كيفية بناء حزمة بطارية ليثيوم أيون: دليل الخبراء للمهندسين

تتطلب هندسة دقيقة لتحقيق خصائص الأداء المثلى. تُظهر سيارة تسلا S85 EV هذا التعقيد، حيث تستخدم أكثر من 7,000 خلية مُهيأة بالتوازي والتسلسل لتلبية متطلبات الجهد والسعة المحددة. أصبحت بطاريات أيونات الليثيوم الخيار الأمثل لتطبيقات النقل والإلكترونيات المحمولة بفضل خصائصها الفائقة من حيث الطاقة وكثافة الطاقة.مجموعات بطاريات الليثيوم أيون

شهدت تكنولوجيا البطاريات تطورًا ملحوظًا على مدار العقود الثلاثة الماضية. فقد زادت كثافة الطاقة الحجمية ثلاثة أضعاف، بينما انخفضت تكاليف الإنتاج بعشرة أضعاف. وتجاوز الطلب العالمي على مصادر طاقة أيونات الليثيوم تيراواط/ساعة سنويًا بحلول أواخر عام 1. ويتعين على المهندسين الذين يصممون حلول طاقة مخصصة فهم المكونات الأساسية ومبادئ تشغيل أنظمة بطاريات الليثيوم. ويتطلب تصنيع حزم بطاريات أيونات الليثيوم خبرة متخصصة اكتسبتها شركات مثل إنفينتوس باور على مدار أكثر من 2024 عامًا من الخبرة في هذا المجال.

يتناول هذا الدليل الفني البنية الداخلية لبطاريات أيونات الليثيوم، ويقدم إجراءات مفصلة لبناء حزم البطاريات من مكونات فردية. يغطي المحتوى اختيار شكل الخلية، وتصميم التكوين التسلسلي والمتوازي، وتنفيذ نظام إدارة البطاريات، ومتطلبات الامتثال للسلامة. يتناول جميع المكونات الأساسية لحزمة بطاريات أيونات الليثيوم لدعم المهندسين في تطوير الأجهزة المحمولة البسيطة والتطبيقات الحركية المعقدة. تُمكّن المعلومات الفنية المقدمة من إنشاء أنظمة بطاريات فعالة وآمنة وموثوقة تلبي متطلبات التطبيقات المحددة.

اختيار الشكل المناسب لخلية أيونات الليثيوم

يُحدد اختيار شكل الخلية الخصائص الأساسية لتصميم حزمة البطارية. يؤثر التكوين المادي للخلايا بشكل مباشر على سعة الطاقة، وخصائص إدارة الحرارة، والسلامة الهيكلية للتجميع النهائي.

الخلايا الأسطوانية مقابل الخلايا المنشورية مقابل الخلايا الجيبية

تهيمن ثلاثة أشكال من الخلايا على سوق بطاريات أيونات الليثيوم، حيث يقدم كل منها خصائص أداء مميزة لتطبيقات محددة. تُظهر بيانات السوق لعام ٢٠٢٠ أن نسبة الإنتاج بلغت ٣٥٪ من الخلايا الكيسية، بينما بلغت نسبة الخلايا الأسطوانية ١٥٪.الخلايا المنشورية تمثل ما يقرب من 40٪

تستخدم الخلايا الأسطوانية شكلاً أنبوبيًا، حيث تُلفّ مواد الأقطاب الكهربائية بشكل حلزوني. تُنتج عمليات التصنيع المُتقنة المرتبطة بالخلايا الأسطوانية إنتاجًا اقتصاديًا عالي الإنتاجية. يوفر التصميم الأنبوبي خصائص تبديد حراري ممتازة واستقرارًا ميكانيكيًا قادرًا على تحمل ضغوط داخلية عالية دون تشوه. تشمل ميزات السلامة القياسية آليات تخفيف الضغط. يُنشئ الشكل الأسطواني الثابت فجوات هوائية عند وضع الخلايا جنبًا إلى جنب، مع إمكانية الاستفادة من هذه الفجوات لدمج أنظمة التبريد.مفاتيح ذات معامل حراري إيجابي (PTC)

تستخدم الخلايا المنشورية تصميمًا مستطيلًا مسطحًا، مع مواد أقطاب كهربائية متراصة داخل غلاف صلب. تصل كفاءة استخدام المساحة إلى 90-95% مع التكوينات المنشورية. وقد اعتمد مصنعو السيارات الخلايا المنشورية في تطبيقات المركبات الكهربائية نظرًا لكفاءتها في تبديد الحرارة من خلال بنية الطبقات المتراكبة. يتمثل القيد الرئيسي في عدم وجود معايير موحدة بين الشركات المصنعة، مما قد يؤدي إلى انخفاض مستويات الأتمتة وتقصير عمر خدمة حزمة البطاريات.

تتميز خلايا الجيب بتغليف مرن بدون غلاف خارجي صلب، مما يتيح إمكانية تخصيص عوامل الشكل. يوفر هيكلها خفيف الوزن انخفاضًا في الوزن بنسبة 40% مقارنةً بالخلايا المغلفة بالفولاذ، مما يساهم في زيادة كثافة الطاقة. ومع ذلك، تظل خلايا الجيب عرضة للتلف المادي وتتطلب دعمًا هيكليًا خارجيًا للحماية الميكانيكية.

الاختيار بين بطاريات 18650 و21700 و4680

يتعين على المهندسين الذين يقومون باختيار الأشكال الأسطوانية أن يفهموا مواصفات وتطور أحجام الخلايا المتاحة.

تُعدّ خلية 18650 (قطرها 18 مم، وطولها 65 مم) من أكثر الصيغ تطورًا وانتشارًا في عام 2013. يبلغ جهد الخرج القياسي 3.6/3.7 فولت، وتتراوح سعتها بين 2,300 و3,600 مللي أمبير/ساعة. يُقدّم نموذج 18650 واحدًا من أدنى نسب التكلفة لكل واط/ساعة، مع بيانات موثوقية مُثبتة.وصل الإنتاج إلى 2.55 مليار خلية 18650

توفر خلية 21700 (قطرها 21 مم، وطولها 70 مم) سعة أكبر بنسبة 50% تقريبًا من بطارية 18650 لمعدلات تفريغ تصل إلى 3.75 درجة مئوية. تُظهر مقارنة الحجم أن سعة بطارية 24 تبلغ 21700 سم مكعب مقابل 16 سم مكعب لبطارية 18650، مما يُمكّن من مضاعفة السعة تقريبًا. تُصنّف شركة تيسلا بطارية 21700 بأنها "أعلى خلية كثافة طاقة وأرخصها سعرًا". تتراوح السعة النموذجية بين 4,000 و5,000 مللي أمبير/ساعة.

