بطارية السيارة الكهربائية
في هذه المقالة ، دعونا نستكشف كيف تم تصميم حزمة بطارية من أجل المركبة الكهربائية ، وما هي القيم الحيوية المرتبطة بالبطاريات التي يجب الاهتمام بها.
تستخدم السيارات الكهربائية الحديثة بطاريات الليثيوم لتشغيل سياراتها بسبب بعض الأسباب الواضحة التي سنناقشها لاحقًا ولكن ، هذه البطاريات الليثيوم لديها فقط حوالي 3.7V لكل خلية في حين يتطلب تشغيل مركبة كهربائية حوالي 300V ولتحقيق مثل هذه الفولتية العالية ، يتم دمج خلايا الليثيوم في مزيج متوازي ومتسلسل لتشكيل الوحدات ، ويتم ترتيب هذه الوحدات جنبا إلى جنب مع بعض دوائر الحماية (BMS) ونظام التبريد في غلاف ميكانيكي يسمى حزمة البطارية كما هو موضح أعلاه.
هناك ثلاث طبقات رئيسية في البطارية هي الكاثود ، الأنود والفاصل. الكاثود هو الطبقة الإيجابية للبطارية والأنود هو الطبقة السلبية للبطارية. عندما يكون الحمل متصلاً بأطراف البطارية ، يتدفق التيار (الإلكترونات) من الأنود إلى الكاثود. وبالمثل عندما يكون الشاحن متصلاً بأطراف البطارية ، يتم عكس تدفق الإلكترونات ، أي من الكاثود إلى الأنود كما هو موضح في الشكل أعلاه.
أي بطارية تعمل بواسطة تفاعل كيميائي يسمى تفاعل الأكسدة . في بعض الأحيان يسمى أيضا تفاعلات الأكسدة والاختزال. يحدث هذا التفاعل بين الأنود والكاثود من البطارية من خلال الإلكتروليت (فاصل). سيكون الجانب الأنودي من البطارية على استعداد لاكتساب الإلكترونات ومن ثم سيحدث تفاعل أكسدة وسوف يكون جانب الكاثود للبطارية على استعداد لفقدان الإلكترونات ومن ثم سيحدث تفاعل رد الفعل. بسبب نقل أيونات التفاعل من الكاثود إلى الجانب الأنود من البطارية عبر الفاصل. نتيجة لذلك سيكون هناك المزيد من الأيونات المتراكمة في الأنود. لتحييد(أي لجعله محايد) هذا الأنود يضطر إلى دفع الإلكترونات من جانبه إلى الكاثود.
لكن الفاصل يسمح فقط بتدفق الأيونات من خلاله ويمنع أي حركة إلكترونية من الأنود إلى الكاثود. لذا فالطريقة الوحيدة التي تستطيع بها البطارية نقل الإلكترونات هي من خلال أطرافها الخارجية ، وهذا هو السبب في أننا عندما نوصل حملاً إلى أطراف البطارية ، فإننا نفكر في تدفق التيار (الإلكترونات)
ماذا يوجد داخل حزمة بطارية السيارة الكهربائية؟
أنواع البطاريات
في حين أن معظم السيارات تستخدم بطاريات الليثيوم ، إلا أننا لا نقتصر عليها فقط. هناك العديد من أنواع البطاريات المتاحة. يمكن تصنيف البطاريات إلى ثلاثة أنواع.
البطاريات الأولية : هذه بطاريات غير قابلة لإعادة الشحن. حيت يمكن تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وليس العكس. مثال على ذلك استخدام البطاريات القلوية للألعاب وأجهزة التحكم عن بعد.
البطاريات الثانوية : هذه هي البطاريات التي نحن مهتمون بها للسيارات الكهربائية. ويمكنه 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 عادةً في الهواتف الجوالة والهواتف المحمولة ومعظم الأجهزة الإلكترونية المحمولة الأخرى.
