باتری خودروهای برقی [انواع، مزایا، معایب و مدت زمان شارژ ]

خودروهای هیبریدی و خصوصا خودروهای تمام الکتریکی (Electric Vehicles – EV یا Battery Electric Vehicles – BEV) هنوز در بسیاری از بازارها، از جمله ایران، به اندازه‌ای که انتظار می‌رفت مورد استقبال عمومی قرار نگرفته‌اند. یکی از دلایل اصلی این موضوع، محدودیت در ظرفیت و حجم ذخیره انرژی باتری‌های موجود است. به رغم پیشرفت‌های چشمگیر در طراحی و فناوری ساخت باتری‌های لیتیوم-یونی و سایر نسل‌های نوین، برد مفید خودروهای برقی فعلی هنوز نتوانسته است به طور کامل با توان حرکتی خودروهای بنزینی رقابت کند و این موضوع باعث نگرانی و تردید در میان خریداران شده است. در این مقاله از خسروانی، به معرفی انواع باتری‌های مورد استفاده در خودروهای برقی می‌پردازیم و سپس مزایا، معایب و ویژگی‌های هر کدام را بررسی خواهیم کرد تا بتوانید با آگاهی بیشتری نسبت به این فناوری‌های نوین تصمیم‌گیری کنید.

انواع باتری‌ خودروهای برقی

در حال حاضر، چند نوع باتری با تکنولوژی‌های مختلف در خودروهای برقی مورد استفاده قرار می‌گیرد که هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند:

باتری‌های لیتیوم-یون (Li-ion)

باتری‌های لیتیوم-یون رایج‌ترین و محبوب‌ترین نوع باتری در خودروهای برقی امروزی هستند. دلیل این محبوبیت، چگالی انرژی بالا، وزن نسبتاً کم و طول عمر مناسب آن‌هاست. باتری‌های لیتیوم-یون دارای زیرمجموعه‌هایی هستند که بر اساس مواد کاتد مورد استفاده، تقسیم‌بندی می‌شوند. مهم‌ترین انواع شامل:

• لیتیوم کبالت اکسید (LCO): چگالی انرژی بالا، اما پایداری حرارتی کمتر.
• لیتیوم منگنز اکسید (LMO): پایداری حرارتی و ایمنی بالاتر، اما چگالی انرژی کمی پایین‌تر.
• لیتیوم نیکل منگنز کبالت اکسید (NMC): تعادل خوبی بین چگالی انرژی و پایداری. این نوع در حال حاضر در بسیاری از خودروهای برقی پیشرفته استفاده می‌شود.
• لیتیوم نیکل کبالت آلومینیوم اکسید (NCA): چگالی انرژی بسیار بالا، معمولاً در خودروهای تسلا به کار می‌رود.
• لیتیوم آهن فسفات (LFP): پایداری حرارتی و ایمنی بسیار بالا، طول عمر طولانی‌تر و هزینه کمتر، اما چگالی انرژی پایین‌تر.

این باتری‌ها از یک کاتد (معمولاً حاوی ترکیبات لیتیوم)، یک آند (معمولاً گرافیت) و یک الکترولیت مایع تشکیل شده‌اند.

مشخصات و ویژگی‌های باتری‌های لیتیوم-یون در خودروهای برقی در جدول زیر گردآوری شده است:

باتری‌های نیکل-متال هیدرید (NiMH)

باتری‌های نیکل-متال هیدرید در گذشته به طور گسترده در خودروهای هیبریدی (مانند تویوتا پریوس) استفاده می‌شدند، اما به دلیل چگالی انرژی پایین‌تر در مقایسه با لیتیوم-یون، کمتر در خودروهای برقی خالص به کار می‌روند.

• ساختار: از یک کاتد نیکل، آند هیدرید فلزی و الکترولیت قلیایی تشکیل شده‌اند.
• طول عمر باتری: طول عمر بالایی دارند و می‌توانند بیش از ۱۰ سال دوام بیاورند.
• مزایا: ایمنی بالا، تحمل خوب دماهای مختلف، طول عمر بالا، مقاوم در برابر شارژ و دشارژ مکرر.
• معایب: چگالی انرژی پایین‌تر، اثر حافظه (کاهش ظرفیت در صورت شارژ ناقص).