تتميز خلية 4680 (قطرها 46 مم، وطولها 80 مم) بتصميم "بدون أقطاب كهربائية" لتقليل طول المسار الكهربائي وتقليل التسخين المقاوم. تشير مواصفات تيسلا إلى زيادة في الطاقة بمقدار 5 أضعاف وات/ساعة و6 أضعاف في خرج الطاقة مقارنةً بالتصاميم السابقة، مع زيادة في مدى القيادة بنسبة 16% مقارنةً بـ 21700 خلية.

مقايضات الطاقة والتكلفة المحددة

يتطلب تصميم حزمة البطاريات موازنةً وقيودًا على التكلفة ومتطلبات تطبيقية. عادةً ما تُوفر الخلايا الأسطوانية كثافة طاقة أعلى مقارنةً بالبطاريات المنشورية أو الأكياسية. تُحقق بطارية 3 بسعة 18650 أمبير/ساعة كثافة طاقة تبلغ 248 أمبير/ساعة/كجم، بينما تُوفر الخلايا الأكياسية الحديثة حوالي 140 أمبير/ساعة/كجم.كثافة الطاقة

يُظهر تحليل التكلفة أن الخلايا الأسطوانية تُعدّ تاريخيًا التقنية الأكثر اقتصادًا، تليها الخلايا الجيبية، بينما تُعدّ الخلايا المنشورية أكثر تكلفة إنتاج. ويشهد تنسيق 21700 تقاربًا في تكاليف التصنيع بين التنسيقات. ويُتوقع أن يحقق تنسيق 2025 أكبر مسار لخفض التكاليف، مما قد يُحقق تكافؤًا في الأسعار مع الخلايا الجيبية بحلول عام XNUMX.

تشير خرائط طريق الصناعة إلى التقدم نحو أشكال خلايا أكبر مع زيادة الطاقة لكل وحدة. يشمل التطوير خلايا كيسية يصل طولها إلى 500 مم وخلايا منشورية يصل طولها إلى 1000 مم. ومن المتوقع أن تصل كثافة الطاقة القصوى إلى 850 واط/لتر بحلول عام 2025 و950 واط/لتر بحلول عام 2030 باستخدام تقنيات الإلكتروليت السائل التقليدية.

يعتمد اختيار شكل الخلية على متطلبات التطبيق. تُعطى أولوية كثافة الطاقة للخلايا الأسطوانية. تستفيد التطبيقات التي تتطلب استغلالًا مُحسّنًا للمساحة ومرونة في عامل الشكل من الخلايا المنشورية أو الكيسية، على الرغم من ارتفاع تكاليف الإنتاج عادةً.

فهم التكوينات المتسلسلة والمتوازية

يُحدد تصميم تكوين الخلية الخصائص الكهربائية الأساسية لبطاريات أيونات الليثيوم. تُحدد الترتيبات التسلسلية والمتوازية مستويات الجهد، ومواصفات السعة، ومعايير الأداء العامة لنظام البطارية المُكتمل.

قياس الجهد باستخدام التوصيلات التسلسلية

تزيد توصيلات الخلايا المتسلسلة من جهد النظام مع الحفاظ على تصنيفات سعة كل خلية. يتصل الطرف الموجب لكل خلية بالطرف السالب للخلية التالية، مما يُنشئ مسارًا كهربائيًا تتراكم فيه الجهدات بشكل تراكمي. عند استخدام خلايا أيونات الليثيوم بجهد اسمي 3.6 فولت لكل خلية.تنتج أربع خلايا متصلة على التوالي (4S) مجموعة بطاريات بقوة 14.4 فولت

تتبع علاقة الجهد هذا المبدأ الرياضي:

المجموع = V1 + V2 + V3 + … + Vn

توفر أنظمة الجهد العالي مزايا تشغيلية كبيرة. تنخفض متطلبات التيار الكهربائي بشكل متناسب مع زيادة الجهد الكهربائي للحصول على خرج طاقة مكافئ، مما يتيح استخدام مقاطع موصلات أصغر للتطبيقات طويلة المدى. كما أن مضاعفة جهد النظام تُقلل الطلب على التيار الكهربائي بمقدار النصف لتلبية متطلبات توصيل طاقة متطابقة.

تُشكّل التكوينات المتسلسلة تحديات تقنية محددة تتطلب دراسة متأنية. يؤثر فشل الخلية أو زيادة مقاومتها الداخلية على أداء السلسلة بأكملها. تُفرّغ الخلايا الأضعف في التكوينات المتسلسلة شحنتها بمعدلات متسارعة، مما قد يؤدي إلى انخفاضها عن عتبة الأمان البالغة 2.8 فولت لكل خلية، بينما تستمر الخلايا الأقوى في إجبار التيار على المرور عبر المكون المتدهور. قد تؤدي هذه الحالة إلى تلف دائم للخلايا ومخاطر على السلامة.

توسيع السعة باستخدام الاتصالات المتوازية

تحافظ تكوينات الخلايا المتوازية على مستويات جهد معادلة لكل خلية على حدة، مع زيادة السعة الإجمالية بشكل متناسب. تتصل الأطراف الموجبة ببعضها، والأطراف السالبة متصلة بشكل مماثل، مما يسمح بتوزيع التيار عبر مسارات متعددة.

، مما يدل على علاقة القدرة المضافة:أربع بطاريات 12 فولت 100 أمبير بالتوازي لإنشاء نظام بطارية 12 فولت 400 أمبير بالساعة

المجموع الكلي = Ah1 + Ah2 + Ah3 + … + Ahn

توفر التكوينات المتوازية تكرارًا تشغيليًا لا توفره الترتيبات التسلسلية. يستمر تشغيل النظام من خلال الخلايا المتبقية عند تعطل إحدى الخلايا. ويصبح توسيع السعة ممكنًا دون الحاجة إلى إعادة تصميم النظام مع تطور متطلبات التطبيق.

يختلف تأثير فشل الخلايا اختلافًا كبيرًا باختلاف أنواع التكوين. فالتركيبات المتوازية تُعاني من انخفاض السعة الكلية بدلًا من فشل النظام بالكامل عند تدهور الخلايا الفردية. ومع ذلك، تُشكل الخلايا التي تعاني من قصر في الدائرة الكهربائية مخاطر جسيمة من خلال استنزاف الطاقة من الخلايا المجاورة، مما قد يُسبب مخاطر حرارية.

