باتری خودروهای برقی

آشنایی با باتری خودروهای برقی

باتری‌های مورد استفاده در ماشین‌های برقی (Electric Vehicles یا EVs) معمولاً از نوع لیتیوم یون (Lithium-ion) هستند، اما انواع مختلفی از فناوری‌های باتری لیتیوم یون در این خودروها به کار می‌رود. در زیر به تفصیل درباره باتری‌ خودروهای برقی، ویژگی‌ها و انواع آن‌ها می پردازیم:

نوع باتری: لیتیوم یون (Lithium-ion)

• شیمی باتری: باتری‌ لیتیوم یون در خودروهای برقی از مواد مختلفی در کاتد و آند خود استفاده می‌کنند که بر عملکرد، ایمنی و هزینه آن‌ها تأثیر می‌گذارد.

انواع رایج باتری‌های لیتیوم یون در خودروهای برقی:

• نیکل-منگنز-کبالت (NMC):
  • ویژگی‌ها: این نوع باتری‌ها تعادل خوبی بین چگالی انرژی، توان، ایمنی و طول عمر دارند. به همین دلیل بسیار پرکاربرد هستند.
  • کاربردها: بسیاری از خودروهای برقی مانند تسلا مدل 3، شورولت بولت و نیسان لیف (در مدل‌های جدید) از این نوع باتری استفاده می‌کنند.
• نیکل-کبالت-آلومینیوم (NCA):
  • ویژگی‌ها: چگالی انرژی بالایی دارند و برای خودروهایی که نیاز به برد طولانی دارند، مناسب هستند.
  • کاربردها: عمدتاً در خودروهای تسلا (مانند مدل S و مدل X) استفاده می‌شوند.
• لیتیوم-آهن-فسفات (LFP):
  • ویژگی‌ها: ایمنی بالاتری دارند، طول عمر طولانی‌تری دارند و ارزان‌تر هستند، اما چگالی انرژی کمتری دارند.
  • کاربردها: در خودروهای برقی ارزان‌تر و برخی از مدل‌های تسلا (مدل 3) استفاده می‌شوند.
• لیتیوم-تیتانات (LTO):
  • ویژگی‌ها: عمر بسیار طولانی و سرعت شارژ بالایی دارند، اما چگالی انرژی بسیار پایین است و گران هستند.
  • کاربردها: در برخی از اتوبوس‌های برقی و کاربردهای خاص استفاده می‌شوند.

ویژگی‌های مهم باتری‌های خودروهای برقی:

• چگالی انرژی: میزان انرژی ذخیره شده در واحد وزن یا حجم باتری (Wh/kg یا Wh/L). چگالی انرژی بالاتر به معنی برد بیشتر خودرو است.
• توان: میزان انرژی که باتری می‌تواند در یک لحظه معین ارائه دهد (kW). توان بالاتر به معنی شتاب بهتر خودرو است.
• طول عمر: تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ که باتری می‌تواند قبل از کاهش قابل توجه عملکرد تحمل کند.
• ایمنی: مقاومت باتری در برابر حوادثی مانند آتش‌سوزی یا انفجار.
• هزینه: قیمت تولید و خرید باتری که تأثیر زیادی بر قیمت نهایی خودرو دارد.
• سرعت شارژ: مدت زمانی که طول می‌کشد تا باتری به طور کامل شارژ شود.

مدیریت حرارتی باتری:

• باتری‌های خودروهای برقی دارای سیستم‌های مدیریت حرارتی هستند که دمای باتری را در محدوده بهینه نگه می‌دارند. این سیستم‌ها می‌توانند از نوع خنک‌کننده مایع (مانند استفاده از گلیکول) یا خنک‌کننده هوا باشند. مدیریت حرارتی مناسب باعث افزایش طول عمر و بهبود عملکرد باتری می‌شود.

سیستم مدیریت باتری (BMS):

• BMS یک سیستم الکترونیکی است که وضعیت باتری را نظارت می‌کند، از جمله ولتاژ، جریان، دما و وضعیت شارژ. BMS همچنین از باتری در برابر شارژ یا دشارژ بیش از حد و دمای نامناسب محافظت می‌کند.

ظرفیت باتری:

• ظرفیت باطری خودروی برقی بر حسب کیلووات ساعت (kWh) اندازه‌گیری می‌شود و نشان‌دهنده میزان انرژی قابل ذخیره در باتری است. ظرفیت باتری تأثیر مستقیم بر برد خودرو دارد.