بطاريات احتياطية : هي نوع خاص من البطاريات المستخدمة في تطبيقات فريدة من نوعها. وكما يذكر الاسم ، يتم الاحتفاظ بالبطاريات كاحتياطي لمعظم عمرها ، ومن ثم يكون معدل التفريغ الذاتي منخفضًا للغاية.
الكيمياء الأساسية للبطارية
أي بطارية تعمل بواسطة تفاعل كيميائي يسمى تفاعل الأكسدة . في بعض الأحيان يسمى أيضا تفاعلات الأكسدة والاختزال. يحدث هذا التفاعل بين الأنود والكاثود من البطارية من خلال الإلكتروليت (فاصل). سيكون الجانب الأنودي من البطارية على استعداد لاكتساب الإلكترونات ومن ثم سيحدث تفاعل أكسدة وسوف يكون جانب الكاثود للبطارية على استعداد لفقدان الإلكترونات ومن ثم سيحدث تفاعل رد الفعل. بسبب نقل أيونات التفاعل من الكاثود إلى الجانب الأنود من البطارية عبر الفاصل. نتيجة لذلك سيكون هناك المزيد من الأيونات المتراكمة في الأنود. لتحييد(أي لجعله محايد) هذا الأنود يضطر إلى دفع الإلكترونات من جانبه إلى الكاثود.
لكن الفاصل يسمح فقط بتدفق الأيونات من خلاله ويمنع أي حركة إلكترونية من الأنود إلى الكاثود. لذا فالطريقة الوحيدة التي تستطيع بها البطارية نقل الإلكترونات هي من خلال أطرافها الخارجية ، وهذا هو السبب في أننا عندما نوصل حملاً إلى أطراف البطارية ، فإننا نفكر في تدفق التيار (الإلكترونات)
أساسيات كيمياء بطارية الليثيوم : سنركز في هذه الفقرة على بطاريات الليثيوم لأنها أكثر ملائمة للمركبات الكهربائية ونغوص أكتر في الكيمياء هذه البطاريات. هناك أنواع عديدة من بطاريات الليثيوم : النيكل والكوبالت الألومنيوم (NCA) ، والكوبالت الليثيوم والنيكل والمنغنيز (NMC) ، والليمين والمنغنيز الإسبنيل (LMO) ، والليثيوم تيتانات (LTO) ، الليثيوم والحديد الفوسفات (LFP) هي المعروفة أكثر.
لكل كيمياء خصائصها الخاصة التي سنوضحها في الصورة التالية :
أساسيات بطاريات السيارات الكهربائية
الآن نعرف كيف تعمل البطارية وكيف يتم استخدامها في سيارة كهربائية ، ولكن لكي ننطلق من هنا ، نحتاج إلى فهم بعض المصطلحات الأساسية المستخدمة بشكل شائع عند تصميم حزمة البطارية.الجهد الكهربائي المُقدر: هناك قيمتان شائعتان جدًا يمكنك العثور عليهما موضحة على البطارية وهما الفولطية المقننة وقيمة أمبير-ساعة. بطاريات الرصاص الحمضية عادة ما تكون بطاريات الليثيوم 12 فولط و 3.7 فولط. وهذا ما يسمى الجهد الاسمي للبطارية. هذا لا يعني أن البطارية سوف توفر 3.7V في وقت. تختلف قيمة الجهد وفقًا لسعة البطارية. سنناقش المزيد حول هذا في وقت لاحق.
أمبير-ساعة mAh: بجانب تقييم الجهد قيمة أخرى هي أمبير-ساعة. مصطلح أمبير-ساعة يقف على امبير ساعة. بعض الناس يستخدمون
على سبيل المثال ، يمكن لبطارية 2 أمبير-ساعة أن تعطي 2 أمبير لمدة ساعة واحدة ، وسوف تعطي البطارية نفسها 1A لمدة ساعتين ، وإذا أخذنا 4A منه ، ستستمر البطارية لمدة 30 دقيقة فقط.
