فاعل، موضوع:
- مقدمه
- مواد و مشخصات باتری های مختلف
- باتری سربی - اسیدی
- نیکل کادمیوم (Ni-Cd)
- نیکل متال هیدرید (Ni-MH)
- لیتیوم یون (li-ion)
- سوپر خازن (supercap)
- تعادل سلول باتری
معرفی:
خودروهای هیبریدی یا تمام الکتریکی دارای باتری‌های بزرگ‌تر و سنگین‌تر از خودروهایی هستند که فقط موتور احتراقی دارند. خودروهای هیبریدی از ولتاژ بالا استفاده می کنند که اگر تعمیرات توسط افراد فاقد صلاحیت انجام شود، می تواند جان انسان را به خطر بیندازد. به عنوان مثال:
- یک موتور استارت در حال کار حدود 1,2 کیلو وات (1200 وات) مصرف می کند.
- یک خودروی هیبریدی که به طور کامل با برق کار می کند حدود 60 کیلو وات (60.000 وات) مصرف می کند.
خودروهای هیبریدی فقط توسط افرادی که آموزش های ویژه ای را گذرانده اند کار می کنند. یک شبکه داخلی ۱۲ ولتی برای تامین برق لوازم جانبی (مانند رادیو و غیره) با باتری کوچک خودش و یک شبکه آنبورد با ولتاژ بالا وجود دارد که با ولتاژ ۴۰۰ ولت (بسته به برند) کار می کند. ). ولتاژ 12 ولت توسط یک مبدل DC/DC مخصوص به 400 ولت تبدیل شده و باتری مربوطه را شارژ می کند.
تقاضاهای زیادی برای باتری های درایو هیبریدی وجود دارد. آنها باید بسیار بزرگ باشند گنجایش انبار داشتن. ذخایر انرژی زیادی ذخیره می شود و ولتاژهای بسیار بالایی هنگام پشتیبانی از موتور احتراقی (هیبرید) یا هنگام تحویل انرژی برای پیشرانه کامل (BEV) کشیده می شود.
تصویر زیر یک بسته باتری از تویوتا پریوس را نشان می دهد. این باتری نیکل متال هیدرید (NiMH) دارای 28 ماژول است که هر کدام از 6 سلول تشکیل شده است. هر سلول دارای ولتاژ 1,2 ولت است. ولتاژ کل این بسته باتری 201,6 ولت است.
مواد و مشخصات انواع باطری:
هنگام توسعه پیشرانه الکتریکی، انتخاب بین انواع مختلف باتری ها انجام می شود. خواص، عملکرد، گزینه های ساخت و ساز و هزینه ها نقش عمده ای دارند. متداول‌ترین نوع باتری‌های مورد استفاده در خودروهای هیبریدی و تمام الکتریکی، باتری‌های Ni-MH (هیدرید فلز نیکل) و لیتیوم یون (لیتیوم یون) هستند.
علاوه بر انواع Ni-MH و Li-ion، خازن های الکترولیتی نیز توسعه یافته است که ما آنها را تحت نام "supercapacitor" یا "supercaps" قرار می دهیم.
جدول مواد باتری های مختلف را با مشخصات آنها نشان می دهد.
باتری سرب:
در جدول همچنین باتری سرب اسید ذکر شده است (نسخه های ژل و AGM در نظر گرفته نشده است). از آنجایی که باتری سرب اسیدی دارای بیشترین طول عمر در حداکثر دشارژ 20 درصد است، با افزایش سن دچار سولفاته می شود و چگالی و محتوای انرژی پایینی دارد، برای استفاده در خودروهای الکتریکی مناسب نیست. ما باتری اسید سرب را به عنوان یک باتری جانبی می یابیم. مصرف کنندگان ولتاژ پایین مانند روشنایی، سیستم های راحتی (بدنه) و سیستم اطلاعات سرگرمی با ولتاژ حدود 14 ولت کار می کنند.