وزن باتری خودروی برقی:

وزن باتری خودروهای برقی بسته به عوامل مختلفی متغیر است، از جمله:

• ظرفیت باتری: هرچه ظرفیت باتری (برحسب کیلووات ساعت – kWh) بیشتر باشد، وزن آن نیز بیشتر خواهد بود.
• شیمی باتری: نوع مواد شیمیایی مورد استفاده در باتری (مانند LFP، NMC، NCA) بر وزن آن تأثیر می‌گذارد.
• نوع خودرو: اندازه و نوع خودرو (سدان، SUV، کامیون) نیز بر اندازه و وزن باتری تأثیرگذار است.
• تکنولوژی باتری: پیشرفت‌ها در تکنولوژی باتری می‌تواند منجر به کاهش وزن و افزایش چگالی انرژی شود.

به طور کلی، می‌توان گفت:

• باتری‌های کوچک (20-40 kWh): معمولاً بین 200 تا 300 کیلوگرم وزن دارند.
• باتری‌های متوسط (50-75 kWh): معمولاً بین 300 تا 500 کیلوگرم وزن دارند.
• باتری‌های بزرگ (بیش از 75 kWh): معمولاً بیش از 500 کیلوگرم وزن دارند و ممکن است به 700 کیلوگرم یا بیشتر هم برسند.

به عنوان مثال:

• تسلا مدل 3 (باتری استاندارد): حدود 480 کیلوگرم
• تسلا مدل S (باتری دوربرد): حدود 700 کیلوگرم
• نیسان لیف (باتری 40 kWh): حدود 300 کیلوگرم
• شورولت بولت (باتری 66 kWh): حدود 435 کیلوگرم

این وزن قابل توجه باتری، یکی از دلایلی است که خودروهای برقی نسبت به خودروهای بنزینی سنگین‌تر هستند. همچنین، وزن باتری تأثیر زیادی بر عملکرد خودرو، مانند شتاب، مسافت قابل پیمایش و مصرف انرژی دارد.

مثال‌هایی از باتری‌های مورد استفاده در خودروی برقی معروف:

• تسلا مدل 3:
  • LFP: در مدل‌های استاندارد رنج (برد کوتاه)
  • NCA/NMC: در مدل‌های لانگ رنج و پرفورمنس
• تسلا مدل S و X:
  • NCA: نیکل-کبالت-آلومینیوم
• شورولت بولت:
  • NMC: نیکل-منگنز-کبالت
• نیسان لیف:
  • NMC: نیکل-منگنز-کبالت (در مدل‌های جدید)

 

عوامل مؤثر بر عمر باتری خودروی برقی:

• شیمی باتری: نوع شیمی باتری (مانند NMC، NCA، LFP) تأثیر زیادی بر طول عمر آن دارد. باتری‌های LFP معمولاً طول عمر بیشتری نسبت به NMC و NCA دارند.
• تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ: هر بار که باتری به طور کامل شارژ و دشارژ می‌شود، یک چرخه محسوب می‌شود. طول عمر باتری معمولاً بر اساس تعداد چرخه‌هایی که می‌تواند قبل از رسیدن به یک آستانه مشخص از کاهش ظرفیت (مثلاً 70% یا 80% ظرفیت اولیه) تحمل کند، اندازه‌گیری می‌شود.
• عمق دشارژ (Depth of Discharge یا DoD): میزان تخلیه باتری در هر بار استفاده. تخلیه کامل باتری (دشارژ عمیق) می‌تواند عمر آن را کاهش دهد.
• دما: دمای بالا یا پایین می‌تواند به باتری آسیب برساند و عمر آن را کاهش دهد. سیستم‌های مدیریت حرارتی در خودروهای برقی برای حفظ دمای بهینه باتری طراحی شده‌اند.
• سرعت شارژ: شارژ سریع (DC Fast Charging) می‌تواند در طولانی مدت به باتری آسیب برساند، اگرچه استفاده گهگاهی از آن معمولاً مشکلی ایجاد نمی‌کند. شارژ آهسته (Level 2 Charging) معمولاً برای باتری بهتر است.
• الگوی رانندگی: رانندگی پرشتاب و ترمزهای شدید می‌تواند به باتری فشار وارد کند و عمر آن را کاهش دهد.
• نگهداری و مراقبت: رعایت دستورالعمل‌های سازنده برای نگهداری و شارژ باتری می‌تواند به افزایش طول عمر آن کمک کند.

