Η αγορά των µπαταριών EV αυξάνεται µε εκθετικό ρυθµό. Οι κατασκευαστές OEM, οι παραγωγοί µπαταριών και οι σχετικές βιοµηχανίες ανεβάζουν συνεχώς τον πήχη και η τεχνολογία προχωρά πολύ γρήγορα στον κλάδο.
Η µπαταρία είναι µία συσκευή που µετατρέπει τη χηµική ενέργεια σε ηλεκτρική και αντίστροφα. Τα πρώτα ηλεκτρικά µοντέλα έκαναν χρήση µπαταριών µολύβδου, διότι δεν υπήρχε εναλλακτική λύση. Βραχυπρόθεσµα, φαίνεται ότι οι µπαταρίες µολύβδου-οξέος θα εξακολουθούν να χρησιµοποιούνται, λόγω των πολλών πλεονεκτηµάτων τους. Ωστόσο, µεσοπρόθεσµα και µακροπρόθεσµα, φαίνεται ότι οι µπαταρίες µε βάση το κάδµιο και το λίθιο θα είναι σηµαντικοί υποψήφιοι για EV και HEV.
Τα στοιχεία αποτελούν το δοµικό υλικό µίας µπαταρίας. Το µείγµα των υλικών που χρησιµοποιούνται στη δοµή τους είναι γνωστό ως η «χηµεία του στοιχείου». Οι διαφορετικές χηµείες µεταξύ των στοιχείων ορίζουν, βασικά, την ουσία µίας µπαταρίας και την καταλληλότητά της για µία συγκεκριµένη εφαρµογή.
Παρά αυτό το σημαντικό ηλεκτροχημικό υπόβαθρο, ωστόσο, είναι και η δομή -το κέλυφος της μπαταρίας- που επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό σημαντικές παραμέτρους απόδοσης, όπως η διάρκεια ζωής, η κυκλικότητα, η στιβαρότητα, η ασφάλεια και το κόστος. Το κέλυφος προσαρμόζει την μπαταρία στις συγκεκριμένες ανάγκες μίας εφαρμογής: η στεγανότητα, η αντοχή, οι διαστάσεις, η παρακολούθηση θερμοκρασίας και φόρτισης, καθώς και η συνολική διαχείριση καθορίζονται από τον σχεδιασμό και την κατασκευή των στοιχείων, των μονάδων και των μπαταριών, συνολικά.
Δεν κατασκευάζονται όλες οι μπαταρίες με τον ίδιο τρόπο, ακόμη και οι μπαταρίες που βασίζονται σε παρόμοια υλικά, από χημική άποψη. Το κύριο ενδιαφέρον, σήμερα, στην ανάπτυξη των μπαταριών αφορά την ισχύ, την αποθηκευμένη ενέργεια και τη διάρκεια ζωής.
Οι µπαταρίες µπορεί να είναι είτε υψηλής ισχύος, είτε υψηλής ενέργειας, αλλά, συνήθως, όχι και τα δύο.
Μπαταρία NiMH
Η μπαταρία νικελίου-υδριδίου μετάλλου κυκλοφορεί στην αγορά από το 1992. Τα χαρακτηριστικά της είναι παρόμοια με αυτά της μπαταρίας νικελίου-καδμίου. Λόγω της ανώτερης ειδικής ενέργειάς της, σε σύγκριση με το NiCd, και της ελευθερίας της από τοξικότητα ή καρκινογένεση, η μπαταρία NiMH αντικαθιστά την μπαταρία NiCd.
Σε πολλά υβριδικά και αµιγώς ηλεκτρικά αυτοκίνητα, χρησιµοποιείται η µπαταρία Νικελίου-Μετάλλου Υδριδίου (NiMH). Πρόκειται για µία επαναφορτιζόµενη µπαταρία, παρόµοια, όπως είπαµε, µε την Νικελίου-Καδµίου (NiCd), µε τη διαφορά ότι, αντί για κάδµιο, στην άνοδο της έχει ένα κράµα απορροφητικό σε υδρογόνο. Στην κάθοδο, όπως και στις NiCd, χρησιµοποιεί νικέλιο.
Μία NiMH µπαταρία έχει δύο έως τρεις φορές τη χωρητικότητα µίας ισοδύναµου µεγέθους µπαταρίας NiCd. Ωστόσο, συγκρινόµενη µε την µπαταρία ιόντων λιθίου (lithium-ion battery), η ογκοµετρική ενεργειακή πυκνότητα είναι χαµηλότερη και η αυτοεκφόρτιση µεγαλύτερη.
