آشنايي با فناوري باتري در خودروهاي برقي

درحالي‌كه معمولاً موتور برقي به‌عنوان منبعي براي حركت دادن خودروي الكتريكي شناخته مي‌شود، مي‌توان پكيج باتري را به‌عنوان قلب و روح مجازي آن قلمداد كرد. كساني كه براي خريد خودروي برقي به بازار مراجعه مي‌كنند، بايد به مشخصات آن توجه داشته باشند و از مواردي كه بر عملكرد آن تاثير مي‌گذارند، آگاه شوند.

خودروهاي الكتريكي از باتري‌هاي ليتيوم-يون با طراحي‌هاي مختلف و شبيه به آنچه كه در تلفن‌هاي همراه و لپ‌تاپ استفاده مي‌شود، بهره مي‌برند؛ با اين تفاوت كه باتري خودروي الكتريكي در مقياس بسيار بزرگتري توليد شده است. باتري‌هاي ليتيوم-يون داراي تراكم انرژي بالايي هستند و هنگام استفاده نشدن، نسبت به ساير انواع باتري‌ها شارژ كمتري از دست مي‌دهند.

ظرفيت باتري خودروي برقي برحسب كيلووات ساعت بيان مي‌شود كه در نوشته‌ها به‌صورت خلاصه kWh به كار مي‌رود. خريد خودروي الكتريكي با ميزان ظرفيت باتري بيشتر يا kWh بالاتر، مانند اين است كه خودرويي با ظرفيت باك و در نتيجه شعاع حركتي بيشتر در اختيار داريد. به عبارت ديگر هرچه ظرفيت باتري بالاتر باشد، با يك‌بار شارژ مي‌توانيد مسافت بيشتري طي كنيد. اما بايد بدانيد كه رانندگان هرگز كاملاً به تمام ظرفيت باتري دسترسي ندارند. به اين دليل كه سيستم مديريت خودروي الكتريكي مانع از شارژ و تخليه ۱۰۰ درصدي باتري مي‌شود تا كارايي آن را حفظ كرده و باعث افزايش عمر مفيد باتري شود.

ظرفيت باتري خودروهاي الكتريكي فعلي در بازار از ۱۷.۶ كيلووات ساعت در اسمارت EQ فورتو با ظرفيت پيمايش ۹۳ كيلومتر شروع مي‌شود و تا ۱۰۰ كيلووات ساعت در تسلا مدل اس و مدل ايكس با ظرفيت پيمايش بيش از ۴۸۰ كيلومتر ادامه مي‌يابد. 

ظرفيت باتري

طبق ارزيابي آژانس حفاظت از محيط زيست آمريكا (EPA)، مهم‌ترين عاملي كه بايد براي خريد خودروي الكتريكي در انديشه متخصصين داشت، محدوده برآوردي باتري با يك‌بار شارژ كامل است. اين اطلاعات در برچسب نصب‌شده روي شيشه خودروي برقي موجود است. 

شبيه خودروهاي بنزيني و ديزلي، محدوده كاري و مصرف انرژي وسايل نقليه برقي نيز تحت شرايط كنترل‌شده در آزمايشگاه مورد آزمايش قرار مي‌گيرند. خودرو روي دينامومتر رانده مي‌شود؛ با استفاده از برنامه‌هاي رانندگي چندگانه، رانندگي در شرايط شهر و بزرگراه شبيه‌سازي خواهد شد. خودروي الكتريكي با باتري كاملاً پر آزمايش را شروع مي‌كند و اين فرايند تا زماني‌كه باتري به‌طور كامل تخليه شود، ادامه دارد.

بااين‌حال محدوده واقعي خودروي برقي در حالت شارژ مي‌تواند باتوجه‌به عوامل متعدد، متفاوت باشد. شتاب‌گيري سريع و رانندگي با سرعت‌هاي بالا از جمله عوامل مهم در سريع‌تر تخليه شدن باتري به شمار مي‌رود. همچنين هنگامي كه بار و سرنشينان بيشتري در خودروي برقي وجود داشته باشد، باتري سريع‌تر تخليه مي‌شود. به عبارت ديگر هرچه خودرو سنگين‌تر باشد، نسبت به مدل سبك‌تر بايد انرژي بيشتري صرف كند تا بتواند به سرعت مساوي با آن دست يابد.

