باتری های خودروهای برقی و هیبریدی

در عصر کنونی صنعت خودروسازی با سرعتی فزاینده به سمت برقی سازی پیش می رود. در این میان خودروهای برقی و هیبریدی به عنوان دو راهکار کلیدی برای کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی و آلایندگی محیط زیست جایگاه ویژه ای یافته اند. قلب تپنده این خودروها باتری است که به عنوان منبع اصلی انرژی الکتریکی نقش حیاتی در عملکرد و کارایی آن ها ایفا می کند. اما آیا باتری های استفاده شده در خودروهای برقی و هیبریدی یکسان هستند؟ پاسخ منفی است. اگرچه هر دو نوع خودرو از باتری به عنوان بخشی از سیستم پیشرانه خود بهره می برند تفاوت های بنیادینی در نوع طراحی ظرفیت و عملکرد باتری های آن ها وجود دارد که مستقیماً بر تجربه رانندگی برد حرکتی و هزینه های مالکیت تاثیر می گذارد. برای آشنایی با باتری خودرو های برقی پیشنهاد می کنیم این مقاله را تا انتها مطالعه نمایید و در صورتی که به اطلاعات بیشتر نیاز داشتید می توانید از مجموعه اورجینال باتری کمک بگیرید.

معماری متفاوت نیازهای متفاوت : نگاهی به سیستم های پیشرانه

برای درک بهتر تفاوت های باتری در خودروهای برقی و هیبریدی ابتدا لازم است نگاهی گذرا به معماری سیستم های پیشرانه این دو نوع خودرو داشته باشیم.

خودروهای برقی (EVs) به طور کامل به نیروی الکتریکی متکی هستند. آن ها فاقد موتور احتراق داخلی بوده و صرفاً از یک یا چند موتور الکتریکی برای به حرکت درآوردن چرخ ها استفاده می کنند. انرژی مورد نیاز این موتورها از یک بسته باتری بزرگ تامین می شود که معمولاً در کف خودرو نصب می گردد. خودروهای برقی برای شارژ مجدد باتری به منابع خارجی برق مانند ایستگاه های شارژ یا پریزهای خانگی متصل می شوند.

در مقابل خودروهای هیبریدی ترکیبی از یک موتور احتراق داخلی (ICE) و یک موتور الکتریکی را به کار می گیرند. این خودروها می توانند به صورت موازی (که هر دو موتور به طور همزمان یا جداگانه چرخ ها را به حرکت در می آورند) یا سری (که موتور بنزینی فقط برای تولید برق برای موتور الکتریکی و شارژ باتری استفاده می شود) طراحی شوند. باتری در خودروهای هیبریدی نقش کمکی را ایفا می کند و معمولاً ظرفیت بسیار کمتری نسبت به باتری خودروهای برقی دارد. هدف اصلی باتری در خودروهای هیبریدی بهبود راندمان سوخت و کاهش آلایندگی در شرایط خاص رانندگی مانند ترافیک شهری یا شتاب گیری اولیه است.

قلب تپنده خودروهای برقی : باتری های پرظرفیت لیتیوم-یون

خودروهای برقی به باتری های پرظرفیت و پیشرفته نیاز دارند تا بتوانند برد حرکتی قابل قبولی را ارائه دهند. رایج ترین نوع باتری مورد استفاده در خودروهای برقی باتری های لیتیوم-یون هستند. این نوع باتری به دلیل چگالی انرژی بالا (نسبت انرژی ذخیره شده به حجم و وزن باتری) طول عمر قابل قبول و راندمان شارژ بالا به گزینه غالب در صنعت خودروهای برقی تبدیل شده است.