Το «Μέταλλο» στην άνοδο μίας NiMH είναι ουσιαστικά μία σύνθετη μεταλλική ένωση. Πολλές χημικές ενώσεις έχουν αναπτυχθεί, αλλά αυτές που εφαρμόζονται ανήκουν σε δύο κατηγορίες. Ο πιο κοινός χημικός τύπος είναι ο AB5, όπου A είναι ένα μίγμα σπάνιων γαιών, λανθανίου, δηµητρίου, νεοδυµίου, πρασινοδυµίου και B είναι: νικέλιο, κοβάλτιο, μαγγάνιο και αλουμίνιο.
Μερικές άλλες μπαταρίες κάνουν χρήση αρνητικών ηλεκτροδίων υψηλότερης χωρητικότητας, βασισμένα σε χημικές ενώσεις τύπου AB2, όπου το A είναι τιτάνιο ή βανάδιο και το B είναι ζιρκόνιο ή νικέλιο, τροποποιημένο µε χρώμιο, κοβάλτιο, σίδηρο και μαγγάνιο, εξαιτίας της μειωμένης διάρκειας ζωής της μπαταρίας.
Οι µπαταρίες NiMH έχουν αλκαλικό ηλεκτρολύτη, συνήθως, υδροξείδιο καλίου.
Η τάση φόρτισης είναι 1.4 -1.6 V/στοιχείο. Ένα πλήρως φορτισμένο στοιχείο έχει τάση 1.35-1.4 V και παρέχει ονομαστική τάση 1.2V, κατά μέσο όρο, στη διάρκεια της αποφόρτισης και μπορεί να πέσει μέχρι 1.0V, διότι περαιτέρω αποφόρτιση μπορεί να προκαλέσει μόνιμη ζημιά στο στοιχείο της μπαταρίας.
Ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης επηρεάζεται κατά πολύ από τη θερμοκρασία στην οποία οι μπαταρίες είναι αποθηκευμένες, µε τις πιο ψυχρές θερμοκρασίες αποθήκευσης να έχουν ως αποτέλεσμα χαμηλότερο ρυθμό αποφόρτισης και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
Οι µπαταρίες NiMH είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για εφαρµογές υψηλής εντάσεως ρεύµατος, λόγω της χαµηλής τους εσωτερικής αντίστασης.
Μπαταρία Λιθίου
Τα τελευταία χρόνια γίνεται προσπάθεια χρήσης µίας νέας µπαταρίας στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, της µπαταρίας ιόντων Λιθίου (Lithium-ion). Το λίθιο είναι το ελαφρύτερο από όλα τα µέταλλα και παρουσιάζει πολύ ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά από ηλεκτροχηµική άποψη. Οι πρώτες µπαταρίες ιόντων λιθίου εµφανίστηκαν το 1991.
Είναι επαναφορτιζόµενες και χρησιµοποιούνται ευρέως στα κάθε είδους ηλεκτρονικά. Είναι από τις πιο διαδεδοµένες, στα φορητά ηλεκτρονικά, µε µία από τις καλύτερες αναλογίες ενέργειας προς βάρος, και µε αργό ρυθµό αποφόρτισης όταν δεν χρησιµοποιούνται. Εξαιτίας της υψηλής τους ενεργειακής πυκνότητας, οι µπαταρίες Li-ion άρχισαν να χρησιµοποιούνται στην ηλεκτροκίνηση, καθώς και στη βιοµηχανία της άµυνας και του διαστήµατος.
Μπορούν να χρησιµοποιηθούν σε διάφορα µεγέθη και σχήµατα, αποτελεσµατικά, για την καλύτερη εξοικονόµηση χώρου της συσκευής που τροφοδοτούν. Είναι, επίσης, ελαφρύτερες από άλλες ισοδύναµες µπαταρίες. Η ενέργεια αποθηκεύεται σε αυτές διαµέσου της κίνησης των ιόντων λιθίου. Το λίθιο είναι το τρίτο πιο ελαφρύ χηµικό στοιχείο, προσφέροντας έτσι ένα συγκριτικό πλεονέκτηµα σχετικά µε άλλες µπαταρίες, που χρησιµοποιούν βαρύτερα µέταλλα. Ένα, ακόµα, πλεονέκτηµα είναι η υψηλή τάση ανοιχτού κυκλώµατος που επιτυγχάνουν σε σχέση µε άλλες, όπως οι µπαταρίες µολύβδου, οι Νικελίου-Υδριδίου Μετάλλου και οι Νικελίου-Καδµίου. Έχουν, επίσης, χαµηλό ρυθµό αυτοεκφόρτισης.
