باتری‌های خودروهای برقی درست مانند قلب انسان عمل می‌کنند؛ نیروی حیاتی‌ای که خودرو برای حرکت به آن نیاز دارد. این باتری‌ها نه تنها انرژی را به بخش‌های مختلف خودرو توزیع می‌کنند، بلکه انرژی را در خود ذخیره کرده و در زمان مناسب آن را آزاد می‌کنند. در این فصل از تیران آکادمی، بیایید به درون باتری خودرو برقی نگاهی بیندازیم. باتری‌های خودروهای برقی از چهار بخش اصلی تشکیل شده‌اند که هر کدام نقشی مهم در ایجاد و ذخیره انرژی دارند. اما جالب است بدانید که این اجزا به تنهایی کافی نیستند؛ ترکیب شیمیایی آنها نیز به همان اندازه حیاتی است. در واقع، همانطور که ضربان قلب بدون هماهنگی میان اجزای مختلف آن ممکن نیست، تولید و ذخیره انرژی در باتری‌های EV نیز بدون ترکیب دقیق و هماهنگ مواد شیمیایی آن غیرممکن است. در ادامه با 4 مورد از اجزا و ساختار باتری خودرو برقی آشنا می‌شویم:
1. اولین بخش مهم این سیستم کاتد است. کاتد نقش الکترود مثبت را برعهده دارد و از موادی مانند لیتیوم، منگنز، نیکل و کبالت ساخته شده است. این ترکیب مواد به کاتد امکان می‌دهد که هنگام شارژ، یون‌های لیتیوم را در خود ذخیره کند.
بیشتر بخوانید: با سطوح مختلف خودروهای خودران آشنا شوید
2. در سوی دیگر، آند قرار دارد که الکترود منفی باتری است. آند معمولاً از گرافیت ساخته می‌شود و مانند کاتد، حاوی لیتیوم است. وقتی خودرو در حال حرکت است و باتری تخلیه می‌شود، یون‌های لیتیوم از کاتد به سمت آند حرکت کرده و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. برعکس، هنگام شارژ، این یون‌ها از آند به کاتد بازمی‌گردند و انرژی در باتری ذخیره می‌شود.
بیشتر بخوانید: هر آنچه که باید درباره شارژ خودروهای برقی بدانید!
3. اما این جریان الکتریکی نیاز به یک عامل مهم دیگر هم دارد: الکترولیت. الکترولیت که معمولاً از محلول نمک لیتیوم به نام لیتیوم هگزا فلوروفسفات ساخته می‌شود، در واقع واسطه‌ای است که به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهد از یک الکترود به دیگری حرکت کنند.
4. و در نهایت، جداکننده (Separator) این دو الکترود را از هم جدا می‌کند. جداکننده نقش حیاتی‌ای در حفظ امنیت باتری دارد، چرا که بدون آن، برخورد مستقیم الکترودها می‌تواند منجر به حوادثی مانند کوتاه شدن مدار یا حتی آتش‌سوزی شود.
هر یک از این اجزا مانند قطعاتی از یک پازل عمل می‌کنند تا باتری خودروهای الکتریکی به درستی کار کند و انرژی لازم را تولید و ذخیره کند. این تکنولوژی پیچیده اما جذاب، آینده حمل‌ونقل ما را شکل می‌دهد، جایی که خودروها با صدای کم، کارآمد و دوستدار محیط زیست حرکت خواهند کرد.
بیشتر بخوانید: آشنایی با انواع باتری خودروهای برقی
باتری خودرو برقی چقدر دوام می‌آورد؟
میانگین طول عمر باتری‌های EV معمولاً بین 10 تا 20 سال است، اما با نگهداری صحیح و مراقبت از باتری، این مدت می‌تواند حتی بیشتر هم بشود. عواملی مانند دمای شدید یا استفاده مکرر از شارژرهای سریع ممکن است باعث فرسایش باتری شوند. اما اگر شما از ساختار باتری خودرو برقی خود به درستی مراقبت کنید، طول عمر آن چشمگیر خواهد بود.
اجزای مختلفی وجود دارند که به بهبود عملکرد باتری خودرو برقی کمک می‌کنند. یکی از این اجزا، باس بارها هستند. باس بارها به عنوان یک شبکه پخش‌کننده جریان الکتریکی عمل می‌کنند و برق را به بخش‌های مختلف خودرو انتقال می‌دهند.ساختار باتری خودرو برقی با این باس‌بارهای مدرن به شکل بهینه‌تری انرژی را منتقل کرده و از تولید گرمای بیش از حد جلوگیری می‌کند، که این مسئله به افزایش ایمنی و کارایی باتری کمک می‌کند.
