آشنایی با فناوری باتری در خودروهای برقی
زوميت/ خريد خودروي الکتريکي جديد نيازمند داشتن اطلاعات درباره مشخصات باتري است؛ در اين مقاله با فناوري باتري خودروهاي برقي آشنا خواهيم شد. درحاليکه معمولاً موتور برقي بهعنوان منبعي براي حرکت دادن خودروي الکتريکي شناخته ميشود، ميتوان پکيج باتري را بهعنوان قلب و روح مجازي آن قلمداد کرد. کساني که براي خريد خودروي برقي به بازار مراجعه ميکنند، بايد به مشخصات آن توجه داشته باشند و از مواردي که بر عملکرد آن تاثير ميگذارند، آگاه شوند. خودروهاي الکتريکي از باتريهاي ليتيوم-يون با طراحيهاي مختلف و شبيه به آنچه که در تلفنهاي همراه و لپتاپ استفاده ميشود، بهره ميبرند؛ با اين تفاوت که باتري خودروي الکتريکي در مقياس بسيار بزرگتري توليد شده است. باتريهاي ليتيوم-يون داراي تراکم انرژي بالايي هستند و هنگام استفاده نشدن، نسبت به ساير انواع باتريها شارژ کمتري از دست ميدهند. ظرفيت باتري خودروي برقي برحسب کيلووات ساعت بيان ميشود که در نوشتهها بهصورت خلاصه kWh به کار ميرود. خريد خودروي الکتريکي با ميزان ظرفيت باتري بيشتر يا kWh بالاتر، مانند اين است که خودرويي با ظرفيت باک و در نتيجه شعاع حرکتي بيشتر در اختيار داريد. به عبارت ديگر هرچه ظرفيت باتري بالاتر باشد، با يکبار شارژ ميتوانيد مسافت بيشتري طي کنيد. اما بايد بدانيد که رانندگان هرگز کاملاً به تمام ظرفيت باتري دسترسي ندارند. به اين دليل که سيستم مديريت خودروي الکتريکي مانع از شارژ و تخليه ۱۰۰ درصدي باتري ميشود تا کارايي آن را حفظ کرده و باعث افزايش عمر مفيد باتري شود. ظرفيت باتري خودروهاي الکتريکي فعلي در بازار از ۱۷.۶ کيلووات ساعت در اسمارت EQ فورتو با ظرفيت پيمايش ۹۳ کيلومتر شروع ميشود و تا ۱۰۰ کيلووات ساعت در تسلا مدل اس و مدل ايکس با ظرفيت پيمايش بيش از ۴۸۰ کيلومتر ادامه مييابد. ظرفيت باتري طبق ارزيابي آژانس حفاظت از محيط زيست آمريکا (EPA)، مهمترين عاملي که بايد براي خريد خودروي الکتريکي در نظر داشت، محدوده برآوردي باتري با يکبار شارژ کامل است. اين اطلاعات در برچسب نصبشده روي شيشه خودروي برقي موجود است. شبيه خودروهاي بنزيني و ديزلي، محدوده کاري و مصرف انرژي وسايل نقليه برقي نيز تحت شرايط کنترلشده 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 الکتريکي با باتري کاملاً پر آزمايش را شروع ميکند و اين فرايند تا زمانيکه باتري بهطور کامل 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 که بار و سرنشينان بيشتري در خودروي برقي وجود داشته باشد، باتري سريعتر تخليه ميشود. به عبارت ديگر هرچه خودرو سنگينتر باشد، نسبت به مدل سبکتر بايد انرژي بيشتري صرف کند تا بتواند به سرعت مساوي با آن دست يابد. مهمتر از همه، ميزان شارژ باتري به سرعت در آبوهواي بسيار سرد و گرم کاهش مييابد. بهطور خاص دماهاي بسيار سرد ميتواند بهطور درخورتوجهي از عملکرد مناسب باتري و توانايي دريافت شارژ جلوگيري کند. علاوهبر اين در پيشرانههاي بنزيني حجم زيادي گرما توليد ميشود که ميتواند براي گرم کردن داخل کابين مورد استفاده قرار گيرد؛ سيستم کنترل آبوهوا در خودروي برقي نيز براي صرفهجويي در انرژي بهتنهايي از گرماي توليدشده در باتري بهره ميبرد. مطالعه اخير نشان داده است هنگامي که جيوه به منفي ۶ درجه سلسيوس برسد و بخاري خودرو نيز روشن باشد، شعاع حرکتي خودروي برقي بهطور ميانگين تا ۴۱ درصد کاهش مييابد. درواقع خودروهاي برقي