المدة = القيمة المقدرة / القيمة الحالية القيمة المقدرة
الصيغة أعلاه غير صالحة في جميع الحالات ، ولكن يجب أن تعطيك فكرة تقريبية عن مدة بطاريتك. لا يمكنك أن تتوقع إستهلاك 30 أمبير من بطارية 2 أمبير-ساعة وتستمر لمدة 3.6 دقيقة. هناك حدود للتيار الأقصى الذي يمكن للبطارية أن تعطيه ، وستكون هناك أيضًا خسائر في العملية ستؤدي دائمًا إلى تقليل مدة التشغيل. بالإضافة إلى ذلك ، لن تستهلك أي سيارة كهربائية تيارًا ثابتًا و من هنا فإن تحديد مدة تشغيل سيارتك على هذه البطارية ليست بالمهمة السهلة.
متى يجب علي التوقف عن استخدام البطارية؟
جهد القطع: إن جهد القطع هو الحد الأدنى للجهد للبطارية التي لا ينبغي أن تستخدم تحتها. لنفترض أنه بالنسبة لبطارية الليثيوم 3.7 فولط ، سيكون جهد القطع لديها حوالي 3 فولط ، وهذا يعني أنه لا يجب توصيل هذه البطارية أبدًا بالحمل عندما ينخفض جهدها 3 فولط. يمكن العثور على قيمة جهد القطع للبطارية في ورقة البيانات الخاصة بها.
إذا تم تفريغ البطارية أسفل هذا الجهد القطع ، يطلق عليه الإفراط في التفريغ. سيؤدي ذلك إلى تلف البطارية ، مما يؤثر على قدرتها وحياتها. الإفراط في تفريغ البطارية إلى إعاقة الخصائص الكيميائية للبطارية ، قد ينجم عنه دخان .
متى يجب شحن البطارية؟
جهد الشحن القصوي: هو أقصى جهد يمكن للبطارية الوصول إليه. عند شحن بطارية يزداد جهدها ، وتسمى قيمة الجهد الذي يجب أن يتوقف عنده الشحن باسم قصوي( max). إذا كانت بطارية ليثيوم مع الجهد الاسمي 3.7 فولط ، فإن أقصى الجهد الشحن يكون 4.2 فولط. يمكن العثور على هذه القيمة أيضًا في ورقة البيانات.
إذا كانت البطارية مشحونة أكثر من هذا الجهد الأقصى للشحن ، يسمى ذالك التحميل الزائد. يمكن أن يؤدي الشحن الزائد أيضًا إلى تلف البطارية بشكل دائم وقد يتسبب أيضًا في مخاطر الحريق.
توتر كهربائي لدارة كهربائية مفتوحة: جهد الدائرة المفتوحة هو قيمة الجهد المقاسة بين القطبين الموجب و السالب للبطارية التفريغ. يجب أن تكون قيمة توتر كهربائي لدارة كهربائية مفتوحة لبطارية الليثيوم دائمًا بين 3.0 فولت و 4.2 فولت من أجل بطارية صحية.
توتر كهربائي لدارة كهربائية مفتوحة: جهد الدائرة المفتوحة هو قيمة الجهد المقاسة بين القطبين الموجب و السالب للبطارية التفريغ. يجب أن تكون قيمة توتر كهربائي لدارة كهربائية مفتوحة لبطارية الليثيوم دائمًا بين 3.0 فولت و 4.2 فولت من أجل بطارية صحية.
الجهد المحدد: هو قيمة الجهد المقاسة على البطارية المشحونة. إن قيمة توتر كهربائي لدارة كهربائية مفتوحة والتوتر المحدد لن تكون متساوية ، لأنه عندما يتم توصيل الحمولة واستهلاك التيار الكهربائي بواسطة البطارية ، يميل جهدها إلى الانخفاض حسب كمية التيار المستهلكة.