مهم‌تر از همه، ميزان شارژ باتري به سرعت در آب‌وهواي بسيار سرد و گرم كاهش مي‌يابد. به‌طور خاص دماهاي بسيار سرد مي‌تواند به‌طور درخورتوجهي از عملكرد مناسب باتري و توانايي دريافت شارژ جلوگيري كند. علاوه‌بر اين در پيشرانه‌هاي بنزيني حجم زيادي گرما توليد مي‌شود كه مي‌تواند براي گرم كردن داخل كابين مورد استفاده قرار گيرد؛ سيستم كنترل آب‌وهوا در خودروي برقي نيز براي صرفه‌جويي در انرژي به‌تنهايي از گرماي توليدشده در باتري بهره مي‌برد. مطالعه اخير نشان داده است هنگامي كه جيوه به منفي ۶ درجه سلسيوس برسد و بخاري خودرو نيز روشن باشد، شعاع حركتي خودروي برقي به‌طور ميانگين تا ۴۱ درصد كاهش مي‌يابد. درواقع خودروهاي برقي با شعاع حركتي تركيبي شهر/بزرگراه ۲۴۰ كيلومتر، در چنين شرايطي با يك‌بار شارژ تنها مي‌توانند مسافتي حدود ۱۴۰ كيلومتر طي كنند. در همان مطالعه مشخص شد وقتي دماي هوا ۳۵ درجه سلسيوس بوده و سيستم تهويه مطبوع در حال استفاده باشد، شعاع حركتي خودروي الكتريكي به‌طور متوسط ​​۱۷ درصد كاهش مي‌يابد.

شارژ باتري خودروي برقي

معمولاً شارژ بيشتر وسايل نقليه الكتريكي در خانه و با مدار معمولي ۱۲۰ ولت (كه به‌عنوان شارژر سطح ۱ شناخته مي‌شوند) يا خط اختصاصي ۲۴۰ ولت (شارژر سطح ۲) باتوجه‌به ظرفيت باتري وسيله نقليه، به كمك شارژر سطح ۱ مي‌توان بين ۸ تا ۱۶ ساعت باتري را در هر جايي به شارژ كامل رساند.

گرچه نصب سرويس شارژ ۲۴۰ ولتي در خانه مي‌تواند هزينه چند صد دلاري به همراه داشته باشد، اما چنين طرحي مي‌توان زمان شارژ را حدود ۴ ساعت كاهش دهد. اگر شركت منطقه‌اي برق تخفيف ويژه براي مصرف در ساعات غيراوج بگذارد، افراد مي‌توانند با برنامه‌ريزي درست شارژ در اواسط شب، در هزينه‌هاي خود صرفه‌جويي كنند.

جايگزين سريع‌تري به نام شارژر سطح ۳ نيز وجود دارد كه گرچه به ايستگاه‌هاي شارژ عمومي محدود مي‌شود، اما رشد درخورتوجهي دارد. شارژرهاي سطح ۳ كه اغلب با نام شارژر سريع DC شناخته مي‌شوند، قادر هستند باتري خودروي برقي را طي ۳۰ دقيقه به ۸۰ درصد ظرفيت شارژ برسانند. اگرچه در هواي سرد نسبت به هواي گرم زمان بيشتري براي شارژ كامل باتري زمان مصرف مي‌شود، اما اين موضوع ربطي به سطح شارژر مورداستفاده ندارد.

ضمانتنامه باتري

متاسفانه توان نگه‌داري شارژ تمام باتري‌هاي خودروهاي الكتريكي به مرور زمان كاهش مي‌يابد و آن‌ها خيلي زود شارژ خود را از دست مي‌دهند. گزارش مؤسسه Plug In نشان مي‌دهد كه شعاع حركتي تسلا مدل اس با طي هر ۱۶٬۰۰۰ كيلومتر، تقريباً ۵ كيلومتر كاهش مي‌يابد. بااين‌حال تسلا گزارش مي‌دهد كه تحت آزمايش‌هاي كنترل‌شده، باتري‌هاي مدل اس توانستند پس از ۸۰۴٬۰۰۰ كيلومتر شبيه‌سازي حدود ۸۰ درصد ظرفيت اوليه خود را حفظ كنند. از سوي ديگر مدل‌هاي با پيمايش كمتر، به مرور زمان بيشتر خراب مي‌شوند و ظرفيت شارژ آن‌ها پس از مدت بسيار كمي افت مي‌كند. 