با شعاع حرکتي ترکيبي شهر/بزرگراه ۲۴۰ کيلومتر، در چنين شرايطي با يکبار شارژ تنها ميتوانند مسافتي حدود ۱۴۰ کيلومتر طي کنند. در همان مطالعه مشخص شد وقتي دماي هوا ۳۵ درجه سلسيوس بوده و سيستم تهويه مطبوع در حال استفاده باشد، شعاع حرکتي خودروي الکتريکي بهطور متوسط ۱۷ درصد کاهش مييابد. شارژ باتري خودروي برقي معمولاً شارژ بيشتر وسايل نقليه الکتريکي در خانه و با مدار معمولي ۱۲۰ ولت (که بهعنوان شارژر سطح ۱ شناخته ميشوند) يا خط اختصاصي ۲۴۰ ولت (شارژر سطح ۲) انجام ميشود. باتوجهبه ظرفيت باتري وسيله نقليه، به کمک شارژر سطح ۱ ميتوان بين ۸ تا ۱۶ ساعت باتري را در هر جايي به شارژ کامل 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 کاهش دهد. اگر شرکت منطقهاي برق تخفيف ويژه براي مصرف در ساعات غيراوج بگذارد، افراد ميتوانند با برنامهريزي درست شارژ در اواسط شب، در هزينههاي خود صرفهجويي کنند. جايگزين سريعتري به نام شارژر سطح ۳ نيز وجود دارد که گرچه به ايستگاههاي شارژ عمومي محدود ميشود، اما رشد درخورتوجهي دارد. شارژرهاي سطح ۳ که 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 کامل باتري زمان مصرف ميشود، اما اين موضوع ربطي به سطح شارژر مورداستفاده ندارد. ضمانتنامه باتري متاسفانه توان نگهداري شارژ تمام باتريهاي خودروهاي الکتريکي به مرور زمان کاهش مييابد و آنها خيلي زود شارژ خود را از دست ميدهند. گزارش مؤسسه Plug In نشان ميدهد که شعاع حرکتي تسلا مدل اس با طي هر ۱۶٬۰۰۰ کيلومتر، تقريباً ۵ کيلومتر کاهش مييابد. بااينحال تسلا گزارش ميدهد که تحت آزمايشهاي کنترلشده، باتريهاي مدل اس توانستند پس از ۸۰۴٬۰۰۰ کيلومتر شبيهسازي حدود ۸۰ درصد ظرفيت اوليه خود را حفظ کنند. از سوي ديگر مدلهاي با پيمايش کمتر، به مرور زمان بيشتر خراب ميشوند و ظرفيت شارژ آنها پس از مدت بسيار کمي افت ميکند. معمولاً جايگزيني پکيج باتري خودروي برقي ميتواند هزينهي چند هزار دلاري براي مشتري به همراه داشته باشد. به همين علت مقررات، شرکتهاي خودروسازي را ملزم ميکند که حداقل ضمانت ۸ سال يا ۱۶۰ هزار کيلومتر براي پکيج باتري در نظر بگيرند. اولينبار هيونداي چنين ضمانتنامهاي را براي کُنا ارائه داد؛ درحاليکه مدتي بعد نيز کيا ضمانت ۱۰ ساله يا ۱۶۰ هزار کيلومتر برايمدلهاي نيرو و سول معرفي کرد. بااينحال خريداران بايد توجه داشته باشند که هر ضمانتنامهاي، داراي استثنائات مربوطبه عمر باتري است. بهعنوان مثال برخي از خودروسازان پکيج باتري را تنها دربرابر خرابي کامل پوشش ميدهند؛ درحاليکه ساير خودروسازان از جمله بيامو، شورولت، نيسان، تسلا (براي مدل ۳) و فولکسواگن باتري را هنگام رسيدن به ۶۰ تا ۷۰ درصد ظرفيت کلي شارژ تعويض ميکنند. فرانک بلوم، مدير مرکز کيفيت سلولهاي باتري فولکسواگن از عزم اين شرکت براي ارائه ضمانتنامه ۸ ساله يا ۱۶۰ هزار کيلومتر تا حداقل ۷۰ درصد ظرفيت شارژ باتري خبر داد. در اين طرح خودروهاي الکتريکي با پلتفرم MEB، ميتوانند با رسيدن به ۷۰ درصد ظرفيت باتري، آن را با باتري نو تعويض کنند. معمولاً انتظار ميرود که پکيج باتري تا پايان عمر خودروي برقي سالم باقي بمانند. باتوجهبه اينکه 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 که پيش از پايان عمر خودرو، باتري به ۷۰ درصد شارژ باتري يا کمتر برسد، مشتري ميتواند بدون پرداخت هزينه از مزاياي تعويض پکيج باتري بهره ببرد. بلوم همچنين تاکيد ميکند که نسل جديد مدلهاي برقي