كل ما تريد معرفته عن بطاريات السيارات الكهربائية

تعتمد السرعة والمسافة المقطوعة وعزم الدوران وجميع هذه المعلمات الحيوية للسيارة الكهربائية فقط على مواصفات المحرك وحزمة البطارية المستخدمة في السيارة. أثناء استخدام محرك قوي ليس مشكلة كبيرة ، تكمن المشكلة في تصميم حزمة بطارية يمكن أن توفر تيارًا كافيًا للمحرك لفترة طويلة دون التقليل من عمره. لمواكبة الجهد والطلب الحالي للمركبات الكهربائية ، يتعين على الشركات المصنعة للمركبات الكهربائية الجمع بين مئات إن لم يكن الآلاف من الخلايا معًا لتشكيل حزمة بطارية لسيارة واحدة. لإعطاء فكرة ، يحتوي طراز Tesla S على حوالي 7104 خلية بينما تحتوي ورقة نيسان على حوالي 600 خلية. هذا العدد الكبير إلى جانب الطبيعة غير المستقرة لخلايا الليثيوم يجعل من الصعب تصميم حزمة بطارية لسيارة كهربائية. في هذه المقالة ، دعنا نستكشف كيف تم تصميم حزمة بطارية السيارة الكهربائية للمركبة الكهربائيةوما هي المعلمات الحيوية المرتبطة بالبطاريات التي يجب الاهتمام بها.

ماذا يوجد داخل حزمة بطارية السيارة الكهربائية؟

إذا كنت قد قرأت مقالة مقدمة إلى السيارة الكهربائية ، فستكون قد أجبت على السؤال الآن. بالنسبة للأشخاص الجدد ، اسمحوا لي أن أعطي نظرة سريعة. تُظهر الصورة أدناه حزمة بطارية Nissan Leaf ممزقة إلى مستوى الخلية من عبوتها.

تستخدم السيارات الكهربائية الحديثة بطاريات الليثيوم لتشغيل سياراتها لأسباب واضحة سنناقشها لاحقًا في هذه المقالة. لكن بطاريات الليثيوم هذه تحتوي فقط على حوالي 3.7 فولت لكل خلية بينما تتطلب سيارة EV ما يقرب من 300 فولت. لتحقيق مثل هذا الجهد العالي وخلايا الليثيوم ذات التصنيف آه ، يتم دمج خلايا الليثيوم في مجموعات متسلسلة ومتوازية لتشكيل وحدات ، ويتم ترتيب هذه الوحدات جنبًا إلى جنب مع بعض دوائر الحماية (BMS) ونظام التبريد في غلاف ميكانيكي يسمى مجتمعًا باسم حزمة البطارية كما هو موضح أعلاه.

أنواع البطاريات

بينما تستخدم معظم السيارات بطاريات الليثيوم ، فإننا لا نقتصر عليها فقط. تتوفر أنواع عديدة من كيمياء البطاريات. يمكن تصنيف البطاريات بشكل عام إلى ثلاثة أنواع.

البطاريات الأساسية: هذه بطاريات غير قابلة لإعادة الشحن. بمعنى أنه يمكن تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وليس العكس. مثال على ذلك هو استخدام البطاريات القلوية (AA ، AAA) للألعاب وأجهزة التحكم عن بعد.

البطاريات الثانوية: هي البطاريات التي نهتم بها للسيارات الكهربائية. يمكنه تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية لتشغيل المركبة الكهربائية ، كما يمكنه تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية مرة أخرى أثناء عملية الشحن. تُستخدم هذه البطاريات بشكل شائع في الهواتف المحمولة والمركبات الكهربائية ومعظم الأجهزة الإلكترونية المحمولة الأخرى.

البطاريات الاحتياطية: هي نوع خاص من البطاريات المستخدمة في تطبيقات فريدة جدًا. كما يوضح الاسم ، يتم الاحتفاظ بالبطاريات كاحتياطي (احتياطي) لمعظم فترة حياتها ، وبالتالي يكون معدل التفريغ الذاتي منخفضًا للغاية. قد يكون مثال بطاريات سترة النجاة.

الكيمياء الأساسية للبطارية

كما ذكرنا سابقًا ، هناك العديد من المواد الكيميائية المختلفة المتاحة للبطاريات. كل كيمياء لها مزاياها وعيوبها. ولكن بغض النظر عن نوع الكيمياء ، هناك القليل من الأشياء المشتركة لجميع البطاريات ، دعونا نلقي نظرة عليها دون الخوض كثيرًا في تركيبتها الكيميائية.