معمولاً جايگزيني پكيج باتري خودروي برقي مي‌تواند هزينه‌ي چند هزار دلاري براي مشتري به همراه داشته باشد. به همين علت مقررات، شركت‌هاي خودروسازي را ملزم مي‌كند كه حداقل ضمانت ۸ سال يا ۱۶۰ هزار كيلومتر براي پكيج باتري در انديشه متخصصين بگيرند. اولين‌بار هيونداي چنين ضمانت‌نامه‌اي را براي كُنا ارائه داد؛ درحالي‌كه مدتي بعد نيز كيا ضمانت ۱۰ ساله يا ۱۶۰ هزار كيلومتر برايمدل‌هاي نيرو و سول معرفي كرد.

بااين‌حال خريداران بايد توجه داشته باشند كه هر ضمانت‌نامه‌اي، داراي استثنائات مربوط‌به عمر باتري است. به‌عنوان مثال برخي از خودروسازان پكيج باتري را تنها دربرابر خرابي كامل پوشش مي‌دهند؛ درحالي‌كه ساير خودروسازان از جمله بي‌ام‌و، شورولت، نيسان، تسلا (براي مدل ۳) و فولكس‌واگن باتري را هنگام رسيدن به ۶۰ تا ۷۰ درصد ظرفيت كلي شارژ تعويض مي‌كنند.

فرانك بلوم، مدير مركز كيفيت سلول‌هاي باتري فولكس‌واگن از عزم اين شركت براي ارائه ضمانت‌نامه ۸ ساله يا ۱۶۰ هزار كيلومتر تا حداقل ۷۰ درصد ظرفيت شارژ باتري خبر داد. در اين طرح خودروهاي الكتريكي با پلتفرم MEB، مي‌توانند با رسيدن به ۷۰ درصد ظرفيت باتري، آن را با باتري نو تعويض كنند. معمولاً انتظار مي‌رود كه پكيج باتري تا پايان عمر خودروي برقي سالم باقي بمانند. باتوجه‌به اينكه معمولاً خودروها تا زماني بيش از ۸ سال مورد استفاده قرار مي‌گيرند، سناريوي اول باقي ماندن باتري تا پايان عمر خودرو است؛ اما در صورتي كه پيش از پايان عمر خودرو، باتري به ۷۰ درصد شارژ باتري يا كمتر برسد، مشتري مي‌تواند بدون پرداخت هزينه از مزاياي تعويض پكيج باتري بهره ببرد.

بلوم همچنين تاكيد مي‌كند كه نسل جديد مدل‌هاي برقي فولكس‌واگن (خانواده‌ي I.D.) عمدتاً داراي باتري‌هايي با مزاياي گفته‌شده هستند. بلوم همچنين به شركت‌هاي LG Chem، SK Innovation و CATL به‌عنوان تأمين‌كنندگان پكيج باتري فولكس‌واگن در اروپا، آمريكا و چين اشاره كرد. وب‌سايت insideevs طي مصاحبه‌اي با فرانك بلوم، جزئيات بيشتري از باتري خودروهاي الكتريكي فولكس‌واگن ارائه مي‌دهد. 

بسياري از مردم با خريد خودروي الكتريكي وارد قلمرو ناشناخته‌اي مي‌شوند. آيا آن‌ها مي‌توانند از عملكرد خوب باتري‌ها در شرايط كاري مطمئن باشند؟ 

بله كاملاً. ما مدل‌هاي جديد برقي خود را اساساً با تمركز بر فناوري باتري ساخته‌ايم، بنابراين فضاي زيادي براي ذخيره‌سازي انرژي وجود دارد. چنين چيزي به ما اجازه مي‌دهد تا شعاع حركتي خودروهايمان را تا ۵۵۰ كيلومتر برسانيم و در عين حال آن‌ها را با ارزش‌هاي مقرون‌به‌صرفه عرضه كنيم. ماژول‌هاي باتري معمولاً در مكان‌هاي مختلفي از خودروي برقي مورد استفاده قرار مي‌گيرند؛ اما هم‌اكنون در پلتفرم MEB، باتري به‌صورت فشرده بين محورها و زير بدنه قرار دارد. به اين معني كه ما نقطه‌ي توزيع مركزي براي انرژي داريم و اين يكي از مزاياي بزرگ پلتفرم جديد MEB فولكس‌واگن است.