باتری‌های حالت جامد (Solid-State Batteries)

باتری‌های حالت جامد نسل بعدی باتری‌های لیتیوم-یون محسوب می‌شوند و در حال حاضر در مراحل تحقیق و توسعه پیشرفته قرار دارند. این باتری‌ها به جای الکترولیت مایع از یک الکترولیت جامد استفاده می‌کنند.

• مزایا: چگالی انرژی بسیار بالاتر (افزایش چشمگیر برد خودرو)، ایمنی بسیار بالا (کاهش خطر آتش‌سوزی)، شارژ سریع‌تر، طول عمر بیشتر، ابعاد کوچکتر.
• معایب: در حال حاضر هزینه تولید بسیار بالا، چالش‌های فنی در تولید انبوه و عملکرد در دماهای مختلف. انتظار می‌رود این فناوری در آینده نزدیک به بازار عرضه شود و انقلابی در صنعت خودروهای برقی ایجاد کند.

فرق باتری خودروهای معمولی با باتری خودروهای برقی

در حالی که هر دو نوع خودرو از باتری استفاده می‌کنند، تفاوت‌های اساسی بین باتری‌های خودروهای معمولی (احتراق داخلی) و خودروهای برقی وجود دارد.

• باتری‌های خودروهای معمولی (معمولاً باتری‌های اسید سرب 12 ولت) عمدتاً برای تامین برق اولیه جهت استارت زدن موتور و تغذیه سیستم‌های الکتریکی جانبی طراحی شده‌اند.
• این باتری‌ها برای تامین انرژی پایدار و طولانی‌مدت برای حرکت خودرو ساخته نشده‌اند.
• باتری‌های خودروهای برقی که اغلب به عنوان پک باتری شناخته می‌شوند، وظیفه اصلی تامین انرژی برای حرکت خودرو را بر عهده دارند.
• این باتری‌ها دارای ظرفیت بسیار بالاتر، ولتاژ بیشتر و طراحی پیچیده‌تری هستند تا بتوانند به طور مداوم مقادیر زیادی انرژی را ذخیره و آزاد کنند.
• باتری خودروهای برقی قابلیت شارژ و دشارژ مکرر را دارند که برای عملکرد یک خودروی برقی ضروری‌ست.

وزن و ولتاژ باتری خودرو برقی

یکی از عوامل مهمی که بر عملکرد و کارایی خودروهای برقی تاثیر می‌گذارد، وزن باتری است. با توجه به چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم-یون، وزن پک باتری در خودروهای برقی می‌تواند از حدود 300 کیلوگرم در مدل‌های کوچکتر تا بیش از 700 کیلوگرم در خودروهای لوکس و با برد بالا متغیر باشد.

این وزن قابل توجه است و بر هندلینگ و مصرف انرژی خودرو تاثیر می‌گذارد، به همین دلیل تولیدکنندگان همواره در تلاش برای کاهش وزن باتری‌ها هستند.

ولتاژ باتری در خودروهای برقی بسیار بالاتر از خودروهای معمولی است و معمولاً در محدوده 400 ولت تا 800 ولت قرار دارد. سیستم‌های 800 ولتی جدیدتر (مانند پورشه تایکان و هیوندای آیونیک 5) امکان شارژ سریع‌تر و کارایی بالاتر را فراهم می‌کنند.

باتری‌های برقی چند بار امکان شارژ دارند؟

در مورد تعداد دفعات شارژ، به جای تعداد دفعات، اصطلاح «چرخه شارژ» (Charge Cycle) اهمیت دارد. یک چرخه شارژ به معنای یک بار شارژ کامل باتری از 0 تا 100 درصد است، اما نیازی نیست که این اتفاق در یک نوبت رخ دهد. به عنوان مثال، اگر باتری را از 50 درصد به 100 درصد شارژ کنید و سپس دوباره از 50 درصد به 100 درصد شارژ کنید، این معادل یک چرخه شارژ کامل است.

باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً برای تحمل بین 1000 تا 2500 چرخه شارژ کامل طراحی شده‌اند، قبل از اینکه ظرفیت آن‌ها به حدود 80 درصد ظرفیت اولیه کاهش یابد. پس از این حد، باتری هنوز قابل استفاده است اما برد خودرو کمتر می‌شود.

