باتری خودروی هیبرید را بهتر بشناسیم!

به گزارش خبرنگار  پایگاه خبری «خودروپلاس»،  بر خلاف آنچه بسیاری تصور میکنند , ساختار خودروهای هیبریدی و الکتریکی با هم تفاوت بسیاری دارند . زیرا در طراحی انها دو هدف متفاوت وجود دارد . در باتریهای خودروهای الکتریکی هدف ، ذخیره انرژی برای مسافتی طولانی است , در صورتیکه در خودروهای هیبریدی به پشتوانه موتور احتراق داخلی نیاز به چنین باتری بزرگی نیست . اگر دوست دارید در مورد باتریهای این خودروها  بیشتر بدانید در ادامه با خودرو پلاس  همراه باشید .

باتری‌ها وظیفه‌ی تأمین توان الکتریکی مورد نیاز خودروهای تمام برقی و هیبریدی را بر عهده دارند . باتری‌های موجود در خودروهای تمام برقی و هیبریدی ،  علاوه بر ایفای نقش منبع انرژی برای پیشرانه‌ی خودرو، همانند پمپ سوخت‌رسانی البته از نوع الکتریکی ایفای نقش دارند در خودروهای هیبریدی با توجه به اینکه توان مورد نیاز پیشرانه ، مشابه خودروهای تمام برقی است، لیکن باتری این نوع از خودروها ، ظرفیت ذخیره‌ی انرژی کمتری دارند. در خودرو‌های هیبریدی ، باتری هیبرید متشکل از چند سلول می باشد .  سلول‌های باتری براساس مدل، با تعدادی مشخص به صورت سری و یا موازی با هم بسته شده و پک باتری خودرو را می سازند. در سلول‌های باتری که بصورت سری متصل شده اند ، ولتاژ هر سلول به سلول دیگر افزوده می‌شود اما اگر سلول‌ها را بصورت موازی به یکدیگر متصل شوند ، با اضافه شدن عدد آمپر ساعت هر سلول به سلول دیگر، ظرفیت باتری افزایش می‌یابد. در خودروهای هیبریدی قابل شارژ، برای رسیدن به ولتاژ و ظرفیت مورد نیاز برای باتری خودرو، بیشتر از ترکیب موازی سلول‌ها استفاده می‌شود. به همین دلیل، هریک از  سلول های باتری‌ مورد استفاده در این گروه خودروها  به نحوی طراحی شده‌اند که بتوانند در هر لحظه توان قابل توجهی را آزاد کنند در حالیکه، سلول‌های مورد استفاده در باتری های خودروهای تمام برقی،  برای نگه‌داری طولانی مدت انرژی به منظور افزایش مسافت حرکتی خودرو ساخته می‌شوند. نسبت توان خروجی باتری به ظرفیت آن (وات به وات‌ساعت) مبنای تفاوت این باتری‌هاست. خودروهای تمام برقی، برخلاف خودروهای هیبریدی و خودروهای پلاگین هیبریدی که از ترکیب موتور الکتریکی و بنزینی در کنار هم بهره می‌برند، صرفاً از موتور الکتریکی جهت نیروی پیشرانه استفاده می‌کنند. مشکل این نوع از خودروها، وابستگی صددرصدی خودرو به باتری است که ظرفیت آن با سوخت‌های طبیعی قابل قیاس نمی‌باشد. در خودروهای تمام برقی، مسافت پیموده شده طی هر بار شارژ، کمتر از مسافتی است که خودرو موتور احتراق داخلی طی می‌کند.

طراحان باتری خودروهای برقی و هیبریدی ،  نیز در اولین گام طراحی این باتریها ، نسبت توان به انرژی باتری را مشخص می‌کنند. در خودروهای هیبریدی ، تولید حداکثر توان در بازه‌های زمانی کوتاه توسط باتری خودرو،  به معنی نیاز به شدت جریان زیاد است و برای عبور شدت جریان بالا،  به کابلهایی با قطر بالا نیاز است.

