آشنایی با فناوری باتری در خودروهای برقی

درحالی‌که معمولاً موتور برقی به‌عنوان منبعی برای حرکت دادن خودروی الکتریکی شناخته می‌شود، می‌توان پکیج باتری را به‌عنوان قلب و روح مجازی آن قلمداد کرد. کسانی که برای خرید خودروی برقی به بازار مراجعه می‌کنند، باید به مشخصات آن توجه داشته باشند و از مواردی که بر عملکرد آن تاثیر می‌گذارند، آگاه شوند.

خودروهای الکتریکی از باتری‌های لیتیوم-یون با طراحی‌های مختلف و شبیه به آنچه که در تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ استفاده می‌شود، بهره می‌برند؛ با این تفاوت که باتری خودروی الکتریکی در مقیاس بسیار بزرگتری تولید شده است. باتری‌های لیتیوم-یون دارای تراکم انرژی بالایی هستند و هنگام استفاده نشدن، نسبت به سایر انواع باتری‌ها شارژ کمتری از دست می‌دهند.

ظرفیت باتری خودروی برقی برحسب کیلووات ساعت بیان می‌شود که در نوشته‌ها به‌صورت خلاصه kWh به کار می‌رود. خرید خودروی الکتریکی با میزان ظرفیت باتری بیشتر یا kWh بالاتر، مانند این است که خودرویی با ظرفیت باک و در نتیجه شعاع حرکتی بیشتر در اختیار دارید. به عبارت دیگر هرچه ظرفیت باتری بالاتر باشد، با یک‌بار شارژ می‌توانید مسافت بیشتری طی کنید. اما باید بدانید که رانندگان هرگز کاملاً به تمام ظرفیت باتری دسترسی ندارند. به این دلیل که سیستم مدیریت خودروی الکتریکی مانع از شارژ و تخلیه ۱۰۰ درصدی باتری می‌شود تا کارایی آن را حفظ کرده و باعث افزایش عمر مفید باتری شود.

ظرفیت باتری خودروهای الکتریکی فعلی در بازار از ۱۷.۶ کیلووات ساعت در اسمارت EQ فورتو با ظرفیت پیمایش ۹۳ کیلومتر شروع می‌شود و تا ۱۰۰ کیلووات ساعت در تسلا مدل اس و مدل ایکس با ظرفیت پیمایش بیش از ۴۸۰ کیلومتر ادامه می‌یابد. 

ظرفیت باتری

طبق ارزیابی آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا (EPA)، مهم‌ترین عاملی که باید برای خرید خودروی الکتریکی در نظر داشت، محدوده برآوردی باتری با یک‌بار شارژ کامل است. این اطلاعات در برچسب نصب‌شده روی شیشه خودروی برقی موجود است. 

شبیه خودروهای بنزینی و دیزلی، محدوده کاری و مصرف انرژی وسایل نقلیه برقی نیز تحت شرایط کنترل‌شده در آزمایشگاه مورد آزمایش قرار می‌گیرند. خودرو روی دینامومتر رانده می‌شود؛ با استفاده از برنامه‌های رانندگی چندگانه، رانندگی در شرایط شهر و بزرگراه شبیه‌سازی خواهد شد. خودروی الکتریکی با باتری کاملاً پر آزمایش را شروع می‌کند و این فرایند تا زمانی‌که باتری به‌طور کامل تخلیه شود، ادامه دارد.

بااین‌حال محدوده واقعی خودروی برقی در حالت شارژ می‌تواند باتوجه‌به عوامل متعدد، متفاوت باشد. شتاب‌گیری سریع و رانندگی با سرعت‌های بالا از جمله عوامل مهم در سریع‌تر تخلیه شدن باتری به شمار می‌رود. همچنین هنگامی که بار و سرنشینان بیشتری در خودروی برقی وجود داشته باشد، باتری سریع‌تر تخلیه می‌شود. به عبارت دیگر هرچه خودرو سنگین‌تر باشد، نسبت به مدل سبک‌تر باید انرژی بیشتری صرف کند تا بتواند به سرعت مساوی با آن دست یابد.

