ساختار و عملکرد باتری در خودروهای الکتریکی

انقلابی در زمینه تولید و استفاده از خودروهای الکتریکی در راه است. از آنجایی که روزبه‌روز به محبوبیت خودروهای الکتریکی استفاده از آن‌ها در جاده‌های کشورهای مختلف اضافه می‌شود، ارزش این را دارد که با انواع خودروهای برقی موجود آشنا شوید و کمی در مورد ساختار و عملکرد باتری در خودروهای الکتریکی بدانید.

وسیله نقلیه الکتریکی چیست؟

خودروهای الکتریکی، از یک یا چند موتور الکتریکی برای شتاب‌گیری و رانندگی استفاده می‌کنند. بسته به نوع  وسیله نقلیه الکتریکی، موتور یا موتورهای الکتریکی، یا به موتور احتراق داخلی معمولی کمک می‌کنند و یا به طور کامل، منبع سوخت ماشین را تامین می‌کنند.

انواع مختلف خودروهای الکتریکی چیست؟

هنگامی که در مورد خودروهای الکتریکی صحبت می‌کنیم، به طور کلی به سه نوع اصلی خودروهای الکتریکی اشاره داریم:  خودروهای هیبریدی، خودروهای هیبریدی پلاگین و خودروهای تمام الکتریکی.

خودروی الکتریکی هیبریدی

یک خودروی الکتریکی هیبریدی یک موتور احتراق داخلی معمولی را با یک موتور الکتریکی و یک پک باتری ترکیب می‌کند تا مصرف سوخت را کاهش دهد. خودروهای هیبریدی در شرایطی که موتور احتراق ناکارآمد است، مانند هنگام شتاب گرفتن از یک توقف، موتور الکتریکی را به‌کار می‌گیرند.  

خودروهای الکتریکی هیبریدی بیشتر شبیه به خودروهای معمولی موتور احتراق هستند، زیرا صاحبان خودرو فقط می‌توانند آن‌ها را با سوخت‌های فسیلی و معمولاً بنزینی شارژ کنند.

فناوری این خودروها به‌گونه‌ای است که به‌طور خودکار باتری را از طریق آنچه به عنوان «ترمز احیاکننده» شناخته می‌شود شارژ می‌کند و در مواقعی که شرایط مناسب باشد، سیستم موتور الکتریکی را فعال می‌کند. بنابراین رانندگان مجبور نیستند شارژ باتری خودرو را کنترل کنند یا خودروها را به پریز برق وصل کنند.

خودروی برقی هیبریدی پلاگین

یک خودروی الکتریکی هیبریدی پلاگین یک موتور احتراق را با یک موتور الکتریکی و بسته باتری، مانند یک خودروی هیبریدی ترکیب می‌کند. اما با تفاوت‌های مشخصی همراه است. هیبریدی پلاگین‌ها معمولاً دارای بسته‌های باتری بزرگ‌تر و موتورهای الکتریکی قوی‌تر نسبت به خودروهای هیبریدی هستند، زیرا سیستم الکتریکی، بسیاری از کارهای سنگین را هنگام رانندگی انجام می‌دهد. این بدان معناست که هیبریدی پلاگین‌ها را می‌توان در حالت فقط برقی هم هدایت کرد و موتور احتراق را به طور کامل خاموش کرد.

رانندگی با خودروهای الکتریکی پلاگین هیبریدی شبیه به رانندگی هیبریدی است. زیرا خودرو به طور خودکار باتری را شارژ می‌کند و بر اساس شرایط بین موتور احتراق و برق سوئیچ می‌کنذ. با این حال، رانندگان این انتخاب را دارند که  هیبریدی پلاگین‌ها را هم با سوخت و هم با برق پر کنند.

اگر تمام شارژ باتری تمام شده باشد، یک خودروی برقی هیبریدی پلاگین، می‌تواند فقط با موتور احتراق و با بنزین کار کند و اگر تمام سوخت مصرف شود، به تنهایی با شارژ باتری کار کند.

خودروی تمام الکتریکی (BEV)

یک ماشین برقی تمام الکتریکی منحصراً با برق کار می‌کنند و موتورهای الکتریکی آن‌ها جریان را از بسته‌های باتری داخلی می‌گیرند. این خودروها هیچ شکلی از  انواع موتور احتراق را در سیستم خود ندارند.

