قسمت ششم دوره آنلاین
ویدیو قسمت ششم دوره آنلاین
پارامترهای عملکرد باتری EV
پارامترهای که عملکرد یک باتری را برای رسیدن به بهترین کارایی و ایمنی بالا کنترل می‌کنند حائز اهمیت هستند. قبل از آشنایی و درک این پارامتر‌ها باید با اصول کارایی یک باتری آشنا شویم.
اجزا تشکیل دهنده باتری
هر باتری از 3 جزء تشکیل شده است. الکترود منفی، الکترود مثبت و الکترولیت که به الکترودها قطب منفی و مثبت هم می‌گویند. الکترولیت معمولا مایع است و از تماس فیزیکی دو الکترود جلوگیری می‌کند. مثال باتری یون لیتیمی: وقتی که باتری شارژ شده است یون‌های لیتیوم در الکترود منفی ذخیره شده‌اند ولی یک نیرومحرکه سبب حرکت و مهاجرت آن‌ها به سمت الکترود مثبت می‌شود. این نیرومحرکه شیمیایی است بدین معنی که یون‌های لیتیوم ترجیح می‌دهند تا در الکترود مثبت پیوند برقرار کنند. هر چه استحکام این پیوند بالاتر باشد پتانسیل درون الکترود بالاتر خواهد بود و با کنار هم قرار دادن یک الکترود با استحکام پیوند قوی و الکترودی با استحکام پیوند ضعیف اختلاف بین پتانسیل دو الکترود بالاتر خواهد بود و این اختلاف در پتانسیل، ولتاژ باتری است. بنابراین ولتاژ باتری بیان کننده نیرومحرکه شیمیایی برای لیتیوم است تا از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت حرکت کند. اتم‌هایی که تحت عنوان یون در الکترودها حضور دارند دانسیته الکترونی خود را نزدیک به تعداد پیوند‌های الکترونی ساختار اصلی نگه می‌دارند. از آنجایی که الکترون‌ها نمی‌توانند از الکترولیت عبور کنند تنها یون‌های لیتیوم می‌توانند از طریق الکترولیت از یک الکترود به الکترود دیگر بروند. الکترون‌ها قبل از این که با یون‌های لیتیوم در الکترود دیگر ترکیب شوند باید از یک مدار خارجی عبور کنند. الکترون‌هایی که از طریق مدار خارجی عبور می‌کنند یک جریان الکتریکی در این ولتاژ مشخص باتری تولید می‌کنند. این بدین معنی است که باتری هنگام تخلیه شارژ، انرژی الکتریکی تولید می‌کند حداقل زمانی که مدار خارجی مثل یک مدار بسته است مثل کاربردی که در خودرو الکتریکی دارد. وقتی تمام یون‌های لیتیوم از الکترود منفی به الکترود مثبت رسیدند باتری کاملا تخلیه شارژ شده و خالی می‌شود.
مهم ترین پارامترهای کارایی یک باتری عبارتند از : ظرفیت باتری، حالت و چگونگی شارژ شدن، بازدهی، محتوی انرژی ،دانسیته انرژی، سیکل کاری و نرخ شارژ شدن.
ظرفیت باتری
برای درک ظرفیت باتری باید نگاهی به ولتاژ، زمانی که باتری در یک جریان ثابت وکم تخلیه شده است بیندازیم. تغییرات ولتاژ در شکل نشان داده شده است. حین تخلیه شارژ ولتاژ به طور میانگین کاهش می‌یابد چون ابتدا یون‌های لیتیوم که بیشترین نیرومحرکه شیمیایی در بیشترین ولتاژ را داشته‌اند از الکترود منفی به الکترود مثبت می‌روند. محور افقی در این نمودار نشان دهنده ی ظرفیت باتری است که مشخص می‌کند حین تخلیه شارژ چه مقدار شارژ از الکترود منفی به الکترود مثبت منتقل شده است که این مقدار مطابق با یون‌های لیتیوم است که هر کدام یک واحد شارژ حمل می‌کنند که در الکترودها ذخیره می‌شود. این که چه تعداد یون لیتیم می‌تواند در الکترود ذخیره شود بستگی به شیمی الکترود دارد. به طور مثال گرافیت می‌تواند یک یون لیتیم و شش اتم کربن را در برگیرد در حالی که یک اتم سیلیکون می‌تواند میزبان 4.4 یون لیتیم باشد. واحد شارژ کولمب است و شارژی که توسط یک الکترون یا یون حمل می‌شود 1.6*10^(-19) کولمب است. واحد جریان آمپر است که مطابق با کولمب‌های عبور کرده در هر ثانیه است. اگر یک جریان تخلیه را در یک دوره‌ی زمانی انتقال دهیم این مقدار مطابق با مقدار مشخصی از ظرفیت تخلیه خواهد بود که در باتری‌ها با آمپر ساعت بیان می‌شود. یک آمپر ساعت مربوط به عبور 1 آمپر در یک ساعت است که برابر با 3600 کولمب است. وقتی که باتری در یک جریان کم، شار می‌شود ولتاژ افزایش خواهد یافت. با افزایش ولتاژ انتقال یون‌های لیتیوم به الکترود منفی سخت‌تر وسخت‌تر می‌شود به این دلیل که استحکام پیوند ضعیف تری نسبت به الکترود مثبت دارند. برای تعیین اینکه یک باتری چند درصد شارژ شده است می‌توانیم از حالت شارژ (state of charge or SOC) استفاده کنیم. 100% بیان کننده حالت شارژ کامل است و به همین ترتیب حالت شارژ در حالت تخلیه بیان می‌شود.
