فهرست مطالب
مقدمه
باتری خودروی برقی مخزن ذخیره انرژی در این نوع خودروست. همانطور که راننده خودروی بنزینی باک خودروی خود را در پمپبنزین پر میکند، راننده خودروی برقی نیز مجموعه باتری را در ایستگاه شارژ یا در منزل خود توسط شارژر شارژ مینماید. سپس انرژی شیمیایی ذخیرهشده در باتری به انرژی الکتریکی تبدیل میگردد و در نهایت، همین انرژی الکتریکیست که موتور (یا موتورهای) خودروی برقی را به حرکت درآورده و خودرو حرکت میکند.
در مقایسه با اعضای بدن انسان، باتری خودروی برقی در حقیقت قلب خودروست و بیشترین تأثیر را در مسافت قابل پیمایش با یکبار شارژ، توان و حتی قیمت خودرو دارد.
اصول عملکرد باتری خودروی برقی
ساختار باتری خودروی برقی
امروزه تقریباً در تمامی خودروهای برقی از باتری نوع لیتیوم-یون استفاده میشود. به همین دلیل، در این بخش به بررسی ساختار شیمیایی این نوع از باتری خودروی برقی میپردازیم.
همانطور که در شکل 1 ملاحظه میکنید، یک سلول باتری لیتیوم-یون به عنوان جزییترین المان باتری شامل اجزای زیر میباشد :
- آند
- کاتد
- الکترولیت
- جداکننده (Separator)
- جمعکننده جریان (Current Collector) مثبت و منفی
- بدنه دربرگیرنده اجزای فوق
ترکیبات شیمیایی باتری خودروی برقی
علت استفاده از لیتیوم در باتری
لیتیوم با عدد اتمی 3 و جرم اتمی 6/941 و آرایش الکترونی 1s22S1 سبکترین فلز و ماده جامد جدول تناوبیست. وجود یک الکترون آزاد در لایه ظرفیت (Valance Orbital)، تعلق به خانواده فلزات قلیایی با تمایل به واکنش بالا و بیشترین اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی با مقدار 3/04- ولت نسبت به الکترود استاندارد هیدروژن آن را به مادهای ایدهآل برای استفاده در باتری بدل ساخته است. کار تحقیق روی باتریهای لیتیومی از دهه 60 میلادی آغاز و روند تکامل و بهبود ویژگیهای آنها کماکان ادامه دارد.
باتری خودروی الکتریکی از مواد متفاوتی ساخته میگردد که در این بخش به آنها میپردازیم :
آند
گرافیت
در باتریهای لیتیوم-یون، الکترود آند معمولاً از جنس گرافیت (آلوتروپ یا دگرشکلی از کربن با شکل کریستالی 6 وجهی) است. در حین فرآیند دشارژ، یونهای مثبت لیتیوم بین ساختار درهمتنیده (Intercalated) گرافیت جای میگیرند و وقتی تمام یونهای مثبت لیتیوم در این ساختار درهمتنیده گرفتار شدند، باتری دیگر قادر به ادامه انجام واکنش شیمیایی و تولید الکتریسیته نیست. اصطلاحاً به این این وضعیت باتری «خالی» یا «دشارژ کامل» (Completely Discharged) میگوییم.
لیتیوم-تیتانات (Li2TiO3 یا LTO)
این ترکیب با نانوتکنولوژی ساخته میشود و همین ساختار نانو، به تعداد الکترونهای بیشتری نسبت به گرافیت اجازه ورود به آند حین دشارژ یا خروج از آن حین شارژ را میدهد. بنابراین جریاندهی و چگالی توانی این نوع باتری بسیار بالاتر از باتریهای دارای آند گرافیتی است.
در مقابل، عیب این نوع باتری در پایین بودن ولتاژ نامی (2/4 ولت در مقابل 3/7 ولت آند گرافیتی) و همچنین چگالی انرژی پایینتر است.
کاتد
جنس کاتد یک اکسید فلزی و معمولاً یکی از ترکیبات زیر است :
اکسید کبالت-لیتیوم (LiCoO2)
این ترکیب نخستین و در حال حاضر رایجترین ماده مورد استفاده در کاتد تمامی باتریهای لیتیوم-یون، از جمله باتری خودروهای برقی است. مزیت اصلی استفاده از این ماده برای کاتد این است که باتری بیشترین چگالی جرمی انرژی (برحسب کیلووات بر کیلوگرم) را خواهد داشت. ویژگی مثبت دیگر این نوع سهولت تبدیل وضعیت والانس یونهای مثبت کبالت بین +Co4 و +Co3 با جذب یک الکترون هنگام شارژ و دشارژ باتریست.
اما عیب اصلی آن عدم پایداری حرارتی است. زیرا اکسید کبالت در دماهای بالا تجزیه میگردد و اکسیژن تولید میکند که حضور آن در مجاورت مواد اشتعالپذیر موجود در الکترولیت مانند دیاتیل کربنات، ریسک ایجاد حریق را بالا میبرد. البته باید اضافه کرد که در حین کارکرد باتری، سیستم مدیریت باتری از افزایش دما به مقادیر خطرناک جلوگیری میکند و احتیاطات لازم بیشتر مربوط به شرایط نگهداری باتری در وضعیت غیرفعال مانند انبار و حملونقل است.
لازم به ذکر است که در یک سلول کاملاً شارژ (یا به اصطلاح کاملاً پر) باتری لیتیوم یون با کاتد اکسید کبالت، فرمول شیمیایی کاتد CoO2 است. اما با حرکت و جایگیری یونهای مثبت لیتیوم از آند به سمت کاتد، به تدریج کاتد به اکسید کبالت-لیتیوم (LiCoO2) تبدیل میشود. به این ترتیب در یک باتری کاملاً خالی، کاتد از یونهای مثبت اشباع شده است و دیگر ظرفیت برای پذیرش یونهای مثبت جدید و ادامه واکنش شیمیایی ندارد.