با توجه به اینکه BEV ها صرفاً به برق متکی هستند، نسبت به خودروهای الکتریکی هیبریدی و پلاگین هیبریدی، نیاز به باتری‌های با ظرفیت و خروجی کیلووات ساعت بسیار بیشتری دارند. این فناوری اضافی باتری، معمولاً منجر به هزینه بیشتر BEVها نسبت به سایر انواع خودروهای الکتریکی می‌شود. BEVها برای حرکت کردن، نیاز به شارژ دارند. این کار را می‌توان از طریق یک شارژر خانگی یا ایستگاه شارژ سریع یا انرژی که با ترمز احیا کننده بازیابی می‌شود انجام داد.

خودروی الکتریکی هیبرید ملایم (MHEV)

یک خودروی الکتریکی هیبریدی ملایم از یک موتور استارت برقی 48 ولتی که به عنوان ژنراتور استارت یکپارچه (ISG) شناخته می‌شود، برای تکمیل عملکرد موتور احتراق خود،  استفاده می‌کند. در واقع در فناوری این خودروها، ژنراتور استارت یکپارچه نمی‌تواند به تنهایی به خودرو شتاب دهد و فقط به موتور احتراق کمک می‌کند. بنابراین نمی‌توان این دسته از خودروها را به طور کامل جزو خودروهای الکتریکی دانست.

خودرو الکتریکی سلول سوختی (FCEV)

این دسته از خودروها شبیه  به خودروهای تمام الکتریکی هستند، زیرا آن‌ها فقط از انرژی الکتریکی برای حرکت استفاده می‌کنند، اما نحوه ذخیره انرژی آن‌ها بسیار متفاوت است. برخلاف BEV ها که انرژی الکتریکی گرفته شده از یک شارژر را ذخیره می کنند، FCEV ها بار الکتریکی خود را از طریق یک واکنش شیمیایی که عموماً شامل هیدروژن است ایجاد می‌کنند. این بدان معناست کهFCEV ها می‌توانند با هیدروژن پر شوند و نیازی به شارژ از شبکه ندارند.

عملکرد باتری خودرو الکتریکی

مهم‌ترین عاملی که می‌تواند موجب گرایش به سمت استفاده از خودروهای الکتریکی ‌شود، بدون شک باتری است. عملکرد، تولید و عرضه باتری همگی نقش تعیین کننده‌ای در استفاده از خودروهای الکتریکی دارد.

اگرچه وسایل نقلیه الکتریکی همچنان بخش کوچکی از بازار را تشکیل می‌دهند، اما استفاده از این وسایل در سال‌های اخیر افزایش داشته است و بازار فروش روبه‌رشدی در بازارهای جهانی دارد. به‌طوری‌که تقاضا برای انواع خودروهای الکتریکی به بالاترین حد خود رسیده است.

اما علت شتاب تقاضا و تولید خودروهای الکتریکی چیست؟ علاقه مصرف کنندگان در حال افزایش است که این موضوع تا حدی توسط محیط زیست هدایت می‌شود. رویدادهای شدید آب و هوایی تأثیرات تغییرات آب و هوایی را ملموس‌تر می‌کند.

دلیل غیر قابل انکار دیگری، فناوری باتری است که به طور تصاعدی در حال پیشرفت است و خودروهای الکتریکی را بسیار رقابتی‌تر می‌کند. بسیاری معتقدند با رشد تکنولوژی ساخت باتری‌ها در سال‌های آینده، هزینه داشتن یک خودروی الکتریکی با هزینه یک خودروی موتور احتراق برابری خواهد کرد.

فناوری باتری خودروهای الکتریکی، تولید، عملکرد، و مهمتر از همه در دسترس بودن آن‌ها مهم‌ترین عاملی است که در حال حاضر و آینده به سمت استفاده از خودروهای الکتریکی حرکت می‌کند.

علاوه بر همه این‌ها، نگهداری وسایل نقلیه الکتریکی نگهداری آسان‌تر و کارکرد ارزان‌تری نسبت به موتور احتراق خواهند داشت.

فناوری باتری خودروهای الکتریکی

اما آیا در حال حاضر چیزی مانع این صنعت می شود؟ باتری‌ ‌ماشین الکتریکی در حال حاضر چگونه به نظر می‌رسند و در آینده چگونه خواهند بود؟

گفته می‌شود، عمر باتری یکی از عواملی است که از افزایش فروش سرسام آور خودروهای برقی جلوگیری می‌کند. بسیاری از خریداران بالقوه با توجه به برد کم باتری‌های خودروهای الکتریکی امروزی ناراضی هستند.