مهم‌تر از همه، میزان شارژ باتری به سرعت در آب‌وهوای بسیار سرد و گرم کاهش می‌یابد. به‌طور خاص دماهای بسیار سرد می‌تواند به‌طور درخورتوجهی از عملکرد مناسب باتری و توانایی دریافت شارژ جلوگیری کند. علاوه‌بر این در پیشرانه‌های بنزینی حجم زیادی گرما تولید می‌شود که می‌تواند برای گرم کردن داخل کابین مورد استفاده قرار گیرد؛ سیستم کنترل آب‌وهوا در خودروی برقی نیز برای صرفه‌جویی در انرژی به‌تنهایی از گرمای تولیدشده در باتری بهره می‌برد. مطالعه اخیر نشان داده است هنگامی که جیوه به منفی ۶ درجه سلسیوس برسد و بخاری خودرو نیز روشن باشد، شعاع حرکتی خودروی برقی به‌طور میانگین تا ۴۱ درصد کاهش می‌یابد. درواقع خودروهای برقی با شعاع حرکتی ترکیبی شهر/بزرگراه ۲۴۰ کیلومتر، در چنین شرایطی با یک‌بار شارژ تنها می‌توانند مسافتی حدود ۱۴۰ کیلومتر طی کنند. در همان مطالعه مشخص شد وقتی دمای هوا ۳۵ درجه سلسیوس بوده و سیستم تهویه مطبوع در حال استفاده باشد، شعاع حرکتی خودروی الکتریکی به‌طور متوسط ​​۱۷ درصد کاهش می‌یابد.

شارژ باتری خودروی برقی

معمولاً شارژ بیشتر وسایل نقلیه الکتریکی در خانه و با مدار معمولی ۱۲۰ ولت (که به‌عنوان شارژر سطح ۱ شناخته می‌شوند) یا خط اختصاصی ۲۴۰ ولت (شارژر سطح ۲) انجام می‌شود. باتوجه‌به ظرفیت باتری وسیله نقلیه، به کمک شارژر سطح ۱ می‌توان بین ۸ تا ۱۶ ساعت باتری را در هر جایی به شارژ کامل رساند.

گرچه نصب سرویس شارژ ۲۴۰ ولتی در خانه می‌تواند هزینه چند صد دلاری به همراه داشته باشد، اما چنین طرحی می‌توان زمان شارژ را حدود ۴ ساعت کاهش دهد. اگر شرکت منطقه‌ای برق تخفیف ویژه برای مصرف در ساعات غیراوج بگذارد، افراد می‌توانند با برنامه‌ریزی درست شارژ در اواسط شب، در هزینه‌های خود صرفه‌جویی کنند.

جایگزین سریع‌تری به نام شارژر سطح ۳ نیز وجود دارد که گرچه به ایستگاه‌های شارژ عمومی محدود می‌شود، اما رشد درخورتوجهی دارد. شارژرهای سطح ۳ که اغلب با نام شارژر سریع DC شناخته می‌شوند، قادر هستند باتری خودروی برقی را طی ۳۰ دقیقه به ۸۰ درصد ظرفیت شارژ برسانند. اگرچه در هوای سرد نسبت به هوای گرم زمان بیشتری برای شارژ کامل باتری زمان مصرف می‌شود، اما این موضوع ربطی به سطح شارژر مورداستفاده ندارد.

ضمانتنامه باتری

متاسفانه توان نگه‌داری شارژ تمام باتری‌های خودروهای الکتریکی به مرور زمان کاهش می‌یابد و آن‌ها خیلی زود شارژ خود را از دست می‌دهند. گزارش مؤسسه Plug In نشان می‌دهد که شعاع حرکتی تسلا مدل اس با طی هر ۱۶٬۰۰۰ کیلومتر، تقریباً ۵ کیلومتر کاهش می‌یابد. بااین‌حال تسلا گزارش می‌دهد که تحت آزمایش‌های کنترل‌شده، باتری‌های مدل اس توانستند پس از ۸۰۴٬۰۰۰ کیلومتر شبیه‌سازی حدود ۸۰ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کنند. از سوی دیگر مدل‌های با پیمایش کمتر، به مرور زمان بیشتر خراب می‌شوند و ظرفیت شارژ آن‌ها پس از مدت بسیار کمی افت می‌کند. 