فسفات آهن-لیتیوم (LiFePO4 یا LFP)
مزیت کاتد از جنس فسفات آهن (FePO4) در باتری خودروی برقی، پایداری حرارتی بهتر و نرخ دشارژ بالاتر نسبت به اکسید کبالت است که به ترتیب منجر به ایمنی بیشتر و توان خروجی بالاتر میگردد. همچنین مزیت دیگر، تعداد سیکل شارژ بالاتر و در نتیجه عمر مفید بیشتر نسبت به اکسید کبالت است. اما در زمینه چگالی جرمی انرژی، اکسید کبالت کماکان برتری دارد.
همانند باتری با کاتد اکسید کبالت، فرمول شیمیایی کاتد یک باتری کاملاً پر FePO4 است که به تدریج با مصرف انرژی و دشارژ باتری، به LiFePO4 تبدیل میگردد.
اکسید منگنز-لیتیوم (LiMn2O4 یا LMO)
با وجود اینکه ساختار متبلور (Spinel) کاتد در این نوع باتری خودروی برقی به بهبود پایداری دمایی و نرخ جریان شارژ و دشارژ کمک میکند، اما همچنان نسبت به باتری با کاتد اکسید کبالت دارای چگالی جرمی انرژی پایینتر و عمر مفید کوتاهتر است.
اکسید کبالت-منگنز-نیکل-لیتیوم (LiNiMnCoO2 یا NMC)
اضافه نمودن نیکل به افزایش چگالی جرمی انرژی و ظرفیت باتری کمک میکند. اغلب در مجموعه سلولهای باتری خودروی الکتریکی، این نوع باتری در کنار باتری اکسید منگنز نصب میشود تا همزمان هم جریان بالای مورد نیاز هنگام شتابگیری خودرو و هم ظرفیت بالا برای رانندگی بلندمدت تأمین گردد.
اکسید آلومینیوم-کبالت-نیکل-لیتیوم (LiNiCoAlO2 یا NCA)
باتری اغلب مدلهای خودروی تسلا دارای این نوع کاتد است که مزیت چگالی انرژی و ظرفیت قابل ملاحظه را دارد. اما حفظ ایمنی آن به دلیل حساسیت به دماهای بالا نیاز به یک سیستم مدیریت باتری پیچیده دارد.
الکترولیت
الکترولیت مایع
معمولاً جنس الکترولیت محلولی از نمکهای لیتیوم در ترکیبی از حلالها مانند دیاتیل کربنات یا دیمتیل کربنات است. وجود یونهای مثبت لیتیوم در الکترولیت به کاهش مقاومت داخلی بسیار کمک میکند. زیرا حین دشارژ باتری خودروی الکتریکی، یونهای مثبت لیتیوم مجبور نیستند که فاصله بین آند تا کاتد را به صورت منفرد طی کنند. بلکه با آزاد شدن هر یک یون مثبت لیتیوم از آند، یک یون مثبت آزاد از الکترولیت مجاور کاتد وارد ساختار درهمتنیده (Intercalated) آن میگردد. جهت موازنه بار الکتریکی، یک الکترون نیز از مدار خارجی بسته شده از طریق بار الکتریکی از آند به سمت کاتد حرکت میکند و به این ترتیب جریان الکتریسیته برقرار میگردد. عکس این جابجایی موجگونه نیز از کاتد به سمت آند هنگام شارژ باتری رخ میدهد.
الکترولیت پلیمر
ترکیبی از مواد جامد و مایع حالت ژلگونهای به الکترولیت میدهند که به باتری لیتیوم-یون دارای این نوع الکترولیت، «باتری لیتیوم-پلیمر» میگویند.
استفاده از این نوع الکترولیت سبب افزایش چگالی جرمی انرژی، افزایش عمر باتری، شارژ سریعتر، ایمنی بهتر در دماهای بالا و کاهش وزن میگردد. همچنین به دلیل نازک بودن لایه الکترولیت و عدم نیاز به بستهبندی محکم جهت جلوگیری از نشت الکترولیت، حجم باتری نیز کاهش مییابد و باتری را میتوان به اشکال بسیار متنوع تولید نمود.
اما از طرف دیگر، الکترولیت پلیمر قیمت باتری را بالا میبرد و جریاندهی آن را کاهش میدهد که منجر به کاهش چگالی جرمی توان باتری میشود.
لازم به ذکر است که جنس آند و کاتد باتری لیتیوم-پلیمر تفاوتی با باتری دارای الکترولیت مایع ندارد.
جداکننده
جداکننده (Separator) یک غشای نازک متخلخل از جنس پلیمر است که از اتصال کوتاه مدار الکتریکی بین آند و کاتد در داخل باتری لیتیوم-یون جلوگیری میکند. به این صورت که در عین حال که مسیر آزاد عبور یونهای مثبت لیتیوم را فراهم میآورد، اما اجازه عبور الکترونهای آزاد را نمیدهد. بنابراین الکترونهای آزاد جهت برقراری بالانس الکتریکی حین حرکت یونهای مثبت، مجبورند از طریق مدار خارج از باتری و بار الکتریکی، مسیر خود را در جهت حرکت یونهای آزاد مثبت لیتیوم از آند به کاتد هنگام دشارژ و از کاتد به آند هنگام شارژ طی کنند.
معمولاً جنس جدا کننده از پلیاتیلن (PE)، پلیپروپیلن (PP) یا مواد سرامیکی نظیر فسفات تیتانیوم-آلومینیوم-لیتیوم (LATP) میباشد.
جمعکننده
دو جمعکننده (یا کلکتورCollector) مسیر عبور الکترونها از الکترودها به سمت بار الکتریکی در مدار خارج از باتری را برقرار میکنند. کلکتورها تیغههای نازکی از جنس مس یا آلومیینوم هستند که با لایهای از جنس کربن جهت افزایش رسانایی و همچنین جلوگیری از خوردگی پوشش داده میشوند.