نیکل کادمیوم (Ni-Cd):
در گذشته Ni-Cd باتری ها از اثر حافظه رنج می برند و بنابراین برای استفاده در نیروی محرکه الکتریکی مناسب نیستند: شارژ و دشارژ جزئی به طور مداوم اتفاق می افتد. باتری‌های مدرن Ni-Cd عملاً دیگر تحت تأثیر اثر حافظه قرار نمی‌گیرند. بزرگترین عیب این نوع باتری ها وجود ماده سمی کادمیوم است. این باعث می شود باتری Ni-Cd به شدت نسبت به محیط زیست غیر دوستانه باشد. بنابراین استفاده از این باتری طبق قانون ممنوع است.
نیکل متال هیدرید (Ni-MH):
باتری Ni-MH می تواند سریعتر از باتری سرب اسید شارژ شود. در هنگام شارژ هم گرما و هم گاز ایجاد می شود که باید حذف شوند. باتری ها مجهز به سیستم خنک کننده و دریچه هوا هستند. باتری Ni-MH به دلیل عمر طولانی و چگالی انرژی و توان بالا، برای استفاده در خودروهای الکتریکی مناسب است. با این حال، این نوع باتری نسبت به شارژ بیش از حد، تخلیه بیش از حد، دمای بالا و تغییرات سریع دما حساس است.
تصویر زیر بسته باتری Ni-MH تویوتا پریوس را نشان می دهد. این بسته باتری در صندوق عقب، پشت پشتی صندلی عقب قرار دارد. هنگامی که سنسورهای دما دمای بالایی را ثبت می کنند، فن خنک کننده فعال می شود (در عکس سمت راست توسط محفظه سفید رنگ قابل مشاهده است). فن هوا را از داخل می مکد و آن را از طریق مجاری هوا در بسته باتری می دمد تا سلول ها خنک شوند.
لیتیوم یون (li-ion):
با توجه به انرژی و چگالی توان باتری لیتیوم یونی (در مقایسه با Ni-MH)، بسته باتری لیتیوم یونی معمولاً در خودروهای هیبریدی پلاگین و خودروهای تمام الکتریکی استفاده می شود. باتری لیتیوم یونی در دمای پایین عملکرد خوبی دارد و طول عمر بالایی دارد. پیش بینی می شود با توجه به توسعه بیشتر، املاک در سال های آینده بهبود یابد.
در تصویر بعدی بسته باتری (li-ion) یک BMW i3 را می بینیم. درب آن باز شده و پشت آن است. هنگامی که نصب می شود، درب آن به صورت هوا بسته می شود.
بسته باتری i3 در زیر خودرو نصب شده است. فضای موجود در فضای کف بین محور جلو و عقب تا حد امکان استفاده شده است تا فضای بیشتری برای بسته باتری فراهم شود.
در تصویر ما هشت بلوک مجزا با دوازده سلول را مشاهده می کنیم. ظرفیت هر بلوک 2,6 کیلووات ساعت است که در مجموع 22 کیلووات ساعت می شود. برای مقایسه: نسل فعلی i3 (2020) دارای باتری با ظرفیت 94 Ah و قدرت 22 کیلووات ساعت است. اندازه بسته باتری از زمان معرفی آن در سال 2013 ثابت مانده است، اما عملکرد آن (و در نتیجه برد آن) بسیار بهبود یافته است.
تسلا از سلولهای باتری کوچک در مدل‌های 2013 به بعد (مدل S و مدل X) استفاده می‌کند که کمی بزرگ‌تر از باتری‌های AA استاندارد هستند که از طریق کنترل از راه دور تلویزیون می‌شناسیم. سلول های باتری (18650 از پاناسونیک) 65 میلی متر طول و 18 میلی متر قطر دارند. گسترده ترین بسته های باتری حاوی کمتر از 7104 عدد از این سلول ها هستند.
در تصاویر زیر سلول های باتری مجزا در سمت چپ و یک بسته باتری حاوی سلول های 7104 در سمت راست را می بینیم.
باتری لیتیوم یونی از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:
- کاتد (+) متشکل از آلیاژ لیتیوم
- آند (-) متشکل از گرافیت یا کربن
- جداکننده متخلخل
- الکترولیت
در حین تخلیه، یون های لیتیوم از طریق الکترولیت از آند (-) به کاتد (+)، به سمت مصرف کننده و به آند باز می گردند. در طول شارژ، یون ها در جهت مخالف حرکت می کنند و سپس از کاتد (+) به آند (-) می روند.