معمولاً جایگزینی پکیج باتری خودروی برقی می‌تواند هزینه‌ی چند هزار دلاری برای مشتری به همراه داشته باشد. به همین علت مقررات، شرکت‌های خودروسازی را ملزم می‌کند که حداقل ضمانت ۸ سال یا ۱۶۰ هزار کیلومتر برای پکیج باتری در نظر بگیرند. اولین‌بار هیوندای چنین ضمانت‌نامه‌ای را برای کُنا ارائه داد؛ درحالی‌که مدتی بعد نیز کیا ضمانت ۱۰ ساله یا ۱۶۰ هزار کیلومتر برایمدل‌های نیرو و سول معرفی کرد.

بااین‌حال خریداران باید توجه داشته باشند که هر ضمانت‌نامه‌ای، دارای استثنائات مربوط‌به عمر باتری است. به‌عنوان مثال برخی از خودروسازان پکیج باتری را تنها دربرابر خرابی کامل پوشش می‌دهند؛ درحالی‌که سایر خودروسازان از جمله بی‌ام‌و، شورولت، نیسان، تسلا (برای مدل ۳) و فولکس‌واگن باتری را هنگام رسیدن به ۶۰ تا ۷۰ درصد ظرفیت کلی شارژ تعویض می‌کنند.

فرانک بلوم، مدیر مرکز کیفیت سلول‌های باتری فولکس‌واگن از عزم این شرکت برای ارائه ضمانت‌نامه ۸ ساله یا ۱۶۰ هزار کیلومتر تا حداقل ۷۰ درصد ظرفیت شارژ باتری خبر داد. در این طرح خودروهای الکتریکی با پلتفرم MEB، می‌توانند با رسیدن به ۷۰ درصد ظرفیت باتری، آن را با باتری نو تعویض کنند. معمولاً انتظار می‌رود که پکیج باتری تا پایان عمر خودروی برقی سالم باقی بمانند. باتوجه‌به اینکه معمولاً خودروها تا زمانی بیش از ۸ سال مورد استفاده قرار می‌گیرند، سناریوی اول باقی ماندن باتری تا پایان عمر خودرو است؛ اما در صورتی که پیش از پایان عمر خودرو، باتری به ۷۰ درصد شارژ باتری یا کمتر برسد، مشتری می‌تواند بدون پرداخت هزینه از مزایای تعویض پکیج باتری بهره ببرد.

بلوم همچنین تاکید می‌کند که نسل جدید مدل‌های برقی فولکس‌واگن (خانواده‌ی I.D.) عمدتاً دارای باتری‌هایی با مزایای گفته‌شده هستند. بلوم همچنین به شرکت‌های LG Chem، SK Innovation و CATL به‌عنوان تأمین‌کنندگان پکیج باتری فولکس‌واگن در اروپا، آمریکا و چین اشاره کرد. وب‌سایت insideevs طی مصاحبه‌ای با فرانک بلوم، جزئیات بیشتری از باتری خودروهای الکتریکی فولکس‌واگن ارائه می‌دهد. 

بسیاری از مردم با خرید خودروی الکتریکی وارد قلمرو ناشناخته‌ای می‌شوند. آیا آن‌ها می‌توانند از عملکرد خوب باتری‌ها در شرایط کاری مطمئن باشند؟ 

بله کاملاً. ما مدل‌های جدید برقی خود را اساساً با تمرکز بر فناوری باتری ساخته‌ایم، بنابراین فضای زیادی برای ذخیره‌سازی انرژی وجود دارد. چنین چیزی به ما اجازه می‌دهد تا شعاع حرکتی خودروهایمان را تا ۵۵۰ کیلومتر برسانیم و در عین حال آن‌ها را با قیمت‌های مقرون‌به‌صرفه عرضه کنیم. ماژول‌های باتری معمولاً در مکان‌های مختلفی از خودروی برقی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ اما هم‌اکنون در پلتفرم MEB، باتری به‌صورت فشرده بین محورها و زیر بدنه قرار دارد. به این معنی که ما نقطه‌ی توزیع مرکزی برای انرژی داریم و این یکی از مزایای بزرگ پلتفرم جدید MEB فولکس‌واگن است.

عمر این باتری‌ها چه مقدار است؟

هدف ما تنظیم عمر باتری برابر عمر خودرو است. ما حداقل ظرفیت ۷۰ درصد را برای هشت سال یا ۱۶۰ هزار کیلومتر تضمین می‌کنیم. اما رانندگان نیز می‌توانند روی طول عمر باتری تاثیر داشته باشند. شارژ معمولی از شارژ سریع و پر کردن ظرفیت تا ۸۰ درصد به‌جای ۱۰۰ درصد، بهتر است. 