باتری های لیتیوم-یون خود دارای زیرشاخه های مختلفی هستند که بر اساس مواد شیمیایی کاتد (قطب مثبت) و آند (قطب منفی) به کار رفته در آن ها دسته بندی می شوند. برخی از رایج ترین انواع باتری های لیتیوم-یون مورد استفاده در خودروهای برقی عبارتند از :

• نیکل-کبالت-منگنز (NCM) و نیکل-کبالت-آلومینیوم (NCA) : این نوع باتری ها به دلیل چگالی انرژی بسیار بالا و عملکرد خوب به طور گسترده در خودروهای برقی با برد بلند استفاده می شوند. با این حال هزینه تولید آن ها نسبتاً بالا است و نگرانی هایی در مورد پایداری حرارتی و ایمنی آن ها وجود دارد.
• لیتیوم-آهن-فسفات (LFP) : باتری های LFP به دلیل ایمنی بالاتر طول عمر طولانی تر و هزینه تولید پایین تر به عنوان یک جایگزین جذاب برای باتری های NCM/NCA مطرح شده اند. با این حال چگالی انرژی آن ها نسبت به NCM/NCA پایین تر است که منجر به برد حرکتی کمتر در خودروهای برقی با حجم باتری مشابه می شود.

مشخصات فنی کلیدی باتری های خودروهای برقی :

• ظرفیت (Capacity) : ظرفیت باتری که با واحد کیلووات ساعت (kWh) اندازه گیری می شود نشان دهنده میزان انرژی الکتریکی قابل ذخیره در باتری است. ظرفیت باتری مستقیماً بر برد حرکتی خودرو تاثیر می گذارد. هرچه ظرفیت باتری بیشتر باشد برد حرکتی خودرو نیز بیشتر خواهد بود.
• ولتاژ (Voltage) : ولتاژ باتری در خودروهای برقی معمولاً بالا است (مثلاً ۴۰۰ ولت یا ۸۰۰ ولت) تا بتواند توان مورد نیاز موتورهای الکتریکی را تامین کند. ولتاژ بالاتر به جریان کمتر برای انتقال توان مشابه منجر می شود که می تواند به کاهش تلفات انرژی و بهبود راندمان سیستم کمک کند.
• جریان (Current) : جریان باتری نشان دهنده میزان الکترون هایی است که در واحد زمان از باتری خارج می شوند. جریان باتری در هنگام شتاب گیری و رانندگی با سرعت بالا افزایش می یابد.
• چگالی انرژی (Energy Density) : همانطور که اشاره شد چگالی انرژی نشان دهنده میزان انرژی ذخیره شده در واحد حجم یا وزن باتری است. چگالی انرژی بالاتر به معنای برد حرکتی بیشتر با حجم و وزن باتری کمتر است که برای خودروهای برقی بسیار مهم است.
• چگالی توان (Power Density) : چگالی توان نشان دهنده سرعت تخلیه انرژی از باتری است. چگالی توان بالاتر به معنای توان خروجی بیشتر و شتاب گیری سریع تر خودرو است.
• چرخه های شارژ و دشارژ (Charge and Discharge Cycles) : طول عمر باتری بر اساس تعداد چرخه های شارژ و دشارژ اندازه گیری می شود. یک چرخه شارژ و دشارژ کامل به معنای شارژ کامل باتری از صفر درصد و سپس تخلیه کامل آن تا صفر درصد است. باتری های خودروهای برقی معمولاً برای هزاران چرخه شارژ و دشارژ طراحی می شوند.
• سیستم مدیریت باتری (BMS – Battery Management System) : BMS یک سیستم الکترونیکی پیچیده است که وظیفه پایش و کنترل عملکرد باتری را بر عهده دارد. BMS پارامترهای مختلفی مانند ولتاژ جریان دما و وضعیت شارژ سلول های باتری را به طور مداوم اندازه گیری می کند و از شارژ و دشارژ بیش از حد گرم شدن بیش از حد و سایر شرایط نامطلوب که می تواند به باتری آسیب برساند جلوگیری می کند. BMS نقش حیاتی در ایمنی طول عمر و عملکرد باتری خودروهای برقی ایفا می کند.
• مدیریت حرارتی (Thermal Management) : باتری های لیتیوم-یون در هنگام شارژ و دشارژ گرما تولید می کنند. دمای نامناسب می تواند بر عملکرد طول عمر و ایمنی باتری تاثیر منفی بگذارد. به همین دلیل خودروهای برقی از سیستم های مدیریت حرارتی پیشرفته برای حفظ دمای باتری در محدوده مطلوب استفاده می کنند. این سیستم ها ممکن است شامل خنک کننده های مایع فن ها و گرم کننده ها باشند.