موازنة الخلايا للحصول على أداء موحد

يُمثل هذا اعتبارًا تصميميًا بالغ الأهمية، خاصةً في تكوينات البطاريات المتسلسلة. تتطور اختلافات الجهد بين الخلايا بشكل طبيعي نتيجةً لتفاوتات التصنيع، وتدرجات درجات الحرارة، وخصائص الشيخوخة التفاضلية.موازنة الخلية

هناك طريقتان أساسيتان لتحقيق التوازن:

تُبدد الموازنة السلبية الطاقة الزائدة من الخلايا ذات الشحنة الأعلى عبر عناصر مقاومة حتى الوصول إلى توازن الجهد. تُوفر هذه الطريقة البساطة والفعالية من حيث التكلفة، لكنها تُحوّل الطاقة إلى حرارة مهدرة.

يُعيد التوازن النشط توزيع الطاقة من الخلايا ذات الشحنة الأعلى إلى الخلايا ذات الشحنة الأقل باستخدام دوائر سعوية أو حثية أو محولة. ويتم الحفاظ على الطاقة على حساب زيادة تعقيد الدائرة.

تتجاوز مظاهر اختلال توازن الخلايا فروق الجهد البسيطة. تحدث اختلافات حالة الشحن عندما تحافظ الخلايا على مستويات طاقة مختلفة مقارنةً بسعاتها الفردية. فروق السعة الطفيفة البالغة 200 مللي أمبير/ساعة في خلايا سعة 2200 مللي أمبير/ساعة تُحدث تباينًا في حالة الشحن بنسبة 0.4% فقط، ولكنها تُسبب تفاوتات كبيرة في الجهد عند حالات الشحن المنخفضة.

يتطلب الأداء الأمثل تفاوتًا في السعة بنسبة ±2.5% للبطاريات المتصلة على التوالي. يجب أن تحافظ التوصيلات المتوازية على تشابه الجهد في حدود 0.3 فولت قبل التوصيل لمنع تدفق التيار الزائد بين مكونات البطارية.

تُمكّن التركيبات التسلسلية المتوازية المهندسين من تحقيق أهداف محددة للجهد والسعة باستخدام تنسيقات خلايا موحدة. تدعم هذه المرونة التصميمية متطلبات تطبيقات متنوعة مع الحفاظ على وفورات الحجم في التصنيع.

تصميم نظام إدارة البطارية (BMS)

مصدر الصورة: ResearchGate

تختلف معاني أنظمة إدارة البطاريات (BMS) باختلاف الأشخاص. في جوهرها، توفر مراقبة مستمرة للمعلمات التشغيلية الرئيسية أثناء الشحن والتفريغ باستخدام مخرجات من أجهزة استشعار تُعطي معلومات عن الحالة الفعلية للجهد والتيارات ودرجات الحرارة داخل البطارية، بالإضافة إلى حالة الشحن. عند بناء بطاريات أيونات الليثيوم، يُحدد نظام إدارة البطاريات المُصمم بشكل صحيح ما إذا كان النظام يعمل بأمان وكفاءة أم يُصاب بعطل كارثي.

حماية من الشحن الزائد والتفريغ الزائد

تتعطل بطاريات أيون الليثيوم إذا تم شحنها بشكل زائد، أو تفريغها بالكامل، أو تشغيلها خارج نطاق درجة الحرارة الآمنة. قد يؤدي الشحن الزائد إلى تحلل الإلكتروليت، أو نشوب حريق، مما يجعل دوائر الحماية إلزامية في كل حزمة بطارية ليثيوم. يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) المُصمم جيدًا جهد الخلايا باستمرار، ويفصل دائرة الشحن تلقائيًا عندما تتجاوز كل خلية الحدود الآمنة (عادةً 4.2 فولت). تحدث هذه الاستجابة في غضون مللي ثانية لمنع التلف وتقليل مخاطر السلامة.هارب الحراري

تطبق تصميمات BMS الأكثر فعالية حماية الأجهزة متعددة المستويات:

1. الحماية الأساسية من خلال دوائر التحكم MOSFET التي تفصل مصادر الطاقة بسرعة
2. الحماية الثانوية من خلال الصمامات المادية التي تعزل الدوائر فعليًا في المواقف القصوى

تمنع الحماية من التفريغ الزائد انخفاض جهد البطاريات عن جهد التشغيل الآمن، والذي يبلغ عادةً حوالي 2.8 فولت لكل خلية. تعتمد أنظمة إدارة البطاريات الحديثة استراتيجيات إدارة هرمية، حيث تُفعّل أوضاع توفير الطاقة عند مستويات شحن منخفضة (أقل من 20%)، وتُدخل البطاريات في وضع السكون عند انخفاضها بشكل حرج (أقل من 9%). تؤثر هذه الحماية بشكل كبير على عمر البطارية، حيث تظهر بطاريات الليثيوم المحمية بشكل صحيح مقارنةً ببطاريات الرصاص الحمضية غير المحمية التي قد تفقد ما يصل إلى 30% من سعتها بعد عملية تفريغ زائد واحدة.معدلات التدهور أقل من 5٪ سنويا

تقنيات موازنة الخلايا

يحدث اختلال توازن الخلايا بشكل طبيعي نتيجةً لاختلافات التصنيع، واختلاف درجات الحرارة، وعدم تساوي عملية الشيخوخة. حتى الاختلافات الطفيفة في سعة الخلايا قد تُسبب اختلافات كبيرة في الجهد الكهربائي ومخاطر سلامة محتملة.

تُبدد الموازنة السلبية الطاقة الزائدة من الخلايا ذات الشحنة الأعلى عبر المقاومات حتى تصل جميع الخلايا إلى حالات شحن متساوية. تبقى هذه الطريقة بسيطة واقتصادية، لكنها تُهدر الطاقة كحرارة دون إطالة زمن تشغيل النظام.

ينقل التوازن النشط الطاقة من الخلايا ذات الشحنة الأعلى إلى الخلايا ذات الشحنة الأقل عبر المكثفات أو المحاثات أو المحولات. تعيد هذه التقنية توزيع الشحنة بين الخلايا خلال دورتي الشحن والتفريغ، مما يزيد من السعة القابلة للاستخدام. تشمل طرق تحويل الطاقة ما يلي:

• طرق نقل الشحنات التي تنقل الشحنات بين الخلايا
• طرق تحويل الطاقة باستخدام المحولات والموصلات

يُحسّن التوازن النشط كفاءة النظام من خلال زيادة إجمالي الشحنة القابلة للاستخدام، وتقليل وقت الشحن مقارنةً بالطرق السلبية، وتقليل توليد الحرارة. أ - كمية كبيرة في أنظمة البطاريات الكبيرة.عدم تطابق البطارية بنسبة 5% فقط يؤدي إلى ترك 5% من السعة غير مستخدمة

بروتوكولات الاتصال: SMBus وCAN

يجب أن يتواصل نظام إدارة البطاريات (BMS) بفعالية مع مكونات النظام الأخرى عبر بروتوكولات موحدة. ويهيمن خياران رئيسيان على التطبيقات الصناعية:

يُمثل ناقل إدارة النظام (SMBus) جزءًا من بروتوكول I2C، مُصمم خصيصًا لإدارة النظام. يتضمن هذا البروتوكول إمكانيات اكتشاف الأجهزة وإدارة الطاقة. يعمل بجهد 3.3 فولت وبسرعات تصل إلى 100 كيلوبت في الثانية، ويُخدم أنظمة الحاسوب في مراقبة درجة الحرارة والوظائف المتعلقة بالطاقة.