ما مقدار التيار الذي يمكنني الحصول عليه من البطارية؟
التصنيف C: هذا تقييم مهم آخر عندما يتعلق الأمر بالبطاريات. يرتبط هذا التقييم ارتباطًا وثيقًا بتقييم أمبير-ساعة للبطارية. يساعدنا التصنيف C للبطارية في معرفة ما هو الحد الأقصى الحالي الذي يمكن استخلاصه من البطارية. على سبيل المثال إذا كانت البطارية هي 2 أمبير-ساعة @ 8C. ثم يعني ذلك أنه يمكن استخلاص أقصى قدر من (8 * 2) 16 أمبير من البطارية ويستمر لمدة 7.5 دقيقة. سوف تكون البطارية بحد أقصى لفعاليتها أثناء تقييمات C المنخفضة. يعتبر التطبيق الذي يكون فيه حجم البطارية صغيرًا ولكن السحب الحالي مرتفعًا جدًا (على سبيل المثال الطائرات بدون طيار) يتطلب بطاريات C عالية التصنيف.
C = أمبير-ساعة / أمبير
C = أمبير-ساعة / أمبير
المقاومة الداخلية: كل مكون له مقاومته الخاصة ، تحتوي البطارية أيضًا على بعض المقاومة بين محطتي الأنود والكاثود داخليًا. تسمى هذه المقاومة بالمقاومة الداخلية .
مثل جميع المقاومات ، هذه المقاومة تساهم أيضا في الخسائر عن طريق تبديد الحرارة. وبالتالي ، بالنسبة إلى النظام المثالي ، يجب أن تكون المقاومة الداخلية صفراً. في الممارسة العملية ، لا يمكن تصميم بطارية بمقاومة داخلية صفر ، لذلك يجب أن تكون منخفضة قدر الإمكان. قيمة المقاومة الداخلية ليست ثابتة ، فهي تختلف وفقًا لسعة البطارية وعمرها.
الطاقة المحددة: يمكن اعتبار الطاقة المحددة كطاقة يمكن الحصول عليها لكل وحدة كتلة (وزن). في وزن السيارة الكهربائية ، يعتبر وزن البطارية عاملاً مهمًا لأن المركبة يجب أن تحمل البطارية معها. لذا ، يجب أن يكون وزن البطارية منخفضًا قدر الإمكان. تشير الطاقة المحددة للبطارية إلى مقدار الطاقة (الجهد * التيار) التي يمكن أن توفرها لكل وحدة من كتلة البطارية. لذا يجب أن تكون الطاقة المحددة للبطارية عالية قدر الإمكان. تحتوي بطاريات الليثيوم على طاقة نوعية عالية جدًا .
كثافة الطاقة: تشير كثافة الطاقة إلى مقدار الطاقة التي يمكن الحصول عليها لكل وحدة حجم البطارية. هذا يعطينا فكرة عن حجم البطاريات. يمكن للبطاريات ذات الكثافة العالية من الطاقة أن توفر طاقة عالية مع مجموعة صغيرة مثل بطاريات الليثيوم - بوليمر المستخدمة في الطائرات بدون طيار.
الطاقة كيلووات ساعة: يتم التعبير عن بطاريات السيارات الكهربائية بالكيلوواط ساعة (كيلو واط / ساعة). هذا يعطي فكرة عن المدة (عدد الكيلومترات) من السيارة الكهربائية. وهو مماثل لتصنيف أمبير ساعة ، ولكن هنا نعتبر كل من الجهد والتيار. على سبيل المثال ، تحتوي بطارية Tesla على بطارية من 60 إلى 100 كيلووات في الساعة ، مما يعني أنها يمكن أن توفر طاقة تبلغ 60 واط لمدة 3 ساعات.
معدل التفريغ الذاتي: تفقد البطارية بعض طاقتها حتى عندما تكون مثالية. لا يمكن تجنب هذا بسبب خصائصها الكيميائية ، ولكن يمكن تصميمها لتقليل ذلك.
