Alles, was Sie über Batterien für Elektrofahrzeuge wissen wollen

Die Geschwindigkeit, Laufleistung, das Drehmoment und alle wichtigen Parameter eines Elektroautos hängen ausschließlich von der Spezifikation des Motors und des im Auto verwendeten Akkus ab. Die Verwendung eines leistungsstarken Motors ist zwar keine große Sache, das Problem liegt jedoch in der Entwicklung eines Akkus, der lange Zeit genug Strom für den Motor liefern kann, ohne dessen Lebensdauer zu beeinträchtigen. Um dem Spannungs- und Strombedarf gerecht zu werden, müssen EV-Hersteller Hunderte, wenn nicht Tausende von Zellen miteinander kombinieren, um einen Akku für ein einzelnes Auto zu bilden. Um eine Idee zu geben, das Tesla-Modell S hat ungefähr 7.104 Zellen und das Nissan-Blatt hat ungefähr 600 Zellen. Diese große Anzahl und die Instabilität der Lithiumzellen erschweren die Entwicklung eines Akkus für ein Elektroauto. In diesem Artikel wollen wir untersuchen, wie ein Elektrofahrzeug-Akkupack für einen Elektrofahrzeug ausgelegt istund was sind die lebenswichtigen Parameter, die mit Batterien verbunden sind, auf die geachtet werden muss.

Was ist in einem Elektrofahrzeug-Akkupack enthalten?

Wenn Sie den Artikel Einführung in Elektrofahrzeuge gelesen haben, haben Sie die Frage inzwischen beantwortet. Für Leute, die neu sind, lassen Sie mich eine kurze Wiederholung geben. Das folgende Bild zeigt den Akku des Nissan Leaf, der vom Akku auf Zellebene auseinandergerissen wird.

Moderne Elektroautos verwenden Lithiumbatterien, um ihre Autos aus offensichtlichen Gründen anzutreiben, die wir später in diesem Artikel diskutieren werden. Diese Lithiumbatterien haben jedoch nur etwa 3,7 V pro Zelle, während ein EV-Auto ungefähr 300 V benötigt. Um eine solche Hochspannung und Ah-Bewertung zu erreichen, werden Lithiumzellen in Reihe und parallel kombiniert, um Module zu bilden, und diese Module werden zusammen mit einigen Schutzschaltungen (BMS) und einem Kühlsystem in einem mechanischen Gehäuse angeordnet, das zusammen als Batteriepack bezeichnet wird, wie oben gezeigt.

Arten von Batterien

Während die meisten Autos Lithiumbatterien verwenden, sind wir nicht nur darauf beschränkt. Es gibt viele Arten von Batteriechemie. Allgemein können Batterien in drei Typen eingeteilt werden.

Primärbatterien : Dies sind nicht wiederaufladbare Batterien. Das heißt, es kann chemische Energie in elektrische Energie umwandeln und nicht umgekehrt. Ein Beispiel wären die Alkaline-Batterien (AA, AAA) für Spielzeug und Fernbedienungen.

Sekundärbatterien: Dies sind die Batterien, an denen wir für Elektrofahrzeuge interessiert sind. Es kann chemische Energie in elektrische Energie umwandeln, um den EV anzutreiben, und es kann auch elektrische Energie während des Ladevorgangs wieder in chemische Energie umwandeln. Diese Batterien werden üblicherweise in Mobiltelefonen, Elektrofahrzeugen und den meisten anderen tragbaren Elektronikgeräten verwendet.

Reservebatterien: Dies sind spezielle Batterietypen, die in sehr einzigartigen Anwendungen verwendet werden. Wie der Name schon sagt, werden die Batterien die meiste Zeit ihrer Lebensdauer als Reserve (Standby) gehalten und haben daher eine sehr niedrige Selbstentladungsrate. Beispiel wären Schwimmwestenbatterien.

Grundchemie einer Batterie

Wie bereits erwähnt, stehen für Batterien viele verschiedene Chemikalien zur Verfügung. Jede Chemie hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Unabhängig von der Art der Chemie gibt es jedoch nur wenige Gemeinsamkeiten für alle Batterien. Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, ohne viel über die Chemie zu erfahren.