الکترولیت حاوی نمک های لیتیوم برای انتقال یون ها است. جداکننده تضمین می کند که یون های لیتیوم می توانند از آن عبور کنند، در حالی که آند و کاتد از هم جدا می مانند.
سلول های باتری در ماژول هایی قرار دارند که به صورت سری به یکدیگر متصل می شوند. تصویر شماتیک زیر یک بسته باتری را نشان می دهد که شباهت زیادی با یک فولکس واگن E-UP دارد! و رنو زوئی فقط تعداد سلول ها متفاوت است: بسته باتری E-UP! دارای 204 سلول و رنو زوئی 192 است.
در این مثال، بسته باتری از دو بسته شش ماژول تشکیل شده است. هر ماژول شامل دو گروه از 10 سلول متصل به سری به صورت موازی است.
- اتصال سری: ولتاژ باتری افزایش می یابد. در ولتاژ سلول (li-ion) 3,2 ولت، یک ماژول باتری (3,2 * 10) = 32 ولت را تامین می کند.
عیب اتصال سری این است که با سلول بد ظرفیت کل اتصال سری کمتر می شود. - اتصال موازی: ولتاژ ثابت می ماند، اما جریان و ظرفیت افزایش می یابد. یک سلول بد هیچ تاثیری بر سلول های مدار متصل به آن به طور موازی ندارد.
بنابراین تولیدکنندگان می توانند از چندین مدار موازی در هر ماژول استفاده کنند. بنابراین، در ماژول های فولکس واگن E-Golf، نه (دو مورد در این مثال)، بلکه سه گروه از سلول ها به صورت موازی به هم متصل شده اند.
سلول های لیتیوم یونی دارای طول عمر تقریباً 2000 چرخه تخلیه و شارژ هستند قبل از اینکه ظرفیت آنها به تقریباً 80٪ ظرفیت شارژ اولیه آنها کاهش یابد.
ولتاژ یک سلول لیتیوم یونی به شرح زیر است:
- ولتاژ نامی: 3,6 ولت؛
- حد تخلیه: 2,5 ولت؛
- حداکثر ولتاژ شارژ: 4,2 ولت
اکثر سیستم های مدیریت باتری (BMS) از حد پایین تر 2,8 ولت استفاده می کنند. اگر سلول بیش از 2,5 ولت تخلیه شود، سلول آسیب می بیند. طول عمر سلول کوتاه می شود. شارژ بیش از حد سلول لی-یون نیز طول عمر آن را کاهش می دهد، اما خطرناک است. شارژ بیش از حد سلول می تواند باعث اشتعال آن شود. دمای سلول ها نیز بر طول عمر آنها تأثیر می گذارد: در دمای کمتر از 0 درجه سانتی گراد، سلول ها ممکن است دیگر شارژ نشوند. یک تابع گرمایش راه حلی را در این مورد ارائه می دهد.
خازن سوپر کد (supercap):
در پاراگراف های قبلی به انواع باتری ها اشاره شده است که هر کدام کاربردها، مزایا و معایب خود را دارند. نقطه ضعفی که همه افراد با چنین باتری با آن روبرو هستند زمان شارژ است. شارژ یک بسته باتری می تواند چندین ساعت طول بکشد. شارژ سریع یک گزینه است، اما این با گرمای بیشتر و احتمالا پیر شدن (و آسیب) سریعتر بسته باتری همراه است.
در حال حاضر تحقیقات و توسعه زیادی در مورد ابرخازن ها در حال انجام است. ما همچنین به این "سوپر درپوش" یا "اولترا خازن" می گوییم. استفاده از ابر کلاهک ها می تواند راه حلی برای این موضوع ارائه دهد:
- شارژ بسیار سریع است.
- آنها می توانند انرژی (تخلیه) را خیلی سریع آزاد کنند، بنابراین افزایش قابل توجهی در قدرت ممکن است.
- بادوام تر از باتری لیتیوم یونی به لطف تعداد نامحدود چرخه شارژ (حداقل 1 میلیون) زیرا هیچ واکنش الکتروشیمیایی رخ نمی دهد.