عمر اين باتري‌ها چه مقدار است؟

هدف ما تنظيم عمر باتري برابر عمر خودرو است. ما حداقل ظرفيت ۷۰ درصد را براي هشت سال يا ۱۶۰ هزار كيلومتر تضمين مي‌كنيم. اما رانندگان نيز مي‌توانند روي طول عمر باتري تاثير داشته باشند. شارژ معمولي از شارژ سريع و پر كردن ظرفيت تا ۸۰ درصد به‌جاي ۱۰۰ درصد، بهتر است. 

آيا شارژ نكردن كامل خودروي برقي كمي غيرعملي نيست؟

در بيشتر موارد ۸۰ درصد شارژ، بيش از اندازه كافي است. بسياري از مشتريان تمايل دارند از خودروي خود براي رانندگي در فاصله‌هاي كوتاه  مانند رفتن به محل كار يا خريد استفاده كنند. براي چنين مصارفي، باتري نبايد ۱۰۰ درصد شارژ شود. شما رانندگي مي‌كنيد و زماني‌كه نياز باشد خودرو را شارژ خواهيد كرد و بيشتر افراد اين كار را در خانه انجام مي‌دهند. البته اگر مشتريان بخواهند، مي‌توان خودروي برقي را تا حد دستيابي به شعاع حركتي كامل شارژ كرد. براي پاسخگويي به اين نياز، فولكس‌واگن با همكاري ساير خودروسازان همكاري مي‌كند تا شبكه‌اي از ايستگاه‌هاي شارژ سريع را در آزادراه‌هاي اروپا راه‌اندازي كند. طرح اخير به همه رانندگان به‌خصوص مشترياني كه سفرهاي طولاني انجام مي‌دهند، كمك خواهد كرد؛ بنابراين كساني كه مثلاً به تعطيلات مي‌روند، نگراني از بابت تمام شدن شارژ خودرو نخواهند داشت.

آيا مي‌توانيد توضيح دهيد كه باتري چگونه ساخته شده است؟

سيستم‌هاي باتري در مدل‌هاي جديد خودروهاي برقي ما، مسطح هستند و بين محورها زير بدنه خودرو قرار گرفته‌اند. آن‌ها كمي شبيه بسته‌‌اي از شكلات شكل گرفته‌اند. هر سيستم باتري شامل تعداد متغيري از ماژول‌هاي باتري است كه از سلول‌هاي منحصربفرد تشكيل مي‌شود. مزيت اين ساختار ماژولار، انعطاف‌پذيري آن است. هرچه نياز به شعاع حركتي بيشتري براي خودرو باشد، ما ماژول‌هاي بيشتري در سيستم باتري قرار مي‌دهيم. اما ساختار اصلي هميشه يكسان خواهد بود كه باعث مي‌شود تا توليد متغير و هزينه‌ها به‌صرفه باشند.

تحقيق درباره‌ي نسل‌هاي بعدي باتري نيز به‌طور واقعي چه پيشرفت‌هايي را مي‌توانيم انتظار داشته باشيم؟

ما در سال‌هاي اخير پيشرفت زيادي كرده‌ايم. تراكم انرژي باتري‌هاي ليتيوم-يون از سال ۲۰۱۴ دو برابر شده است، به طوري كه امكان افزايش شعاع حركتي خودروهاي برقي جديد وجود دارد. من منتظر پيشرفت‌هاي درخورتوجهي در فناوري ليتيوم-يون هستم؛ اگرچه ديگر با همان ميزان و شدت سابق نباشد. جهش بزرگ بعدي احتمالاً در زمينه‌ي باتري‌هاي حالت جامد خواهد بود. ما با همكاري كوانتوم‌اسكيپ (QuantumScape)، در حال كار روي اين تكنولوژي هستيم.

باتري‌هاي حالت جامد چه كاري مي‌توانند انجام دهند؟ چه زماني آن‌ها براي استفاده آماده مي‌شوند؟

باتري‌هاي حالت جامد داراي تراكم انرژي بيشتري نسبت به باتري‌هاي ليتيوم-يون كنوني هستند؛ بنابراين شعاع حركتي طولاني‌تري را در اختيار قرار مي‌دهند. آن‌ها همچنين سبك‌تر و ارزان‌تر هستند و مي‌توانند سريع‌تر شارژ شوند. اما چند سال آينده آن‌ها براي توليد صنعتي در مقياس انبوه آماده خواهند شد كه ممكن است بين سال ۲۰۲۵ تا ۲۰۳۰ باشد.