اما بسیاری از تولیدکنندگان، اکنون ضمانت باتری ماشین الکتریکی تا هشت سال یا 160000 کیلومتر را ارائه می‌دهند. برخلاف تصور عمومی، باتری خودروهای برقی که چند سال از عمر آن می گذرد تقریباً همان بردی را دارد که یک باتری نو می‌تواند ارائه دهد.

با وجود افزایش طول عمر، فناوری همچنان مانع شماره یک برای پذیرش گسترده خودروهای الکتریکی است. چالش‌های متعددی وجود دارد: محدوده، هزینه، وزن، زمان شارژ و زیرساخت شارژ از جمله چالش‌های متعددی است که در تولید باتری‌ها وجود دارد.

باتری‌های لیتیوم یون

احتمالاً اصطلاح لیتیوم یون را می‌شناسید زیرا اکثر تلفن‌های هوشمند مدرن از این نوع باتری استفاده می‌کنند. لیتیوم یون نیز رایج‌ترین نوع باتری خودروهای الکتریکی است. دلیل آن این است که نسبت به وزن پایین، قدرت بالایی دارند.

این موضوع باعث کاهش وزن خودروهای الکتریکی می شود و به آن‌ها اجازه طی کردن مسافت بیشتری را می‌دهد. همچنین باتری‌های لیتیوم یونی نیز نسبت به سایر باتری‌ها در حفظ شارژ کامل در طول زمان، بهتر هستند.

همه باتری‌های لیتیوم یون یکسان عمل می‌کنند: انرژی تخلیه و شارژ می‌شود. زیرا الکترولیت یون‌های لیتیوم بار مثبت را بین آند و کاتد هدایت می‌کند. آنچه متفاوت است مواد و مواد شیمیایی آن‌هاست. سه فرمول اصلی کاتد امروزه عبارتند از نیکل، منگنز و کبالت (NMC)؛ نیکل، کبالت و آلومینیوم (NCA) و لیتیوم فسفات (LFP).

کاتد در باتری می‌توانند چگالی سلولی باتری و در نتیجه عملکرد آن را بهبود داده و یا کاهش دهد. به عنوان مثال، باتری‌های ماشین‌های الکتریکی ساخته شده با نیکل و کبالت، چگالی انرژی بالاتری دارند که قدرت بیشتر و برد بیشتری را ارائه می‌دهد.

اما آ‌ن‌ها طول عمر کمتری دارند؛ ظرفیت آن‌ها برای نگه داشتن شارژ کامل و سریع کاهش می‌یابد. باتری‌های NMC/NCA نیز پایداری کمتری دارند. بنابراین مشکلات ایمنی وجود دارد. به عنوان مثال، آن‌ها باید به عنوان مواد خطرناک حمل شوند. باتری‌های LFP چگالی انرژی کمتری دارند که توان و برد کمتری را ارائه می‌دهد. با این حال، این نوع باتری‌ها طول عمر بیشتری دارند و نسبت به باتری‌های NMC و NCA ایمن‌تر و ارزان‌تر هستند.

در سال‌های اخیر، چگالی انرژی باتری‌های LFP به طور قابل توجهی بهبود یافته است. این امر باعث می‌شود خودروسازان از قبیل تسلا، به فکر استفاده از LFP برای خودروهای برد کوتاه‌تر خود باشند تا قیمت را کاهش دهند و آن‌ها را برای خریداران جذاب‌تر کنند. سایر سازندگان خودروهای الکتریکی نیز برنامه‌های مشابهی را اعلام کرده‌اند.مطمئناً این موضوع، پیامدهایی در زنجیره‌های تأمین بین‌المللی خواهد داشت.

فناوری های جدید باتری خودروهای الکتریکی

به جرأت می‌توان گفت که زمان هیجان انگیزی برای تحقیق و توسعه باتری است. یکی از چالش‌هایی که صنعت باتری با آن مواجه است، نبود مواد ارزان‌تر، پایدارتر و در دسترس‌تر است. به عنوان مثال، کبالت یک منبع گران قیمت و محدود است. بنابراین دانشمندان در سراسر جهان در حال آزمایش با کاتدهای کم کبالت یا بدون کبالت هستند.
به عنوان مثال، در سلول‌های LFP، پوشش روی مواد کاتد از فسفات آهن ساخته شده است، که می‌تواند همان کار منگنز/کبالت را انجام دهد، اما هنوز به طور کامل به کیفیت لازم نرسیده است. این نوع باتری انرژی زیادی را ذخیره نمی‌کند و انرژی زیادی را هم ارائه نمی‌دهد.