واکنشهای شیمیایی باتری خودروی برقی
حین دشارژ
- با فرض اینکه باتری قبلاً فرآیند شارژ را طی نموده و یونهای مثبت لیتیوم در لایههای گرافیت آند جای گرفتهاند، در اثر نیمه واکنش شیمیایی اکسایش یا اکسیداسیون (Oxidation)، آند به گرافیت (C6) و یونهای مثبت لیتیوم (+Li) تجزیه میشود. لازم به ذکر است که اتم لیتیوم با از دست دادن الکترون به یون مثبت لیتیوم تبدیل میگردد. بنابراین اکسیداسیون در آند الکترون آزاد و یون مثبت تولید میکند. با بسنهشدن مدار از طریق سیمکشی و بار الکتریکی (شامل موتور یا موتورهای الکتریکی محرکه و سایر اجزای الکتریکی خودرو)، الکترونهای آزاد به سمت کاتد جریان پیدا میکنند.
- همزمان با فرض اینکه جنس کاتد اکسید کبالت (CoO2) است، در اثر نیمه واکنش شیمیایی احیاء (Reduction) در کاتد، اکسید کبالت با جذب یونهای مثبت لیتیوم و الکترونهای آزاد به اکسید لیتیوم-کبالت (LiCoO2) تبدیل میشود.
- یونهای مثبت آزاد لیتیوم در آند از طریق الکترولیت به سمت کاتد میروند. اما جداکننده (Separator) به خاطر ساختار ویژه خود که فقط اجازه عبور یونهای مثبت لیتیوم را میدهد، مانع از حرکت الکترونها در جهت عکس از کاتد به سمت آند از طریق الکترولیت میشود.
- به این ترتیب مسیر کامل الکترونهای آزاد از آند به سمت کاتد در مدار بیرونی بسته و جریان الکتریکی برقرار و انرژی الکتریکی توسط باتری تولید میشود.
شکل 2 واکنش شیمیایی وضعیت دشارژ را نشان میدهد :
حین شارژ
باتری پس از خالی شدن دیگر آمادگی انجام واکنش شیمیایی و تولید الکتریسیته را ندارد. زیرا تمام یونهای آزاد مثبت لیتیوم در حین دشارژ از آند به سمت کاتد حرکت کرده و در کاتد گرفتار شدهاند. حال برای برقراری مجدد تولید انرژی توسط باتری، این یونها میبایست با اعمال ولتاژ و جریان مناسب توسط شارژر به آند بازگردانده شوند تا چرخه حرکت یونهای مثبت از آند به کاتد و الکترونها از کاتد به سمت آند در داخل باتری دوباره تکرار شود.
در شکل 3 میبینید که هنگام شارژ باتری، شارژر با اعمال ولتاژ مستقیم (DC) با مقدار و پلاریته مناسب باتری را شارژ مینماید. بدین معنی که قطب مثبت شارژر به کاتد و قطب منفی آن به آند متصل میگردد.
لازم به ذکر است که در وضعیت شارژ، جهت واکنشهای شیمیایی و همچنین جهت حرکت الکترونها و یونهای مثبت آزاد لیتیوم دقیقاً عکس جهت وضعیت شارژ میباشد.
جمعبندی واکنیشهای شیمیایی
نیمه واکنش اکسیداسیون در آند حین دشارژ :
LiC6 → C6 + Li+ + e–1
نیمه واکنش احیاء در کاتد حین دشارژ :
CoO2 + Li+ + e– → LiCoO2
واکنش کامل حاصل از جمع دو نیمه واکنش :
LiC6 + CoO2 ↔ C6 + LiCoO2
توجه کنید که دو نیمه واکنش اکسیداسیون و احیاء در آند و کاتد در وضعیت شارژ و دشارژ باتری درست عکس یکدیگر بوده و در واکنش دوطرفه، واکنش چپ به راست مربوط به دشارژ و واکنش راست به چپ مربوط به شارژ است.
شکل باتری خودروی برقی
سلول مجزای لیتیوم-یون
اشکال مختلف ساخت سلول باتریهای لیتیوم-یون به شرح زیر است :
سیلندری (Cylindrical)
یکی از رایجترین اشکال ساخت سلول باتری شکل سیلندری است که بر حسب قطر و ارتفاع به شکل زیر نامگذاری میگردد :
- 18650 با قطر 18 و ارتفاع 65 میلیمتر
- 21700 با قطر 21 و ارتفاع 70 میلیمتر
- 4680 با قطر 46 و ارتفاع 80 میلیمتر
در این فرم آند، کاتد و جداکننده به شکل رولهای مجزا داخل بدنه فلزی قرار میگیرند.
مزایای این شکل سلول عبارتند از :
- شکل سیلندری استرس مکانیکی و حرارتی وارد بر بدنه در اثر انقباض و انبساط ناشی از نوسانات جریانگیری از باتری و همچنین شارژ را به طور یکنواخت پخش میکند. بنابراین بدنه سلول بسیار با دوام است.
- ساخت این فرم سلول به نسبت اشکال دیگر سادهتر است. بنابراین از سرعت تولید بالاتر و هزینه تولید پایینتر برخوردار است.
معایب این شکل سلول عبارتند از :
- وزن زیاد به دلیل بدنه فلزی
- اشغال فضای زیاد به دلیل هدررفت فضا بین استوانهها
شکل 4 ساختار داخلی یک سلول سایز 4680 مورد استفاده در خودروی تسلا را نشان میدهد :
چند وجهی (Prismatic)
در این فرم سلول محتویات شامل آند، کاتد، الکترولیت و جداکننده به صورت ورقههای مسطح داخل یک محفظه به شکل مکعب-مستطیل از جنس پلاستیک یا فلز قرار میگیرند.
مزیت این نوع سلول صرفهجویی در فضای اشغالی هنگام قرارگرفتن سلولها کنار یکدیگر داخل فضای پک باتریست. زیرا به نسبت نوع سیلندری، هدررفت فضا بین سطوح مسطح سلولها وجود ندارد. اما عیب این نوع، توزیع غیر یکنواخت حرارت هنگام جریانگیری یا شارژ باتریست که منجر به توزیع غیریکنواخت الکترولیت در فضای سلول باتری میگردد.