نقش کمکی باتری در خودروهای هیبریدی : تمرکز بر راندمان

در مقابل خودروهای برقی باتری در خودروهای هیبریدی نقش مکمل را ایفا می کند. ظرفیت باتری در خودروهای هیبریدی به طور قابل توجهی کمتر از خودروهای برقی است و معمولاً برای رانندگی تمام الکتریکی در مسافت های کوتاه (معمولاً چند کیلومتر) و بهبود راندمان سوخت در شرایط خاص طراحی شده است.

دو نوع اصلی باتری در خودروهای هیبریدی استفاده می شود :

• نیکل-متال هیدرید (NiMH) : باتری های NiMH برای سال ها به طور گسترده در خودروهای هیبریدی استفاده می شدند. آن ها به دلیل ایمنی بالا و هزینه تولید نسبتاً پایین تر گزینه مناسبی برای خودروهای هیبریدی اولیه بودند. با این حال چگالی انرژی آن ها نسبت به باتری های لیتیوم-یون پایین تر است و اثر حافظه (کاهش ظرفیت در صورت شارژ و دشارژ ناقص) دارند.

• لیتیوم-یون (Lithium-ion) : امروزه باتری های لیتیوم-یون به طور فزاینده ای در خودروهای هیبریدی نیز مورد استفاده قرار می گیرند. اگرچه ظرفیت آن ها در خودروهای هیبریدی معمولاً کمتر از خودروهای برقی است اما چگالی انرژی بالاتر و راندمان بهتر آن ها نسبت به باتری های NiMH باعث شده تا به گزینه محبوب تری تبدیل شوند. خودروهای هیبریدی مدرن به ویژه هیبریدی های پلاگین (PHEV) اغلب از باتری های لیتیوم-یون با ظرفیت بیشتر نسبت به هیبریدی های معمولی استفاده می کنند تا بتوانند برد حرکتی تمام الکتریکی طولانی تری را ارائه دهند.

مشخصات فنی کلیدی باتری های خودروهای هیبریدی :

• ظرفیت (Capacity) : ظرفیت باتری در خودروهای هیبریدی معمولاً بین ۱ تا ۲۰ کیلووات ساعت متغیر است بسته به نوع هیبرید (هیبریدی ملایم هیبریدی کامل هیبریدی پلاگین). هیبریدی های ملایم ظرفیت بسیار کمتری دارند (کمتر از ۱ کیلووات ساعت) و فقط برای کمک به موتور بنزینی در هنگام شتاب گیری و استارت-استاپ استفاده می شوند. هیبریدی های پلاگین ظرفیت بیشتری دارند (تا ۲۰ کیلووات ساعت) و می توانند برد حرکتی تمام الکتریکی قابل توجهی را ارائه دهند.
• ولتاژ (Voltage) : ولتاژ باتری در خودروهای هیبریدی معمولاً پایین تر از خودروهای برقی است و معمولاً بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ ولت متغیر است.
• چگالی انرژی و توان : به دلیل ظرفیت کمتر و نقش کمکی باتری در خودروهای هیبریدی چگالی انرژی و توان باتری های هیبریدی معمولاً کمتر از باتری های خودروهای برقی است.
• سیستم مدیریت باتری (BMS) : خودروهای هیبریدی نیز از BMS برای پایش و کنترل باتری استفاده می کنند اما پیچیدگی BMS در خودروهای هیبریدی معمولاً کمتر از خودروهای برقی است زیرا باتری در خودروهای هیبریدی تحت تنش حرارتی و چرخه های شارژ و دشارژ شدید کمتری قرار می گیرد.
• مدیریت حرارتی : سیستم های مدیریت حرارتی در خودروهای هیبریدی معمولاً ساده تر از خودروهای برقی هستند و اغلب از خنک کننده هوا به جای خنک کننده مایع استفاده می کنند به دلیل ظرفیت کمتر باتری و تولید گرمای کمتر.

