ما هي وحدة بطارية الليثيوم؟

نظرة عامة على وحدات البطارية

تُعدّ وحدات البطاريات جزءًا مهمًا من المركبات الكهربائية. وتتمثل وظيفتها في ربط خلايا البطارية المتعددة معًا لتشكيل وحدة متكاملة توفر الطاقة الكافية لتشغيل المركبات الكهربائية.

وحدات البطارية هي مكونات تتألف من خلايا بطارية متعددة، وتُعدّ جزءًا أساسيًا من المركبات الكهربائية. وظيفتها ربط خلايا البطارية المتعددة معًا لتشكيل وحدة متكاملة توفر الطاقة الكافية للمركبات الكهربائية أو لعمليات تخزين الطاقة. لا تقتصر وظيفة وحدات البطارية على كونها مصدر طاقة للمركبات الكهربائية فحسب، بل تُعدّ أيضًا من أهم أجهزة تخزين الطاقة فيها.

ولادة وحدات البطاريات

من منظور صناعة تصنيع الآلات، تعاني البطاريات أحادية الخلية من مشاكل مثل ضعف الخصائص الميكانيكية وعدم ملاءمة الواجهات الخارجية، وتشمل بشكل رئيسي ما يلي:

1. الحالة الفيزيائية الخارجية مثل الحجم والمظهر غير مستقرة، وستتغير بشكل كبير مع عملية دورة الحياة؛

2. عدم وجود واجهة تركيب وتثبيت ميكانيكية بسيطة وموثوقة؛

3. عدم وجود منفذ إخراج مناسب وواجهة لمراقبة الحالة؛

4. ضعف الحماية الميكانيكية والعزل.

نظراً للمشاكل المذكورة أعلاه التي تعاني منها البطاريات أحادية الخلية، كان من الضروري إضافة طبقة لتغييرها وحلها، مما يسهل تجميع البطارية ودمجها مع المركبة بأكملها. وقد نتج عن هذا الاختيار الطبيعي وحدة تتكون من عدة بطاريات إلى عشر أو عشرين بطارية، تتميز بحالة خارجية مستقرة نسبياً، وواجهة ميكانيكية سهلة وموثوقة للإخراج والمراقبة، فضلاً عن عزل وحماية ميكانيكية محسّنة.

تُعالج الوحدة القياسية الحالية العديد من مشاكل البطاريات، ولها المزايا الرئيسية التالية:

1. يمكن تحقيق الإنتاج الآلي بسهولة، ويتمتع بكفاءة إنتاج عالية، كما أن جودة المنتج وتكلفة الإنتاج يسهل التحكم بهما نسبياً؛

2. يمكن أن يشكل درجة عالية من التوحيد القياسي، مما يساعد على تقليل تكاليف خط الإنتاج بشكل كبير وتحسين كفاءة الإنتاج؛ إن الواجهات والمواصفات القياسية مواتية للمنافسة الكاملة في السوق والاختيار ثنائي الاتجاه، والحفاظ على قابلية تشغيل أفضل للاستخدام المتتالي؛

3. موثوقية ممتازة، والتي يمكن أن توفر حماية ميكانيكية وعزل جيدة للبطاريات طوال دورة حياتها؛

4. لن تؤدي تكاليف المواد الخام المنخفضة نسبيًا إلى ضغط كبير على تكلفة تجميع نظام الطاقة النهائي؛

5. إن الحد الأدنى لقيمة الوحدة القابلة للصيانة صغير نسبيًا، مما يؤثر بشكل كبير على تقليل تكاليف ما بعد البيع.

بنية مكونات وحدة البطارية

يتكون هيكل وحدة البطارية عادةً من خلية البطارية، ونظام إدارة البطارية، وصندوق البطارية، وموصل البطارية، وأجزاء أخرى. تُعد خلية البطارية المكون الأساسي لوحدة البطارية، وهي تتألف من عدة وحدات بطارية، عادةً ما تكون من نوع بطاريات الليثيوم أيون، والتي تتميز بكثافة طاقة عالية، ومعدل تفريغ ذاتي منخفض، وعمر خدمة طويل.

يهدف نظام إدارة البطارية إلى ضمان سلامة البطارية وموثوقيتها وإطالة عمرها. وتشمل وظائفه الرئيسية مراقبة حالة البطارية، والتحكم في درجة حرارتها، وحمايتها من الشحن الزائد والتفريغ الزائد، وغيرها.