- تا حدی در ارتباط با نکته قبلی، یک ابر کلاهک ممکن است به طور کامل تخلیه شود بدون اینکه این امر هیچ گونه تأثیر مخربی بر طول عمر آن داشته باشد.
سوپرکاپ ها خازن هایی با ظرفیت و چگالی انرژی هزاران برابر بیشتر از خازن های الکترولیتی استاندارد هستند. ظرفیت با استفاده از یک الکترولیت مخصوص (مواد عایق) که حاوی یون است و در نتیجه ثابت دی الکتریک بسیار بالایی بین صفحات دارد افزایش می یابد. یک جداکننده (یک فویل نازک) در یک حلال با یون ها خیس می شود و بین صفحات قرار می گیرد. صفحات معمولاً از کربن ساخته می شوند.
ظرفیت خازن نشان داده شده 5000 فارنهایت است.
سوپرکاپ ها را می توان با باتری لیتیوم یونی HV ترکیب کرد. هنگام شتاب گیری کوتاه، می توان از انرژی خازن ها به جای انرژی باتری HV استفاده کرد. با ترمز احیا کننده، خازن ها در کسری از ثانیه به طور کامل شارژ می شوند. پیشرفت‌های آینده ممکن است جایگزینی باتری لیتیوم یونی با بسته‌بندی سوپرکاپ را نیز ممکن کند. متأسفانه، با فناوری فعلی، ظرفیت و در نتیجه چگالی توان در مقایسه با باتری لیتیوم یونی بسیار کم است. دانشمندان به دنبال راه هایی برای افزایش ظرفیت و چگالی توان هستند.
تعادل سلول باتری:
از طریق تعادل سلول باتری غیرفعال و فعال، هر سلول توسط ECU برای حفظ وضعیت باتری سالم نظارت می شود. این امر با جلوگیری از تخلیه عمیق یا شارژ بیش از حد، عمر سلول ها را افزایش می دهد. سلول های لیتیوم یون به ویژه باید در محدوده های دقیق باقی بمانند. ولتاژ سلول ها متناسب با حالت شارژ است. بارهای سلول ها باید تا حد امکان با یکدیگر متعادل نگه داشته شوند. با بالانس سلولی می توان وضعیت شارژ را تا 1 میلی ولت (0,001 ولت) به طور دقیق کنترل کرد.
- تعادل غیرفعال با تخلیه نسبی سلولهای با حالت شارژ بسیار بالا، تعادل در وضعیت شارژ تمام سلولهای باتری را تضمین می‌کند (ما بعداً در بخش به این موضوع خواهیم پرداخت).
- بالانس فعال یک تکنیک متعادل‌سازی پیچیده‌تر است که می‌تواند سلول‌ها را به صورت جداگانه در هنگام شارژ و تخلیه کنترل کند. زمان شارژ با بالانس فعال کمتر از تعادل غیرفعال است.
در تصویر زیر یک ماژول باتری با هشت سلول را می بینیم.
هشت سلول تا 90 درصد شارژ می شوند. اگر سلول به طور مداوم تا 100 درصد شارژ شود، طول عمر آن کاهش می یابد. برعکس، اگر باتری بیش از 30٪ تخلیه شود، طول عمر کاهش می یابد: در حالت شارژ کمتر از 30٪، سلول عمیقاً تخلیه می شود.
بنابراین وضعیت شارژ سلول ها همیشه بین 30 تا 90 درصد خواهد بود. این توسط وسایل الکترونیکی کنترل می شود، اما توسط راننده وسیله نقلیه دیده نمی شود.
صفحه نمایش دیجیتال در داشبورد در صورت رسیدن به 0 یا 100 درصد 30% یا 90% را نشان می دهد.
به دلیل کهولت سن، برخی از سلول ها می توانند ضعیف تر از بقیه شوند. این تأثیر عمده ای بر وضعیت شارژ ماژول باتری دارد. در دو تصویر بعدی وضعیت شارژ را می بینیم که دو سلول به دلیل سن ظرفیت کمتری دارند. سلول های باتری در این شرایط متعادل نیستند.
- تخلیه سریعتر به دلیل سلولهای بد: دو سلول میانی به دلیل ظرفیت کمترشان سریعتر تخلیه می شوند. برای جلوگیری از تخلیه عمیق، شش سلول دیگر در ماژول دیگر نمی توانند انرژی آزاد کنند و بنابراین دیگر نمی توان از آنها استفاده کرد.