معرفی باتری خودروهای هیبریدی

با توجه به اینکه در ایران ، تعداد خودروهای هیبریدی به مراتب بیشتر از خودروهای تمام برقی می باشد لذا نگهداری از باتری هیبرید خودرو و خرابی های ناشی از باتری هیبرید در این نوع خودرو ها ، دغدغه مصرف کنندگان می باشد که بررسی انواع این باتری ها ،  ویژگی های آن و نگهداری و خرابی های آن می پردازیم. طی طبقه بندی خودروهای هیبریدی ، می توان این نوع خودروها را به سه گروه  پلاگین هیبرید ، تمام هیبرید و نیمه هیبرید تقسیم نمود. خودرو  پلاگین هیبرید ،  خودرویی است که توسط نیروی حاصل از یک موتور بنزینی و یک موتورو برقی حرکت می‌کند. برای شارژ کردن این نوع وسیله نقلیه، باید از یک منبع خارجی کمک گرفت. در خودروی هیبرید کامل، نیازی به یک منبع خارجی برای شارژ کردن نیست. در این نوع اتومبیل ها ، دو موتور بنزینی و الکتریکی با یک دیگر همکاری می‌کنند . در خودروهای نیمه هیبرید ، یک موتور الکتریکی کوچک با ظرفیت کم (12 ولتی، 24 ولتی یا 48 ولتی)، برای پشتیبانی از موتور بنزینی به خودرو اضافه می‌شود. این کار، یک نوع استارت ژنراتور یک دست محسوب می‌شود. به طور کلی در صنعت خودرو از باتری های سرب اسیدی و باتری های نیکل فلزی و نیکل کادیوم و لیتیوم یون استفاده شده است که امروز در خودروهای هیبریدی، باتری های  لیتیوم یون کاربرد فراوانی دارند . باتری های  لیتیوم یونی در ابتدا برای استفاده در لپ تاپ ها و لوازم الکترونیکی تولید و تجاری سازی شدند. این باتریها با چگالی انرژی بالا و عمر طولانی چرخه، کاندیدای اصلی استفاده در خودروهای هیبریدی  شده اند. باتری های لیتیوم یون اولین بار در سال 1997 در خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار گرفتند. هم اکنون شرکت های مختلف خودروسازی در حال آزمایش و بهبود باتریهای لیتیون یون هستند. داده های جدید نشان داده است که قرار گرفتن در معرض گرما و استفاده از شارژ سریع باعث خراب شدن باتری های لیتیوم یون زودتر از سن و استفاده واقعی آن می شود. با پیشرفت تکنولوژی ساخت این باتری ها  ، آنها می توانند 4000 چرخه سیکل را داشته باشند. همچنین طول عمر آنها به  10 سال و امکان پیمایش مسافت 1 میلیون کیلومتر افزایش یافته است.

از جمله خودروهای هیبریدی که از فن آوری باتری های لیتومی در سیستم پیشرانه موتور استفاده می کنند می توان به تویوتا پریوس ، کیا اپتیما هیبرید ، هیوندای سوناتا ال اف هیبریدی ،  لکسوس NX300 و بی ام و I8 هیبریدی اشاره نمود.

باتری هیبرید مزیت ها و مشکلات آن

از مزایای باتری‌های لیتیوم یونی در مقایسه با سایر باتری‌ها ،  باید به ولتاژ کاری بالا (در حدود 6/3 ولت)،‌ انرژی ویژه بالا، عمر چرخه طولانی، نرخ خود تخلیه پایین اشاره نمود. در صورتی که میزان خود تخلیه شارژ  برای باتری‌های نیکل فلزی و باتری‌های نیکل کادمیوم به مراتب بالاتر است . همچنین کاهش اثر حافظه (پدیده ای که موجب کاهش ظرفیت باتری که در اثر شارژ مداوم می‌شود) و قابلیت تهیه باتری‌های لیتیوم یونی در طرح‌ها و چیدمان‌های مختلف و همچنین عدم ایجاد آلودگی زیست‌محیطی از برتری های باتری های لیتیوم یونی می باشند.

از مشکلات این نوع باتری ها ، هزینه تولید باتری‌های لیتیوم یونی است که چندین برابر باتری‌های اسیدی و نیکلی است. در حال حاضر اقدامات بسیاری در زمینه کاهش هزینه‌های بالای تهیه مواد اولیه، پردازش مواد، ساخت سلول و بسته‌بندی آن‌ها در کارخانجات تولید باتری انجام شده است . علاوه بر آن، باتری‌های لیتیوم یونی به تنهایی ایمن نیستند و عواملی نظیر اتصال کوتاه، شارژ و دشارژ بیش از حد و درجه حرارت بالا می‌تواند منجر به حوادثی نظیر آتش‌سوزی و انفجار در آن‌ها گردد، به همین دلیل، مراکز آکادمیک در دنیا ،  با تمرکز بر روی کاهش هزینه های تولید، افزایش ایمنی و طول عمر باتری‌ها را در برنامه تولید قرار داده اند.

