Όλα όσα θέλετε να ξέρετε για ηλεκτρικές μπαταρίες οχημάτων

Η ταχύτητα, η χιλιομετρική απόσταση, η ροπή και όλες αυτές οι ζωτικές παράμετροι ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου εξαρτάται αποκλειστικά από τις προδιαγραφές του κινητήρα και της μπαταρίας που χρησιμοποιείται στο αυτοκίνητο. Ενώ η χρήση ενός ισχυρού κινητήρα δεν είναι μεγάλη υπόθεση, το πρόβλημα έγκειται στο σχεδιασμό μιας μπαταρίας που θα μπορούσε να τροφοδοτήσει αρκετό ρεύμα για τον κινητήρα για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς να υποβαθμίσει τη διάρκεια ζωής του. Για να αντεπεξέλθουν στην τάση και την τρέχουσα ζήτηση, οι κατασκευαστές EV πρέπει να συνδυάσουν εκατοντάδες, αν όχι χιλιάδες κελιά μαζί, για να σχηματίσουν μια μπαταρία για ένα μόνο αυτοκίνητο. Για να δώσει μια ιδέα, το μοντέλο Tesla S έχει περίπου 7.104 κύτταρα και το φύλλο Nissan έχει περίπου 600 κύτταρα. Αυτός ο μεγάλος αριθμός μαζί με την ασταθή φύση των κυττάρων λιθίου καθιστά δύσκολη τη σχεδίαση μιας μπαταρίας για ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Σε αυτό το άρθρο ας διερευνήσουμε πώς σχεδιάζεται μια μπαταρία ηλεκτρικού οχήματος για ένα EVκαι ποιες είναι οι ζωτικές παράμετροι που σχετίζονται με τις μπαταρίες που πρέπει να ληφθούν υπόψη.

Τι υπάρχει μέσα σε μια μπαταρία ηλεκτρικού οχήματος;

Εάν έχετε διαβάσει το άρθρο Εισαγωγή στο ηλεκτρικό όχημα θα έχετε απαντήσει τώρα στην ερώτηση. Για άτομα που είναι νέοι επιτρέψτε μου να δώσω ένα γρήγορο re-cap. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ότι η μπαταρία του Nissan Leaf διασπάται σε επίπεδο κυψέλης από το Πακέτο της.

Τα σύγχρονα ηλεκτρικά αυτοκίνητα χρησιμοποιούν μπαταρίες λιθίου για την τροφοδοσία των αυτοκινήτων τους για κάποιους προφανείς λόγους που θα συζητήσουμε αργότερα σε αυτό το άρθρο. Όμως, αυτές οι μπαταρίες λιθίου έχουν μόνο περίπου 3,7V ανά κυψέλη, ενώ ένα αυτοκίνητο EV απαιτεί κάπου κοντά στα 300V. Για να επιτευχθεί τέτοια υψηλή τάση και Ah Βαθμολογία κυψελών λιθίου συνδυάζονται σε σειρά και παράλληλος συνδυασμός για να σχηματίσουν μονάδες και αυτές οι μονάδες μαζί με ορισμένα κυκλώματα προστασίας (BMS) και το σύστημα ψύξης διατάσσονται σε ένα μηχανικό περίβλημα που ονομάζεται συλλογικά ως μπαταρία όπως φαίνεται παραπάνω.

Τύποι μπαταριών

Ενώ τα περισσότερα αυτοκίνητα χρησιμοποιούν μπαταρίες λιθίου, δεν περιοριζόμαστε μόνο σε αυτό. Υπάρχουν πολλοί τύποι χημείας μπαταριών. Σε γενικές γραμμές οι μπαταρίες μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις τύπους.

Κύριες μπαταρίες: Πρόκειται για μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Δηλαδή μπορεί να μετατρέψει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και όχι αντίστροφα. Ένα παράδειγμα θα ήταν η χρήση αλκαλικών μπαταριών (AA, AAA) για παιχνίδια και τηλεχειριστήρια.