فولکسواگن (خانوادهي I.D.) عمدتاً داراي باتريهايي با مزاياي گفتهشده هستند. بلوم همچنين به شرکتهاي LG Chem، SK Innovation و CATL بهعنوان تأمينکنندگان پکيج باتري فولکسواگن در اروپا، آمريکا و چين اشاره کرد. وبسايت insideevs طي مصاحبهاي با فرانک بلوم، جزئيات بيشتري از باتري خودروهاي الکتريکي فولکسواگن ارائه ميدهد. بسياري از مردم با خريد خودروي الکتريکي وارد قلمرو ناشناختهاي ميشوند. آيا آنها ميتوانند از عملکرد خوب باتريها در شرايط کاري مطمئن باشند؟ بله کاملاً. ما مدلهاي جديد برقي خود را اساساً با تمرکز بر فناوري باتري ساختهايم، بنابراين فضاي زيادي براي ذخيرهسازي انرژي وجود دارد. چنين چيزي به ما اجازه ميدهد تا شعاع حرکتي خودروهايمان را تا ۵۵۰ کيلومتر برسانيم و در عين حال آنها را با قيمتهاي مقرونبهصرفه عرضه کنيم. ماژولهاي باتري معمولاً در مکانهاي مختلفي از خودروي برقي مورد استفاده قرار ميگيرند؛ اما هماکنون در پلتفرم MEB، باتري بهصورت فشرده بين محورها و زير بدنه قرار دارد. به اين معني که ما نقطهي توزيع مرکزي براي انرژي داريم و اين يکي از مزاياي بزرگ پلتفرم جديد MEB فولکسواگن 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 کيلومتر تضمين ميکنيم. اما رانندگان نيز ميتوانند روي طول عمر باتري تاثير داشته باشند. شارژ معمولي از شارژ سريع و پر کردن ظرفيت تا ۸۰ درصد بهجاي ۱۰۰ درصد، بهتر است. آيا شارژ نکردن کامل خودروي برقي کمي غيرعملي نيست؟ در بيشتر موارد ۸۰ درصد شارژ، بيش از اندازه کافي است. بسياري از مشتريان تمايل دارند از خودروي خود براي رانندگي در فاصلههاي کوتاه مانند رفتن به محل کار يا خريد استفاده کنند. براي چنين مصارفي، باتري نبايد ۱۰۰ درصد شارژ شود. شما رانندگي ميکنيد و زمانيکه نياز باشد خودرو را شارژ خواهيد کرد و بيشتر افراد اين کار را در خانه انجام ميدهند. البته اگر مشتريان بخواهند، ميتوان خودروي برقي را تا حد دستيابي به شعاع حرکتي کامل شارژ کرد. براي پاسخگويي به اين نياز، فولکسواگن با همکاري ساير خودروسازان همکاري ميکند تا شبکهاي از ايستگاههاي شارژ سريع را در آزادراههاي اروپا راهاندازي کند. طرح اخير به همه رانندگان بهخصوص مشترياني که سفرهاي طولاني انجام ميدهند، کمک خواهد کرد؛ بنابراين کساني که مثلاً به تعطيلات ميروند، نگراني از بابت تمام شدن شارژ خودرو نخواهند داشت. آيا ميتوانيد توضيح دهيد که باتري چگونه ساخته شده است؟ سيستمهاي باتري در مدلهاي جديد خودروهاي برقي ما، مسطح هستند و بين محورها زير بدنه خودرو قرار گرفتهاند. آنها کمي شبيه بستهاي از شکلات شکل گرفتهاند. هر سيستم باتري شامل تعداد متغيري از ماژولهاي باتري است که از سلولهاي منحصربفرد تشکيل ميشود. مزيت اين ساختار ماژولار، انعطافپذيري آن است. هرچه نياز به شعاع حرکتي بيشتري براي خودرو باشد، ما ماژولهاي بيشتري در سيستم باتري قرار ميدهيم. اما ساختار اصلي هميشه يکسان خواهد بود که باعث ميشود تا توليد متغير و هزينهها بهصرفه باشند. تحقيق دربارهي نسلهاي بعدي باتري نيز انجام ميشود. بهطور واقعي چه پيشرفتهايي را ميتوانيم انتظار داشته باشيم؟ ما در سالهاي اخير پيشرفت زيادي کردهايم. تراکم انرژي باتريهاي ليتيوم-يون از سال ۲۰۱۴ دو برابر شده است، به طوري که امکان افزايش شعاع حرکتي 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 همکاري کوانتوماسکيپ (QuantumScape)، در حال کار روي اين تکنولوژي هستيم. باتريهاي حالت جامد چه کاري ميتوانند انجام دهند؟ چه زماني آنها براي استفاده آماده ميشوند؟ باتريهاي حالت جامد داراي تراکم انرژي بيشتري نسبت به باتريهاي ليتيوم-يون کنوني هستند؛ بنابراين شعاع حرکتي طولانيتري را در اختيار قرار ميدهند. آنها همچنين سبکتر و ارزانتر هستند و ميتوانند سريعتر شارژ شوند. اما چند سال آينده آنها براي توليد صنعتي در مقياس انبوه آماده خواهند شد که ممکن است بين سال ۲۰۲۵ تا ۲۰۳۰ باشد. چگونه تحقيقات باتري در فولکسواگن انجام ميشود؟ علاوهبر تحقيق گروهي، نقش کليدي بر عهده مرکز کيفيت باتري است؛ جايي که ما در آن تخصص را تقويت ميکنيم و فناوري باتري را بيشتر توسعه ميدهيم. کارشناسان ما در مرکز کيفيت در همه زمينهها از توسعه سلولهاي باتري گرفته تا توليد و بازيافت آنها کار ميکنند. مرکز کيفيت باتري همچنين داراي مرکز ولتاژ بالا است که 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 مرکز زالتسگيتر در سال جاري براي کمک به گسترش دانش ما درباره فرايندهاي توليد راهاندازي خواهد شد که نقش مهمي در چگونگي شکلگيري پيشرفتهاي آينده و اطمينان از عملکرد، کاهش هزينهها و افزايش کيفيت خواهد داشت. مواد اوليه نقش مهمي در توليد باتري دارند. آيا ميتوانيد اطمينان حاصل کنيد که در معادن و براي استخراج اين مواد، حقوق بشر نقض نميشود؟ ما اصرار داريم که همهي تأمينکنندگان ما شرايط معدنکاري انساني را تأمين کنند و بررسي ميکنيم تا اطمينان حاصل شود که آنها با توافقنامههاي ما مطابقت دارند. ما به هيچ وجه نميخواهيم از کار کودک يا کار اجباري سود ببريم. حمايت از حقوق بشر، بخشي جداييناپذير از نيازهاي هميشگي گروه فولکسواگن است. همهي تأمينکنندگان ما ملزم هستند که پيمانکاران فرعي خود را با استانداردهاي زيست محيطي و اجتماعي مطابقت دهند. کبالت بهعنوان ماده خام مشکلسازي در نظر گرفته ميشود. چطور از عهده اين موضوع بر ميآييد؟ ما تنها از کبالت صنعتي براي ساخت باتري استفاده ميکنيم. شرکتهايي که کبالت را از عمليات استخراج معادن غيرقانوني خريداري ميکنند، 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 تشکيل شده که در حال توسعه سيستمي جهت صدور گواهينامه براي کارخانههاي فرآوري کبالت است. علاوهبر اين نسلهاي آينده سلولهاي باتري به مراتب داراي کبالت کمتري خواهند بود که به کاهش هزينهها و افزايش تراکم انرژي کمک خواهد کرد. در کوتاهمدت ما کبالت را از سطح فعلي ۱۲ تا ۱۴ درصد به کمتر از پنج درصد کاهش ميدهيم. همچنين ممکن است در آينده باتريهايي توليد کنيم که هيچ اثري از کبالت در آنها وجود نداشته باشد. گروه فولکسواگن برنامه بزرگ حملونقل برقي را با نزديک به ۷۰ خودروي الکتريکي جديد برنامهريزي کرده است که نياز بالايي به باتري خواهد داشت. شرکاي شما در اين زمينه چه نقشي بر عهده دارند؟ براي مدلهاي بعدي مجهز به پلتفرم MEB، ما هماکنون با سه شرکت بهعنوان تأمينکنندگان استراتژيک سلولهاي باتري کار ميکنيم. آنها LG Chem و SKI در اروپا و CATL در چين هستند. SKI همچنين سلولهاي باتري ما را براي بازار ايالات متحده عرضه خواهد کرد. علاوهبر اين اخيراً با همکاران اروپايي توافق کرديم تا اتحاديه باتري اروپا را تشکيل دهيم که تحقيقات باتري را در سراسر اروپا ارتقا ميبخشد. کنسرسيوم جديد کل زنجيره ارزش باتري را پوشش ميدهد و انتظار ميرود که تحقيقات مشترک در اوايل سال ۲۰۲۰ آغاز شود. هدف اصلي اين است که تخصص بيشتري در توليد سلولهاي باتري داشته باشيم.