- Υπάρχουν δύο κύριες τεχνολογίες µπαταριών µε βάση το λίθιο: πολυµερές λιθίου και ιόντα λιθίου.
- Οι μπαταρίες λιθίου-πολυμερούς χρησιμοποιούν μέταλλο λιθίου και οξείδιο παρεμβολής μετάλλου μετάπτωσης (MyOz) για τα αρνητικά και θετικά ηλεκτρόδια, αντίστοιχα. Αυτό το MyOz διαθέτει μία στρωματοποιημένη δομή, στην οποία μπορούν να εισαχθούν ιόντα λιθίου, ή από όπου μπορούν να αφαιρεθούν, κατά την εκφόρτιση και τη φόρτιση, αντίστοιχα. Χρησιμοποιείται ένας λεπτός στερεός πολυμερής ηλεκτρολύτης (SPE), ο οποίος προσφέρει τα πλεονεκτήματα της βελτιωμένης ασφάλειας και της ευελιξίας στον σχεδιασμό. Λειτουργούν σε ονομαστική τάση 3 V και έχουν ειδική ενέργεια 155 Wh/kg και ειδική ισχύ 315 W/kg.
- Η τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου έχει δει μία άνευ προηγουμένου άνοδο και δείχνει ως η πιο πολλά υποσχόμενη επαναφορτιζόμενη μπαταρία του μέλλοντος. Έχει, ήδη, γίνει αποδεκτή για εφαρμογές EV και HEV. Χρησιμοποιεί ένα υλικό παρεμβολής λιθιωμένου άνθρακα (LixC) για το αρνητικό ηλεκτρόδιο, αντί για μεταλλικό λίθιο, ένα οξείδιο παρεμβολής λιθιωμένου μετάλλου μεταπτώσεως (Li1 x MyOz) για το θετικό ηλεκτρόδιο και ένα οργανικό διάλυμα υγρού ή στερεό πολυμερές για τον ηλεκτρολύτη.
Έχουν ονομαστική τάση ανοιχτού κυκλώματος 3.6 V και τυπική τιμή τάσης φόρτισης 4.2 V, ειδική ενέργεια 120 Wh/kg, ενεργειακή πυκνότητα 200 Wh/l και ειδική ισχύ 260 W/kg. Η διαδικασία φόρτισης γίνεται υπό σταθερή τάση. Τα σύγχρονα στοιχεία της μπαταρίας έχουν τη δυνατότητα πλήρους φόρτισης μέσα σε λιγότερο από 45 λεπτά. Μερικές, μάλιστα, φτάνουν το 90% της φόρτισης τους μέσα σε 10 λεπτά.
Ο τύπος με βάση το κοβάλτιο έχει υψηλότερη ειδική ενέργεια και ενεργειακή πυκνότητα, αλλά με υψηλότερο κόστος και σημαντική αύξηση του ρυθμού αυτοεκφόρτισης.
Ο τύπος με βάση το μαγγάνιο έχει το χαμηλότερο κόστος, ενώ η ειδική ενέργεια και η ενεργειακή του πυκνότητα είναι στο ενδιάμεσο των τύπων με βάση το κοβάλτιο και το νικέλιο.
Σημαντικό μειονέκτημα, ωστόσο, των µπαταριών Li-ion είναι ότι η διάρκεια ζωής τους εξαρτάται και από τον χρόνο που έχει περάσει από τη στιγμή της κατασκευής τους, ανεξάρτητα από το αν αυτές έχουν φορτιστεί και ανεξάρτητα από τον αριθμό των κύκλων φόρτισης/αποφόρτισης.
Οι μπαταρίες Li-ion αντιμετωπίζουν επίσης μία κατάσταση που ονομάζεται «πλήρης αποφόρτιση» (deep discharge). Σε αυτήν την κατάσταση, η μπαταρία μπορεί να κάνει αρκετό καιρό να επαναφορτιστεί ή και να µην επαναφορτιστεί. Η «πλήρης αποφόρτιση» λαμβάνει χώρα µόνο όταν τα συστήματα ή οι συσκευές των µπαταριών αυτών μείνουν για πολύ καιρό αχρησιμοποίητα (συνήθως 2 ή περισσότερα χρόνια) ή όταν επαναφορτίζονται τόσο συχνά, µε αποτέλεσμα να µην μπορούν να διατηρήσουν το φορτίο τους.