در مورد سیستم تماس با سلول‌ها صحبت کنیم. این سیستم، یک فناوری مهم درساختار باتری خودرو برقی است که به توزیع یکنواخت چگالی جریان کمک می‌کند. این کار نه تنها برای عملکرد بهتر باتری‌های خودرو حیاتی است، بلکه از انواع مختلف باتری‌ها مانند باتری‌های استوانه‌ای، کیسه‌ای و منشوری پشتیبانی می‌کند. این انعطاف‌پذیری در ساختار باتری خودرو برقی، باعث می‌شود باتری‌ها در اندازه‌ها و پیکربندی‌های مختلف ماژول به خوبی عمل کنند.
بیشتر بخوانید: موقعیت‌یابی در خودروهای خودران؛ رانندگی با دقت بی‌نهایت!
قیمت باتری‌های EV
شاید بدانید که تعویض باتری می‌تواند هزینه‌بر باشد. زمانی باتری‌های EV تا 15 هزار دلار قیمت داشتند، اما خوشبختانه طی دهه گذشته، کاهش چشمگیری در قیمت آنها دیده شده است. هزینه هر کیلووات ساعت از 1160 دلار در سال 2010 به 128 دلار کاهش یافته است و پیش‌بینی می‌شود تا سال 2031 حتی به 90 دلار برسد. این کاهش قیمت یکی از دلایل رشد چشمگیر استفاده از ساختار باتری خودرو برقی است.
آیا باتری‌های EV پایدار هستند؟
این سوالی است که بسیاری از افراد به آن فکر می‌کنند. پایایی و پایداری این باتری‌ها تا حد زیادی به فلزات موجود در کاتد، به‌ویژه لیتیوم، وابسته است. هرچند که لیتیوم به میزان کافی در جهان موجود است، اما کمبود نیکل و کبالت همچنان چالشی است. خبر خوب این است که فناوری‌های جدید در حال تلاش برای حذف این فلزات هستند تا پایداری بیشتری ایجاد کنند. از نظر ایمنی، ساختار باتری خودرو برقی تلاش می‌کند تا خطرات آتش‌سوزی را به حداقل برساند. الکترولیت‌های موجود در باتری‌ها می‌توانند در دماهای بالا بسیار فرار باشند و خطر آتش‌سوزی ایجاد کنند. اما با سیستم‌های خنک‌کننده فعال و طراحی‌های پیشرفته، این خطر به طور قابل توجهی کاهش یافته است. همچنین تحقیقاتی در حال انجام است که به توسعه باتری‌های جامد می‌پردازد تا خطرات مربوط به الکترولیت‌های مایع قابل اشتعال را حذف کند و ایمنی ساختار باتری خودرو برقی را افزایش دهد.
بیشتر بخوانید: کاربرد یادگیری عمیق در خودروهای متصل
در نهایت، تحقیقات به سمت تولید باتری‌های تیغه‌ای پیش می‌رود که از فسفات لیتیوم-آهن استفاده می‌کنند. این باتری‌ها هم ارزان‌تر و هم ایمن‌تر هستند و احتمال گرمای بیش از حد در آنها بسیار کمتر است. اجزای مختلف در ساختار باتری خودرو برقی نه تنها برای بهبود عملکرد و افزایش ایمنی مهم هستند، بلکه آینده‌ای پایدارتر را برای خودروهای الکتریکی به ارمغان می‌آورند.
بیشتر بخوانید: همه‌چیز درباره باتری خودروهای برقی
طراحی باتری‌های لیتیوم یون در ساختار باتری خودرو برقی یکی از چالش‌های بزرگ در صنعت خودروهای الکتریکی است. این باتری‌ها که در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها و وسایل نقلیه استفاده می‌شوند، به دلیل قابلیت ذخیره‌سازی بالا و کارایی مناسب، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده‌اند. از 20 سال گذشته، تحولات بزرگی در این زمینه رخ داده است. باتری‌های لیتیوم یونی به تدریج جایگزین باتری‌های قدیمی سرب/اسید شدند و این تغییر در ساختار باتری خودرو برقی نقشی اساسی در توسعه خودروهای الکتریکی ایفا کرده است.
