یک تغییر ساده می‌تواند عمر باتری خودروهای برقی را بیش از ۲۰ درصد افزایش دهد

طراحی هوشمندانه بسته‌های باتری می‌تواند عمر باتری خودروهای برقی را افزایش دهد. در باتری‌های امروزی خودروهای برقی، ضعیف شدن حتی یک سلول می‌تواند عمر کل بسته باتری را محدود کند؛ این اتفاق در شرایطی رخ می‌دهد که سایر سلول‌ها همچنان عملکرد مناسبی دارند. هدف فناوری‌های آینده، امکان عبور جریان از مسیرهای جایگزین و کنار گذاشتن

طراحی هوشمندانه بسته‌های باتری می‌تواند عمر باتری خودروهای برقی را افزایش دهد.

در باتری‌های امروزی خودروهای برقی، ضعیف شدن حتی یک سلول می‌تواند عمر کل بسته باتری را محدود کند؛ این اتفاق در شرایطی رخ می‌دهد که سایر سلول‌ها همچنان عملکرد مناسبی دارند. هدف فناوری‌های آینده، امکان عبور جریان از مسیرهای جایگزین و کنار گذاشتن سلول‌های ضعیف برای استفاده بهتر از ظرفیت باقی‌مانده باتری است. اکنون پژوهشی به سرپرستی محققان دانشگاه فناوری چالمرز سوئد نشان می‌دهد که یک معماری هوشمند جدید برای باتری، در شرایط بهینه، می‌تواند عمر باتری خودروهای برقی خاصی را بیش از ۲۰ درصد افزایش دهد. این فناوری همچنین قابلیت کاهش هزینه‌های کلی باتری را در طول عمر مفید آن دارد.

بسته‌های باتری خودروهای برقی از تعداد زیادی سلول به‌هم‌پیوسته تشکیل شده‌اند که همگی با سرعت یکسانی فرسوده نمی‌شوند. در ساختارهای فعلی، ضعیف‌ترین سلول می‌تواند عملکرد و عمر کل بسته باتری را محدود کند.

آلبرت اشکگرو، دانشجوی دکتری گروه مهندسی برق دانشگاه فناوری چالمرز سوئد، برای توضیح این مشکل از یک مثال ساده استفاده می‌کند. او وضعیت سلول‌های باتری را به گروهی تشبیه کرده که اعضای آن با یک طناب به یکدیگر متصل هستند و همگی تلاش می‌کنند به سمت جلو حرکت کنند. اشکگرو، نویسنده اول پژوهشی که در مجله نیچر کامیونیکیشنز منتشر شده، گفت:

از آنجا که همه سلول‌ها به یکدیگر متصل هستند، همگی باید با سرعت ضعیف‌ترین سلول حرکت کنند و زمانی که آن سلول متوقف شود، بقیه نیز ناچار به توقف خواهند بود. اما در راهکاری که ما بررسی کرده‌ایم، باتری می‌تواند سلول مشکل‌دار را دور بزند و به کار خود ادامه دهد.

پژوهش‌های پیشین نیز اهمیت تفاوت میان سلول‌ها را در عملکرد و طول عمر باتری خودروهای برقی نشان داده‌اند. در مطالعه‌ای که به‌تازگی منتشر شد و چانگفو زو، پژوهشگر دانشگاه فناوری چالمرز، یکی از نویسندگان آن بود، محققان دریافتند که سلول‌های ضعیف‌تر به‌وضوح عملکرد کل بسته باتری را محدود می‌کنند.

باتری‌هایی که با فرسودگی سلول‌ها سازگار می‌شوند

در پژوهش جدید، محققان مزایای بسته‌های باتری بازپیکربندی‌پذیر را بررسی کردند. این باتری‌ها به کلیدها و سامانه‌های کنترلی مجهز هستند که می‌توانند نحوه اتصال سلول‌ها به یکدیگر را تغییر دهند. در نتیجه، سلول‌های ضعیف‌تر از مدار کنار گذاشته می‌شوند و امکان استفاده بیشتر از ظرفیت باقی‌مانده باتری فراهم می‌آید.