Eine Batterie besteht aus drei Hauptschichten: Kathode, Anode und Separator. Die Kathode ist die positive Schicht der Batterie und die Anode ist die negative Schicht der Batterie. Wenn eine Last an die Batterieklemmen angeschlossen wird, fließt Strom (Elektronen) von der Anode zur Kathode. In ähnlicher Weise wird, wenn ein Ladegerät an die Batterieklemmen angeschlossen ist, der Elektronenfluss umgekehrt, dh von Kathode zu Anode, wie in der obigen Abbildung gezeigt.

Damit eine Batterie funktioniert, sollte eine chemische Reaktion stattfinden, die als Oxidations-Reduktions-Reaktion bezeichnet wird. Manchmal auch als Redoxreaktion bezeichnet. Diese Reaktion findet zwischen der Anode und der Kathode der Batterie durch den Elektrolyten (Separator) statt. Die Anodenseite der Batterie ist bereit, Elektronen zu gewinnen, und daher tritt eine Oxidationsreaktion auf, und die Kathodenseite der Batterie ist bereit, Elektronen zu verlieren, und daher tritt eine Reduktionsreaktion auf. Aufgrund dieser Reaktion werden Ionen durch einen Separator von der Kathode auf die Anodenseite der Batterie übertragen. Infolgedessen sammeln sich mehr Ionen in der Anode an. Um diese Anode zu neutralisieren, müssen die Elektronen von ihrer Seite zur Kathode gedrückt werden.

Der Separator lässt jedoch nur Ionen durch und blockiert jegliche Elektronenbewegung von der Anode zur Kathode. Die Batterie kann die Elektronen also nur über ihre äußeren Anschlüsse übertragen. Wenn wir also eine Last an die Anschlüsse der Batterie anschließen, fließt ein Strom (Elektronen).

Grundlagen der Lithiumbatteriechemie

Da wir uns mit Lithiumbatterien befassen werden, da diese die am meisten bevorzugte Batterie für Elektrofahrzeuge sind, können wir etwas mehr über ihre Chemie erfahren. Es gibt wieder viele Arten von Lithiumbatterien, Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA), Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt (NMC), Lithium-Mangan-Spinell (LMO), Lithiumtitanat (LTO), Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) sind die meisten gemeinsame. Auch hier hat jede Chemie ihre eigenen Eigenschaften, die das folgende Bild der Boston Consulting Group genau veranschaulichen.

Von diesen wird das Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium aufgrund seiner geringen Kosten am häufigsten verwendet. Wir werden später in diesem Artikel auf weitere dieser Parameter eingehen. Eine häufige Sache, die Sie hier feststellen können, ist, dass Lithium in allen Batterien vorhanden ist. Dies liegt hauptsächlich an der Elektronenkonfiguration des Lithiums. Ein neutrales Lithiummetallatom ist unten gezeigt.

Es hat eine Ordnungszahl von drei, was bedeutet, dass sich drei Elektronen um seine Nuklease befinden und die äußerste Hülle nur ein Valenzelektron hat. Während der Reaktion wird dieses Valenzelektron herausgezogen, wodurch wir ein Elektron und ein Lithiumion erhalten, wobei zwei Elektronen ein Lithiumion bilden. Wie bereits erwähnt, fließt das Elektron als Strom durch die äußeren Anschlüsse der Batterie und das Lithiumion fließt während der Redoxreaktion durch den Elektrolyten (Separator).

Grundlagen von Elektrofahrzeugbatterien

Jetzt wissen wir, wie eine Batterie funktioniert und wie sie in einem Elektrofahrzeug verwendet wird. Um jedoch fortzufahren, müssen wir einige grundlegende Terminologien verstehen, die üblicherweise beim Entwerfen eines Batteriepacks verwendet werden. Lassen Sie uns sie diskutieren…

Spannungsbewertung: Zwei sehr häufige Bewertungen, die auf einer Batterie angegeben werden können, sind die Spannungsbewertung und die Ah-Bewertung. Blei-Säure-Batterien haben üblicherweise 12 V und Lithium-Batterien 3,7 V. Dies wird als Nennspannung einer Batterie bezeichnet. Dies bedeutet nicht, dass die Batterie ständig 3,7 V an ihren Anschlüssen liefert. Der Spannungswert hängt von der Kapazität der Batterie ab. Wir werden diskutieren