Bateria zasila „serce samochodu elektrycznego”, a jednocześnie jest jego najcięższym i najdroższym elementem. Jej żywotność i niezawodność zależy nie tylko od konstrukcji czy rodzaju samych ogniw, ale także rodzaju obudowy. Może być ona wykonana z różnych materiałów – już nie tylko metalu, ale także innowacyjnych, ultralekkich tworzyw sztucznych.
Jak zbudowana jest bateria w samochodzie elektrycznym?
Baterie w samochodach z napędem elektrycznym składają się z ogniw połączonych w układzie szeregowym lub równoległym. W ten sposób powstają moduły, które z kolei tworzą pakiet baterii. Każde z ogniw zawiera elektrody (anodę i katodę), elektrolit oraz separator. Elektrody są wykonywane z materiałów aktywnych, które pod wpływem prądu wyzwalają reakcję chemiczną, w wyniku której powstaje energia elektryczna. Elektrody są zanurzone w elektrolicie, który umożliwia przepływ prądu między nimi. Poszczególne ogniwa są oddzielone separatorem, czyli rodzajem membrany, która zapobiega zwarciu elektrycznemu katody i anody. Całość baterii musi być chroniona odpowiednio wytrzymałą obudową, która amortyzuje wstrząsy i chroni ogniwa przed ekstremalnymi temperaturami oraz przebiciami elektrycznymi.
Z czego zbudowana jest bateria w samochodzie? Komponenty i materiały
To, jakie materiały są stosowane w procesie produkcji baterii do samochodów elektrycznych, niezależnie od tego czy chodzi o BEV, HEV czy PHEV, zależy od rodzaju ogniw. Wszystkie z nich mają swoje wady i zalety związane z pojemnością, trwałością, kosztem produkcji czy też bezpieczeństwem użytkowania. Najbardziej popularne są baterie litowo-jonowe (Li-ion), litowo-polimerowe (LiPo), niklowo-wodorkowe (NiMH) oraz niklowo-kadmowe (NiCd). Najcenniejszymi surowcami wchodzącymi w skład różnych rodzajów akumulatorów do samochodów elektrycznych są materiały aktywne używane w elektrodach, takie jak lit, kobalt, nikiel, mangan, czy grafit. Jako elektrolity służą organiczne roztwory soli metali w postaci cieczy lub żelów. Wyjątkiem mają być akumulatory półprzewodnikowe ze stałym elektrolitem, nad którymi nadal trwają prace. Natomiast do produkcji separatorów stosowane są materiały polimerowe i powłoki ceramiczne.
Ile ogniw jest w baterii samochodowej?
Nie ma ustalonej, optymalnej liczby ogniw stosowanych w baterii samochodu elektrycznego. Zależy ona każdorazowo od jej pojemności i napięcia. Im większa projektowana pojemność i napięcie akumulatora, tym więcej ogniw potrzebnych jest do jego produkcji. Na przykład bateria litowo-jonowa o pojemności 60 kWh i napięciu 400 V może składać się z około 8 000 ogniw. Dlatego też mniejszą liczbę ogniw znajdziemy w małym samochodzie miejskim, a większą – w hybrydzie dalekiego zasięgu.
Obudowa akumulatora samochodowego – jak wpływa na samochód elektryczny?
Obudowa akumulatora samochodowego pełni kilka ważnych funkcji. Po pierwsze, chroni baterię przed uszkodzeniami mechanicznymi, termicznymi i chemicznymi. Po drugie, może zapewniać jej wentylację, pomagając tym samym w optymalnej dystrybucji ciepła. Po trzecie, zapewnia „strukturę” dla modułów i gwarantuje, że pozostaną one na swoim miejscu. Wszystko to powoduje, że obudowa akumulatora samochodowego musi być wyprodukowana z solidnych materiałów. W tym celu często wykorzystuje się metale, co wpływa na duży ciężar baterii i w związku z tym także masę własną, zasięg i właściwości jezdne samochodu. Nisko osadzony środek ciężkości z jednej strony zwiększa przyczepność i trakcję samochodu, a z drugiej – zmniejsza jego zwrotność. Dlatego też producenci poszukują nowych rozwiązań materiałowych, które pozwolą na wytwarzanie lżejszych akumulatorów.