آیا شارژ نکردن کامل خودروی برقی کمی غیرعملی نیست؟

در بیشتر موارد ۸۰ درصد شارژ، بیش از اندازه کافی است. بسیاری از مشتریان تمایل دارند از خودروی خود برای رانندگی در فاصله‌های کوتاه  مانند رفتن به محل کار یا خرید استفاده کنند. برای چنین مصارفی، باتری نباید ۱۰۰ درصد شارژ شود. شما رانندگی می‌کنید و زمانی‌که نیاز باشد خودرو را شارژ خواهید کرد و بیشتر افراد این کار را در خانه انجام می‌دهند. البته اگر مشتریان بخواهند، می‌توان خودروی برقی را تا حد دستیابی به شعاع حرکتی کامل شارژ کرد. برای پاسخگویی به این نیاز، فولکس‌واگن با همکاری سایر خودروسازان همکاری می‌کند تا شبکه‌ای از ایستگاه‌های شارژ سریع را در آزادراه‌های اروپا راه‌اندازی کند. طرح اخیر به همه رانندگان به‌خصوص مشتریانی که سفرهای طولانی انجام می‌دهند، کمک خواهد کرد؛ بنابراین کسانی که مثلاً به تعطیلات می‌روند، نگرانی از بابت تمام شدن شارژ خودرو نخواهند داشت.

آیا می‌توانید توضیح دهید که باتری چگونه ساخته شده است؟

سیستم‌های باتری در مدل‌های جدید خودروهای برقی ما، مسطح هستند و بین محورها زیر بدنه خودرو قرار گرفته‌اند. آن‌ها کمی شبیه بسته‌‌ای از شکلات شکل گرفته‌اند. هر سیستم باتری شامل تعداد متغیری از ماژول‌های باتری است که از سلول‌های منحصربفرد تشکیل می‌شود. مزیت این ساختار ماژولار، انعطاف‌پذیری آن است. هرچه نیاز به شعاع حرکتی بیشتری برای خودرو باشد، ما ماژول‌های بیشتری در سیستم باتری قرار می‌دهیم. اما ساختار اصلی همیشه یکسان خواهد بود که باعث می‌شود تا تولید متغیر و هزینه‌ها به‌صرفه باشند.

تحقیق درباره‌ی نسل‌های بعدی باتری نیز انجام می‌شود. به‌طور واقعی چه پیشرفت‌هایی را می‌توانیم انتظار داشته باشیم؟

ما در سال‌های اخیر پیشرفت زیادی کرده‌ایم. تراکم انرژی باتری‌های لیتیوم-یون از سال ۲۰۱۴ دو برابر شده است، به طوری که امکان افزایش شعاع حرکتی خودروهای برقی جدید وجود دارد. من منتظر پیشرفت‌های درخورتوجهی در فناوری لیتیوم-یون هستم؛ اگرچه دیگر با همان میزان و شدت سابق نباشد. جهش بزرگ بعدی احتمالاً در زمینه‌ی باتری‌های حالت جامد خواهد بود. ما با همکاری کوانتوم‌اسکیپ (QuantumScape)، در حال کار روی این تکنولوژی هستیم.

باتری‌های حالت جامد چه کاری می‌توانند انجام دهند؟ چه زمانی آن‌ها برای استفاده آماده می‌شوند؟

باتری‌های حالت جامد دارای تراکم انرژی بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون کنونی هستند؛ بنابراین شعاع حرکتی طولانی‌تری را در اختیار قرار می‌دهند. آن‌ها همچنین سبک‌تر و ارزان‌تر هستند و می‌توانند سریع‌تر شارژ شوند. اما چند سال آینده آن‌ها برای تولید صنعتی در مقیاس انبوه آماده خواهند شد که ممکن است بین سال ۲۰۲۵ تا ۲۰۳۰ باشد.

