فهرست مطالب
مقدمه
اگر مالک خودروی برقی یا در حال تحقیق برای خرید آن هستید، حتماً از شنیدن اینکه این خودروها دارای دو باتری هستند تعجب کردهاید و از خود پرسیدهاید: وقتی باتری با ظرفیت بالا هست، اصلاً چه نیازی به باتری دوم هست؟ کاربرد این باتری چیست و اگر نباشد، چه اتفاقی میافند؟ در این مطلب به معرفی «باتری فرعی خودروی برقی» شامل علت لزوم نصب و ساختار آن میپردازیم.
باتری فرعی خودروی برقی
در خودروهای برقی، باتری اصلی با ظرفیت بالا و ساختار لیتیوم-یون به باتری ولتاژ بالا (High Voltage) نیز معروف است. در مقابل، «باتری فرعی خودروی برقی» را با اسامی زیر مینامند:
- باتری دوم
- باتری کمکی
- باتری ولتاژ پایین (Low Voltage)
شکل 1 – باتری فرعی خودروی برقی تویوتا BZ4
علت نیاز به باتری دوم
دلایل نصب دو باتری با دو سطح ولتاژ مختلف در خودروهای برقی به شرح زیر میباشد:
دلیل ایمنی
- تمامی لوازم الکتریکی و الکترونیکی داخل خودرو در معرض تماس مستقیم با سرنشینان قرار دارند. پس نمیتوان در این لوازم از سطح ولتاژ بالا استفاده نمود. چون در صورت هر گونه نقص در عایقبندی مدارات و تماس سرنشینان خودرو با ولتاژ 400 یا 800 ولت، مرگ بر اثر برقگرفتگی حتمیست. اما تماس با ولتاژ 12 ولت به هیچوجه مرگآفرین نیست.
دلایل فنی
- سیستم محرکه خودروهای برقی بر پایه معماری 400 ولت یا 800 ولت هستند. یعنی ولتاژ نامی پک باتری شامل سلولهای لیتیوم-یون که به تعداد زیاد با یکدیگر تشکیل یک ماتریس سری-موازی میدهند، یا 400 ولت هست و یا 800 ولت. علت انتخاب سطح ولتاژ بالا این است که توان موتور الکتریکی محرکه خودرو معمولاً بالای 100 کیلووات است. به ازای توان برابر اگر سطح ولتاژ پایین باشد، باید جریان را بالا ببریم. اما تلفات اهمی متناسب با مجذور جریان است و با افزایش جریان، تلفات انرژی به صورت گرما و همچنین افت ولتاژ به شدت افزایش مییابد. پس مجبوریم که ولتاژ کارکرد موتور اصلی محرک خودرو را بالا ببریم تا تلفات انرژی کاهش یابد.
اما سایر بارهای الکتریکی با توان پایین مانند چراغها، سیستم تهویه، بالابر شیشهها، قفل درها، سانروف، در صندوق عقب و … سالهاست که با معماری سطح ولتاژ 12 ولت مطابق با باتریهای قدیمی سرب-اسید در خودروهای بنزینی توسعه یافته و ساخته شدهاند و طراحی مجدد تمام این وسایل بر پایه ولتاژ 400 یا 800 ولت از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. پس جهت سازگاری با این تجهیزات، ولتاژ باتری فرعی خودروی برقی باید 12 ولت باشد.
- ولتاژ کارکرد لوازم الکتریکی مانند چراغها، مکانیسم قفل درها، موتور بالابر شیشهها، موتور سانروف و … و لوازم الکترونیکی مانند سیستم مدیریت باتری (Battery Management System یا BMS)، صفحه نمایش اطلاعات و سرگرمی (سیستم Infotainment حاصل ترکیب واژههای Information و Entertainment) معمولاً بین 5 تا 12 ولت میباشد. در صورت تغذیه این لوازم از ولتاژ 400 یا 800 ولت، نیاز به مبدل DC/DC با ضریب تبدیل بالا میباشد که تلفات انرژی زیادی به همراه خواهد داشت.