Produkcja obudowy do akumulatora samochodowego i stosowane materiały
Materiały używane do produkcji obudowy akumulatora samochodowego muszą spełniać wysokie wymagania pod względem wytrzymałości na uderzenia, izolacyjności cieplnej czy odporności na ogień i przebicia elektryczne. Wśród najczęściej stosowanych można wymienić nie tylko stal, aluminium, twarde tworzywa sztuczne czy różnego rodzaju kompozyty, ale także nowoczesne pianki, takie jak np. EPP. Spieniony polipropylen, który przez długi czas był wykorzystywany jako materiał na opakowania transportowe, okazał się doskonałym rozwiązaniem także do wytwarzania bardzo lekkich systemów izolacyjnych akumulatorów samochodowych i rozwiązań ochrony przed wstrząsami. W tej roli doskonale zastępuje m.in. cięższe tworzywa sztuczne, a jako materiał łatwo przetwarzalny ułatwia recykling baterii samochodowych, co jest zgodne z wymogami ekologicznymi.
Elementy z EPP, które zabezpieczają baterie samochodowe i zwiększają ich żywotność
“Pianka EPP charakteryzuje się wysoką odpornością na uderzenia, doskonałą izolacyjnością cieplną i akustyczną, a także można łatwo nadać jej dowolny kształt. Dzięki temu z powodzeniem służy do wytwarzania różnego rodzaju komponentów baterii samochodowych, od izolatorów aż po separatory i elementy mocujące. Doskonałe właściwości tłumiące spienionego polipropylenu sprawiają, że wykonana z niego obudowa chroni wrażliwe ogniwa przed wstrząsami i wibracjami, przedłużając żywotność baterii w samochodach elektrycznych i zwiększając zasięgi tego typu pojazdów. Separatory z EPP zapobiegają ponadto przebiciom elektrycznym i przenoszeniu się wysokich temperatur między ogniwami, co wpływa korzystnie na temperaturę pracy baterii i bezpieczeństwo jej użytkowania. Natomiast elementy mocujące upraszczają prowadzenie przewodów elektrycznych i ułatwiają demontaż baterii po zakończeniu jej użytkowania. “ mówi Nicolas Moreau (Automotive Project Manager w Knauf Industries).
W jaki sposób działa akumulator w samochodzie elektrycznym?
Akumulator w samochodzie elektrycznym działa na zasadzie przemiany energii chemicznej w elektryczną i odwrotnie. Podczas ładowania akumulatora prąd elektryczny z sieci lub stacji ładowania płynie do baterii, powodując migrację jonów przez elektrolit z anody do katody. Natomiast podczas rozładowywania akumulatora, gdy prąd elektryczny płynie z baterii do silnika elektrycznego, cały proces ulega odwróceniu.
Czy bateria i akumulator w samochodzie elektrycznym to to samo?
W opracowaniach dotyczących samochodów elektrycznych pojęcia „bateria” i „akumulator” są stosowane zamiennie, choć pod względem technicznym istnieje między nimi różnica. Bateria to źródło energii elektrycznej, które nie może być ponownie naładowane, jak np. bateria alkaliczna lub cynkowo-węglowa. Natomiast akumulator może być ładowany i rozładowywany wielokrotnie. Biorąc pod uwagę powyższe, akumulator w samochodzie elektrycznym można porównać raczej do baku w tradycyjnym samochodzie spalinowym niż np. baterii alkalicznej. Ma on jednak znacznie większe znaczenie niż bak, gdyż jego kształt, ciężar i pojemność wpływają nie tylko na ostateczny wygląd, ale co ważniejsze – zasięg samochodu. Nazwa „bateria samochodowa” tak naprawdę została zapożyczona z języka angielskiego, gdyż słowo „battery” jest stosowane zarówno w odniesieniu do baterii, jak i akumulatora.
Jaką budowę akumulatora do samochodów elektrycznych wybrać i dlaczego?
Jak dotąd nie opracowano jednej, optymalnej konstrukcji akumulatora, która pasowałyby do każdego samochodu. Producenci pojazdów elektrycznych stosują bardzo zróżnicowane technologie. Zasadniczo można wyróżnić dwa podstawowe typy konstrukcji ogniw: cylindryczny i pryzmatyczny. W przypadku budowy cylindrycznej ogniwa przyjęły kształt walca. Do zalet takiego rozwiązania zalicza się wysoką gęstość energetyczną, dobrą odporność termiczną i mechaniczną ogniw, jednak dochodzi do dużych strat przestrzeni, a chłodzenie jest utrudnione. Natomiast w konstrukcji pryzmatycznej ogniwa mają kształt prostopadłościanu, co pozwala lepiej wykorzystać dostępne miejsce, ułatwia chłodzenie i zapewnia większą swobodę kształtowania modułów. Gęstość energetyczna jest jednak w tym przypadku niższa, a ponadto zwiększa się masa baterii i koszty jej produkcji. Niezależnie od tego, jaki jest kształt ogniw i konstrukcja modułów, technologia formowania wtryskowego tworzyw sztucznych umożliwia produkcję idealnie dopasowanych komponentów mocujących, izolacyjnych czy obudów z EPP, które w pełni odpowiadają oczekiwaniom projektantów i konstruktorów.