כל מה שאתה רוצה לדעת על מצברים לרכב חשמלי

המהירות, הקילומטראז ', המומנט וכל הפרמטרים החיוניים הללו של מכונית חשמלית תלויים אך ורק במפרט המנוע ובחבילת הסוללה המשמשת ברכב. אמנם שימוש במנוע חזק אינו עניין של מה בכך, אך הבעיה היא בעיצוב מארז סוללות שיכול להזרים מספיק זרם למנוע במשך זמן רב מבלי לפגוע באורך חייו. כדי להתמודד עם המתח והביקוש הנוכחי יצרני EV צריכים לשלב מאות אם לא אלפי תאים יחד כדי ליצור מצבר לרכב יחיד. כדי לתת מושג בדגם טסלה S יש כ- 7,104 תאים ובעלה ניסן יש כ- 600 תאים. מספר גדול זה יחד עם האופי הלא יציב של תאי ליתיום מקשה על תכנון סוללה לרכב חשמלי. במאמר זה הבה נבחן כיצד ערכת סוללות לרכב חשמלי מיועדת לרכב חשמליומהם הפרמטרים החיוניים הקשורים לסוללות שיש לטפל בהם.

מה יש בתוך חבילת סוללות לרכב חשמלי?

אם קראת את המאמר מבוא לרכב חשמלי היית עונה לשאלה עד עכשיו. לאנשים חדשים תן לי לתת מכסה חוזר מהיר. בתמונה למטה נראית שקית הסוללה של ניסאן ליף נקרעת עד לרמת התא ממארזה.

מכוניות חשמליות מודרניות משתמשות בסוללות ליתיום להפעלת מכוניותיהן בגלל כמה סיבות ברורות עליהם נדבר בהמשך מאמר זה. אבל, לסוללות ליתיום אלה יש רק סביב 3.7 וולט לתא ואילו מכונית EV דורשת איפשהו ליד 300 וולט. כדי להשיג תאי ליתיום במתח גבוה ובדירוג Ah אלה משולבים בסדרה ובשילוב מקביל ליצירת מודולים ומודולים אלה יחד עם כמה מעגלי הגנה (BMS) ומערכת קירור מסודרים במעטפת מכנית הנקראת יחד כחבילת סוללות כמוצג לעיל.

סוגי סוללות

בעוד שרוב המכוניות משתמשות בסוללות ליתיום, אנו לא רק מוגבלים לכך. ישנם סוגים רבים של כימיה של סוללות. ניתן לסווג באופן כללי סוללות לשלושה סוגים.

סוללות ראשוניות: מדובר בסוללות שאינן נטענות. כלומר היא יכולה להמיר אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית ולא להיפך. דוגמה לכך תהיה שימוש בסוללות אלקליין (AA, AAA) לצעצועים ולשלט רחוק.

סוללות משניות: אלו המצברים בהם אנו מעוניינים לרכבים חשמליים. זה יכול להמיר אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית להפעלת ה- EV וגם יכול להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה כימית שוב בתהליך הטעינה. סוללות אלה משמשות בדרך כלל בטלפונים ניידים, במכוניות חשמל וברוב מוצרי האלקטרוניקה הניידים האחרים.

סוללות מילואים: אלו סוגים מיוחדים של סוללות המשמשות ביישום ייחודי מאוד. כפי שמציין השם הסוללות נשמרות כמילואים (המתנה) במשך רוב זמן חייו ולכן הן בעלות פריקה עצמית נמוכה מאוד. דוגמה לכך תהיה סוללות אפוד חיים.

כימיה בסיסית של סוללה

כפי שנאמר קודם יש כימיקלים רבים ושונים עבור סוללות. לכל כימיה יתרונות וחסרונות משלה. אך ללא קשר לסוג הכימיה יש מעט דברים המשותפים לכל הסוללות, בואו נסתכל עליהם מבלי להיכנס הרבה לכימיה.

יש שלוש שכבות עיקריות בסוללה, הן הקתודה, האנודה והמפריד. הקתודה היא השכבה החיובית של הסוללה והאנודה היא השכבה השלילית של הסוללה. כאשר מחובר עומס למסופי הסוללה, זרם (אלקטרונים) זורם מאנודה לקתודה. באופן דומה כאשר מטען מחובר למסופי הסוללה זרם האלקטרונים הפוך, כלומר מקתודה לאנודה כפי שמוצג באיור לעיל.