CAN Bus (منطقة التحكم بشبكة الاتصاليوفر بروتوكول CAN Bus اتصالات تسلسلية متينة لتطبيقات السيارات والصناعة. بسرعات تصل إلى 3.4 ميجابت في الثانية، يُمكّن ناقل CAN أجهزة متعددة من التواصل عبر ناقل مشترك بموثوقية عالية. يتفوق هذا البروتوكول في أنظمة التحكم الموزعة التي تتطلب تحمّل الأخطاء والاتصال الفوري.

يعتمد اختيار بروتوكول الاتصال على متطلبات التطبيق، بما في ذلك السرعة والموثوقية وتعقيد التكامل مع مكونات النظام الحالية.

بناء نظام التوصيل الكهربائي

تُشكل التوصيلات الكهربائية أساس أداء حزمة البطاريات، حيث تُحدد مباشرةً كفاءة تدفق التيار، وتوليد الحرارة، وموثوقية التشغيل. ويُمثل سوء تصميم التوصيلات أحد أكثر أسباب فشل حزمة البطاريات شيوعًا، حتى مع استخدام خلايا عالية الجودة وأنظمة إدارة متطورة.

تقنيات لحام النقاط لشرائط النيكل

تُشكّل شرائط النيكل المسارات الموصلة الرئيسية بين الخلايا الفردية في مجموعات بطاريات أيون الليثيوم. تؤثر سلامة التوصيل بشكل مباشر على كفاءة المجموعة، وعمر دورة التشغيل، وهوامش الأمان. ينطوي اختيار تقنية اللحام على موازنة كبيرة بين التكلفة والدقة ومتطلبات حجم الإنتاج.

لحام البقعة المقاومة تهيمن هذه الطريقة على تجميع حزم البطاريات عالية الحجم نظرًا لتوازنها بين الإنتاجية وتكاليف المعدات. تُثبّت هذه العملية شريط النيكل وطرف البطارية بين الأقطاب الكهربائية مع تمرير تيار مُتحكّم به عبر الوصلة. تُولّد المقاومة الكهربائية حرارة موضعية، مما يُشكّل رابطة اندماج بين المواد. مع ذلك، قد تُؤدي هذه الطريقة إلى جودة لحام غير متسقة عند العمل مع أشكال هندسية مختلفة للخلايا أو عندما يكون التحكم الدقيق في الحرارة أمرًا بالغ الأهمية.

يوفر لحام شعاع الليزر دقة فائقة ومناطق تأثر حراري ضئيلة مقارنةً بلحام المقاومة. يُذيب شعاع الليزر المُركز المواد ويدمجها بتحكم فائق، مما يجعله مثاليًا لتكوينات الخلايا المُزدحمة بكثافة. يتمثل القيد الرئيسي في ارتفاع تكلفة المعدات بشكل ملحوظ وبطء سرعات المعالجة، مما يجعله أقل عمليةً للإنتاج بكميات كبيرة.

يُنتج اللحام بالموجات فوق الصوتية روابط صلبة من خلال اهتزازات ميكانيكية عالية التردد دون توليد حرارة كبيرة. تتفوق عملية "اللحام البارد" هذه مع المكونات الحساسة للحرارة، ولكنها تتطلب تحضيرًا دقيقًا للسطح وخصائص مادية ثابتة لتحقيق روابط موثوقة.

يتطلب اللحام النقطي الناجح ضبطًا دقيقًا للمعايير. تؤثر مستويات الطاقة أو مدة النبضة (عادةً من ١ إلى ١٠ مللي ثانية)، وضغط التلامس، ونظافة السطح، جميعها على مقاومة التوصيل. تحقق التوصيلات القياسية مقاومة تتراوح بين ٠٫١ و٠٫٥ متر أوم، إلا أن الاختلافات في التقنية قد تؤدي إلى توصيلات تتجاوز ٢ متر أوم، مما يؤدي إلى توليد حرارة زائدة وفشل مبكر.

تصميم قضبان التوصيل للأحمال ذات التيار العالي

تُستخدم قضبان التوصيل كموصلات صلبة لتطبيقات الطاقة العالية ضمن مجموعات بطاريات أيونات الليثيوم. كانت هذه القضبان مقتصرة في الأصل على توصيلات الوحدات، لكنها الآن تدعم أنظمة الشحن، ووصلات وحدة التشغيل، وتوزيع الطاقة المساعدة. تتضمن عملية التصميم موازنة سعة التيار، والإدارة الحرارية، واعتبارات الإجهاد الميكانيكي.القضبان

يؤثر اختيار المواد بشكل أساسي على أداء قضبان التوصيل. تتحمل قضبان التوصيل النحاسية درجات حرارة تصل إلى 1,000 درجة مئوية لفترات وجيزة، مما يوفر توصيلًا ممتازًا واستقرارًا حراريًا ممتازًا. أما قضبان التوصيل المصنوعة من الألومنيوم، فتُخفّض وزنها بنسبة 40%، لكنها تتطلب مقاطع عرضية أكبر بنسبة 50% تقريبًا لتتناسب مع قدرة النحاس على تحمل التيار. وتُصبح هذه المقارنة بالغة الأهمية في التطبيقات التي تُعدّ فيها قيود الوزن أمرًا بالغ الأهمية.

تُمثل الإدارة الحرارية تحديًا تصميميًا كبيرًا. توفر قضبان التوصيل الكبيرة والمسطحة مساحة سطحية كبيرة لتبديد الحرارة، مما قد يعمل كعناصر تبريد سلبية أثناء عمليات الشحن السريع. ومع ذلك، يُسبب التمدد الحراري إجهادًا ميكانيكيًا قد يُضعف سلامة التوصيلات بمرور الوقت.