چگونه تحقیقات باتری در فولکس‌واگن انجام می‌شود؟

علاوه‌بر تحقیق گروهی، نقش کلیدی بر عهده مرکز کیفیت باتری است؛ جایی که ما در آن تخصص را تقویت می‌کنیم و فناوری باتری را بیشتر توسعه می‌دهیم. کارشناسان ما در مرکز کیفیت در همه زمینه‌ها از توسعه سلول‌های باتری گرفته تا تولید و بازیافت آن‌ها کار می‌کنند. مرکز کیفیت باتری همچنین دارای مرکز ولتاژ بالا است که متخصصان ما آزمایش‌های گسترده‌ای را در آن انجام می‌دهند. باتری‌ها باید به مدت چند روز یا هفته در شرایط سخت آزمایش شوند و سپس برای استفاده در خودروهای جدید مورد تائید قرار می‌گیرند. خط تولید آزمایشی مرکز زالتسگیتر در سال جاری برای کمک به گسترش دانش ما درباره فرایندهای تولید راه‌اندازی خواهد شد که نقش مهمی در چگونگی شکل‌گیری پیشرفت‌های آینده و اطمینان از عملکرد، کاهش هزینه‌ها و افزایش کیفیت خواهد داشت.

ما اصرار داریم که همه‌ی تأمین‌کنندگان ما شرایط معدن‌کاری انسانی را تأمین کنند و بررسی می‌کنیم تا اطمینان حاصل شود که آن‌ها با توافق‌نامه‌های ما مطابقت دارند. ما به هیچ وجه نمی‌خواهیم از کار کودک یا کار اجباری سود ببریم. حمایت از حقوق بشر، بخشی جدایی‌ناپذیر از نیازهای همیشگی گروه فولکس‌واگن است. همه‌ی تأمین‌کنندگان ما ملزم هستند که پیمانکاران فرعی خود را با استانداردهای زیست محیطی و اجتماعی مطابقت دهند.

کبالت به‌عنوان ماده خام مشکل‌سازی در نظر گرفته می‌شود. چطور از عهده این موضوع بر می‌آیید؟

ما تنها از کبالت صنعتی برای ساخت باتری استفاده می‌کنیم. شرکت‌هایی که کبالت را از عملیات استخراج معادن غیرقانونی خریداری می‌کنند، در زنجیره عرضه ما پذیرفته نمی‌شوند. ما همچنین به طرح‌هایی برای حمایت از حقوق انسانی و محیط زیست پیوسته‌ایم. به‌عنوان مثال سازمان مواد معدنی معتبر تشکیل شده که در حال توسعه سیستمی جهت صدور گواهینامه برای کارخانه‌های فرآوری کبالت است. علاوه‌بر این نسل‌های آینده سلول‌های باتری به مراتب دارای کبالت کمتری خواهند بود که به کاهش هزینه‌ها و افزایش تراکم انرژی کمک خواهد کرد. در کوتاه‌مدت ما کبالت را از سطح فعلی ۱۲ تا ۱۴ درصد به کمتر از پنج درصد کاهش می‌دهیم. همچنین ممکن است در آینده باتری‌هایی تولید کنیم که هیچ اثری از کبالت در آن‌ها وجود نداشته باشد.

گروه فولکس‌واگن برنامه‌ بزرگ حمل‌ونقل برقی را با نزدیک به ۷۰ خودروی الکتریکی جدید برنامه‌ریزی کرده است که نیاز بالایی به باتری خواهد داشت. شرکای شما در این زمینه چه نقشی بر عهده دارند؟

برای مدل‌های بعدی مجهز به پلتفرم MEB، ما هم‌اکنون با سه شرکت به‌عنوان تأمین‌کنندگان استراتژیک سلول‌های باتری کار می‌کنیم. آن‌ها LG Chem و SKI در اروپا و CATL در چین هستند. SKI همچنین سلول‌های باتری ما را برای بازار ایالات متحده عرضه خواهد کرد. علاوه‌بر این اخیراً با همکاران اروپایی توافق کردیم تا اتحادیه باتری اروپا را تشکیل دهیم که تحقیقات باتری را در سراسر اروپا ارتقا می‌بخشد. کنسرسیوم جدید کل زنجیره ارزش باتری را پوشش می‌دهد و انتظار می‌رود که تحقیقات مشترک در اوایل سال ۲۰۲۰ آغاز شود. هدف اصلی این است که تخصص بیشتری در تولید سلول‌های باتری داشته باشیم.