترل دما جهت جلوگیری از افزایش حرارت، گزارش وضعیت سلامت باتری (SOH) از وظایف اصلی سیستم مدیریت باتری است. این سیستم شامل چندین پردازنده، برد و سایر قطعات الکترونیکی است.

اگر BMS نباشد، باتری در مدت کوتاهی دچار کاهش ظرفیت چشمگیر می‌شود و امنیت خودرو به خطر می‌افتد.

عوامل مؤثر بر عمر باتری خودروهای برقی

1. دمای محیط: گرمای زیاد یا سرمای شدید عمر باتری را کم می‌کند.
2. نوع و سرعت شارژ: شارژ سریع مفید است اما استفاده مکرر از آن دمای باتری را بالا می‌برد.
3. تعداد چرخه شارژ و تخلیه: هر بار شارژ کامل یک چرخه است. عمر واقعی باتری با تعداد چرخه‌ها سنجیده می‌شود.
4. محدوده شارژ بهینه (20 تا 80 درصد): شارژ کامل تا 100٪ یا تخلیه به زیر 10٪ توصیه نمی‌شود.

باتری خودروهای الکتریکی مزایا و معایبی دارند که به برخی از آنها اشاره می کنیم.

مزایا:

• باتری خودروهای الکتریکی بدون آلایندگی هستند
• نسبت به خودروهای بنزینی راندمان بالاتری دارند (تا ۹۰٪ در مقابل ۳۰٪)
• صدای کمتری دارند و با آنها رانندگی نرم‌تری را تجربه می کنید
• نگهداری آنها آسان‌تر و تعمیرشان کم‌هزینه‌تر است

معایب:

• قیمت ساخت و جایگزینی این باتری ها بالاست
• در خودروهای بزرگ، این باتری ها وزن زیادی دارند
• در طول زمان ظرفیت آنها کاهش می یابد
• نیاز به زیرساخت شارژ سریع دارند

عمر مفید باتری خودروهای الکتریکی:

عمر مفید باتری خودروی الکتریکی تعداد سیکل شارژیست که ظرفیت آن از %100 به %70 برسد. و نباید آن را بر حسب سال و یا کیلومتر تخمین زد.

فناوری باتری در خودروهای الکتریکی در حال پیشرفت است و پژوهش‌ها در این زمینه در مسیر تغییرات بزرگ قرار دارند، به برخی از این فناوری ها اشاره می کنیم:

1. باتری‌های حالت جامد با چگالی انرژی دو برابر لیتیوم یون
2. باتری‌های سدیم یون (ارزان‌تر از لیتیوم)
3. فناوری شارژ فوق سریع زیر ۱۰ دقیقه
4. بازیافت کامل مواد سلولی باتری‌ها

با پیشرفت این فناوری‌ها، خودروهای الکتریکی در آینده بردی بالاتر از ۸۰۰ کیلومتر خواهند داشت، در کمتر از ۵ دقیقه شارژ می‌شوند، همچنین ایمن‌تر، سبک‌تر و ارزان‌تر خواهند بود.

از آنجا که باتری یک خودروی برقی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. سازندگان با صرف هزینه‌های بسیار سنگین مشغول تحقیقات جهت استفاده از مواد جدید، مانند گرافن هستند که پارامترهای باتری همچون کاهش وزن، افزایش چگالی انرژی، بهبود پایداری دمایی و بازیافت بهتر را بهبود ببخشند.