بر اساس مدل‌های پژوهشگران، پیشرفته‌ترین طراحی که در آن هر سلول به‌صورت مستقل کنترل می‌شود، می‌تواند عمر باتری را در برخی خودروهای برقی با ولتاژ بالا، از جمله کامیون‌های برقی و خودروهای برقی با برد حرکتی طولانی، بیش از ۲۰ درصد افزایش دهد. البته در کاربردهای واقعی، احتمال بیشتری وجود دارد که گروهی از سلول‌ها به‌صورت مشترک کنترل شوند؛ بنابراین، این رقم نشان‌دهنده حداکثر ظرفیت نظری فناوری است. چانگفو زو، استاد گروه مهندسی برق دانشگاه فناوری چالمرز و از نویسندگان این پژوهش، گفت:

بازپیکربندی باتری موضوعی نیست که صرفاً به انتخاب میان روشن یا خاموش محدود شود. این فناوری طیفی از راهکارها را در بر می‌گیرد و میزان بهره‌مندی از مزایای احتمالی آن به جایگاهی بستگی دارد که سازنده در این طیف انتخاب می‌کند.

برای نشان دادن تأثیر عملی این فناوری، محققان نمونه‌ای از یک خودروی برقی با باتری متداول ۸۰ کیلووات‌ساعتی و پیمایش سالانه ۱۲ هزار کیلومتر را بررسی کردند. در این مثال، فرض بر آن بود که مطابق رویه فعلی صنعت، بسته باتری معمولی پس از ۱۰ سال تعویض شود. با استفاده از مدل پیشنهادی، باتری بازپیکربندی‌پذیر تقریباً پس از ۱۱ سال به همان مرحله می‌رسد؛ یعنی حدود ۱۴ ماه عمر بیشتر خواهد داشت. این باتری همچنین به دلیل فرسودگی کمتر، ارزش باقیمانده بالاتری دارد.

آلبرت اشکگرو درباره اهمیت این موضوع گفت:

برای مالک یک خودروی برقی شخصی، افزایش عمر باتری خودرو مزیت بزرگی به شمار می‌رود. در ناوگانی که صدها بسته باتری دارد، افزایش طول عمر باتری‌ها می‌تواند صرفه‌جویی مالی قابل‌توجهی به همراه داشته باشد.

این فناوری هنوز به خودروهای تولید انبوه راه پیدا نکرده، اما در نمونه‌های اولیه پژوهشی و صنعتی مورد آزمایش قرار گرفته است. استفاده از تجهیزات الکترونیکی اضافی، هزینه اولیه این سامانه را افزایش می‌دهد؛ بااین‌حال، محققان نشان داده‌اند که در بسیاری از شرایط واقع‌بینانه، عمر مفید بیشتر و ارزش باقیمانده بالاتر باتری می‌تواند هزینه اضافی را جبران کند. بیشترین ظرفیت بهره‌برداری از این فناوری به خودروهای برقی با ولتاژ بالا، برد حرکتی طولانی و تعداد زیادی سلول متصل به‌صورت سری مربوط می‌شود.

افزون بر افزایش عمر باتری، این فناوری می‌تواند مزایای زیست‌محیطی نیز به همراه داشته باشد. در روش‌های فعلی تولید، منابع قابل‌توجهی صرف آزمایش و تطبیق سلول‌هایی می‌شود که ویژگی‌های مشابهی دارند. فناوری جدید امکان استفاده از سلول‌هایی با تفاوت‌های بیشتر را فراهم می‌کند و در نتیجه، نیاز به تطبیق دقیق سلول‌ها کاهش می‌یابد. همچنین، بخش بیشتری از بسته‌های باتری می‌تواند پس از پایان استفاده در خودرو، برای کاربردهای دیگری مانند ذخیره‌سازی ثابت انرژی مورد استفاده مجدد قرار گیرد. آلبرت اشکگرو در توضیح اهمیت زیست‌محیطی این رویکرد گفت:

خارج کردن زودهنگام یک بسته باتری از چرخه استفاده، به معنای هدر رفتن مواد اولیه و انرژی مصرف‌شده برای تولید آن است. بنابراین، افزایش مدت استفاده از بسته‌های باتری، حتی پیش از در نظر گرفتن صرفه اقتصادی، به‌خودی‌خود یک مزیت مهم برای پایداری محیط زیست محسوب می‌شود.