با توجه به اینکه بسیاری از رانندگان به ندرت باتری را تا 0 درصد تخلیه کرده و تا 100 درصد شارژ می‌کنند، عمر باتری خودروهای برقی می‌تواند بسیار طولانی‌تر از تعداد چرخه‌های اسمی باشد. به عنوان مثال، اگر هر 320 کیلومتر رانندگی نیاز به یک چرخه شارژ کامل داشته باشد، یک باتری با 1500 چرخه می‌تواند حدود 480,000 کیلومتر دوام بیاورد.

بهترین باتری خودروی برقی کدام است؟

وقتی صحبت از بهترین باتری خودروی برقی به میان می‌آید، باید بپذیریم که پاسخ ساده‌ای وجود ندارد. برخلاف تصور عمومی، انتخاب باتری در خودروهای تمام‌برقی یا هیبرید، یک تصمیم علمی و فنی پیچیده است که به عوامل متعددی بستگی دارد. هیچ باتری به عنوان «بهترین» در همه زمینه‌ها برتری ندارد؛ بلکه هر نوع باتری، با توجه به نیازها و اولویت‌های خاص، می‌تواند بهترین گزینه باشد.

فاکتورهای کلیدی در انتخاب باتری خودروی برقی

خودروسازان برای انتخاب نوع و ظرفیت باتری مناسب برای هر مدل خودرو، مجموعه‌ای از فاکتورها را مورد ارزیابی دقیق قرار می‌دهند. این فاکتورها شامل موارد زیر است:

1. هزینه تولید: یکی از مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار بر قیمت نهایی خودرو. باتری‌های ارزان‌تر می‌توانند به کاهش قیمت خودرو و در دسترس‌تر شدن آن کمک کنند.
2. ضریب ایمنی: ایمنی باتری در برابر آتش‌سوزی، انفجار و آسیب‌های ناشی از تصادف، از اولویت‌های اصلی است. سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) نقش حیاتی در حفظ ایمنی دارند.
3. قابلیت بازیافت: با افزایش تعداد خودروهای برقی، اهمیت بازیافت باتری‌ها برای کاهش اثرات زیست‌محیطی و استفاده مجدد از منابع ارزشمند، بیشتر می‌شود.
4. چگالی انرژی: میزان انرژی ذخیره‌شده در واحد وزن یا حجم باتری. چگالی انرژی بالاتر به معنای برد بیشتر خودرو با همان وزن باتری است.
5. سیکل شارژدهی (طول عمر): تعداد دفعاتی که باتری می‌تواند بدون افت قابل توجه در ظرفیت، شارژ و دشارژ شود. این فاکتور مستقیماً بر طول عمر مفید باتری و هزینه خودرو تأثیر می‌گذارد.
6. بازه تحمل حرارتی: توانایی باتری برای عملکرد بهینه در دماهای مختلف، چه بسیار سرد و چه بسیار گرم. دمای ایده‌آل برای عملکرد و طول عمر باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً بین 20 تا 25 درجه سانتی‌گراد است.
7. فراوانی متریال پایه: دسترسی به مواد اولیه برای تولید باتری و قیمت آن‌ها، بر پایداری زنجیره تأمین و هزینه کلی تاثیرگذار است.

با در نظر گرفتن این فاکتورها، خودروسازان تصمیم می‌گیرند که کدام نوع باتری را در کدام مدل خودرو به کار ببرند:

• باتری‌های سدیم-یون (NIB) و LFP (لیتیوم آهن فسفات): این باتری‌ها که از خانواده لیتیوم-یون (LIB) محسوب می‌شوند، به دلیل هزینه تولید کمتر، ایمنی بالاتر و طول عمر خوب، معمولاً برای خودروهای سبک شهری، موتورسیکلت‌ها، سه‌چرخه‌ها و مدل‌های اقتصادی‌تر مناسب هستند. چگالی انرژی آن‌ها کمی پایین‌تر است، اما برای مسافت‌های شهری و روزمره کاملاً کافی هستند.
• باتری‌های NMC (نیکل منگنز کبالت): این نوع باتری‌های لیتیوم-یون، به دلیل چگالی انرژی بسیار بالا و عملکرد عالی در شرایط مختلف، اغلب در شاسی‌بلندهای سنگین، خودروهای اسپرت و مدل‌هایی با برد بسیار زیاد استفاده می‌شوند. البته این ویژگی‌ها با هزینه تولید بالاتر و حساسیت بیشتر به دما همراه هستند.