Δευτερεύουσες μπαταρίες: Αυτές είναι οι μπαταρίες για τις οποίες ενδιαφερόμαστε για ηλεκτρικά οχήματα. Μπορεί να μετατρέψει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσει το EV και επίσης να μετατρέψει την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια ξανά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης. Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται συνήθως σε κινητά τηλέφωνα, EV και τα περισσότερα από τα άλλα φορητά ηλεκτρονικά.

Αποθηκευτικές μπαταρίες: Πρόκειται για ειδικό τύπο μπαταριών που χρησιμοποιούνται σε πολύ μοναδική εφαρμογή. Όπως αναφέρει το όνομα, οι μπαταρίες διατηρούνται ως εφεδρικές (σε κατάσταση αναμονής) για το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου ζωής τους και ως εκ τούτου έχουν πολύ χαμηλό ρυθμό αυτοεκφόρτισης. Παράδειγμα θα ήταν οι μπαταρίες Life vest.

Βασική χημεία μπαταρίας

Όπως προαναφέρθηκε, υπάρχουν πολλές διαφορετικές χημικές ουσίες για μπαταρίες. Κάθε χημεία έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Όμως, ανεξάρτητα από τον τύπο της χημείας, υπάρχουν λίγα πράγματα που είναι κοινά για όλες τις μπαταρίες, ας ρίξουμε μια ματιά σε αυτές χωρίς να ασχοληθούμε πολύ με τη χημεία της.

Υπάρχουν τρεις κύριες στρώσεις σε μια μπαταρία, δηλαδή η Cathode, Anode και Separator. Το Cathode είναι το θετικό στρώμα της μπαταρίας και η άνοδος είναι το αρνητικό στρώμα της μπαταρίας. Όταν ένα φορτίο συνδέεται στους ακροδέκτες της μπαταρίας, το ρεύμα (ηλεκτρόνια) ρέει από την Ανώτα στην Κάθοδο. Παρομοίως, όταν ένας φορτιστής είναι συνδεδεμένος στους ακροδέκτες της μπαταρίας, η ροή των ηλεκτρονίων αντιστρέφεται, δηλαδή από την Κάθοδο προς την Άνοδο, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.

Για να λειτουργήσει οποιαδήποτε μπαταρία πρέπει να πραγματοποιηθεί χημική αντίδραση που ονομάζεται Οξείδωση-Μείωση Αντίδρασης. Μερικές φορές ονομάζεται επίσης Redox Reaction. Αυτή η αντίδραση λαμβάνει χώρα μεταξύ της ανόδου και της καθόδου της μπαταρίας μέσω του ηλεκτρολύτη (διαχωριστής). Η πλευρά της ανόδου της μπαταρίας θα είναι πρόθυμη να αποκτήσει ηλεκτρόνια και ως εκ τούτου θα προκύψει αντίδραση οξείδωσης και η πλευρά της καθόδου της μπαταρίας θα είναι πρόθυμη να χάσει ηλεκτρόνια και ως εκ τούτου θα υπάρξει αντίδραση μείωσης. Λόγω αυτής της αντίδρασης, τα ιόντα μεταφέρονται από την Κάθοδο στην πλευρά της Ανόδου της μπαταρίας μέσω διαχωριστή. Ως αποτέλεσμα θα συγκεντρωθούν περισσότερα ιόντα στην Άνοδο. Για να εξουδετερωθεί αυτή η Άνοδος πρέπει να ωθήσει τα ηλεκτρόνια από την πλευρά της προς την Κάθοδο.

Αλλά ο Διαχωριστής επιτρέπει μόνο τη ροή ιόντων μέσα από αυτό και μπλοκάρει οποιαδήποτε κίνηση ηλεκτρονίων από την Άνοδο προς την Κάθοδο. Έτσι, ο μόνος τρόπος με τον οποίο η μπαταρία μπορεί να μεταφέρει τα ηλεκτρόνια είναι μέσω των εξωτερικών της ακροδεκτών, γι 'αυτό όταν συνδέουμε ένα φορτίο στους ακροδέκτες της μπαταρίας παίρνουμε ένα ρεύμα (ηλεκτρόνια) που ρέει.