اما همه افراد، ماشینی را نمی‌خواهند که صفر تا شصت را در دو ثانیه طی کند. این بدان معناست که همه به خودروهای الکتریکی با باتری‌های درجه یک نیاز ندارند. اکثر مردم مقرون به‌صرفه‌ترین راه حل را برای انجام آنچه می‌خواهند، خریداری می‌کنند.

در حال حاضر، فسفات آهن لیتیوم می‌تواند حدود 150 مایل برد واقعی را ارائه دهد. مدل 3 SR تسلا با باتری‌های LFP در آزمایش‌های واقعی به مسافت 391 کیلومتر دست یافته است که برای بسیاری از افراد مسافت بسیار زیادی است.

دانشمندان و استارت‌آپ‌های زیادی هستند که به دنبال پیشرفت در بعد شیمی هستند تا بتوانند باتری‌هایی تولید کنند که تمام قابلیت‌ها را در یکجا پوشش دهد. قابل ذکر است دانشمندان یون سدیم را به‌عنوان یک راه حل بالقوه نسل بعدی درنظر دارند. این فرمول چگالی انرژی بالایی را ارائه نمی‌دهد، اما کاربردهای بالقوه زیادی مانند استفاده در دوچرخه‌های الکترونیکی، اسکوترها و ماشین‌ برقی شهری وجود دارد.

باتری های حالت جامد

یکی از فناوری‌هایی که توجه زیادی را به خود جلب کرده باتری حالت جامد است. باتری‌های حالت جامد حداقل دو برابر باتری‌های لیتیوم یون امروزی چگالی انرژی دارند. آنها وعده شارژ سریع و قدرت کافی برای عملکرد بهتر از خودروهای موتور احتراق در خیابان های شهر و بزرگراه‌ها را می‌دهند. و بدون الکترولیت مایع قابل اشتعال، ایمن و کارآمد هستند. این‌ها نکات کلیدی فروش خودروهای الکتریکی هستند.

بزرگترین مانع در حال حاضر هزینه تولید و مقیاس پذیری است. اگر صنعت بتواند بر این چالش‌ها غلبه کند، استفاده از باتری‌های حالت جامد در خودروهای الکتریکی می‌تواند تقاضا را افزایش دهد، زیرا خریدارانی که به دنبال قدرت و سرعت هستند، خودروهای برقی را به‌عنوان یک گزینه مناسب می‌بینند.

شارژ باتری

زمان شارژ، به ویژه برای کاربران تجاری خودروهای الکتریکی، یک مسئله بزرگ است. به عنوان مثال، در بسیاری از عملیات تحویل آخرین مایل خود، از ون های تحویل الکتریکی استفاده شده است که با یک بار شارژ، بردی در حدود 140 کیلومتر دارند. این میزان از شارژ برای این هدف کافی به‌نظر می‌رسد. اما در حمل و نقل سنگین متفاوت است و باید بتوان توان بیشتری ارائه داد. با پیشرفت فناوری تولید باتری‌ها طولی نمی‌کشد که ناوگانی از دکل‌هایی بدون سوخت فسیل، مسیرهای طولانی را در شبکه جاده‌ای طی کنند.

با اینکه صنعت باتری پیشرفت‌های زیادی در ارائه برد بالاتر، هزینه باتری و وزن داشته است، اما نوآوری‌هایی که زمان شارژ را کاهش می‌دهند، به نظر می‌رسد تا به حال عقب مانده‌اند. البته ممکن است شارژ کامل باتری خودروهای الکتریکی در چند دقیقه، به‌زودی به واقعیت تبدیل شود.

استوردات، در حال توسعه فناوری جدیدی است که می‌تواند شارژ باتری باتری خودرو الکتریکی را متحول کند. آن‌ها از فناوری باتری لیتیوم یون موجود استفاده می‌کنند و اجزای گرافیت را با سیلیکون ارتقا می‌دهند. نتیجه شارژ بسیار سریع است، 482.7 کیلومتر فقط در پنج دقیقه. وقتی صحبت از تأمین برد مسافت به میان می‌آید، بسیاری از تولیدکنندگان باتری می‌گویند که می‌توانند باتری‌هایی بسازند که تا 1500 کیلومتر مسافت را تأمین کنند. باتری های حالت جامد و آلی می‌توانند 2700 کیلومتر را ارائه دهند. این مسافت بسیار بیشتر از هر وسیله نقلیه موتور احتراق است.