- Vad finns i ett batteri för elfordon?
- Typer av batterier
- Grundläggande kemi för ett batteri
- Grunderna för litiumbatterikemi
- Grunderna för elektriska fordonsbatterier
Hastighet, körsträcka, vridmoment och alla sådana viktiga parametrar för en elbil beror enbart på specifikationen för motorn och batteripaketet som används i bilen. Det är ingen stor sak att använda en kraftfull motor, men problemet ligger i att utforma ett batteripaket som kan ge tillräckligt med ström för motorn under lång tid utan att försämra dess livslängd. För att klara av spänningen och den nuvarande efterfrågan måste tillverkare av EV kombinera hundratals om inte tusentals celler för att bilda ett batteripaket för en enda bil. För att ge en uppfattning har Tesla-modellen S cirka 7104 celler och Nissan-bladet har cirka 600 celler. Detta stora antal tillsammans med litiumcellernas instabila natur gör det svårt att utforma ett batteripaket för en elbil. I den här artikeln kan vi utforska hur ett elbilsbatteripaket är utformat för en EVoch vilka viktiga parametrar är associerade med batterier som måste tas om hand.
Vad finns i ett batteri för elfordon?
Om du har läst artikeln Introduktion till elfordon skulle du ha svarat på frågan nu. För människor som är nya, låt mig ge ett snabbt omslag. Bilden nedan visar batteripaketet till Nissan Leaf som sönderrivs till cellnivå från dess förpackning.
Moderna elbilar använder litiumbatterier för att driva sina bilar av några uppenbara skäl som vi kommer att diskutera senare i den här artikeln. Men dessa Litiumbatterier har endast cirka 3,7 per cell, medan en EV bil kräver någonstans nära 300V. För att uppnå sådana högspännings- och Ah-värden kombineras litiumceller i serie och parallell kombination för att bilda moduler och dessa moduler tillsammans med vissa skyddskretsar (BMS) och kylsystem är ordnade i ett mekaniskt hölje som kollektivt kallas ett batteripaket som visas ovan.
Typer av batterier
Medan de flesta bilar använder litiumbatterier är vi inte bara begränsade till det. Det finns många typer av batterikemi. I stort sett kan batterier klassificeras i tre typer.
Primära batterier: Dessa är icke uppladdningsbara batterier. Det är det kan omvandla kemisk energi till elektrisk energi och inte vice versa. Ett exempel kan vara de alkaliska batterierna (AA, AAA) som används för leksaker och fjärrkontroller.
Sekundära batterier: Dessa är de batterier som vi är intresserade av för elektriska fordon. Det kan omvandla kemisk energi till elektrisk energi för att driva EV och det kan också konvertera elektrisk energi till kemisk energi igen under laddningsprocessen. Dessa batterier används vanligtvis i mobiltelefoner, elbilar och de flesta andra bärbara elektronik.
Reservbatterier: Dessa är speciella batterityper som används i mycket unika applikationer. Som namnet säger förvaras batterierna som reserv (standby) under större delen av sin livstid och har därför en mycket låg självurladdningshastighet. Exempel skulle vara livvästbatterier.
Grundläggande kemi för ett batteri
Som sagt tidigare finns det många olika kemier tillgängliga för batterier. Varje kemi har sina egna fördelar och nackdelar. Men oavsett vilken typ av kemi det finns få saker som är vanliga för alla batterier, låt oss ta en titt på dem utan att lära oss mycket om dess kemi.
Det finns tre huvudskikt i ett batteri, de är katoden, anoden och avskiljaren. Katoden är batteriets positiva lager och anoden är batteriets negativa lager. När en belastning ansluts till batteripolerna flödar ström (elektroner) från anod till katod. På samma sätt när en laddare är ansluten till batteripolerna är elektronflödet omvänd, det vill säga från katod till anod som visas i figuren ovan.
För att ett batteri ska fungera bör en kemisk reaktion som kallas Oxidationsreduktionsreaktion äga rum. Ibland kallas också Redox Reaction. Denna reaktion äger rum mellan batteriets anod och katod genom elektrolyten (separator). Anodsidan av batteriet kommer att vara villig att få elektroner och därför kommer en oxidationsreaktion att inträffa och katodsidan på batteriet kommer att vara villig att förlora elektroner och följaktligen kommer Reduktionsreaktion att inträffa. På grund av denna reaktion överförs joner från katoden till batteriets anodsida genom separator. Som ett resultat kommer det att samlas fler joner i anoden. För att neutralisera denna anod måste du skjuta elektronerna från dess sida till katoden.
Men separatorn tillåter bara flödet av joner genom den och blockerar varje elektronrörelse från anoden till katoden. Så det enda sättet att batteriet kan överföra elektronerna är genom dess yttre anslutningar, det är därför som när vi ansluter en belastning till batteriets terminaler får vi en ström (elektroner) som tänker det.
Grunderna för litiumbatterikemi
Eftersom vi ska diskutera om litiumbatterier eftersom de är det mest föredragna batteriet för EV kan vi gräva lite mer i dess kemi. Det finns många typer i litiumbatterier igen, litium nickel kobolt aluminium (NCA), litium-nickel mangan kobolt (NMC), litium-mangan Spinel (LMO), litium titanat (LTO), litium-järnfosfat (LFP) är de flesta vanliga. Återigen har varje kemi sina egna egenskaper som illustreras snyggt under bilden av Boston Consulting-gruppen.
Av dessa används litium nickel kobolt aluminium mest på grund av dess låga kostnad. Vi kommer att gå in på fler av dessa parametrar senare i den här artikeln. Men en vanlig sak du kan märka här är att litium finns i alla batterier. Detta beror främst på litiumets elektronkonfiguration. En neutral litiummetallatom visas nedan.
Den har ett atomnummer på tre vilket betyder att tre elektroner kommer att finnas runt dess nukleas och det yttersta skalet har bara en valenselektron. Under reaktionen dras denna valanselektron ut, vilket ger oss en elektron och en litiumjon med två elektroner som bildar en litiumjon. Som diskuterats tidigare kommer elektronen att strömma som ström genom de yttre polerna på batteriet och litiumjonen kommer att strömma genom elektrolyten (separator) under redoxreaktionen.
Grunderna för elektriska fordonsbatterier
Nu vet vi hur ett batteri fungerar och hur det används i ett elfordon, men för att fortsätta härifrån måste vi förstå några grundläggande terminologier som vanligtvis används vid utformning av ett batteripaket. Låt oss diskutera dem…
Spänningsvärde: Två mycket vanliga värden som du kan hitta är märkta på ett batteri är dess spänningsvärde och Ah-betyg. Blybatterier är vanligtvis 12V och litiumbatterier är 3,7V. Detta kallas batteriets nominella spänning. Detta betyder inte att batteriet kommer att ge 3,7 V över sina terminaler hela tiden. Spänningsvärdet varierar beroende på batteriets kapacitet. Vi ska diskutera