Βασικές αρχές χημείας μπαταρίας λιθίου

Δεδομένου ότι πρόκειται να συζητήσουμε για τις μπαταρίες λιθίου, καθώς είναι η πιο προτιμώμενη μπαταρία για το EV, ας σκάψουμε λίγο περισσότερο στη χημεία του. Υπάρχουν πολλοί τύποι σε μπαταρίες λιθίου και πάλι, λιθίου νικέλιο κοβάλτιο αλουμίνιο (NCA), λίθιο-νικέλιο μαγγάνιο κοβάλτιο (NMC), λίθιο-μαγγάνιο σπιν (LMO), λίθιο τιτανικό (LTO), λιθίου-σιδήρου φωσφορικό (LFP) είναι τα πιο κοινές. Και πάλι, κάθε χημεία έχει τα δικά της χαρακτηριστικά, τα οποία απεικονίζουν τακτικά την παρακάτω εικόνα της ομάδας Boston Consulting.

Από αυτά, το νικέλιο λιθίου, το κοβάλτιο αλουμινίου χρησιμοποιείται περισσότερο λόγω του χαμηλού κόστους του. Θα αναφερθούμε σε περισσότερες από αυτές τις παραμέτρους αργότερα σε αυτό το άρθρο. Αλλά ένα κοινό πράγμα που μπορείτε να παρατηρήσετε εδώ είναι ότι το λίθιο υπάρχει σε όλες τις μπαταρίες. Αυτό οφείλεται κυρίως στη διαμόρφωση ηλεκτρονίων του λιθίου. Ένα ουδέτερο άτομο μετάλλου λιθίου φαίνεται παρακάτω.

Έχει έναν ατομικό αριθμό τριών που σημαίνει ότι τρία ηλεκτρόνια θα βρίσκονται γύρω από τη νουκλεάση του και το πιο εξωτερικό κέλυφος έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο σθένους. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, αυτό το σθένος ηλεκτρόνιο τραβιέται έτσι, δίνοντάς μας ένα ηλεκτρόνιο και ένα ιόν λιθίου με δύο ηλεκτρόνια σχηματίζοντας ένα ιόν λιθίου. Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, το ηλεκτρόνιο θα ρέει ως ρεύμα μέσω των εξωτερικών ακροδεκτών της μπαταρίας και το ιόν λιθίου θα ρέει μέσω του ηλεκτρολύτη (διαχωριστής) κατά τη διάρκεια της αντίδρασης οξειδοαναγωγής.

Βασικά στοιχεία των ηλεκτρικών μπαταριών οχημάτων

Τώρα γνωρίζουμε πώς λειτουργεί μια μπαταρία και πώς χρησιμοποιείται σε ένα ηλεκτρικό όχημα, αλλά για να προχωρήσουμε από εδώ, πρέπει να κατανοήσουμε κάποιες βασικές ορολογίες που χρησιμοποιούνται συνήθως κατά το σχεδιασμό μιας μπαταρίας. Ας τα συζητήσουμε…

Βαθμολογία τάσης: Δύο πολύ συνηθισμένες αξιολογήσεις που μπορείτε να βρείτε ότι επισημαίνονται σε μια μπαταρία είναι η τάση και η βαθμολογία Ah. Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος είναι συνήθως 12V και οι μπαταρίες λιθίου είναι 3,7V. Αυτό ονομάζεται ονομαστική τάση μιας μπαταρίας. Αυτό δεν σημαίνει ότι η μπαταρία θα παρέχει 3.7V στους ακροδέκτες της όλη την ώρα. Η τιμή της τάσης ποικίλλει ανάλογα με τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Θα συζητήσουμε