مقایسه جامع : تفاوت های کلیدی باتری های خودروهای برقی و هیبریدی

تجربه کاربری و ملاحظات عملی

تفاوت های فنی در باتری های خودروهای برقی و هیبریدی مستقیماً بر تجربه رانندگی و ملاحظات عملی مالکیت این خودروها تاثیر می گذارد :

• برد حرکتی : خودروهای برقی به لطف باتری های پرظرفیت برد حرکتی بسیار بیشتری نسبت به خودروهای هیبریدی ارائه می دهند. این امر خودروهای برقی را برای مسافرت های طولانی و استفاده روزمره بدون نگرانی از اتمام شارژ مناسب تر می سازد. خودروهای هیبریدی به دلیل برد حرکتی تمام الکتریکی محدود بیشتر برای رانندگی های شهری کوتاه و کاهش مصرف سوخت در مسافت های طولانی تر مناسب هستند.
• شارژ و زیرساخت : خودروهای برقی به شارژ منظم از طریق ایستگاه های شارژ یا پریزهای خانگی نیاز دارند. زیرساخت شارژ در حال توسعه است اما هنوز در بسیاری از مناطق به اندازه کافی گسترده نیست. خودروهای هیبریدی معمولی نیازی به شارژ خارجی ندارند و باتری آن ها در حین رانندگی توسط موتور بنزینی و ترمزهای احیاکننده شارژ می شود. هیبریدی های پلاگین امکان شارژ خارجی را نیز دارند اما همچنان می توانند بدون شارژ خارجی به عنوان یک هیبریدی معمولی عمل کنند.
• عملکرد و راندمان : خودروهای برقی به دلیل توان خروجی بالای موتورهای الکتریکی معمولاً شتاب گیری سریع تر و عملکرد بهتری نسبت به خودروهای هیبریدی ارائه می دهند. خودروهای هیبریدی بر راندمان سوخت و کاهش آلایندگی تمرکز دارند و عملکرد آن ها ممکن است به اندازه خودروهای برقی اسپرت نباشد.
• هزینه : هزینه باتری بخش قابل توجهی از قیمت خودروهای برقی را تشکیل می دهد. به همین دلیل خودروهای برقی معمولاً گران تر از خودروهای هیبریدی و خودروهای بنزینی مشابه هستند. با این حال هزینه سوخت و نگهداری خودروهای برقی معمولاً پایین تر است که می تواند در بلندمدت هزینه های مالکیت را متعادل کند. خودروهای هیبریدی معمولاً ارزان تر از خودروهای برقی هستند اما هزینه سوخت آن ها همچنان بالاتر از خودروهای برقی است.
• ملاحظات زیست محیطی : خودروهای برقی به دلیل عدم انتشار آلایندگی از اگزوز به عنوان راهکاری دوستدار محیط زیست شناخته می شوند. با این حال تولید باتری و تامین برق برای شارژ خودروهای برقی نیز می تواند آثار زیست محیطی داشته باشد. خودروهای هیبریدی به دلیل استفاده از موتور بنزینی همچنان آلایندگی تولید می کنند اما مصرف سوخت کمتر و آلایندگی کمتری نسبت به خودروهای بنزینی معمولی دارند.

آینده باتری ها : نوآوری و پیشرفت

صنعت باتری سازی به سرعت در حال پیشرفت است و نوآوری های متعددی در زمینه مواد شیمیایی باتری طراحی سلول و سیستم های مدیریت باتری در حال توسعه هستند. برخی از روند های کلیدی در آینده باتری های خودروهای برقی و هیبریدی عبارتند از :