شکل 5 چند مدل سلول چندوجهی ساخت شرکت سامسونگ را نشان میدهد :
کیسهای (Pouch)
بستهبندی این نوع سلول بر خلاف دو نوع قبل از جنس فلز یا پلاستیک نیست. بلکه جنس آن از فویل بسیار نازک و انعطافپذیر آلومینیوم است.
این نوع پکینگ سلول کمترین وزن و فضای اشغالی را بین 3 نوع پکینگ سلول مذکور دارد. همچنین، انعطافپذیری شکل سلول امکان تولید آن به اشکال بسیار متنوع جهت جایگیری در فضاهای محدود با اشکال خاص را فراهم میآورد.
عیب این نوع بستهبندی این است که به دلیل انعطاف سطح بیرونی، طراح میبایست در طراحی فضای پکینگ باتری ضریبی برای انبساط نیز درنظر بگیرد. زیرا حجم هر سلول بعد از 500 سیکل شارژ بین 8 تا 10 درصد منبسط میگردد.
در شکل 6 نمونه سلول با پکینگ کیسهای ساخت شرکت LG را میبینید :

شکل 6 – سلول کیسهای باتری لیتیوم-یون ساخت شرکت LG
مجموعه باتری خودروی برقی
آرایش سلولهای باتری
سلسله مراتب چیدمان سلولها در باتری خودروی الکتریکی به صورت زیر است :
- سلول لیتیوم-یون منفرد با ولتاژی بین 2.5 تا 4.2 ولت بسته به وضعیت شارژ و ترکیبات شیمیایی آند و کاتد و ظرفیتی بسته به ابعاد هندسی سلول ( ظرفیت سلول با حجم آن رابطه مستقیم دارد.)
- ماژول باتری حاصل ترکیب سری-موازی تعدادی سلول
- مجموعه کامل باتری خودروی برقی حاصل ترکیب-سری موازی تعدادی ماژول
سری یا موازی؟
جهت دستیابی به ولتاژ و ظرفیت مورد نظر، سازنده باتری مجموعهای از سلولهای لیتیوم-یون را با آرایش سری-موازی ترکیبی به یکدیگر متصل میکند. سری نمودن سلولها سبب افزایش ولتاژ (بر حسب ولت) و موازی کردن آنها سبب افزایش ظرفیت باتری (بر حسب وات-ساعت یا کیلووات-ساعت) میگردد.
به عنوان مثال به شکل 7 دقت کنید که آرایش سلولهای یک ماژول از باتری خودروی الکتریکی آئودی Q8 e-tron 55 را نشان میدهد. اگر ولتاژ یک سلول 3.6667 ولت و ظرفیت آن 72 آمپر-ساعت باشد، ولتاژ و ظرفیت ماژول به ترتیب زیر محاسبه میشوند :
ولت 11 = ولت 3.6667 × 3
آمپر-ساعت 288 = آمپر-ساعت 72 × 4
باتری این خودرو دارای 36 ماژول به صورت سری است. پس ولتاژ کلی باتری برابر است با :
ولت 396 = ولت 11 × 36
از نظر تئوری، انرژی باتری حاصلضرب انرژی یک سلول در تعداد سلولهاست. باتری این مثال حاوی 36 ماژول است که هر ماژول شامل 12 سلول میباشد. پس انرژی کل باتری برابر است با :
کیلووات-ساعت 114 ≈ آمپر-ساعت 72 × ولت 3.6667 × 36 × 12
لازم به ذکر است که ولتاژ شاخههای موازی (نمایش با حرف P مخفف Parallel) با یکدیگر برابر است و افزایش تعداد شاخههای موازی تأثیری در ولتاژ باتری ندارد و فقط میزان جریاندهی باتری را افزایش میدهد. همچنین، تمام سلولهای سری (نمایش با حرف S مخفف Series) دارای جریان برابر هستند. بنابراین افزایش تعداد سلولهای سری تأثیری بر ظرفیت باتری ندارد و فقط باعث افزایش ولتاژ باتری میگردد.
انتخاب آرایش
جدول 1 مقایسه انرژی، آرایش و ولتاژ نامی باتری چند خودروی مشهور برقی را نشان میدهد. گفتنی است که هنگام طراحی باتری خودروی الکتریکی، انتخاب آرایش به فاکتورهایی نظیر برد (مسافت قابل پیمایش با یکبار شارژ کامل)، وزن و توان خودرو بستگی دارد.
همچنین از این جدول میتوان دریافت که ولتاژ نامی باتری یا حدود 400 ولت است و یا حدود 800 ولت.
مزایای باتری ولتاژ پایین نسبت به ولتاژ بالا :
- فراوانی بیشتر ایستگاههای شارژ سریع DC با ولتاژ پایین
- هزینه کمتر ساخت باتری
معایب باتری ولتاژ پایین نسبت به ولتاژ بالا :
- سرعت شارژ کمتر
- توان خروجی پایینتر
- نیاز به کابل شارژ با سطح مقطع بالاتر (چون در توان شارژ مساوی، با کاهش ولتاژ باید جریان افزایش یابد و برای کاهش افت اهمی ولتاژ، باید سطح مقطع کابل را افزایش داد.)
ساختار باتری خودروی الکتریکی
امروزه دو تکنولوژی متفاوت برای چیدمان داخلی باتری خودروی برقی به شرح زیر وجود دارد :
ساختار سلول به ماژول (C2M)
نام این ساختار مخفف Cell-to-Module است. این ساختار نخستین و کلاسیک باتری خودروی الکتریکی و شامل همان سلسله مراتب مشروح در بخش «آرایش سلولهای باتری» است. به این معنی که تعدادی سلول با ساختار ترکیبی سری-موازی یک ماژول و سپس تعدادی ماژول با ساختار ترکیبی سری-موازی، مجموعه کامل باتری را تشکیل میدهند.