بازدهی باتری
بازدهی باتری می‌تواند به دو دسته مختلف تقسیم شود. بازدهی کولمبیک نسبت تخلیه شارژ به ظرفیت شارژ است که برابر با نسبت الکترون‌های تولید شده حین تخلیه شارژ به الکترون‌های مصرف شده حین شارژ است. اگر این مقدار بیشتر از 100% شود نشان می‌دهد که مقداری از شارژ صرف واکنش‌های جانبی شده است.
نوع دیگر بازدهی، بازدهی انرژی است که به زبان ساده نسبت انرژی خارج شده به انرژی ورودی است. کل مقدار انرژی که حین شارژ در باتری ذخیره و حین تخلیه شارژ آزاد می‌شود مطابق است با ولتاژ میانگین بر ظرفیت باتری است. به طور دقیق‌تر این مطابق با ناحیه زیر نمودار شارژ و تخلیه شارژ است. ضرب واحد ولتاژ یعنی ولت در واحد ظرفیت یعنی کولمب برابر با واحد انرژی یعنی ژول خواهد بود.
در شکل که نمودار ولتاژ شارژ یا تخلیه شارژ بر حسب ظرفیت باتری است سطح زیر منحنی ولتاژ بیان کننده انرژی مصرف شده حین شارژ و انرژی تولید شده حین تخلیه شارژ است. از آنجایی که ظرفیت معمولا توسط آمپر ساعت بیان می‌شود ضرب آن در ولتاژ وات ساعت خواهد شد که واحدی است که ما عمدتا برای بیان محتوی انرژی باتری که در قبل دیدیم استفاده می‌کنیم. برای تبدیل آن به ژول نیاز دارید تا بفهمید که یک وات ساعت با 3600 ژول برابر است.
دانسیته انرژی
دانسیته انرژی یک پارامتر مهم دیگر است. دو نوع دانسیته انرژی داریم. یکی بر حسب وزن و دیگری بر حسب حجم. حالا که می‌دانیم چگونه می‌توانیم انرژی ذخیره شده در باتری را مشخص کنیم می‌توانیم دانسیته انرژی ثقلی را با تقسیم محتوی انرژی بر وزن باتری به دست آوریم که نتیجه آن واحد وات بر کیلوگرم خواهد بود. دانسیته انرژی بر حسب حجم دانسیته انرژی حجمی نامیده می‌شود. برای رسیدن به این باید انرژی را بر حجم باتری تقسیم کنیم که عمدتا بر حسب لیتر است. دانسیته انرژی ثقلی بیشترین ارتباط را با خودرو الکتریکی دارد و دانسیته انرژی حجمی بیشتر مربوط به وسایل الکترونیکی قابل حمل است. ما باید یک تمایز بین انرژی که حین شارژ ذخیره می‌شود و انرژی که حین تخلیه شارژ خارج می‌شود قائل شویم. نسبت این دو انرژی بازدهی انرژی باتری است. بازدهی انرژی اکثر باتری‌ها در مقایسه با سایر تکنولوژی‌های ذخیره انرژی نسبتا بزرگ است که معمولا برای باتری یون لیتیومی یشتر از 90% است. همانطور که در ادامه خواهیم دید بازدهی باتری بستگی به این دارد که چقدر سریع شارژ و تخلیه شارژ صورت می‌گیرد.
بعد از شارژ و تخلیه شارژ‌های متوالی باتری مقداری از ظرفیت خود را از دست می‌دهد که به آن محو شدن ظرفیت باتری گفته می‌شود و به همین دلیل است که باتری‌ها سیکل کاری دارند. زمانی که 80% ظرفیت اولیه باقی مانده است باتری در پایان سیکل کاری خود در نظر گرفته می‌شود حداقل برای کاربردی که در خودرو الکتریکی دارد.