تُعالج تكوينات الانحناء على شكل حرف V المُصممة خصيصًا مشاكل التمدد الحراري من خلال السماح بالانثناء المُتحكم به مع الحفاظ على استمرارية التيار الكهربائي. توفر هذه التصاميم دعمًا صلبًا أثناء التجميع، ولكنها تستوعب الحركة الحرارية أثناء التشغيل، مما يُقلل الضغط على الوصلات المُثبتة بالمسامير.

 والتوجيهاختيار مقياس الأسلاك

يؤثر اختيار حجم الأسلاك بشكل مباشر على كفاءة النظام وهامش الأمان. يُصنّف نظام مقياس الأسلاك الأمريكي (AWG) الموصلات بأرقام أقل، مما يدل على مقاطع عرضية أكبر وسعة تيار أعلى. في تطبيقات البطاريات، يؤدي اختيار حجم الأسلاك غير المناسب إلى انخفاض كبير في الجهد، وتوليد حرارة، واحتمالية نشوب حرائق.

تعتمد سعة حمل التيار على عوامل متعددة تتجاوز حجم السلك. بالنسبة لتوصيلات شرائح النيكل، يتحمل شريط بسمك 0.15 مم تيارًا كهربائيًا يبلغ حوالي أمبير واحد لكل مليمتر من العرض في الظروف القياسية. ومع ذلك، تؤثر درجة الحرارة المحيطة، وتأثيرات التجميع، وطريقة التركيب بشكل كبير على هذه القيم.

تؤثر قرارات توجيه الأسلاك على الأداء والموثوقية. يُقلل تقليل طول السلك من المقاومة وانخفاض الجهد، إلا أن الانحناءات الحادة تُنشئ نقاط تركيز إجهاد قد تؤدي إلى تلف الموصل مع مرور الوقت. عادةً ما تستخدم تطبيقات التيار العالي موصلات نحاسية يتراوح سمكها بين 0.5 و2.5 مم.

تتطلب عملية الاختيار مراعاة متطلبات التيار المستمر، وظروف الحمل الأقصى، وطول مسار السلك، والعوامل البيئية. تتطلب الأسلاك المجمعة أو التركيبات عالية الحرارة عوامل خفض تصنيف، مما قد يستلزم استخدام موصلات بأحجام أكبر مما تشير إليه الحسابات الأولية.

يؤثر تصميم نظام التوصيل بشكل كبير على الأداء العام لحزمة البطاريات وسلامتها. يضمن التنفيذ السليم توفير طاقة فعّالة طوال عمر النظام التشغيلي، بينما قد يُعرّض التصميم غير المناسب حتى أحدث تقنيات البطاريات للخطر.

اختيار السكن والسياج المناسبين

يُحدد تصميم الغلاف الحماية المادية والأداء البيئي لبطاريات أيونات الليثيوم. ويؤثر اختيار الغلاف بشكل مباشر على الإدارة الحرارية، والمتانة الميكانيكية، والامتثال للوائح التنظيمية في مختلف ظروف التشغيل.

العبوات البلاستيكية مقابل العبوات المعدنية

توفر العبوات البلاستيكية مزايا محددة لتطبيقات حزمة بطارية أيون الليثيوم:

• تحسين الوزن – تعمل العلب البلاستيكية على تقليل الوزن الإجمالي للنظام بنسبة 40-60% مقارنة بالتصميمات المعدنية المكافئة، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات المحمولة
• العزل الكهربائي - تعمل خصائص العزل المتأصلة على التخلص من مخاطر حدوث ماس كهربائي دون الحاجة إلى مواد حاجزة إضافية
• مقاومة المواد الكيميائية - أداء ممتاز في البيئات المسببة للتآكل مع مستويات الرقم الهيدروجيني من 2 إلى 12
• كفاءة التصنيع - يتيح حقن القوالب الحصول على أشكال هندسية معقدة ذات ميزات متكاملة بتكاليف أدوات أقل
• مرونة التصميم - الأشكال المخصصة تتكيف مع قيود المساحة مع دمج نقاط التثبيت وقنوات التبريد وواجهات الموصل

توفر العبوات المعدنية خصائص أداء تكميلية:

• السلامة الهيكلية - توفر أغلفة الألومنيوم قوة شد تصل إلى 310 ميجا باسكال، وهو أمر ضروري للتطبيقات عالية الاهتزاز
• الموصلية الحرارية- معدلات تبديد الحرارة أعلى بمقدار 200-400 مرة من المواد البلاستيكية أثناء دورات الشحن/التفريغ
• مقاومة الحرائق - تحافظ الخصائص غير القابلة للاشتعال على سلامة الهيكل أثناء الأحداث الحرارية
• المتانة البيئية - عمر خدمة ممتد في نطاقات درجات الحرارة من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية

يُعد الألومنيوم الخيار الأمثل للمعادن، إذ يوفر وزنًا أقل بنسبة 30-50% مقارنةً بالفولاذ، مع الحفاظ على خصائص ميكانيكية مماثلة. وتستفيد التطبيقات التي تتطلب أقصى قدر من المتانة مع أوزان أقل.

غلاف الانكماش الحراري مقابل الغلاف الصلب

يوفر غلاف الحماية الانكماشي الحل الأمثل والأكثر اقتصادًا للتطبيقات التي تبقى فيها حزمة البطارية مغلقة تمامًا داخل المنتج النهائي. تُشكل المواد القابلة للانكماش الحراري طبقة واقية ملائمة مع الحد الأدنى من متطلبات الوزن والمساحة.

توفر أنظمة التغليف الصلبة حمايةً مُعززةً من خلال مكونات مصبوبة بدقة. تستخدم هذه التصاميم طرق تجميع متعددة:

• اللحام بالموجات فوق الصوتية للأختام المحكمة الدائمة
• مثبتات ميكانيكية تتيح إمكانية الخدمة الميدانية
• المواد اللاصقة الهيكلية لمقاومة الاهتزاز

تُلبي العلب الصلبة متطلبات وظيفية إضافية، بما في ذلك ميزات التحكم الحراري، وواجهات التركيب، وأغطية الموصلات. يجب أن تُراعي اعتبارات التصميم تمدد الخلايا، حيث تُعاني بعض خلايا الليثيوم الجيبة من هذا التمدد طوال عمرها التشغيلي.ما يصل إلى 10٪ من التغييرات الأبعادية

تصنيفات حماية الدخول (IP) للاستخدام الخارجي

تُحدد مواصفات تصنيف IP مستويات الحماية باستخدام نظام تصنيف موحد من رقمين. يشير الرقم الأول (0-6) إلى حماية الجسيمات الصلبة من عدم وجود حماية (0) إلى إحكام غلق الغبار (6). ويحدد الرقم الثاني (0-8) حماية دخول السوائل من عدم وجود حماية (0) إلى الغمر المستمر لعمق يتجاوز متراً واحداً.