כדי שכל סוללה תפעל, צריכה להתרחש תגובה כימית הנקראת תגובת חמצון-צמצום. לפעמים נקרא גם בשם Redox Reaction. תגובה זו מתרחשת בין האנודה לקתודה של הסוללה דרך האלקטרוליט (מפריד). צד האנודה של הסוללה יהיה מוכן להשיג אלקטרונים ומכאן שתתרחש תגובת חמצון וצד הקתודה של הסוללה יהיה מוכן לשחרר אלקטרונים ומכאן שתתרחש תגובת הפחתה. בגלל תגובה זו יונים מועברים מהקתודה לצד האנודה של הסוללה דרך מפריד. כתוצאה מכך יצטברו יותר יונים באנודה. כדי לנטרל את האנודה הזו צריך לדחוף את האלקטרונים מהצד שלה לקתודה.

אך המפריד מאפשר רק זרימת יונים דרכו וחוסם כל תנועת אלקטרונים מהאנודה לקתודה. אז הדרך היחידה שהסוללה יכולה להעביר את האלקטרונים היא דרך המסופים החיצוניים שלה, זו הסיבה שכאשר אנו מחברים עומס למסופי הסוללה אנו מקבלים זרם (אלקטרונים) שזורם חשב שזה.

יסודות כימיה של סוללות ליתיום

מכיוון שאנחנו הולכים לדון על סוללות ליתיום מכיוון שהן הסוללה המועדפת ביותר על EV מאפשרת לחפור קצת יותר על הכימיה שלה. ישנם סוגים רבים בסוללות ליתיום שוב, אלומיניום קובלט ליתיום ניקל (NCA), קובלט מנגן ליתיום-ניקל (NMC), ספינל ליתיום-מנגן (LMO), ליתיום טיטנאט (LTO), פוספט ברזל ליתיום (LFP) הם הגבוהים ביותר הנפוצים. שוב לכל כימיה יש מאפיינים משלה, הממחישים בקפידה את התמונה מתחת לקבוצת הייעוץ של בוסטון.

מבין אלה אלומיניום קובלט אלומיניום ניקל הוא הנפוץ ביותר בגלל עלותו הנמוכה. ניכנס לעוד פרמטרים אלה בהמשך מאמר זה. אבל דבר נפוץ אחד שאתה יכול להבחין כאן הוא שליתיום קיים בכל הסוללות. זה בעיקר בגלל תצורת האלקטרונים של הליתיום. אטום מתכת ליתיום ניטרלי מוצג להלן.

יש לו מספר אטומי של שלושה כלומר שלושה אלקטרונים יהיו סביב הגרעין שלו ובקליפה החיצונית ביותר יש רק אלקטרון ערכיות אחד. במהלך התגובה נשלף אלקטרון ערכי זה ובכך נתן לנו אלקטרון אחד ויון ליתיום עם שני אלקטרונים היוצרים יון ליתיום. כפי שנדון קודם לכן, האלקטרון יזרום כזרם דרך המסופים החיצוניים של הסוללה ויון הליתיום יזרום למרות האלקטרוליט (מפריד) במהלך תגובת החמצון.

יסודות הסוללות לרכב חשמלי

כעת אנו יודעים כיצד סוללה עובדת וכיצד משתמשים בה ברכב חשמלי, אך כדי להמשיך מכאן עלינו להבין כמה מינוחים בסיסיים המשמשים בדרך כלל בעת תכנון מארז סוללות. בואו נדון בהם…

דירוג מתח: שני דירוגים נפוצים מאוד שתוכלו לסמן על הסוללה הם דירוג המתח שלה ודירוג Ah. סוללות עופרת הן בדרך כלל של 12 וולט וסוללות ליתיום הן של 3.7 וולט. זה נקרא המתח הנומינלי של סוללה. זה לא אומר שהסוללה תספק 3.7 וולט במסופים שלה כל הזמן. ערך המתח ישתנה בהתאם לקיבולת הסוללה. אנחנו נדבר