از  دیگر از مشکلات باتری‌های لیتیومی اختلال در مواد تشکبل دهنده باتری است که  با نفوذ به قسمت جداکننده صفحات ، سبب اتصال کوتاه، شعله و انفجار باتری می‌شوند. البته این اختلال به ندرت اتفاق می افتد.

از عواملی که بر  وضعیت شارژ و دما باتری لیتیومی تأثیر گذار می باشد مقاومت درونی این باتری ها است در ادامه  به شرح مختصری پیرامون آن می پردازیم. مقاومت درونی عبارت از مجموع مقاومت‌های درونی و مقاومت یونی است و به ‌عنوان نیروی مخالف جریان در داخل باتری تعریف می‌شود. مقاومت درونی، در عمل به سایز باتری، خواص شیمیایی، میزان چرخه‌های سیکل‌گذاری شده، دما و جریان تخلیه بستگی دارد. مقاومت الکتریکی، مقاومت مواد فعال در اجزای داخلی باتری است که در تماس با یکدیگر قرار دارند.. این مقاومت در اثر عوامل مختلف الکتروشیمیایی مثل هدایت الکترولیت، تحرک یون‌ها و مساحت سطح الکترودها پدیدار می‌شود.

عامل دیگر که موجب اتلاف ظرفیت و کاهش توان باتری می شود ناشی از  تعدد شارژ باتری است که باعث اختلال شیمیایی درون باتری شده و  دشارژ خودبه‌خودی محتمل‌تر است. . این افزایش در تعدد  شارژ باتری ، اکسیداسیون الکترولیت و افزایش مقاومت درونی را به دنبال خواهد داشت .

همچنین اختلالی به نام فراشارژ به معنی شارژ شدن سلول در ولتاژهای بالاتر از ولتاژ مشخصه باتری وجود دارد . در این مورد عمر باتری به‌شدت کاهش می‌یابد. در حین فراشارژ، انرژی الکتریکی به داخل باتری منتقل می‌شود، ولی به دلیل افزایش شدید مقاومت درونی و اتلاف انرژی الکتریکی وقوع فراشارژ، تجزیه چسب و الکترولیت نیز رخ می‌دهد. تجزیه الکترولیت باعث باعث تولید گاز شده ، که این گاز فشار درون سلول را افزایش می‌دهد و به باتری آسیب می‌رساند.

باتری خودروی هیبرید ، در هوای سرد راندمان کمتری پیدا می کند. لذا برای به حداکثر رساندن کارایی ، در دوره استفاده باتری در زمستان،  در زمان رانندگی خودرو در حالت اسپرت  رانده شود  تا بیشترین انرژی ممکن بازیابی گردد . البته در خودروهای هیبریدی ، سیستمی جهت حفظ شرایط باتری و افزایش عمر باتری در نظر گرفته شده است . کنترل و مدیریت عملکرد باتری را سیستم مدیریت باتری یا BMS  می نامند . BMS  که کنترل کننده حسگر‌ها، عملگرها و الگوریتم‌های کنترلی است حفظ کننده ایمنی باتری و تهیه اطلاعات مورد نیاز برای کنترل و مدیریت انرژی ، در شرایط کاری عادی و غیر عادی می باشد . هدف از جمع‌آوری اطلاعات ولتاژ ، جریان ، حرارت و سایر اطلاعات هر سلول باتری در زمان واقعی در مدار نمونه‌گیری، تخمین حالت شارژ باتری، سلامت باتری ، قدرت باتری ، باقی‌مانده عمر مفید باتری  است. این اطلاعات کمک می‌کند تا خودروی هیبریدی خود را با تغییر شرایط محیطی و یا تغییرات شرایط جاده به سرعت تطبیق دهد . به این ترتیب ، اختلالاتی نظیر ایجاد ولتاژ بالا، افت ولتاژ (تخلیه بیش از حد)، جریان بالا، حرارت بالا، اتصال کوتاه، قطع اتصال، نقصان عایق‌بندی و نشت الکترولیت به کمک این سیستم کنترل می‌شوند .