لازم به ذکر است که در این ساختار، هر ماژول دارای «سیستم مدیریت باتری» (Battery Management System یا BMS) مجزاست که دما، ولتاژ و جریان شارژ و دشارژ را به صورت جدا از ماژولهای دیگر کنترل میکند. همچنین، هر ماژول دارای سیستم خنککننده (Cooling) مجزا نیز هست.
شکل 8 یک ماژول باتری خودروی برقی آئودی مدل Q6 e-tron حاوی 15 سلول نوع چندوجهی را نشان میدهد :
در شکل 9 ساختار کامل باتری خودروی آئودی مدل Q6 e-tron متشکل از 12 ماژول به شکل فوق را میبینید :
ساختار سلول به پک (C2P یا CTP)
نام این ساختار مخفف Cell-to-Pack و تکنولوژی جدیدتر نسبت به C2M میباشد و شرکتهای خودروسازی BYD و CATL آن را توسعه دادهاند. در CTP، آرایش ترکیبی سری-موازی سلولها مستقیماً ساختار باتری را تشکیل میدهد و ماژول با ماهیت جداگانه وجود ندارد.
شکل 10 باتری خودروی برقی BYD مدل Seal دارای ساختار C2P (یا CTP) را نشان میدهد :
مقایسه ساختارهای C2M و C2P
مزایای ساختار C2M نسبت به C2P عبارتند از :
- قابلیت تعمیر یا تعویض هر ماژول به صورت جداگانه بدون نیاز به تعویض کل باتری
- تهویه بهینه به دلیل سیستم خنککننده مجزا برای هر ماژول شامل کانالهای مایع خنککننده (Coolant) و صفحات جذبکننده حرارت (Heat Sink)
- مقیاس پذیری : به دلیل ساختار ماژولار، طراح میتواند بسته به مشخصات مورد نظر برای خودرو مانند برد، حداکثر وزن و توان، تعداد مناسبی از ماژولها را با ترکیب سری-موازی به یکدیگر متصل کند.
- قابلیت اطمینان حرارتی بالاتر به دلیل سیستم خنککننده بهتر و عدم مجاورت تمام سلولها با یکدیگر
- سرعت تولید بالاتر و کنترل کیفی راحتتر به دلیل جدا بودن ماژولها از یکدیگر
مزایای ساختار C2P نسبت به C2M عبارتند از :
- تعمیر سادهتر به دلیل سادگی ساختار باتری ناشی از حذف ماژولها
- کاهش وزن، حجم و قیمت به دلیل ساختار سادهتر باتری
مقایسه انواع باتری خودروی برقی
شکل 11 مقایسه بین انواع باتری لیتیوم-یون با ترکیبات شیمیایی مختلف را از لحاظ پارامترهای زیر نشان میدهد :
- چگالی انرژی
- چگالی توان
- ایمنی
- عملکرد
- عمر مفید
- قیمت
این شکل به خوبی نشان میدهد که یک نوع ترکیب شیمیایی ایدهآل برای باتری خودروی الکتریکی وجود ندارد و هر ترکیب، مزایا و معایب ویژه خود را داراست.
به عنوان مثال باتری لیتیوم-یون نوع NCA دارای بیشترین چگالی توان و انرژی و همچنین عمر مفید نسبت به سایر انواع است. اما از نظر ایمنی جهت جلوگیری از آسیب در دماهای بالا، نیاز به سیستم خنککننده و مدیریت باتری پیچیده دارد. در مقابل، باتری LFP بهترین ایمنی را دارد، اما از چگالی انرژی پایینی برخوردار است.
عمر مفید باتری خودروی الکتریکی
برخلاف باور عمومی بسیار اشتباه که عمر مفید باتری خودروی برقی را بر حسب سال یا حتی بدتر بر حسب کیلومتر تخمین میزنند، باید گفت فرسایش موارد شیمیایی ارتباط کاملی با تعداد سیکل شارژ دارد. پایان عمر باتری خودروی برقی ارتباط کمی با سن باتری دارد و هیچ ارتباطی مستقیمی با کارکرد خودرو بر حسب کیلومتر ندارد.
تعریف صحیح و علمی عمر مفید باتری خودروی برقی به شرح زیر است :
«عمر مفید باتری خودروی الکتریکی تعداد سیکل شارژیست است که ظرفیت آن از %100 به %70 برسد.»
بررسی این موضوع را در دو بخش زیر ادامه میدهیم :
فرسایش تقویمی (زمانی)
به کاهش ظرفیت باتری به خودی خود هنگام عدم استفاده «فرسایش تقویمی» (Calendar Aging) میگوییم. جدا از گدشت زمان که قابل کنترل نیست و نمیتوان واکنیشهای شیمیایی داخل باتری را طی گذشت زمان متوقف نمود، سایر عوامل مؤثر بر فرسایش زمانی باتری خودرو عبارتند از :
دما و رطوبت نسبی
با افزایش دما و رطوبت، عمر مفید باتری کاهش مییابد. به عبارت دیگر بهتر است که هنگام عدم استفاده از خودرو به مدت طولانی، آن را تا حد امکان در جای خنک و خشک پارک کنید تا کمترین میزان افت ظرفیت (Self-Capacity Degradation) و افت شارژ (Self-Discharge Degradation) باتری را داشته باشید.
عمق تخلیه
مطالعات مختلف حداکثر عمق تخلیه باتری را برای بهینه نمودن عمر مفید باتری خودروی برقی بین %20 تا %30 ذکر کردهاند. کاهش شارژ باتری بیشتر از این میزان و به ویژه نگهداری طولانی مدت باتری با عمق تخلیه زیاد منجر به کاهش عمر مفید باتری خودرو میگردد.