- به دلیل سلول های بد شارژ کامل نمی شود: به دلیل ظرفیت کم دو سلول میانی، سریعتر شارژ می شوند. از آنجا که آنها 90٪ سریعتر از شش سلول دیگر می رسند، شارژ بیشتر نمی تواند انجام شود.
واضح است که سلول های با ظرفیت کمتر عامل محدود کننده هم هنگام تخلیه (در حین رانندگی) و هم هنگام شارژ هستند. برای استفاده بهینه از ظرفیت کامل بسته باتری و اطمینان از عمر طولانی.
دو روش برای متعادل کردن باتری وجود دارد: غیرفعال و فعال.
- بدون تعادل: چهار سلول همگی حالت شارژ متفاوتی دارند. سلول 2 تقریباً خالی است و سلول 4 کاملاً شارژ شده است.
- غیرفعال: سلول هایی که بیشترین ظرفیت را دارند تا زمانی که به حالت شارژ ضعیف ترین سلول (سلول 2 در مثال) برسد تخلیه می شوند. تخلیه سلول های 1، 3 و 4 از دست دادن است.
در مثال می بینیم که لیوان ها تا زمانی که به حالت شارژ سلول 2 برسند تخلیه می شوند. - فعال: انرژی حاصل از سلول های پر برای پر کردن سلول های خالی استفاده می شود. در حال حاضر هیچ از دست دادن وجود ندارد، اما انتقال انرژی از یک سلول به سلول دیگر است.
اصل کار تعادل سلولی غیرفعال و فعال در زیر توضیح داده شده است.
تعادل سلولی غیرفعال:
در مثال، چهار سلول باتری را می بینیم که به صورت سری با یک مقاومت قابل تعویض (R) به صورت موازی متصل شده اند. در این مثال، مقاومت با سوئیچ به زمین متصل شده است. در واقع این یک ترانزیستور یا FET است.
در مثال می بینیم که سلول 3 100% بارگذاری شده است. از پاراگراف های قبلی می دانیم که این سلول سریعتر شارژ می شود زیرا از سه پاراگراف دیگر ضعیف تر است. چون وضعیت شارژ سلول 3 100 درصد است، سه سلول دیگر دیگر شارژ نمی شوند.
مقاومتی که به صورت موازی در سلول 3 قرار دارد توسط کلید در مدار جریان قرار می گیرد. سلول 3 تخلیه می شود زیرا مقاومت به محض عبور جریان از آن ولتاژ را جذب می کند. تخلیه ادامه می یابد تا زمانی که سلول در سطح سلول های دیگر قرار گیرد. در این مورد 90٪.
هنگامی که هر چهار سلول در این ماژول حالت شارژ یکسانی داشته باشند، می توان آنها را بیشتر شارژ کرد.
با متعادل کردن سلول غیرفعال، انرژی از دست می‌رود: ولتاژ جذب شده توسط مقاومت‌های متصل موازی از بین رفته است. با این وجود، بسیاری از تولید کنندگان هنوز از این روش تعادل تا به امروز استفاده می کنند.
تعادل سلولی فعال:
البته بسیار کارآمدتر تعادل فعال سلولی است. انرژی حاصل از سلول بیش از حد پر برای شارژ سلول خالی استفاده می شود. نمونه ای از تعادل سلولی فعال را در زیر می بینیم.
در مثال، دو سلول را می بینیم که به صورت سری (3 و 4) با ولتاژ بالای آنها (به ترتیب 4 و 3,9 ولت) به هم متصل شده اند. سلول 3 با استفاده از ترانسفورماتور تخلیه می شود. FET در سمت اولیه اجازه تخلیه را می دهد. سیم پیچ اولیه در ترانسفورماتور با این شارژ می شود. FET در سمت ثانویه سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور را روشن می کند. جریان شارژ به دست آمده برای انرژی دادن به ترانسفورماتور در زیر سلول دیگر استفاده می شود. ترانسفورماتور زیر سلول 4 نیز توسط FET ها روشن و خاموش می شود.