صندوق البطارية هو الغلاف الخارجي لوحدة البطارية، ويُستخدم لحمايتها من العوامل الخارجية. يُصنع صندوق البطارية عادةً من المعدن أو البلاستيك، ويتميز بمقاومته للتآكل والحريق والانفجار وغيرها من الخصائص.

موصل البطارية هو مكون يربط خلايا البطارية المتعددة لتكوين وحدة متكاملة. وهو مصنوع عادةً من النحاس، الذي يتميز بموصلية جيدة ومقاومة للتآكل والصدأ.

مؤشرات أداء وحدة البطارية

تشير المقاومة الداخلية إلى مقاومة التيار المتدفق عبر البطارية أثناء تشغيلها، وتتأثر بعوامل مثل مادة البطارية وعملية تصنيعها وبنيتها. وتنقسم إلى مقاومة داخلية أومية ومقاومة داخلية استقطابية. تتكون المقاومة الداخلية الأومية من مقاومة التلامس بين مواد الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات والأغشية وأجزاء أخرى؛ أما المقاومة الداخلية الاستقطابية فتنتج عن الاستقطاب الكهروكيميائي واستقطاب فرق التركيز.

الطاقة النوعية - طاقة البطارية لكل وحدة حجم أو كتلة.

كفاءة الشحن والتفريغ - مقياس لدرجة تحويل الطاقة الكهربائية التي تستهلكها البطارية أثناء الشحن إلى طاقة كيميائية يمكن للبطارية تخزينها.

الجهد الكهربائي – فرق الجهد بين القطبين الموجب والسالب للبطارية.

جهد الدائرة المفتوحة: هو جهد البطارية عندما لا تكون هناك دائرة خارجية أو حمل خارجي متصل بها. يرتبط جهد الدائرة المفتوحة ارتباطًا وثيقًا بالسعة المتبقية للبطارية، لذا يُقاس جهد البطارية عادةً لتقدير سعتها. جهد التشغيل: هو فرق الجهد بين القطبين الموجب والسالب للبطارية عندما تكون في حالة تشغيل، أي عندما يمر تيار كهربائي في الدائرة. جهد قطع التفريغ: هو الجهد الذي تصل إليه البطارية بعد شحنها وتفريغها بالكامل (إذا استمر التفريغ، فسيؤدي ذلك إلى تفريغها بشكل مفرط، مما يُلحق الضرر بعمرها وأدائها). جهد قطع الشحن: هو الجهد الذي يتحول عنده الشحن من تيار ثابت إلى جهد ثابت أثناء عملية الشحن.

معدل الشحن والتفريغ - يتم تفريغ البطارية بتيار ثابت لمدة ساعة واحدة، أي بمعدل 1C. إذا كانت سعة بطارية الليثيوم 2 أمبير/ساعة، فإن معدل 1C للبطارية يساوي 2 أمبير، ومعدل 3C يساوي 6 أمبير.

التوصيل المتوازي – يمكن زيادة سعة البطاريات بتوصيلها على التوازي، وتكون السعة = سعة البطارية الواحدة × عدد التوصيلات المتوازية. على سبيل المثال، وحدة Changan 3P4S، سعة البطارية الواحدة 50 أمبير/ساعة، وبالتالي فإن سعة الوحدة = 50 × 3 = 150 أمبير/ساعة.

التوصيل على التوالي – يمكن زيادة جهد البطاريات بتوصيلها على التوالي. الجهد = جهد البطارية الواحدة × عدد السلاسل. على سبيل المثال، في وحدة Changan 3P4S، يكون جهد البطارية الواحدة 3.82 فولت، وبالتالي فإن جهد الوحدة = 3.82 × 4 = 15.28 فولت.

تُعدّ وحدات بطاريات الليثيوم عالية الطاقة مكونًا أساسيًا في المركبات الكهربائية، حيث تلعب دورًا محوريًا في تخزين الطاقة الكهربائية وإطلاقها، وتوفير الطاقة، وإدارة حزم البطاريات وحمايتها. وتختلف هذه الوحدات في تركيبها ووظائفها وخصائصها وتطبيقاتها، إلا أن جميعها تؤثر بشكل كبير على أداء المركبات الكهربائية وموثوقيتها. ومع التطور التكنولوجي المستمر وتوسع نطاق تطبيقاتها، ستواصل وحدات بطاريات الليثيوم عالية الطاقة تطورها، وستساهم بشكل أكبر في تعزيز انتشار المركبات الكهربائية وزيادة استخدامها.