شکل 12 منحنی استرس وارد باتری بر حسب دمای محیط و همچنین میزان شارژ باتری را نشان میدهد. از این منحنی میتوان دریافت که نگهداری باتری در دمای پایین منجر به کاهش استرس وارده و درنتیجه افزایش عمر مفید باتری میگردد. همچنین میبینید که نگهداری طولانیمدت باتری چه با میزان شارژ خیلی بالا (باتری پر) و چه با میزان شارژ پایین (باتری خالی) استرس نگهداری را افزایش و عمر باتری را کاهش میدهد. در ضمن مشاهده میکنید که بهینهترین محدوده وضعیت شارژ باتری خودروی برقی جهت نگهداری طولانیمدت در وضعیت بدون استفاده، رنج %30 تا %70 است.
فرسایش سیکلی
به کاهش ظرفیت باتری خودرو هنگام استفاده طی سیکلهای متعدد شارژ و دشارژ «فرسایش سیکلی» میگوییم.
عوامل مؤثر بر فرسایش سیکلی باتری خودروی الکتریکی عباتند از :
تعداد شارژ
واکنشهای شیمیایی مکرر رفت و برگشتی، جریانگیری بالا و حرارت موجب تخریب تدریجی و برگشتناپذیر ساختار شیمیایی باتری میگردند که در نهایت کاهش ظرفیت باتری را در پی دارند.
در نمودار شکل 13، کاهش ظرفیت نامی باتری را بر حسب عادات شارژ راننده خودروی برقی در دمای ثابت 20 درجه سانتیگراد تحت شرایط استاندارد «تست تنش پویا» یا «تست استرس دینامیک» (Dynamic Stress Test یا DST که شرایط واقعی رانندگی با خودروی برقی را شبیهسازی میکند) مشاهده میکنید. به عنوان مثال منحنی سیاهرنگ را درنظر بگیرید. طبق این منحنی، اگر رانندهای عادت به صبر کردن تا رسیدن شارژ باتری خودروی برقی به %25 و سپس پرکردن آن تا %100 داشته باشد، بدترین آسیب را به باتری وارد کرده است. چون بعد از 1000 بار شارژ با این شرایط %10 از ظرفیت و بعد از 4500 بار شارژ %23 از ظرفیت نامی باتری کاسته میشود.
اما منحنی نارنجیرنگ سبک رانندهای را نشان میدهد که به شارژهای مکرر خودرو با عمق کم در محدوده %65 تا %75 عادت دارد. در این مثال، باتری در شرایط بسیار بهتری نگهداری میشود. زیرا ظرفیت باتری بعد از 1000 بار شارژ باتری تنها %3 و بعد از 4500 بار شارژ تنها %6 کاهش مییابد.
سرعت شارژ
برای طولانی نمودن عمر مفید باتری، باید شارژ سریع با استفاده از شارژرهای سریع (DC Fast Chargers) را فقط محدود به موارد اضطراری نمود که شارژ باتری خودرو در زمان بسیار کوتاه یک ضرورت است. زیرا شارژ سریع نیاز به جریان بالای شارژ دارد که منجر به افزایش دمای باتری و کاهش عمر مفید آن میگردد.
همچنین، شارژ سریع منجر به پدیده «روکشسازی لیتیوم» (Lithium Plating یا LP) میگردد که طی آن، تغییر لیتیوم از فاز یون مثبت به فلز و رسوب آن روی آند اتفاق میافتد. این پدیده سبب افزایش مقاومت داخلی باتری به دلیل کاهش یونهای مثبتی که قابلیت رسیدن به آند دارند و در نتیجه کاهش ظرفیت باتری میگردد.
بهترین راهکار افزایش عمر باتری خودروی برقی از نقطهنظر سرعت شارژ، استفاده از شارژرهای سرعت پایین با زمان شارژ طولانیست. شارژرهای خانگی که باتری خودرو را در مدت پارک در پارکینگ منزل از شب تا صبح شارژ میکنند یا شارژرهای پرتابل، بهترین مثال برای این موضوع هستند.
منحنی شارژ باتری خودروی برقی
شارژ باتری یک خودروی برقی تحت شرایط بهینه توسط یک شارژر استاندارد منجر به استفاده از تمام ظرفیت باتری و بیشینه نمودن مسافت قابل پیمایش توسط خودروی الکتریکی و همچنین افزایش عمر مفید باتری میگردد.
یک شارژر استاندارد خودروی برقی از «منحنی جریان-ثابت ولتاژ-ثابت» (CCCV مخفف Constant-Current Constant-Voltage) پیروی میکند. توجه کنید که در تمامی مراحل شارژ و حتی پیش و پس از شارژ، خط ارتباطی دادهها (Data) بین شارژر و سیستم مدیریت باتری (BMS) از طریق پینهای سیگنال کانکتور شارژ دائماً در حال تبادل اطلاعات به منظور بهینهسازی فرآیند شارژ هستند. (جهت اطلاع از چیدمان پینهای کانکتور شارژ و سیگنالهای متبادل بین شارژر و باتری خودروی برقی، این مطلب را مطالعه بفرمایید.)
سه بخش اصلی منحنی شارژ یک سلول از مجموعه باتری خودروی الکتریکی را در شکل 14 میبینید :
بخش جریان-ثابت
هنگامی که راننده کانکتور شارژ را به خودرو متصل میکند و قبل از شروع فرآیند شارژ، ابتدا سیستم مدیریت باتری از طریق پینهای سیگنال به شارژر وضعیت شارژ (SOC) و دمای باتری را اطلاع میدهد و شارژر با تشخیص پایینبودن وضعیت شارژ و اطمینان از اتصال ایمن کانکتور به خودرو از طریق سیگنالهای مربوطه، فرآیند شارژ را با جریان ثابتی آغاز میکند که مقدار آن معمولاً 0/5C تا 1C (بسته به دما و مشخصات شارژر و باتری) است. این جریان ثابت سبب افزایش ولتاژ باتری میگردد که با رسیدن آن به مقدار حداکثر (حدود 4/2 ولت بسته به ترکیبات شیمیایی باتری)، فاز بعدی شارژ آغاز خواهد شد.