با استفاده از چرخه های شارژ کامل و دشارژ، نهایتا باتری یک خودروی هیبریدی فرسوده می شود و ظرفیت انرژی خود را از دست می دهد. با این حال، شیب این کاهش ظرفیت بسیار کند است و تخمین زده می شود که یک خودروی هیبریدی  پس از ده سال به طور متوسط 70٪ ظرفیت خود را حفظ کند. در واقع، باتری یک خودروی هیبریدی  طوری طراحی شده که به اندازه خود عمر خودرو دوام آورد.

هزینه تعویض باتری هیبریدی چقدر است؟

اکثر باتری های خودروهای الکتریکی و هیبریدی حداقل 10 سال عمر می کنند البته در برخی از مدل های آنها تا 20 سال دوام می آورند، بنابراین نگران هزینه تعویض باتری قبل از خریدن خودرو جدید نباشید . با این حال، ممکن است دلایل دیگری نیز وجود داشته باشد که باتری خودروی شما نیاز به تعویض داشته باشد . رها کردن باتری و استفاده نکردن خودرو می تواند باعث شود که باتری دیگر شارژ نپذیرد و طبیعی است که باتری به مرور زمان ظرفیت خود را از دست بدهد. این اغلب به دلیل استفاده طولانی مدت است و با مراقبت مناسب از باتری می توان آن را کند کرد. در صورت خرابی باتری، ابتدا با گارانتی شرکت عرضه کننده خودروی خود مشورت کنید.

تا به امروز، باتری های لیتیوم یون همچنان بخشی گران از خودروی هیبریدی هستند. به عنوان مثال، باتری لکسوس NX (با  ظرفیت 18.1 کیلووات ساعت) بسته به کشور فروشنده حدود 3000 یورو قیمت دارد. با این حال، به لطف پیشرفت های فن آوری، هزینه باتری های خودروهای هیبریدی  به صورت مداوم کاهش می یابد.

تولید باتری هیبرید در ایران

در ایران،  یک شرکت مهندسی توانسته برای اولین بار ،  فرآیند پکینگ سلول های باتری مورد نیاز جهت تامین انرژی خودروهای برقی و هیبریدی را در کشور تولید نماید. این شرکت موفق به تولید اولین پک باتری خودرو های الکتریکی (با ظرفیت 48.6 کیلو وات ساعت) و پک باتری توان بالای اتوبوس برقی در ایران (با ظرفیت 318 کیلو وات ساعت) شده است .لازم به ذکر است که تمامی مراحل طراحی، ساخت، تولید و تست این باتری ها توسط مهندسین و متخصصین داخلی و در شرکت مکو صورت پذیرفته شده است.  در پک­های مذکور، از سلول هایی استفاده شده ، که عمر بسیار زیادی داشته باشند و تحت هیچ شرایطی دچار آتش سوزی نمی شوند و در نتیجه ایمنی خوبی برای وسائل نقلیه عمومی فراهم می کنند. محل قرار گیری این پک ها در اتوبوس در کف قسمت میانی و انتهایی آن است . در پروژه دیگری با موضوع طراحی و ساخت و تبدیل خودرو سراتو بنزینی به هیبرید ، که فضای در دسترس پک باتری کوچک و در صندوق آن است، از سلول هایی استفاده شده که چگالی انرژی بالاتری دارند و ظرفیت 20.6 کیلو وات ساعت حاصل شده است . سیستم مدیریت حرارتی این پک بر پایه هوا بوده و خنک کاری از سیستم سیکل تبرید استفاده می کند.

فناوری و تکنولوژی ساخت باتری‌های لیتیوم یونی هنوز کاستی‌های فراوانی دارد، از جمله اینکه می بایست ،  بازه ذخیره‌سازی انرژی، چگالی قدرت و مسائل ایمنی در این ادوات بهینه شود  و همچنین قیمت تمام شده آن‌ها را تا حد معقولی کاهش داد. امروزه دست‌یابی به چگالی انرژی بیشتر از 300 کیلو ژول ،  و تنزل قیمت آن به یک‌چهارم قیمت فعلی، برای بهره‌گیری مناسب از این باتری‌ها در خودروهای الکتریکی و هیبریدی ضروری است.

سید عباس شفیعی – کارشناس فعال در صنعت خودرو