Κάθε στοιχείο μπαταρίας Li-ion ξεχωριστά δεν πρέπει να αποφορτίζεται κάτω από μία συγκεκριμένη τάση, για την αποφυγή µη αναστρέψιμης ζημιάς. Επιπλέον, η μπαταρία δεν πρέπει να μένει πλήρως φορτισμένη για μεγάλα διαστήματα, γιατί έτσι κινδυνεύει να οδηγηθεί στην «πλήρη αποφόρτιση» και να καταστραφεί.
Χηµικά, η µπαταρία Li-ion ενέχει πολλούς κινδύνους και, έτσι, ένα στοιχείο της απαιτεί αρκετές υποχρεωτικές συσκευές ασφαλείας για να θεωρείται ασφαλές.
Προσοχή!
Σηµαντικά περιστατικά έχουν αναφερθεί για περιπτώσεις αυτοανάφλεξης αυτών των µπαταριών.
Οι µονάδες µπαταρίας
Τα στοιχεία έχουν σταθερές τάσεις και χωρητικότητες. Όλα τα στοιχεία NiCd ή NiMH παρέχουν ονομαστική τάση 1,2 βολτ, το στοιχείο από οξύ μολύβδου παρέχει ονομαστική τάση 2,0 βολτ και οι διάφορες τεχνολογίες λιθίου είναι περίπου στα 3,6 βολτ ανά στοιχείο. Εάν απαιτείται περισσότερη τάση, πρέπει να προσθέσουμε στοιχεία σε σειρά. Εάν απαιτείται περισσότερο ρεύμα, ίσως χρειαστεί να τοποθετηθούν στοιχεία παράλληλα.
Ανάλογα με τη χωρητικότητα ή τις ανάγκες τάσης μίας εφαρμογής, τα στοιχεία συνδέονται παράλληλα ή σε σειρά. Η παράλληλη σύνδεση προσθέτει χωρητικότητα, αφήνοντας την τάση σταθερή, η σειριακή διαμόρφωση προσθέτει τάση, αφήνοντας τη χωρητικότητα σταθερή, αντίστοιχα.
Τα περισσότερα στοιχεία μπαταριών συγκολλούνται σημειακά μεταξύ τους, χρησιμοποιώντας λωρίδα νικελίου για τις επαφές, ώστε να δημιουργηθούν οι μονάδες. Η συγκόλληση απευθείας στα στοιχεία είναι επικίνδυνη. Είναι εύκολο να λιώσει ή να παραμορφωθεί η οπή εξαερισμού, να χαλάσουν οι στεγανοποιήσεις ή να προκληθεί εσωτερικό βραχυκύκλωμα, εάν η θερμότητα είναι πολύ υψηλή. Αυτή η ζημιά μπορεί να μην γίνει αντιληπτή άμεσα, αλλά αργότερα.
Ο πιο συνηθισµένος τρόπος συγκράτησης είναι η χρήση θερµοσυστελλόµενης σωλήνωσης. Αυτό έχει επαρκή αντοχή για μικρές συσκευασίες, αλλά, καθώς αυξάνεται το βάρος, απαιτείται περισσότερη δομική αντοχή.
Battery pack
Η μπαταρία είναι μία συσκευή που αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια, για να παρέχει ισχύ σε ένα ηλεκτρικό σύστημα, όπως ένα ηλεκτρικό όχημα (EV). Η ενέργεια αποθηκεύεται σε στοιχεία που είναι μεταξύ τους συνδεδεμένα, σχηματίζοντας τις μονάδες και αυτές, συνδεόμενες μεταξύ τους, σχηματίζουν το πακέτο της μπαταρίας ή battery pack.
Για να παρέχεται επαρκής ισχύς, τα πακέτα µπαταριών απαιτούν ένα ελάχιστο επίπεδο τάσης που δεν µπορεί να επιτύχει ένα µεµονωµένο στοιχείο. Εποµένως, πολλά στοιχεία συνδέονται σε σειρά, για να αυξήσουν την τάση. Για να επιτευχθεί η επιθυµητή χωρητικότητα της µπαταρίας, τα στοιχεία συνδέονται παράλληλα.