همانطور که مشخص است، نمی‌توان یک نوع باتری را به عنوان «بهترین باتری خودروی برقی جهان» معرفی کرد. انتخاب باتری، فرایندی پیچیده است که توسط ارزیابی‌های دقیق و بر اساس سیاست‌های هر شرکت خودروساز انجام می‌گیرد. هدف، دستیابی به تعادلی بهینه بین هزینه، ایمنی، عملکرد، برد و پایداری است.

برای مصرف‌کننده نهایی، بهترین باتری در واقع باتری است که نیازهای او را برآورده کند. اگر به دنبال یک خودروی شهری اقتصادی با ایمنی بالا و طول عمر خوب هستید، باتری LFP ممکن است بهترین گزینه باشد. اما اگر برد طولانی، شتاب بالا و عملکرد فوق‌العاده برایتان اولویت دارد، خودروهای مجهز به باتری NMC احتمالا گزینه بهتری هستند.

معایب و چالش‌های باتری خودروهای برقی

باتری‌های خودروهای برقی با وجود پیشرفت‌ زیاد، هنوز با چالش‌ها و مشکلات مهمی روبرو هستند:

مزایای باتری‌های جدید خودروهای برقی

با وجود چالش‌ها و مشکلات تولید باتری، خودروسازان به توسعه باتری‌های خودروهای برقی ادامه می‌دهند چون:

قیمت باتری خودروهای برقی

تعویض باتری خودروهای برقی و هیبریدی به یکی از بزرگ‌ترین دغدغه‌های مالکان این نوع خودروها تبدیل شده است؛ چرا که قیمت باتری می‌تواند تا بیش از ۵۰ درصد ارزش کل خودرو را شامل شود. به‌عنوان مثال، هزینه تعویض باتری برخی مدل‌ها مانند کیا سول برقی، ممکن است به بیش از ۱۵ تا ۳۰ هزار دلار آمریکا برسد.

جمع‌بندی

باتری‌ خودروهای برقی، نه‌تنها منبع اصلی تامین انرژی خودرو است بلکه عملکرد، ایمنی، هزینه نگهداری و حتی تجربه رانندگی را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد. باتری‌های لیتیوم-یون رایج‌ترین نوع باتری در خودروهای برقی امروز هستند که با زیرشاخه‌هایی مانند NMC، NCA و LFP، تنوع بالایی از نظر چگالی انرژی، طول عمر و ایمنی ارائه می‌دهند. باتری‌های نیکل-متال هیدرید، گرچه قدیمی‌ترند، اما همچنان در خودروهای هیبریدی قابل اتکا هستند.

سوالات متداول

• آیا باتری خودروهای برقی قابل تعویض هستند و هر چند وقت یک‌بار باید تعویض شوند؟

بله، باتری خودروهای برقی قابل تعویض هستند، اما به دلیل عمر طولانی آن‌ها، نیاز به تعویض معمولاً پس از چند سال استفاده مداوم احساس می‌شود.

• آیا شارژ مداوم باتری تا ۱۰۰ درصد باعث کاهش عمر آن می‌شود؟

بله، شارژ کردن باتری تا ۱۰۰ درصد به‌صورت مداوم می‌تواند عمر آن را کاهش دهد. توصیه می‌شود برای استفاده روزانه، باتری را تا حدود ۸۰ درصد شارژ کنید و تنها در مواقعی که به برد کامل نیاز دارید، شارژ کامل انجام شود. علاوه بر این، تخلیه کامل باتری تا صفر درصد نیز باعث کاهش عمر مفید آن می‌شود.

• در زمستان و هوای سرد، عملکرد باتری خودرو برقی چگونه است؟

در دماهای پایین، عملکرد باتری کاهش می‌یابد و ممکن است برد حرکتی خودرو تا ۲۰ تا ۴۰ درصد کاهش یابد. این به دلیل کاهش واکنش‌های شیمیایی داخل سلول‌ها و افزایش مصرف انرژی برای گرم کردن کابین است. بیشتر خودروهای برقی مدرن دارای سیستم مدیریت حرارتی باتری هستند که با گرم کردن باتری، عملکرد آن را در سرما حفظ می‌کنند.