تتطلب تطبيقات البطاريات الخارجية الحد الأدنى من الحماية، مما يوفر عزلًا كاملاً للغبار ومقاومة لنفثات الماء بقطر فوهة 6.3 مم من أي اتجاه. تستخدم التطبيقات المعرضة للغمر علبًا حاصلة على تصنيف IP67، وهي معتمدة للغمر حتى عمق متر واحد لمدة 1 دقيقة.مستويات الحماية IP65

تُحدد التطبيقات البحرية والبيئات القاسية تصنيفات IP67 أو IP68 لضمان أقصى حماية من دخول الجسيمات والسوائل. تتضمن هذه التصاميم حشوات دقيقة، وأختامًا دائرية، للحفاظ على العزل البيئي ومنع تراكم الضغط الداخلي أثناء دورات درجة الحرارة.صمامات معادلة الضغط

تكامل ميزات السلامة

تُعدّ أنظمة حماية السلامة من العناصر الأساسية في تصميم بطاريات أيونات الليثيوم. تمنع طبقات الحماية المتعددة الأعطال الكارثية وتضمن تشغيلًا موثوقًا به طوال عمر البطارية.

مكونات الحماية الحرارية

تعمل أجهزة معامل درجة الحرارة الإيجابي (PTC) كعناصر حماية قابلة لإعادة الضبط، تزيد مقاومتها تلقائيًا عندما تتجاوز درجات الحرارة حدود التشغيل الآمنة. توفر هذه المكونات تحكمًا فعالًا في التيار الكهربائي أثناء الظواهر الحرارية دون الحاجة إلى استبدالها بعد التنشيط. تزداد مقاومة مواد معامل درجة الحرارة الإيجابي عند حوالي 100 درجة مئوية، مما يقلل من مخاطر ارتفاع درجة الحرارة واحتمالية الانفجار بنسبة 53%.

توفر الصمامات الحرارية أحادية الاستخدام حماية ثانوية من خلال تشغيل موثوق وقابل للتنبؤ. تُظهر الاختبارات المعملية أن الصمام الحراري المصنف بجهد 2 أمبير ينفتح باستمرار خلال 5-10 مللي ثانية عند تعرضه لظروف حمل زائد بنسبة 150%. يُنشئ الجمع بين أجهزة PTC والصمامات الحرارية نظام حماية من مستويين، حيث تتعامل مكونات PTC مع الأحداث الحرارية المؤقتة، بينما توفر الصمامات الحرارية الحماية النهائية في الظروف القاسية.

أنظمة إدارة الضغط

صمامات تخفيف الضغط تُعدّ عناصر أمان أساسية تمنع تمزق الغلاف أثناء حالات التسرب الحراري. تُفعّل هذه الصمامات عندما يتجاوز الضغط الداخلي الحدود المحددة مسبقًا، مما يُطلق الضغط الزائد ويُقلل من مخاطر الانفجار.

غالبًا ما تتضمن تصميمات التهوية التقليدية صمامات تخفيف ضغط صغيرة متعددة في جميع أنحاء حزمة البطارية. قد تُظهر هذه التكوينات خصائص تدفق غير متسقة وضغوط تنشيط غير دقيقة. تتيح تصميمات صمامات التهوية عالية التدفق الحديثة إخلاءً سريعًا للغاز في ظروف التسرب الحراري، مع الحفاظ على استقرار النظام في ظروف التشغيل العادية.

دوائر الحماية الكهربائية

تمنع حماية عكس القطبية التلف الناتج عن التركيب الخاطئ للبطارية من خلال تصميم دائرة بسيط وفعال. يمثل الصمام الثنائي التسلسلي أبسط تطبيق، حيث يوصل التيار أثناء التشغيل العادي ويمنع تدفق التيار العكسي.

تُحسّن الدوائر أداءها مقارنةً بتطبيقات الثنائيات الأساسية. تُفعّل ترانزستورات NMOS في مسار عودة البطارية بجهد أعلى من 10 فولت (5 فولت للأجهزة المنطقية) مع حجب التيار أثناء التوصيل العكسي. تُوفّر ترانزستورات PMOS حمايةً من الجانب العالي دون الحاجة إلى دوائر إضافية لمحرك البوابة، مع أنها عادةً ما تُبدي خصائص مقاومة تشغيل أعلى.الحماية القائمة على MOSFET

تتكامل أنظمة الحماية هذه مع نظام إدارة البطارية لإنشاء بنية أمان شاملة لتطبيقات مجموعة بطاريات أيون الليثيوم.

اختبار حزمة البطارية والتحقق من صحتها

تضمن إجراءات التحقق استيفاء بطاريات أيون الليثيوم لمواصفات الأداء ومتطلبات السلامة بعد التجميع. ويحدد الاختبار الشامل العيوب المحتملة قبل الاستخدام، ويتحقق من توافقها مع معايير التصميم.

اختبار الجهد والسعة

يوفر قياس جهد الدائرة المفتوحة (OCV) التقييم الأولي لحالة حزمة البطارية. يُجرى هذا الاختبار دون تدفق تيار، مما يكشف عن حالة شحن البطارية وخصائص توازن الخلايا الفردية. تؤكد قياسات الجهد عبر الخلايا الفردية التوازن السليم داخل الحزمة. تتطلب التكوينات متعددة الخلايا التحقق من عدم تجاوز أي خلية لحدود الشحن الآمن، مما يمنع انخفاض السعة والشيخوخة المبكرة.

يتضمن التحقق من السعة اختبار تفريغ مُتحكم به بمعدلات تيار مُحددة (معدل C) حتى الوصول إلى جهد القطع. تُعطي سعة التفريغ، المحسوبة كحاصل ضرب التيار في الزمن، تصنيف الأمبير/الساعة الفعلي (Ah). تكشف المقارنة بين مواصفات السعة المقاسة والمُقدرة عن عيوب تصنيع أو مشاكل في التجميع قد تؤثر على الأداء على المدى الطويل.

التصوير الحراري لاكتشاف النقاط الساخنة

ترصد أنظمة الرصد الحراري بالأشعة تحت الحمراء تغيرات درجات الحرارة عبر خلايا البطاريات أثناء التشغيل. تحدد هذه الأنظمة غير التلامسية ارتفاعات درجات الحرارة التي تسبق حالات التسرب الحراري، مما يتيح التدخل الوقائي من خلال التبريد أو عزل الخلايا. يبدأ التسرب الحراري عادةً عند درجات حرارة تتراوح بين 70 و100 درجة مئوية (158-212 درجة فهرنهايت)، مما يجعل الكشف المبكر أمرًا بالغ الأهمية للسلامة. تتضمن معدات التصوير الحراري الحديثة كشفًا تلقائيًا للنقاط الساخنة مع إمكانية التنبيه للاستجابة الفورية لتغيرات درجة الحرارة.