ساختار باتری فرعی خودروی برقی
باتری دوم خودروی برقی از نوع سرب-اسید VRLA مخفف Valve Regulated Lead-Acid دقیقاً همان ساختار باتری مورد استفاده در خودروهای بنزینی را داراست. شکل 2 ساختمان داخلی یک باتری کمکی خودروی برقی را نشان میدهد:
شکل 2 – ساختمان داخلی باتری دوم خودروی برقی
همانطور که در شکل فوق ملاحظه میکنید، آند و کاتد صفحاتی به ترتیب از جنس اکسید سرب و سرب هستند که داخل محلول الکترولیت از جنس اسید سولفوریک غوطهور میباشند. جهت جلوگیری از نشت اسید به بیرون هنگام حرکت خودرو یا واژگون شدن باتری، به الکترولیت مایع خمیر سیلیکا یا سایر موادی اضافه میکنند که به الکترولیت ساختاری ژلهمانند میبخشند.
در حین فرآیند شارژ، گاز هیدروژن در باتری تشکیل میشود. اگر فشار گاز از حد مجاز فراتر برود، از طریق دریچههای بسیار کوچکی به بیرون تخلیه میشود تا از انفجار باتری جلوگیری گردد. به این دلیل به این نوع باتری سرب-اسید، Valve Regulated میگویند.
اهمیت باتری ولتاژ پایین خودروی برقی
در توصیف اهمیت باتری فرعی خودروی برقی همینقدر کافیست که بگوییم:
«غیر از موتور محرکه اصلی چرخهای یک خودروی برقی، تمام تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی خودرو از باتری کمکی تغذیه میگردند.»
به دلایل زیر، باتری فرعی یک خودروی برقی از کار میافتد:
- پایان عمر مفید به مرور زمان در اثر سیکلهای شارژ
- عدم شارژ به مدت طولانی
وقتی میگوییم باتری ولتاژ پایین خودروی برقی از کار افتاده است که یک یا هر دو اتفاق زیر افتاده باشد:
- افزایش مقاومت داخلی بیش از حد مجاز
- افت ولتاژ بین ترمینالهای مثبت و منفی بیش از حد مجاز
علایم از کار افتادن باتری فرعی خودروی برقی عبارتند از:
- بازنشدن قفل درها
- روشن نشدن خودرو با زدن دکمه استارت
- روشن نشدن صفحه نمایش
- روشن نشدن سیستم تهویه
- مشاهده اخطار مرتبط با این باتری در صفحه نمایش اصلی یا صفحه نمایش راننده ( معروف به کلاستر Instrument Cluster)
نحوه شارژ
همانطور که در شکل 3 مشاهده میکنید، مبدل DC/DC ولتاژ پایین (LV DC/DC)، باتری فرعی خودروی برقی را از شارژ مینماید. این مبدل انرژی مورد نیاز خود را از باس DC با سطح ولتاژ بالا یعنی 400 یا 800 ولت تأمین و و ولتاژ بالای این باس را به ولتاژ پایین مناسب برای شارژ باتری کمکی یعنی بین 13 تا 14 ولت تبدیل مینماید. تأمین انرژی باس DC ولتاژ بالا (HV DC Bus) نیز از یکی از سه طریق زیر صورت میگیرد:
- شارژ خودرو از پورت AC توسط شارژرهای والباکس یا پرتابل
- شارژ خودرو از پورت DC در ایستگاههای شارژ
- بازیافت انرژی حین ترمز گرفتن یا حرکت در سرازیری از طریق «سیستم بازیابنده انرژی» (RBS مخفف Regenerative Braking System)
شکل 3 – راههای شارژ (رنگ آبی) باتری دوم خودروی برقی (رنگ قرمز)
در صورت تخلیه این باتری به دلایلی همچون روشن ماندن چراغها یا پارک خودرو به مدت طولانی بدون شارژ نمودن خودرو، میتوانید آن را از داخل خودرو بیرون بیاورید و توسط شارژرهای مناسب موجود در فروشگاههای باتری یا باتریسازی شارژ نمایید.
نتیجهگیری
یکی از حیاتیترین اجزای یک خودروی برقی، باتری فرعی آن میباشد. زیرا به غیر از موتور محرکه اصلی چرخها، وظیفه تأمین انرژی الکتریکی تمامی تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی یک خودروی برقی را بر عهده دارد. در صورت تخلیه این باتری یا پایان عمر مفید آن، خودروی برقی قابل حرکت و استفاده نیست.