تا الان ما جریان‌های کوچک برای شارژ و تخلیه شارژ را در نظر گرفتیم. زمانی که جریان‌ها بزرگ‌تر باشند ظرفیت مشاهده شده باتری تغییر خواهد کرد. قبل از این باید نرخ شارژ کردن را تعیین کنیم. با جریانی که توسط آمپر بیان می‌شود می‌توانیم نرخ شارژ و تخلیه شارژ را تعیین کنیم. از آنجایی که زمان کلی شارژ و دشارژ بستگی به جریان و ظرفیت باتری دارد نرخ شارژ یا دشارژ اغلب به صورت C-rate بیان می‌شود که ظرفیت باتری را نیز در نظر می‌گیرد. C/X-rate بیان کننده جریان لازم برای شارژ و دشارژ باتری به طور کامل در X ساعت است. به طور مثال C بر روی 20 بیانگر جریانی است که باتری را در 20 ساعت شارژ یا تخلیه شارژ می‌کند. بنابراین مشخص است که نرخ‌های بالاتر C-rate منجر به جریان‌های شارژ بالاتری می‌شوند. اما با بالا رفتن C-rate بحث هزینه مطرح می‌شود چون باعث کاهش بازدهی می‌شود.
جریان
واحد دیگری که به تکرار استفاده می‌شود جریان مشخصه است که جریانی است که بر حسب هر گرم از ماده فعال الکترود نرمالیزه شده است. حال نگاهی می‌اندازیم به نمودار شماتیک معمولی شارژ و دشارژ در نرخ شارژ‌های مختلف. ولتاژ حین شارژ کردن هنگامی که جریان‌های بزرگتری اعمال می‌کنیم افزایش و هنگام تخلیه شارژ کاهش می‌یابد. این موضوع نتیجه‌ی مقاومت داخلی باتری است. برای جریان‌های خیلی کوچک مثل C/20 ولتاژ معمولا نزدیک به نیرومحرکه شیمیایی است درحالی که در جریان‌های بالاتر از جریان بر حسب مقاومت داخلی انحراف پیدا می‌کند. این انحراف ولتاژ، پتانسیل بیش از حد خوانده می‌شود. توجه داشته باشید که جریان به هنگام تخلیه منفی است و در نتیجه آن پتانسیل اضافی (OVER POTENTIAL) حین تخلیه شارژ منفی است. وابستگی ولتاژ شارژ و تخلیه شارژ به جریان برای ظرفیت نیز دارای پیامد‌هایی است. دلیل این است که ظرفیت شارژ و دشارژ توسط ولتاژ قطع کننده (CUTOFF) محدود شده اند. این برای محافظت از الکترود و الکترولیت است که نتیجه آن سیکل کاری و بازدهی کمتر خواهد بود. بدلیل اینکه ولتاژ حین شارژ کردن با یک جریان بزرگ افزایش می‌یابد در ظرفیت‌های کوچک‌تری در مقایسه با جریان‌های کم به ولتاژ قطع کننده می‌رسیم. به همین ترتیب چون ولتاژ باتری حین دشارژ کردن با افزایش جریان، کاهش می‌یابد در ظرفیت‌های کمتری به ولتاژ قطع کننده پایینی می‌رسیم. به عنوان نتیجه گیری با افزایش جریان شارژ و دشارژ بازدهی انرژی پایین می‌آید از این رو به دلیل تاثیر مستقیم مقاومت داخلی انرژی بیشتری در جریان‌های بالاتر تلف خواهد شد. مقاومت داخلی بیشتر اتلاف انرژی بیشتری نیز در بر خواهد داشت که به صورت گرما در باتری آزاد خواهد شد.
اینکه وابستگی دانسیته انرژی به نرخ جریان برای یک باتری مشخص چگونه است توسط دانسیته قدرت مشخص می‌شود که در واقع نرخی است که انرژی بر حسب واحد وزن می‌تواند وارد و خارج شود که با W/kg بیان می‌شود. با نگاه کردن به نمودار Ragone خواهیم دید که قدرت مشخصه بالاتر منجر به انرژی مشخصه پایین تر می‌شود. بنابراین می‌توان استدلال کرد که یک رابطه خیلی مهم بین قدرت و انرژی وجود دارد.
نتیجه‌گیری قسمت ششم دوره آنلاین
در این ارائه نحوه کارکرد درونی باتری و مفاهیمی مثل الکترولیت مثبت،الکترولیت منفی و مهم‌ترین پارامترهایی که عملکرد یک باتری تحت تاثیر قرار می‌دهند از جمله جریان، دانسیته انرژی، ولتاژ،ظرفیت و بازدهی را بررسی و اینکه چگونه بر هم اثر می‌گذارند را مطالعه کردیم.
برای دیدن قسمت‌های بعدی دوره اینجا کلیک کنید