إجراءات اختبار دورة الحياة والحمل

يحدد اختبار دورة حياة البطارية عدد دورات الشحن والتفريغ التي يمكن لمجموعة البطارية تحملها مع الحفاظ على مستويات أداء محددة. يُرسي معيار SAE J2288 بروتوكولات اختبار لتقييم توقعات عمر الخدمة في التطبيقات العملية. تشمل معايير الاختبار قياسات الجهد والتيار ودرجة الحرارة والسعة والمقاومة الداخلية طوال دورة البطارية.

الهدف هو تحديد حدود دورة حياة البطارية بناءً على أنماط تدهور السعة وتحديد آلية العطل. تُعرّف معايير الصناعة عادةً نهاية العمر الافتراضي بنسبة 80% من السعة الأصلية، والتي تحدث بعد 300-500 دورة لمعظم بطاريات أيونات الليثيوم. تدعم هذه البيانات حسابات الضمان وتساعد في التنبؤ بجداول استبدال أنظمة البطاريات المستخدمة.

الشهادات والامتثال للنقل

تشترط لوائح النقل الامتثال قبل السماح بشحن بطاريات أيون الليثيوم قانونيًا. وتحدد الأطر التنظيمية التي وضعتها الهيئات الدولية متطلبات اختبار وتوثيق محددة يجب على المصنّعين استيفاؤها.

متطلبات اختبار UN 38.3

يجب أن تجتاز بطاريات الليثيوم بروتوكولات اختبار UN 38.3 قبل النقل. يحدد هذا المعيار ثمانية إجراءات اختبار تُحاكي ظروف النقل القاسية:

• T1: محاكاة الارتفاع (ضغط 50,000 قدم)
• T2: اختبار حراري (دورة من -40 درجة مئوية إلى 72 درجة مئوية)
• T3: الاهتزاز (1-2 جرام لمدة 3 ساعات لكل محور)
• T4: صدمة (نبضات 34.6 جرام)
• T5: ماس كهربائي خارجي (حالة 57 درجة مئوية)
• T6: التأثير (كتلة 9.1 كجم من مسافة 61 سم)
• T7: الشحن الزائد (ضعف التيار الموصى به)
• T8: التفريغ القسري (اتصال 12 فولت)

تعد نشرة الأمم المتحدة "التوصيات بشأن اللوائح النموذجية لنقل البضائع الخطرة" ونظيرتها "التوصيات بشأن دليل الاختبارات والمعايير لنقل البضائع الخطرة" بمثابة السلطة المعترف بها دوليًا لبروتوكولات الاختبار والتعبئة والشحن.

قواعد النقل الجوي FAA وIATA

تُصنّف بطاريات الليثيوم ضمن الفئة 9 من البضائع الخطرة بموجب لوائح الشحن الدولية. يجب أن تحافظ بطاريات أيونات الليثيوم المُشحنة كبضائع مستقلة على مستوى شحن يبلغ 30% أو أقل للنقل الجوي. تُحظر قيود طائرات الركاب نقل خلايا أيونات الليثيوم وبطارياتها كبضائع.

تخضع الشحنات الجوية الدولية للوائح الفنية الصادرة عن منظمة الطيران المدني الدولي (إيكاو) ولوائح البضائع الخطرة الصادرة عن الاتحاد الدولي للنقل الجوي (إياتا). وتُحدَّث هذه اللوائح سنويًا لتلبية متطلبات السلامة المتطورة.

وضع العلامات والتوثيق للشحن

تتطلب وثائق الشحن المناسبة بروتوكولات وضع علامات محددة:

• ملصق تعريف بطارية الليثيوم من الفئة 9
• رقم تعريف الأمم المتحدة واسم الشحن الصحيح
• علامة "بطاريات أيون الليثيوم - ممنوعة على متن طائرات الركاب"

يجب أن يكون ملخص اختبار بطارية الليثيوم متاحًا في جميع أنحاء سلسلة التوريد اعتبارًا من يناير 2022. ويضمن هذا المطلب التوثيقي أن جميع الأطراف التي تتعامل مع البطاريات لديها إمكانية الوصول إلى معلومات السلامة والامتثال ذات الصلة أثناء النقل.

يجب على مصنعي البطاريات أيضًا مراعاة أن بعض الشركات تفتقر إلى الموارد اللازمة لشحن بطاريات الليثيوم، إذ تشترط اللوائح أن يكون جميع المسؤولين عن الشحن حاصلين على شهادات معتمدة من جهات معتمدة. ويمكن لخدمات إدارة الشهادات الاحترافية إدارة عمليات التجديد السنوية، وضمان استيفاء المنتجات للمتطلبات المتطورة، وتقليل المسؤولية من خلال وضع العلامات والتغليف المناسبين، والالتزام بشروط الشحن.

الخاتمة

يتطلب بناء بطاريات أيون الليثيوم منهجية هندسية شاملة في مختلف التخصصات الكهربائية والميكانيكية والسلامة. وتتطلب عملية التصميم تقييمًا دقيقًا للتوازنات التقنية في كل مرحلة، بدءًا من اختيار الخلية الأولية وحتى الامتثال النهائي للاعتماد.

يُحدد اختيار شكل الخلية معايير الأداء الأساسية لنظام البطارية. لكل شكل - أسطواني، أو منشوري، أو كيسي - مزايا هندسية وقيود مميزة يجب أن تتوافق مع متطلبات التطبيق المحددة. تتطلب عملية الاختيار موازنة كثافة الطاقة، وكفاءة التعبئة، وقدرات الإدارة الحرارية، واعتبارات تكلفة التصنيع.

تُحدد التكوينات التسلسلية والمتوازية الخصائص الكهربائية لنظام البطارية النهائي. تؤثر هذه الترتيبات بشكل مباشر على خرج الجهد، وتصنيف السعة، وقدرة معالجة التيار. تُصبح موازنة الخلايا أمرًا بالغ الأهمية في التكوينات التسلسلية، حيث قد تُؤثر اختلافات الخلايا الفردية على الأداء العام للنظام وتُشكل مخاطر على السلامة.

توفر أنظمة إدارة البطاريات وظائف مراقبة وتحكم أساسية لضمان التشغيل الآمن. يجب أن تُراعي بنية نظام إدارة البطاريات (BMS) متطلبات الحماية من الشحن الزائد، والإدارة الحرارية، وموازنة الخلايا، والاتصالات. ويتناسب تعقيد تصميم نظام إدارة البطاريات (BMS) مع عدد الخلايا ومتطلبات الحماية الخاصة بكل تطبيق.