توجد ثلاث طبقات رئيسية في البطارية وهي الكاثود والأنود والفاصل. الكاثود هو الطبقة الموجبة للبطارية والأنود هو الطبقة السلبية للبطارية. عند توصيل حمولة بأطراف البطارية ، يتدفق التيار (الإلكترونات) من الأنود إلى الكاثود. وبالمثل ، عند توصيل الشاحن بأطراف البطارية ، يتم عكس تدفق الإلكترونات ، أي من الكاثود إلى الأنود كما هو موضح في الشكل أعلاه.

لكي تعمل أي بطارية ، يجب أن يحدث تفاعل كيميائي يسمى تفاعل الأكسدة والاختزال. يُطلق عليه أحيانًا اسم تفاعل الأكسدة والاختزال. يحدث هذا التفاعل بين الأنود والكاثود للبطارية من خلال المنحل بالكهرباء (الفاصل). سيكون جانب الأنود للبطارية على استعداد للحصول على إلكترونات وبالتالي سيحدث تفاعل أكسدة وسيكون جانب الكاثود في البطارية على استعداد لفقدان الإلكترونات وبالتالي سيحدث تفاعل الاختزال. بسبب هذا التفاعل يتم نقل أيونات التفاعل من الكاثود إلى جانب الأنود للبطارية من خلال الفاصل. ونتيجة لذلك سوف يتراكم المزيد من الأيونات في الأنود. لتحييد هذا الأنود يجب أن يدفع الإلكترونات من جانبه إلى الكاثود.

لكن الفاصل يسمح فقط بتدفق الأيونات عبره ويمنع أي حركة إلكترونية من الأنود إلى الكاثود. لذا فإن الطريقة الوحيدة التي يمكن للبطارية من خلالها نقل الإلكترونات هي من خلال أطرافها الخارجية ، ولهذا السبب عندما نقوم بتوصيل حمولة بأطراف البطارية نحصل على تيار (إلكترونات) يتدفق على ما يعتقد.

أساسيات كيمياء بطارية الليثيوم

نظرًا لأننا سنناقش بطاريات الليثيوم لأنها البطارية الأكثر تفضيلًا للمركبات الكهربائية ، فلنبحث أكثر قليلاً في كيمياءها. هناك أنواع عديدة في بطاريات الليثيوم مرة أخرى ، الليثيوم نيكل الكوبالت الألومنيوم (NCA) ، الليثيوم والنيكل والكوبالت والمنغنيز (NMC) ، الليثيوم والمنغنيز الإسبنيل (LMO) ، وتيتانات الليثيوم (LTO) ، وفوسفات الحديد الليثيوم (LFP) هي الأكثر المشتركة. مرة أخرى كل كيمياء لها خصائصها الخاصة التي توضح بدقة الدين أدناه الصورة من قبل مجموعة بوسطن الاستشارية.

من بين هؤلاء ، يعتبر الكوبالت الألومنيوم من النيكل الليثيوم هو الأكثر استخدامًا بسبب تكلفته المنخفضة. سوف ندخل في المزيد من هذه المعلمات لاحقًا في هذه المقالة. ولكن هناك أمر شائع يمكنك ملاحظته هنا وهو أن الليثيوم موجود في جميع البطاريات. هذا يرجع أساسًا إلى التكوين الإلكتروني لليثيوم. يتم عرض ذرة معدن الليثيوم المحايدة أدناه.

يحتوي على عدد ذري ​​من ثلاثة بمعنى أن ثلاثة إلكترونات ستكون حول نوكليازها والقشرة الخارجية لها إلكترون تكافؤ واحد فقط. أثناء التفاعل ، يتم سحب إلكترون التكافؤ هذا ، وبالتالي يعطينا إلكترون واحد وأيون ليثيوم بإلكترونين يشكلان أيون الليثيوم. كما نوقش سابقًا ، سوف يتدفق الإلكترون كتيار من خلال الأطراف الخارجية للبطارية وسيتدفق أيون الليثيوم من خلال المنحل بالكهرباء (فاصل) أثناء تفاعل الأكسدة والاختزال.

أساسيات بطاريات المركبات الكهربائية

الآن نحن نعرف كيف تعمل البطارية وكيف يتم استخدامها في السيارة الكهربائية ، ولكن للمتابعة من هنا نحتاج إلى فهم بعض المصطلحات الأساسية التي يتم استخدامها بشكل شائع عند تصميم حزمة بطارية. دعونا نناقشهم…

تصنيف الجهد: هناك تصنيفان شائعان للغاية يمكنك العثور عليهما لوضع علامة على البطارية وهما تصنيف الجهد والتصنيف آه. عادة ما تكون بطاريات الرصاص الحمضية من 12 فولت وبطاريات الليثيوم 3.7 فولت. وهذا ما يسمى الجهد الاسمي للبطارية. هذا لا يعني أن البطارية ستوفر 3.7 فولت عبر أطرافها طوال الوقت. ستختلف قيمة الجهد حسب سعة البطارية. سوف نناقش