فاز جریان-ثابت حدود %40 از کل زمان لازم برای شارژ کامل باتری را دربر میگیرد و حدود %75 از ظرفیت باتری در این فاز پر میشود.
بخش ولتاژ-ثابت
با رسیدن ولتاژ سلول به حداکثر مقدار نامی، فاز ولتاژ-ثابت آغاز میگردد. در این مرحله، شارژر خودروی برقی ولتاژ شارژ را در مقدار نامی حداکثر تا رسیدن جریان شارژ به کمتر از آستانه حداقل (معمولاً 0/03C تا 0/05C بسته به ملاحظات طراحی) نگهمیدارد. حدود %60 از کل زمان شارژ به این بخش اختصاص دارد و حدود %25 از ظرفیت نهایی باتری در این فاز پر میشود.
قطع شارژ
با رسیدن جریان شارژ به کمتر از آستانه حداقل فوق، سیستم مدیریت باتری (BMS) از طریق پینهای سیگنال کانکتور فرمان قطع شارژ را به شارژر ارسال و شارژر با دریافت این سیگنال، ولتاژ شارژ را از پینهای قدرت کانکتور شارژ قطع میکند.
سیستم مدیریت باتری
پایش و کنترل دایمی پارامترهای باتری یک خودروی برقی نیاز به یک سیستم هوشمند نظارتی دارد که «سیستم مدیریت باتری» (Battery Management System یا BMS) نام دارد. این سامانه وظیفه مونیتورینگ کلیه پارامترهای باتری و ارسال فرامین کنترلی و ایمنی را بر عهده دارد تا هم عملکرد بهینه باتری و هم ایمنی سرنشینان و خودروی برقی تأمین گردد. این سیستم متشکل از اجزای الکترونیکی شامل چندین پردازنده، برد و سایر قطعات الکترونیکی است و در هر لحظه مشغول تبادل سیگنالهای نظارت و فرمان با شارژر در خارج از خودروی برقی و همچنین سایر اجزای داخلی متصل به شبکه داخلی خودرو میباشد.
بخشهای اصلی سیستم BMS عبارتند از :
کنترلر ماژول سلول
در باتریهای ماژولار خودروهای برقی، قسمت «کنترلر ماژول سلول» (Cell Module Controller یا CMC) در هر ماژول (ترکیب سری-موازی چندین سلول بسته به آرایش باتری) وظیفه پایش پارامترهای داخلی آن شامل دما و ولتاژ را بر عهده دارد و بخش پاییندستی سیستم BMS محسوب میگردد.
کنترلر مدیریت باتری
بخش بالادستی سیستم BMS موسوم به «کنترلر مدیریت باتری» (Battery Management Controller یا BMC)، سیگنالهای مونیتورینگ دریافتی از تمامی CMC را آنالیز و فرمانهای لازم را به منظور انجام وظایف زیر صادر مینماید :
کنترل دما
خنک کردن باتری
دمای بالا به ساختار شیمیایی باتری خودروی برقی آسیب دایمی وارد نموده و از ظرفیت نامی آن میکاهد. به منظور پیشگیری از این آسیب، سیستم مدیریت باتری هنگام رسیدن دمای باتری به آستانه خطرناک (حدود 60 درجه سانتیگراد)، اگر باتری در حال شارژ باشد به شارژر فرمان کاهش جریان شارژ را میدهد تا دمای باتری دوباره به محدوده ایمن برگردد. به همین دلیل، شارژ باتری یک خودروی الکتریکی در مناطق گرمسیر و همچنین بعد از جریانگیری زیاد از باتری (مثلاً هنگام حرکت طولانیمدت در سربالایی یا استفاده طولانیمدت از کولر) نسبت به مواقع عادی بیشتر طول میکشد.
همچنین در حین حرکت خودروی برقی در شرایط محیطی بسیار گرم، حرکت طولانی در سربالایی، جریانگیری بالا از باتری (مانند حرکت با سرعت زیاد یا گرفتن بار زیاد برای کولر) و هر نوع شرایط دیگر که دمای باتری را به مقداری فراتر از آستانه مجاز برساند، سیستم مدیریت فرمان شروع به کار «سیستم خنککننده باتری» را صادر میکند. در این سیستم، پمپ مایع خنککننده (مانند ترکیب آب با اتیلن گلیکول یا پروپیلن گلیکول و سایر مواد برای پیشگیری از خوردگی مسیر مایع و بهبود پایداری دمایی) را در مسیرهای بین ماژولهای باتری به گردش در میآورد. سپس مایع گرم در یک رادیاتور پرهدار خنک و به ادامه مسیر تا کاهش دمای باتری به حد مجاز ادامه میدهد. با خنکشدن باتری، سیستم BMS پمپ گردش مایع را خاموش میکند.
گرم کردن باتری
لازم به ذکر است که پدیده «روکشسازی لیتیوم» علاوه بر جریان شارژ بالا، با سرمای شدید نیز اتفاق میافتد. به همین دلیل سیستم مدیریت باتری خودرو با تشخیص آستانه دمای پایین خطرناک، هیتر گرمکننده مجموعه باتری را وارد مدار و از طریق سیستم گردش مایع فوق، باتری را به صورت یکنواخت گرم مینماید.
شکل 15 دیاگرام سیستمهای خنککننده و گرمکننده باتری خودروی برقی را به همراه سیستمهای خنککننده و گرمکننده کابین سرنشینان خودرو نشان میدهد :
کنترل جریان و ولتاژ
شامل کنترل ولتاژ هر ماژول و همچنین ولتاژ کل باتری و جریانهای شارژ و دشارژ باتری
کنترل وضعیت شارژ و وضعیت سلامت باتری
شامل کنترل SOC و SOH هر ماژول و کل باتری و صدور هشدار به راننده در صورت نیاز
بالانس ماژولها
با دریافت ولتاژ، دما و SOC هر ماژول از CMC مربوطه و در صورتی که به هر دلیلی این پارامترها خارج از محدوده مجاز باشند، سیستم مدیریت فرمان لازم را جهت جلوگیری ار آسیب به ماژول صادر میکند.
