Μπαταρίες Ηλεκτρικών Οχημάτων – Η ανατομία ενός ηλεκτρικού οχήματος μπαταρίας

Τα ηλεκτρικά οχήματα μπαταρίας (BEV), σε σύγκριση με τα κλασικά οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης (ICE), είναι αρκετά απλά και εύκολα στη λειτουργία. Η απλούστερη αυτή αρχιτεκτονική αποτελείται από μια μπαταρία υψηλής τάσης, έναν ηλεκτροκινητήρα με ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ισχύος και ένα κιβώτιο ταχυτήτων. Τα BEV καλούνται επίσης καθαρά ηλεκτρικά οχήματα, προκειμένου να τα διακρίνουν από τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (HEV), τα οποία διαθέτουν ένα υβριδικό σύστημα μετάδοσης κίνησης (μηχανή εσωτερικής καύσης συν ηλεκτρικό κινητήρα). Σε ένα BEV, η πρόωση βασίζεται αποκλειστικά στην ηλεκτρική ενέργεια που αποθηκεύεται στη μπαταρία υψηλής τάσης.

Τα ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρίες αυξάνουν το μερίδιό τους στην αγορά επειδή είναι ο πιο βιώσιμος τρόπος για ένα καθαρό και αποτελεσματικό σύστημα μεταφορών. Σε σύγκριση με τα οχήματα ICE, τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα ενός BEV είναι η συνολική υψηλή απόδοση, η αξιοπιστία και το σχετικά χαμηλό κόστος του ηλεκτροκινητήρα. Το κύριο μειονέκτημα είναι η χαμηλή πυκνότητα ενέργειας της μπαταρίας υψηλής τάσης.

Η αυτονομία ενός ηλεκτρικού οχήματος είναι η μέγιστη απόσταση που μπορεί να καλυφθεί με μια «πλήρως φορτισμένη» μπαταρία. Λάβετε υπόψη ότι η ασυτονομία δίνεται για έναν συγκεκριμένο κύκλο δοκιμής πιστοποίησης (NEDC, FTP, WLTP, κ.λπ.)
 
Ανάλογα με την εμβέλεια και τη μέγιστη ταχύτητα και επιδόσεις επιτάχυνσης, τα ηλεκτρικά οχήματα μπαταρίας μπορούν να ταξινομηθούν ως:
• ηλεκτρικά οχήματα γειτονιάς: μικρά οχήματα, πολύ χαμηλή εμβέλεια (λιγότερο από 25χλμ.)
• ηλεκτρικά οχήματα πόλης: μικρά οχήματα, χαμηλή εμβέλεια (λιγότερο από 50 χλμ.)
• ηλεκτρικά οχήματα πλήρους απόδοσης: αυτά είναι τα ισοδύναμα των κλασικών επιβατικών οχημάτων, με αυτονομία μεταξύ 100 έως 600 χλμ.

Οι πιο πολλές αρχιτεκτονικές BEV έχουν τον κινητήρα στον μπροστινό άξονα και τη μπαταρία υψηλής τάσης στο δάπεδο, μεταξύ του εμπρόσθιου και του πίσω άξονα. Αυτή η διαμόρφωση δίνει αρκετό χώρο επιβατών και πορτ μπαγκάζ.

Η μπαταρία υψηλής τάσης, που είναι το βαρύτερο στοιχείο του οχήματος, τοποθετείται πολύ χαμηλά στο δάπεδο του αμαξώματος. Αυτό δίνει ένα άλλο πλεονέκτημα, ένα πολύ χαμηλό κέντρο βάρους, που βελτιώνει τη συνολική ευστάθεια του οχήματος.

Οχήματα BEV υψηλής απόδοσης, όπως τα Rimac Concept_One & C2, φέρνουν την απόδοση και τη δυναμική οδήγησης σε ένα ακραίο επίπεδο. Η μετάδοση κίνησης αποτελείται από τέσσερις κινητήρες συνολικά, έναν για κάθε τροχό. Κάθε κινητήρας έχει δικό του κιβώτιο ταχυτήτων, μπροστά υπάρχουν κιβώτια μονής ταχύτητας, ενώ στο πίσω μέρος υπάρχουν κιβώτια δύο ταχυτήτων με συμπλέκτες από ίνες άνθρακα. Η μπαταρία υψηλής τάσης εμφανίζεται σε σχήμα «Τ», μεταξύ του εμπρόσθιου και του πίσω άξονα. Το Rimac Concept_One είναι το πρώτο hypercar (υπεραυτοκίνητο) μπαταρίας.