یکی از نکات مهم در طراحی این باتری‌ها، مدولار بودن آنهاست.ساختار باتری خودرو برقی مدولار این امکان را می‌دهد که فرآیند تولید سریع‌تر و مقرون به‌صرفه‌تر باشد. محققان و طراحان به دنبال راه‌حل‌های جدیدی مانند Cell-to-Pack (CTP) و Cell-to-Chassis (CTC) هستند که به کاهش قیمت باتری‌ها کمک می‌کنند. در رویکرد CTP، سلول‌ها به صورت مستقیم و بدون ماژول‌های میانی در بسته‌های باتری قرار می‌گیرند. در حالی که در CTC، سلول‌ها در ساختار باتری خودرو برقی ادغام می‌شوند. این روش‌ها می‌توانند هزینه‌های تولید باتری را که بخش بزرگی از قیمت خودروهای الکتریکی را تشکیل می‌دهند، به طور چشمگیری کاهش دهند.
در کنار بهبودهای ساختاری، یکی دیگر از چالش‌های مهم در ساختار باتری خودرو برقی بررسی آنالیز حرارتی باتری است. خنک کردن باتری برای جلوگیری از افزایش دما و آسیب‌های احتمالی اهمیت بسیاری دارد. ابزارهایی مانند نرم‌افزارهای شبیه‌سازی پیشرفته مانند Computer-Aided Engineering (CAE) و Computational Fluid Dynamics (CFD) به مهندسان کمک می‌کنند تا عملکرد حرارتی باتری‌ها را در شرایط مختلف شبیه‌سازی و تجزیه و تحلیل کنند. البته این شبیه‌سازی‌ها ممکن است هزینه‌بر و زمان‌بر باشند، اما در نهایت به بهینه‌سازی عملکرد باتری و کاهش هزینه‌های تولید کمک می‌کنند.
طراحی بهینه و ایمن باتری‌های لیتیوم یون به کمک الگوریتم‌های پیشرفته بهینه‌سازی و مدل‌سازی انجام می‌شود. پیشرفت‌های اخیر در زمینه یادگیری ماشین (ML) و دوقلوی دیجیتال (Digital Twin) نه تنها فرآیند طراحی را بهبود می‌بخشند، بلکه مدیریت و بهره‌وری باتری‌ها را نیز به سطح جدیدی می‌رسانند. در نهایت، همانطور که تقاضا برای خودروهای برقی افزایش می‌یابد، طراحی و بهینه‌سازی ساختار باتری خودرو برقی نیز اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. از خنک‌کننده‌های پیشرفته گرفته تا ابزارهای شبیه‌سازی و مدل‌سازی، همه در کنار هم برای ایجاد باتری‌های کارآمدتر و ایمن‌تر عمل می‌کنند. این فرآیندها نه تنها به بهبود عملکرد خودروهای الکتریکی کمک می‌کنند، بلکه مسیر را برای آینده‌ای سبز تر و پایدارتر هموار می‌سازند.
[1] https://ennovi.com/electric-vehicle-batteries-components/#:~:text=An%20EV%20battery%20has%20four,salt%20solution%20called%20lithium%20hexafluorophosphate
[2] Cell Contacting System
[3] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X23025951
[4] https://www.scopus.com/home.uri
[5] High-concentration aqueous electrolytes are attractive for deployments in future lithium-ion batteries due to high safety, environmental friendliness, and wide voltage window. It is of great significance to understand the Li-ion behaviors in high concentration conditions for both mechanistic studies and commercial applications. Herein, by analyzing cyclic voltammetry and voltage profiles using a customized single-particle model, we clarify the Li-ion thermodynamic and kinetic behaviors in aqueous electrolytes at various concentrations using LiFePO4 as the active electrode. With the increase of the electrolyte concentration, the equilibrium potentials of LiFePO4 shift to higher values, which is attributed to the increased Li-ion activity and activity coefficient induced by the formation of polymeric solution structure ((Li+(H2O)2)n) at high concentrations. To further quantify the interface reaction constants (k0) and the activation energy (Ea), theoretical simulations based upon experimental data are carried out, identifying that the sluggish Li-ion desolvation process is the main contributor to the slower interface kinetics in high concentration electrolytes. Other factors affecting the Li-ion interface process, including temperature, scan rate, and type of anion, are also evaluated here. These fundamental understandings are of great value to the development of high-concentration aqueous electrolyte, in a cost-effective, sustainable and efficient way.
[6] state of charge
[7] Electric equivalent circuit models
[8] Finite Element Methods (FEM)
[9] Computer-Aided Engineering (CAE)
دیدگاه خود را بنویسید