کنترل تعداد شارژ سریع
همانطور که در این بخش توضیح دادیم، شارژ سریع DC برای باتری مفید نیست و استفاده از آن فقط باید محدود به موارد اضطراری گردد. به همین دلیل بعضی خودروسازان تعداد شارژ سریع را در بازههای زمانی مشخص محدود مینمایند.
مثلاٌ تویوتا در مدل BZ4X تعداد شارژ سریع در هر 24 ساعت را به 2 بار محدود نموده است. به این معنی که سیستم مدیریت باتری در شارژ سوم به بعد در یک دوره زمانی 24 ساعته که با نخستین شارژ سریع آغاز میگردد، حتی در صورت اتصال به شارژر سریع DC، به شارژر فرمان کاهش جریان شارژ را میدهد و عملاً باتری با سرعت عادی یک شارژر AC شارژ میشود.
مقایسه با باتریهای قدیمی
جدول 2 مقایسه جنبههای مختلف عملکرد باتری لیتیوم-یون را با باتریهای قدیمیتر شامل سرب-اسید، نیکل-کادمیوم (Nickel-Cadmium یا NiCd) و نیکل-فلز هیدرید (Nickel-Metal Hydride یا NiMh) نمایش میدهد. نکته فابل ملاحظه در این جدول، برتری باتری لیتیوم-یون بر تکنولوژیهای قدیمیتر باتری از جنبههای مختلفی همچون چگالی جرمی انرژی، عمر سیکلی، جریاندهی و بازده کولنی است.
نسل جدید باتریهای لیتیوم-یون
جایگیری و آزادشدن یونهای مثبت لیتیوم در ساختار گرافیت در فرآیندهای شارژ و دشارژ به مرور زمان الکترود آند را دچار فرسایش میکند و ظرفیت آن را برای دربرگرفتن یونهای مثبت لیتیوم کاهش میدهد. به همین دلیل است که ظرفیت یک باتری لیتیوم-یون با شارژ و دشارژ مکرر به تدریج کاهش مییابد. تحقیقات جدید روی جایگزینی گرافیت با گرافن (Graphene) در حال انجام است که کاهش ظرفیت باتری را به تأخیر میندازد و عمر باتری را افزایش میدهد.
گفتنی است که گرافن صفحات بسیار نازک از جنس کربن به ضخامت تنها یک اتم و از دستاوردهای نانوتکنولوژی میباشد که به دلیل ویژگیهای بسیار انقلابی، موضوع تحقیقات زیادی در بسیاری از زمینههای صنعت است.
همچنین، محققان در حال کار روی باتریهای جدیدی هستند که جنس آند آنها به جای گرافیت از سیلیکون است. این جایگزینی چگالی انرژی در واحد وزن باتری را افزایش میدهد. اما چالشی که محققان با آن مواجهند، افت ظرفیت سریعتر این نوع باتری جدید نسبت به باتریهای رایج با آند گرافیت است که در حال کار روی رفع این ویژگی منفی هستند.
بازیافت باتری خودروی الکتریکی
پس از پایان عمر مفید باتری، روند بازیافت مطابق شکل 16 در مراحل زیر انجام میگردد :
- باتریهای کوچک (مثل باتری گوشی موبایل) در یک مرحله و باتریهای بزرگ (مثل باتری خودروی الکتریکی) در دو مرحله توسط دستگاههای خردکننده به قطعات بسیار ریز خرد میشوند.
- خروجی این مرحله مایع الکترولیت داخل باتری به علاوه مخلوطی از مواد جامد ریز است.
- مایع الکترولیت باتری توسط واحدخشککننده به گاز تبدیل میشود.
- مواد خطرناک از گاز حاصل توسط فیلترهای شیمیایی جدا میشود.
- از مخلوط جامد، مواد قابل استفاده شامل مس و آلومینیوم و پلاستیک با روشهای غربال و مرتبسازی (Sorting) استخراج میگردند.
- فلزات دارای خاصیت مغناطیسی مانند آهن، نیکل و کبالت توسط آهنرباهای بسیار قوی از مخلوط جدا میگردند.
جمعبندی
باتری یک خودروی برقی به عنوان قلب نیروی محرکه آن از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. به همین خاطر، تمامی سازندگان با صرف هزینههای بسیار سنگین مشغول تحقیقات روی مواد جدید همچون گرافن جهت بهبود پارامترهای باتری همچون کاهش وزن، افزایش چگالی انرژی، بهبود پایداری دمایی و بازیافت بهتر هستند. از طرف دیگر، بهبود مستمر پارامترهای باتری منجر به برطرف شدن آخرین تردیدهای مالکان خودروهای قدیمی در مسیر خرید خودروهای جدید برقی میشود.
در این مطلب به معرفی کامل باتری خودروهای برقی شامل ساختار شیمیایی و فیزیکی، انواع و آرایش سلولها پرداختیم.
مطالعه بیشتر
جهت مطالعه در مورد خودروهای برقی و باتری آنها، به منابع زیر مراجعه بفرمایید :
- شارژر خودروی برقی
- باتری فرعی (یا همان باتری کمکی یا باتری دوم یا باتری ولتاژ پایین) خودروی برقی
- خودروی برقی
- سیستم ترمز بازیاب انرژی
- تفاوت بین شارژرهای سطح 1 و 2 و 3
- ساختار داخلی شارژر خودروهای برقی
- کانکتور خودروی برقی
- پارامترها و اصطلاحات خودروهای الکتریکی
- هزینه شارژ خودرو برقی و مقایسه آن با هزینه سوخت خودرو بنزینی
- معرفی اپ شارژ خودرو برقی EVSEMaster
- باتری خودروهای برقی