Το στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας σε ένα καθαρά ηλεκτρικό όχημα είναι η μπαταρία υψηλής τάσης (HV). Η ονομαστική τάση είναι, στις περισσότερες περιπτώσεις, μεταξύ 360 και 450 V. Ένα BEV διαθέτει επίσης μια μπαταρία χαμηλής τάσης, τη συνηθισμένη μπαταρία των 12 V, η οποία χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του βοηθητικού εξοπλισμού (φωτισμός, πολυμέσα κλπ. ).

Η μπαταρία είναι το βασικό εξάρτημα των BEV επειδή:
• Η αυτονομία του οχήματος εξαρτάται σχεδόν εξ ολοκλήρου από την μπαταρία HV
• Είναι το βαρύτερο δομικό στοιχείο
• Είναι το πιο ακριβό δομικό στοιχείο

Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι μπαταριών υψηλής τάσης, όπου η χημεία είναι ο κύριος διακριτός παράγοντας. Οι πιο συνηθισμένες μπαταρίες HV για το BEV είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αυτές έχουν επίσης διαφορετικές «στοιχεία»:
• Οξείδια μετάλλου (π.χ. οξείδιο μαγγανίου λιθίου, LiMn2O2)
• φωσφορικά (π.χ. φωσφορικό λίθιο σιδήρου, LiFePO4)

Στην αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιούνται φωσφορικές μπαταρίες ιόντων λιθίου περισσότερο κατάλληλες επειδή είναι ασφαλέστερες όσον αφορά τον χημικό και θερμικό κίνδυνο.

Η ροπή παρέχεται από μια ηλεκτρική μηχανή. Στις εφαρμογές επιβατικών οχημάτων υπάρχουν κυρίως δύο τύποι ηλεκτρικών κινητήρων που ήδη χρησιμοποιούνται, με ειδικό ενδιαφέρον για έναν τρίτο:
1. Μοτέρ μόνιμου μαγνήτη
2. Μοτέρ επαγωγής
3. Μοτέρ μεταβλητού διακόπτη επαγωγής

Είναι πιο δόκιμο να ονομάζονται ηλεκτρικές μηχανές ή μοτέρ αντί για κινητήρες, επειδή μπορούν επίσης να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια κατά την πέδηση του οχήματος. Ο μηχανισμός αυτός ονομάζεται ανάκτηση / αναγέννηση ενέργειας. Όταν το όχημα επιταχύνει, η ηλεκτρική μηχανή καταναλώνει ενέργεια από τη μπαταρία ΗV και παράγει ροπή. Αυτή είναι η κινητήρια φάση. Όταν το όχημα φρενάρει, η κινητική ενέργεια του οχήματος χρησιμοποιείται από την ηλεκτρική μηχανή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή είναι η φάση της γεννήτριας.
Η κύρια διαφορά μεταξύ των ηλεκτρικών μηχανών συνίσταται στον τρόπο με τον οποίο παράγουν ροπή στρέψης (μόνιμο μαγνητικό πεδίο από μαγνήτες, επαγόμενο μαγνητικό πεδίο στις περιελίξεις του ρότορα ή μαγνητικά αγώγιμη διαδρομή στον δρομέα ευθυγραμμισμένο με το πεδίο του στάτη).

Ηλεκτρονικά ισχύος

Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ισχύος διαθέτει διάφορα υποσυστήματα, τα οποία είναι υπεύθυνα για την κάθε λειτουργία ελέγχου. Όταν το όχημα φορτίζεται από οικιακό ηλεκτρικό δίκτυο (π.χ. 220 V), ο ανορθωτής μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) σε συνεχές ρεύμα (DC), το οποίο τροφοδοτεί την μπαταρία υψηλής τάσης.

Ο μετατροπέας DC-DC είναι υπεύθυνος με τη μείωση της υψηλής τάσης (π.χ. 400 V) στο δίκτυο χαμηλής τάσης (12 V).

Ο αναστροφέας- inverter ελέγχει την ταχύτητα και τη ροπή της ηλεκτρικής μηχανής, μετατρέποντας το συνεχές ρεύμα από την μπαταρία σε εναλλασσόμενο τριφασικό ρεύμα για την μηχανή. Όταν το όχημα βρίσκεται στη φάση ανάκτησης ενέργειας (φρενάρισμα), ο μετατροπέας κάνει την αντίθετη μετατροπή, από 3-φάσεων AC σε DC.

Μετάδοση κίνησης Renault Zoe // 1. Ελεγκτής ηλεκτρικής ισχύος  // 2. Στάτης // 3. Ρότορας // 4.  Κιβώτιο μονής ταχύτητας και διαφορικό