Tot ce vrei să știi despre bateriile vehiculelor electrice

Viteza, kilometrajul, cuplul și toți parametrii vitali ai unei mașini electrice depind numai de specificațiile motorului și de pachetul de baterii utilizate în mașină. În timp ce utilizarea unui motor puternic nu este o problemă importantă, problema rezidă în proiectarea unui pachet de baterii care să poată furniza suficient curent pentru motor mult timp fără a-și degrada durata de viață. Pentru a face față cererii de tensiune și curent, producătorii de vehicule electrice trebuie să combine sute, dacă nu chiar mii de celule, pentru a forma un pachet de baterii pentru o singură mașină. Pentru a face o idee, modelul Tesla S are aproximativ 7.104 celule, iar frunza Nissan are aproximativ 600 celule. Acest număr mare, împreună cu natura instabilă a celulelor cu litiu, face dificilă proiectarea unui acumulator pentru o mașină electrică. În acest articol, permiteți-ne să explorăm modul în care un pachet de baterii pentru vehicule electrice este proiectat pentru un vehicul electricși care sunt parametrii vitali asociați cu bateriile care trebuie îngrijite.

Ce se află în interiorul unui pachet de baterii pentru vehicule electrice?

Dacă ați citit articolul Introducere în vehiculele electrice, ați fi răspuns la întrebare până acum. Pentru persoanele care sunt noi, permiteți-mi să redau rapid. Imaginea de mai jos prezintă pachetul de baterii al Nissan Leaf rupt la nivelul celulei din pachetul său.

Mașinile electrice moderne folosesc baterii cu litiu pentru a-și alimenta mașinile din anumite motive evidente pe care le vom discuta mai târziu în acest articol. Dar, aceste baterii litiu au doar în jur de 3,7V per celulă în timp ce un EV mașini necesită undeva aproape de 300V. Pentru a obține o astfel de tensiune ridicată și Ah, celulele litiu sunt combinate în serie și în combinație paralelă pentru a forma module, iar aceste module împreună cu unele circuite de protecție (BMS) și sistemul de răcire sunt aranjate într-o carcasă mecanică numită în mod colectiv ca un pachet de baterii, așa cum se arată mai sus.

Tipuri de baterii

În timp ce majoritatea mașinilor folosesc baterii cu litiu, nu suntem limitați doar la aceasta. Există multe tipuri de chimie a bateriilor disponibile. În general, bateriile pot fi clasificate în trei tipuri.

Baterii primare: Acestea sunt baterii care nu se reîncarcă. Adică poate converti energia chimică în energie electrică și nu viceversa. Un exemplu ar fi bateriile alcaline (AA, AAA) utilizate pentru jucării și telecomenzi.

Baterii secundare: Acestea sunt bateriile care ne interesează pentru vehiculele electrice. Poate converti energia chimică în energie electrică pentru a alimenta EV și, de asemenea, poate converti din nou energia electrică în energie chimică în timpul procesului de încărcare. Aceste baterii sunt utilizate în mod obișnuit în telefoanele mobile, vehiculele electrice și în majoritatea celorlalte electronice portabile.

Baterii de rezervă: acestea sunt tipuri speciale de baterii utilizate în aplicații foarte unice. După cum arată numele, bateriile sunt păstrate ca rezervă (de așteptare) pentru cea mai mare parte a duratei sale de viață și, prin urmare, au o rată de auto-descărcare foarte mică. Exemplu ar fi bateriile vestelor de salvare.

Chimia de bază a unei baterii

După cum am spus mai devreme, există multe chimii diferite disponibile pentru baterii. Fiecare chimie are propriile sale argumente pro și contra. Dar, indiferent de tipul de chimie, există puține lucruri care sunt comune pentru toate bateriile, permițându-ne să le aruncăm o privire fără a intra prea mult în chimia sa.

Există trei straturi principale într-o baterie: catodul, anodul și separatorul. Catodul este stratul pozitiv al bateriei, iar anodul este stratul negativ al bateriei. Când este conectată o sarcină la bornele bateriei, curentul (electronii) curge de la anod la catod. În mod similar, atunci când un încărcător este conectat la bornele bateriei, fluxul de electroni este inversat, adică de la catod la anod, așa cum se arată în figura de mai sus.

Pentru ca orice baterie să funcționeze, ar trebui să aibă loc o reacție chimică numită Reacție de oxidare-reducere. Uneori numit și Reacție Redox. Această reacție are loc între anod și catod al bateriei prin electrolit (separator). Partea anodică a bateriei va fi dispusă să câștige electroni și, prin urmare, va apărea o reacție de oxidare și partea catodică a bateriei va fi dispusă să elibereze electroni și, prin urmare, va avea loc o reacție de reducere. Din cauza acestei reacții, ionii sunt transferați din catod în partea anodică a bateriei prin separator. Ca rezultat, vor exista mai mulți ioni acumulați în anod. Pentru a neutraliza acest anod trebuie să împingă electronii din lateral spre catod.

Separatorul permite însă fluxul de ioni prin el și blochează orice mișcare a electronilor de la anod la catod. Deci, singura modalitate prin care bateria poate transfera electronii este prin bornele sale exterioare, de aceea, atunci când conectăm o sarcină la bornele bateriei, primim un curent (electroni) care curge.

Bazele chimiei bateriilor cu litiu

Întrucât vom discuta despre bateriile cu litiu, deoarece acestea sunt cele mai preferate baterii pentru vehicule electrice. Există din nou mai multe tipuri de baterii cu litiu, litiu-nichel-cobalt aluminiu (NCA), litiu-nichel-mangan-cobalt (NMC), litiu-mangan spinel (LMO), litiu-titanat (LTO), litiu-fier fosfat (LFP) sunt cele mai multe cele comune. Din nou, fiecare chimie are propriile sale caracteristici, care sunt ilustrate cu atenție din imaginea de mai jos de către grupul Boston Consulting.

Dintre acestea, nichelul de litiu-cobalt-aluminiu este cel mai utilizat datorită costului său redus. Vom intra în mai mulți dintre acești parametri mai târziu în acest articol. Dar un lucru obișnuit pe care îl puteți observa aici este că litiul este prezent în toate bateriile. Acest lucru se datorează în principal configurației electronice a litiului. Un atom neutru de litiu metalic este prezentat mai jos.

Are un număr atomic de trei, ceea ce înseamnă că trei electroni vor fi în jurul nucleazei sale, iar învelișul exterior are un singur electron de valență. În timpul reacției, acest electron de salvare este extras astfel ne-a dat un electron și un ion litiu, cu doi electroni care formează un ion litiu. După cum sa discutat mai devreme, electronul va curge ca curent prin bornele exterioare ale bateriei, iar ionul de litiu va curge prin electrolit (separator) în timpul reacției redox.

Bazele bateriilor electrice pentru vehicule

Acum știm cum funcționează o baterie și cum este utilizată într-un vehicul electric, dar pentru a continua de aici trebuie să înțelegem câteva terminologii de bază care sunt utilizate în mod obișnuit la proiectarea unui acumulator. Să le discutăm…

Tensiune nominală : Două valori foarte frecvente pe care le puteți găsi pentru a fi marcate pe o baterie sunt valoarea sa de tensiune și valoarea nominală Ah. Bateriile cu plumb acid sunt de obicei de 12V, iar bateriile cu litiu sunt de 3,7V. Aceasta se numește tensiunea nominală a unei baterii. Acest lucru nu înseamnă că bateria va furniza tot timpul 3,7V la terminalele sale. Valoarea tensiunii va varia în funcție de capacitatea bateriei. O sa discutam