Έτσι, οι μπαταρίες αποτελούνται από πολλαπλά, μικρότερα τμήματα που ονομάζονται μονάδες. Αυτές οι μονάδες περιλαμβάνουν μικρότερο αριθμό στοιχείων συνδεδεμένων σε σειρά και παράλληλα. Είναι, συνήθως, σε χαμηλότερη τάση, ώστε να είναι ασφαλείς στον χειρισμό.
Οι µπαταρίες για ένα αυτοκίνητο EV αποτελούνται κατά βάση από 4 έως 40 µονάδες, συνδεδεµένες σε σειρά µεταξύ τους.
Παραδοσιακά, ο πιο γνωστός τύπος μπαταριών 12V κατασκευαζόταν χρησιμοποιώντας τη χημεία κυψελών μολύβδου-οξέος και, ως εκ τούτου, αναφέρονται ως μπαταρίες μολύβδου-οξέος. Ο αριθμός των κυψελών σε αυτά τα πακέτα περιορίστηκε σε 6.
Οι µπαταρίες για τα υβριδικά αυτοκίνητα περιέχουν µικρότερη ποσότητα ενέργειας από τις µπαταρίες EV και είναι πολύ µικρότερες.
Τα υβριδικά πακέτα μπαταριών είναι κατασκευασμένα για να συμπληρώνουν τον κινητήρα εσωτερικής καύσης όταν είναι λιγότερο αποδοτικός, όπως κατά την επιτάχυνση. Στόχος είναι να μειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η κατανάλωση βενζίνης.
Οι μπαταρίες EV είναι μπαταρίες μεγάλου μεγέθους που κατασκευάζονται για να καλύπτουν όλα τα συστήματα του οχήματος, συμπεριλαμβανομένου του κινητήρα έλξης και των αξεσουάρ.
Οι τρέχουσες μπαταρίες EV προσφέρουν μεταξύ 20 και 130 kWh ενέργειας και μπορούν να χρησιμοποιήσουν το 90 – 95% αυτής της ενέργειας -ένα πολύ υψηλότερο ποσοστό από άλλους τύπους μπαταριών.
Σύστηµα Διαχείρισης Μπαταριών
Το Σύστημα Διαχείρισης Μπαταριών (BMS) είναι ο εγκέφαλος που ελέγχει όλες τις λειτουργίες της μπαταρίας. Αξιολογεί την μπαταρία, σε σχέση με τον εξοπλισμό ή τον φορτιστή, επιτρέποντας τη ροή ενέργειας μόνο όταν είναι σωστά συνδεδεμένη και όταν πληρούνται οι περιβαλλοντικές συνθήκες και οι παράμετροι φόρτισης/εκφόρτισης.
Τα θερμίστορ σε κάθε μονάδα παρακολουθούν συνεχώς τις θερμοκρασίες μεμονωμένων στοιχείων, μονάδων και πακέτων και η λογική του BMS θα αποτρέψει την υπέρβαση των ασφαλών ορίων για τη φόρτιση ή την εκφόρτιση της μπαταρίας. Επομένως, τυχόν ανωμαλίες θα προσαρμοστούν αυτόματα, για να διατηρηθεί η βέλτιστη απόδοση.
Το σύστημα BMS διαθέτει στρατηγική και θέτει όρια για την ασφαλή λειτουργία της μπαταρίας. Βελτιστοποιώντας τους ρυθμούς φόρτισης/εκφόρτισης, με βάση τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και της ίδιας της μπαταρίας, την κατάσταση φόρτισης (SoC) και την κατάσταση υγείας (SoH), το σύστημα BMS εμποδίζει τη λειτουργία της μπαταρίας σε επικίνδυνες περιοχές. Έτσι, μετριάζει πολλούς από τους κινδύνους που σχετίζονται με την ισχύ της μπαταρίας. Αυτό απαλλάσσει τον χρήστη από το να χρειάζεται να ανησυχεί και να παρακολουθεί χειροκίνητα τέτοια στοιχεία.
Ένα σύστηµα BMS προστατεύει την µπαταρία από καταστάσεις, όπως υπερβολικό ρεύµα, υπερβολική τάση (κατά τη φόρτιση), χαµηλή τάση (κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης), υπερθέρµανση, υποψύξη ή υπερβολική πίεση.
ΤΟΥ ΝΙΚΟΥ ΒΑΣΙΛΑΚη