تخمین‌های کلی از عمر باتری خودروی برقی:

• طول عمر زمانی: بیشتر تولیدکنندگان خودروهای برقی، باتری‌های خود را برای حداقل 8 سال یا 160,000 کیلومتر (100,000 مایل) گارانتی می‌کنند. با این حال، بسیاری از باتری‌ها می‌توانند بیشتر از این مدت نیز کار کنند.
• تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ: باتری‌های لیتیوم یون مدرن معمولاً می‌توانند بین 1000 تا 2000 چرخه شارژ و دشارژ را تحمل کنند قبل از اینکه ظرفیت آن‌ها به طور قابل توجهی کاهش یابد. باتری‌های LFP حتی ممکن است بیش از 3000 چرخه را تحمل کنند.
• کاهش ظرفیت: به طور معمول، باتری‌های خودروهای برقی با گذشت زمان ظرفیت خود را از دست می‌دهند. این کاهش ظرفیت معمولاً خطی نیست و در ابتدا ممکن است سریع‌تر باشد، اما با گذشت زمان کاهش می‌یابد. بیشتر باتری‌ها پس از 5 تا 10 سال استفاده، حدود 10% تا 20% از ظرفیت اولیه خود را از دست می‌دهند.

 تأثیرات عملی بر عمر باتری:

• برد خودرو: کاهش ظرفیت باتری به معنی کاهش برد خودرو است. به عنوان مثال، اگر یک خودرو در ابتدا با یک بار شارژ کامل 400 کیلومتر برد داشته باشد، پس از چند سال ممکن است این برد به 320 تا 360 کیلومتر کاهش یابد.
• عملکرد خودرو: کاهش ظرفیت باتری ممکن است تأثیر کمی بر عملکرد خودرو داشته باشد، اما معمولاً قابل توجه نیست.

نکاتی برای افزایش طول عمر باتری خودروی برقی:

• اجتناب از شارژ کامل و تخلیه کامل: سعی کنید باتری را بین 20% تا 80% نگه دارید.
• کاهش استفاده از شارژ سریع: بیشتر اوقات از شارژرهای سطح 2 استفاده کنید.
• پارک کردن در سایه: از پارک کردن خودرو در معرض نور مستقیم خورشید و دمای بالا خودداری کنید.
• رعایت دستورالعمل‌های سازنده: به توصیه‌های سازنده خودرو برای شارژ و نگهداری باتری توجه کنید.
• استفاده از سیستم مدیریت حرارتی: اطمینان حاصل کنید که سیستم خنک‌کننده باتری به درستی کار می‌کند.

مثال‌ها:

• تسلا: تسلا باتری‌های خود را برای 8 سال یا 160,000 تا 240,000 کیلومتر (بسته به مدل) گارانتی می‌کند و تضمین می‌کند که حداقل 70% ظرفیت باتری در طول این مدت حفظ شود.
• نیسان لیف: نیسان باتری لیف را برای 8 سال یا 160,000 کیلومتر گارانتی می‌کند.
• شورولت بولت: شورولت باتری بولت را برای 8 سال یا 160,000 کیلومتر گارانتی می‌کند.

 

آینده باتری‌های خودروی برقی:

• باتری‌های لیتیوم یون به دلیل مزایای زیادی که دارند، به طور گسترده در خودروهای برقی استفاده می‌شوند. با پیشرفت فناوری، انتظار می‌رود که باتری‌های بهتری با چگالی انرژی بالاتر، طول عمر بیشتر و هزینه کمتر به بازار عرضه شوند و به توسعه و گسترش خودروهای برقی کمک کنند.
• تحقیقات و توسعه در زمینه باتری‌های خودروهای برقی به سرعت در حال پیشرفت است. هدف اصلی بهبود چگالی انرژی، کاهش هزینه، افزایش ایمنی و افزایش طول عمر باتری‌ها است. فناوری‌های جدیدی مانند باتری‌های حالت جامد (Solid-State Batteries) و باتری‌های لیتیوم-سولفور (Lithium-Sulfur Batteries) در حال بررسی هستند که می‌توانند عملکرد و کارایی خودروهای برقی را به طور چشمگیری بهبود بخشند.