چگونه تحقيقات باتري در فولكس‌واگن انجام مي‌شود؟

علاوه‌بر تحقيق گروهي، نقش كليدي بر عهده مركز كيفيت باتري است؛ جايي كه ما در آن تخصص را تقويت مي‌كنيم و فناوري باتري را بيشتر توسعه مي‌دهيم. متخصص كارشناسان ما در مركز كيفيت در همه زمينه‌ها از توسعه سلول‌هاي باتري گرفته تا توليد و بازيافت آن‌ها كار مي‌كنند. مركز كيفيت باتري همچنين داراي مركز ولتاژ بالا است كه متخصصان ما آزمايش‌هاي گسترده‌اي را در آن انجام مي‌دهند. باتري‌ها بايد به مدت چند روز يا هفته در شرايط سخت آزمايش شوند و سپس براي استفاده در خودروهاي جديد مورد تائيد قرار مي‌گيرند. خط توليد آزمايشي مركز زالتسگيتر در سال جاري براي كمك به گسترش دانش ما درباره فرايندهاي توليد راه‌اندازي خواهد شد كه نقش مهمي در چگونگي شكل‌گيري پيشرفت‌هاي آينده و اطمينان از عملكرد، كاهش هزينه‌ها و افزايش كيفيت خواهد داشت.

ما اصرار داريم كه همه‌ي تأمين‌كنندگان ما شرايط معدن‌كاري انساني را تأمين كنند و مطالعه مي‌كنيم تا اطمينان حاصل شود كه آن‌ها با توافق‌نامه‌هاي ما مطابقت دارند. ما به هيچ وجه نمي‌خواهيم از كار كودك يا كار اجباري سود ببريم. حمايت از حقوق بشر، بخشي جدايي‌ناپذير از نيازهاي هميشگي گروه فولكس‌واگن است. همه‌ي تأمين‌كنندگان ما ملزم هستند كه پيمانكاران فرعي خود را با استانداردهاي زيست محيطي و اجتماعي مطابقت دهند.

كبالت به‌عنوان ماده خام اشكال‌سازي در انديشه متخصصين گرفته مي‌شود. چطور از عهده اين موضوع بر مي‌آييد؟

ما تنها از كبالت صنعتي براي ساخت باتري استفاده مي‌كنيم. شركت‌هايي كه كبالت را از عمليات استخراج معادن غيرقانوني خريداري مي‌كنند، در زنجيره عرضه ما پذيرفته نمي‌شوند. ما همچنين به طرح‌هايي براي حمايت از حقوق انساني و محيط زيست پيوسته‌ايم. به‌عنوان مثال سازمان مواد معدني معتبر تشكيل شده كه در حال توسعه سيستمي جهت صدور گواهينامه براي كارخانه‌هاي فرآوري كبالت است. علاوه‌بر اين نسل‌هاي آينده سلول‌هاي باتري به مراتب داراي كبالت كمتري خواهند بود كه به كاهش هزينه‌ها و افزايش تراكم انرژي كمك خواهد كرد. در كوتاه‌مدت ما كبالت را از سطح فعلي ۱۲ تا ۱۴ درصد به كمتر از پنج درصد كاهش مي‌دهيم. همچنين ممكن است در آينده باتري‌هايي توليد كنيم كه هيچ اثري از كبالت در آن‌ها وجود نداشته باشد.

گروه فولكس‌واگن برنامه‌ بزرگ حمل‌ونقل برقي را با نزديك به ۷۰ خودروي الكتريكي جديد برنامه‌ريزي كرده است كه نياز بالايي به باتري خواهد داشت. شركاي شما در اين زمينه چه نقشي بر عهده دارند؟

براي مدل‌هاي بعدي مجهز به پلتفرم MEB، ما هم‌اكنون با سه شركت به‌عنوان تأمين‌كنندگان استراتژيك سلول‌هاي باتري كار مي‌كنيم. آن‌ها LG Chem و SKI در اروپا و CATL در چين هستند. SKI همچنين سلول‌هاي باتري ما را براي بازار ايالات متحده عرضه خواهد كرد. علاوه‌بر اين اخيراً با همكاران اروپايي توافق كرديم تا اتحاديه باتري اروپا را تشكيل دهيم كه تحقيقات باتري را در سراسر اروپا ارتقا مي‌بخشد. كنسرسيوم جديد كل زنجيره ارزش باتري را پوشش مي‌دهد و انتظار مي‌رود كه تحقيقات مشترك در اوايل سال ۲۰۲۰ آغاز شود. هدف اصلي اين است كه تخصص بيشتري در توليد سلول‌هاي باتري داشته باشيم.