ربما نكون قد نسينا الكثير من المصطلحات القليلة ، ولكن ما أوردناه من مصطلحات هي التي تحتاج إلى معرفتها عند العمل مع البطاريات.
نظام إدارة البطارية (BMS)
يعتبر نظام إدارة البطارية أو BMS بمثابة دماغ البطارية. هي عبارة عن دائرة مدمجة مع خوارزمية تراقب الجهد والتيار ودرجة حرارة الخلايا في حزمة البطارية وتضمن أداء وسلامة الخلايا الفردية في حزمة البطارية. كما أنها مسؤولة عن موازنة قياس الشحن و SOC و SOH للخلايا وغيرها من الوظائف الهامة. دعونا نلقي نظرة على عملها
كيف تعثر على كمية الشحنة المتبقية في البطارية؟
حالة الشحن أو SOC: هي واحدة من أهم القيم التي ستتر قياسها في البطارية. كما رأينا سابقا، لا يمكن استخدام القيم من أمبير متر للبطارية فقط إذا البرنامج بحساب حالة الشحن، في مكننا تخيل مدى الأمر الهاتف عند عدم وجود معلومات حول نسبة البطارية. لا يزيد قياس سعة البطارية أمرا سهلا مثل قياس الجهد الكهربي ، وهي أن هناك عديد من العوامل تتحكم في سعة درجات الحرارة ودرجة الحرارة ومعدلات التفريغ الخ.
SOC = إجمالي حمولة الإدخال / السعة القصوى
عمق التفريغ (DOD)
عمق التفريغ (DOD) هو مقدار النسبة المئوية للشحنة المستهلكة في البطارية.
حالة الصحة (SOH)
انخفاض قدرة البطارية مع تقدم العمر سوف يقلل من المدى الذي يمكن أن تسيره السيارة الكهربائية. فقط إذا طال عمر البطارية، يمكننا معرفة وقت تغييرها. العوامل التي يعتمد عليه عمر السيارة الكهربائية درجة حرارة التشغيل C-rate التي تعمل بموجبها البطارية و دورات الشحن وما إلى ذلك. حالة البطارية تقاس بالنسبة المئوية من خلال النظر في عامل عمر البطارية. كلما زاد تقل صحة البطارية.
موازنة الخلايا البطارية الكهربائية
موازنة الخلايا هي مهمة أخرى تقوم بها BMS ، حيث أننا نعلم أن خلايا متعددة سوف يتم دمجها في سلسلة لتشكيل حزمة بطارية. يجب أن يكون الجهد الكهربي لكل الخلايا متساوياً دائماً .
سلامة الخلية
BMS يضمن أيضا الحماية البيئية والكهربائية للخلية. يراقب درجة حرارة الخلايا ويتحكم في نظام التبريد الموجود في BMS. نموذج Tesla S لديه نظام تبريد سائل (Glycol) داخل حزمة البطارية التي يتم التحكم فيها من قبل BMS. لا يقوم المبرد بتبريد البطارية فحسب بل أيضًا بتسخينها إلى درجة الحرارة الاسمية إذا لزم الأمر خلال فصل الشتاء.
وبهذا وصلنا إلى نهاية المقالة ولكن نهاية مع ما يمكن تعلمه عن البطاريات المركبات الكهربائية. لذا إذا كنت تريد أن تكون خبيرًا ، فهذا هو المكان الذي تبدأ منه. هناك الكثير لتعلمه مثل صناعة نمادج بطاريات كهربائية ، تصميم BMS و بروتوكولات اختبار البطارية وما إلى ذلك ، ولكن دعونا نحصل على كل هذه المواد لمقالة مختلفة. أعتقد أن هذه المعلومات مفيدة وأثارت اهتمامك لمعرفة المزيد عن بطاريات المركبات الكهربائية وكيف تعمل. اسمحوا لي أن أعرف أفكارك في قسم التعليقات ودعنا نلتقي في مقال آخر مثير للاهتمام حول السيارة الكهربائية.