• باتری های حالت جامد (Solid-State Batteries) : این نوع باتری ها به جای الکترولیت مایع از الکترولیت جامد استفاده می کنند. باتری های حالت جامد وعده چگالی انرژی بسیار بالاتر ایمنی بیشتر و سرعت شارژ سریع تر را می دهند. انتظار می رود باتری های حالت جامد در آینده نزدیک جایگزین باتری های لیتیوم-یون مایع شوند.
• شیمی های جدید باتری : تحقیقات گسترده ای بر روی شیمی های جدید باتری مانند باتری های لیتیوم-سولفور و باتری های فلز-هوا در حال انجام است. این نوع باتری ها پتانسیل چگالی انرژی بسیار بالاتر و هزینه تولید پایین تر را دارند.
• بهبود سیستم های مدیریت باتری (BMS) : پیشرفت در الکترونیک قدرت و هوش مصنوعی منجر به توسعه BMS های هوشمندتر و کارآمدتر خواهد شد. BMS های آینده قادر خواهند بود عملکرد باتری را بهینه کنند طول عمر آن را افزایش دهند و ایمنی را بهبود بخشند.
• بازیافت باتری : با افزایش تعداد خودروهای برقی و هیبریدی بازیافت باتری های فرسوده به یک موضوع مهم تبدیل خواهد شد. توسعه فرآیندهای بازیافت کارآمد و پایدار برای بازیابی مواد ارزشمند از باتری ها و کاهش اثرات زیست محیطی آن ها از اولویت های صنعت باتری سازی است.

جمع بندی

باتری ها به عنوان قلب تپنده خودروهای برقی و هیبریدی نقش اساسی در تعیین عملکرد برد حرکتی و تجربه کاربری این خودروها ایفا می کنند. در حالی که هر دو نوع خودرو از باتری استفاده می کنند تفاوت های بنیادینی در ظرفیت نوع طراحی و سیستم های مدیریت باتری های آن ها وجود دارد که متناسب با نیازها و اهداف متفاوت سیستم های پیشرانه آن ها طراحی شده اند. خودروهای برقی به باتری های پرظرفیت و پیشرفته برای ارائه برد حرکتی طولانی و عملکرد تمام الکتریکی متکی هستند در حالی که خودروهای هیبریدی از باتری های کوچک تر و کمکی برای بهبود راندمان سوخت و کاهش آلایندگی بهره می برند. با پیشرفت سریع فناوری باتری انتظار می رود شاهد بهبودهای چشمگیری در عملکرد هزینه و پایداری باتری های خودروهای برقی و هیبریدی در آینده نزدیک باشیم که این امر نقش مهمی در تسریع گذار به سمت حمل و نقل پایدارتر ایفا خواهد کرد.

پرسش و پاسخ 

1- آیا باتری خودروهای برقی و هیبریدی قابل تعویض هستند؟

بله باتری های خودروهای برقی و هیبریدی قابل تعویض هستند. اما تعویض باتری یک فرآیند پیچیده و پرهزینه است که معمولاً توسط متخصصان و در مراکز خدمات مجاز انجام می شود. هزینه تعویض باتری خودروهای برقی به دلیل ظرفیت بالا و فناوری پیشرفته آن ها معمولاً بسیار بیشتر از خودروهای هیبریدی است.

2- طول عمر باتری خودروهای برقی و هیبریدی چقدر است؟

طول عمر باتری خودروهای برقی و هیبریدی به عوامل مختلفی مانند نوع باتری نحوه استفاده و شرایط آب و هوایی بستگی دارد. به طور کلی باتری های خودروهای برقی و هیبریدی مدرن برای ۸ تا ۱۰ سال یا ۱۶۰,۰۰۰ تا ۲۴۰,۰۰۰ کیلومتر طراحی شده اند. با این حال پس از این مدت باتری همچنان قابل استفاده خواهد بود اما ممکن است ظرفیت و عملکرد آن به تدریج کاهش یابد.

3- آیا باتری خودروهای برقی و هیبریدی ایمن هستند؟

باتری های خودروهای برقی و هیبریدی به دلیل استفاده از مواد شیمیایی قابل اشتعال پتانسیل خطر آتش سوزی و انفجار را دارند. با این حال خودروسازان اقدامات ایمنی متعددی را برای کاهش این خطرات در نظر گرفته اند از جمله استفاده از سیستم های مدیریت باتری (BMS) پیشرفته مدیریت حرارتی کارآمد و طراحی های مقاوم در برابر تصادف. در صورت رعایت نکات ایمنی و نگهداری صحیح باتری های خودروهای برقی و هیبریدی می توانند بسیار ایمن باشند.