يؤثر تصميم الربط الكهربائي على كفاءة النظام، والأداء الحراري، وموثوقيته. تؤثر تقنيات اللحام، وحجم الموصلات، وطرق التوصيل بشكل مباشر على قدرات توصيل الطاقة وخصائص توليد الحرارة. قد تُؤدي التوصيلات الكهربائية الضعيفة إلى نقاط مقاومة تُؤثر سلبًا على الأداء والسلامة.

يوفر تصميم الغلاف حماية ميكانيكية مع مراعاة متطلبات الإدارة الحرارية. يجب أن يُراعي اختيار المواد وطرق الغلق وتصميم الواجهة الحرارية بيئة التشغيل وقيود الوزن وأهداف تكلفة التصنيع. تُضيف متطلبات تصنيف IP تعقيدًا وتكلفةً يجب تقييمهما مقارنةً بظروف التعرض البيئي الفعلية.

يُمثل تكامل دوائر السلامة جانبًا أساسيًا في تصميم بطاريات أيونات الليثيوم. تعمل أجهزة الحماية، وأنظمة تخفيف الضغط، ودوائر كشف الأعطال معًا لمنع حالات التسرب الحراري. تُحدد موثوقية أنظمة السلامة هذه مستوى المخاطر الإجمالي لحزمة البطارية.

تؤكد إجراءات الاختبار والتحقق أن حزمة البطارية المُجمّعة تُلبي مواصفات التصميم ومتطلبات السلامة. تُوفر الاختبارات الكهربائية والتحليل الحراري وتقييم دورة الحياة البيانات اللازمة للتنبؤ بالأداء وتحديد الضمان.

تفرض لوائح النقل متطلبات إلزامية تؤثر على خيارات التصميم وعمليات التصنيع. يجب مراعاة متطلبات UN 38.3 في الاختبار والتوثيق وقيود الشحن خلال مرحلة التصميم الأولية لتجنب تكاليف إعادة التصميم.

للقرارات الهندسية المتخذة أثناء تطوير حزم البطاريات آثار طويلة المدى على أداء المنتج وسلامته وقبوله في السوق. ويُمكّن التطبيق السليم لهذه المبادئ التقنية من إنشاء أنظمة بطاريات تلبي متطلبات أداء محددة مع الحفاظ على مستويات مخاطر مقبولة طوال عمرها التشغيلي.

الوجبات السريعة الرئيسية

يتطلب بناء بطاريات أيونات الليثيوم هندسةً منهجيةً شاملةً في مختلف التخصصات، بدءًا من اختيار الخلايا ووصولًا إلى الامتثال لمعايير السلامة. إليك أهم المعلومات التي يحتاج كل مهندس إلى إتقانها:

• يساهم اختيار تنسيق الخلية في تحسين أداء العبوة: توفر الخلايا الأسطوانية أعلى كثافة للطاقة (248 أمبير/ساعة/كجم)، بينما توفر الخلايا المنشورية كفاءة مساحة بنسبة 90-95% وتوفر الخلايا الجيبية 40% من الوزن.
• تزيد التوصيلات المتسلسلة من الجهد، وتعمل التوصيلات المتوازية على تعزيز السعة: يعد التوازن السليم للخلايا أمرًا بالغ الأهمية - حيث يؤدي عدم تطابق الخلايا بنسبة 5% فقط إلى 5% من السعة غير القابلة للاستخدام في العبوة النهائية.
• تمنع أنظمة إدارة البطارية حدوث أعطال كارثية: تنفيذ حماية متعددة المستويات مع مراقبة الشحن الزائد/التفريغ الزائد، وموازنة الخلايا النشطة، وبروتوكولات الاتصال مثل CAN أو SMBus.
• تحدد التوصيلات الكهربائية الكفاءة والسلامة: استخدم اللحام النقطي لشرائط النيكل، وصمم قضبان التوصيل للأحمال الحالية العالية، واختر مقياس الأسلاك المناسب لتقليل المقاومة وتوليد الحرارة.
• ميزات السلامة غير قابلة للتفاوض: دمج أجهزة PTC، والصمامات الحرارية، وصمامات تخفيف الضغط، وحماية الدائرة القصيرة لمنع الهروب الحراري والانفجارات.
• يتحقق الاختبار من سلامة التصميم: قم بإجراء اختبار الجهد/السعة، والتصوير الحراري لاكتشاف النقاط الساخنة، واختبار دورة الحياة لضمان الأداء الموثوق به طوال عمر البطارية.

يؤدي الجمع بين ممارسات الهندسة المناسبة وبروتوكولات السلامة والامتثال التنظيمي إلى إنشاء مجموعات بطاريات توفر الأداء الأمثل مع الحفاظ على أعلى معايير السلامة لأي تطبيق.

الأسئلة الشائعة

س١. ما هي المكونات الرئيسية اللازمة لبناء حزمة بطارية ليثيوم أيون؟ تشمل المكونات الرئيسية خلايا ليثيوم أيون (أسطوانية، أو منشورية، أو كيسية)، ونظام إدارة البطارية (BMS)، وشرائط النيكل للتوصيلات، وقضبان التوصيل لأحمال التيار العالي، والأسلاك، والغلاف، وميزات السلامة المتنوعة مثل الصمامات الحرارية وصمامات تخفيف الضغط.

س٢. كيف يؤثر التوصيل المتسلسل والمتوازي على أداء حزمة البطاريات؟ تزيد التوصيلات التسلسلية الجهد مع الحفاظ على السعة، بينما تزيد التوصيلات المتوازية السعة مع الحفاظ على الجهد. يمكن استخدام مزيج من الاثنين لتحقيق أهداف الجهد والسعة المطلوبة لتطبيقات محددة.

س٣. لماذا يُعد نظام إدارة البطارية (BMS) ضروريًا لبطاريات أيونات الليثيوم؟ يُعد نظام إدارة البطارية (BMS) ضروريًا لمراقبة وضبط معايير مهمة، مثل جهد الخلية ودرجة حرارتها وتيارها. يوفر حماية من الشحن الزائد والتفريغ الزائد، ويوازن الخلايا، ويتواصل مع الأنظمة الخارجية، مما يضمن سلامة البطارية وأدائها الأمثل.

س٤. ما هي ميزات السلامة التي يجب دمجها في بطارية ليثيوم أيون؟ تشمل ميزات السلامة المهمة الصمامات الحرارية، وأجهزة التحكم الإيجابي بالتيار (PTC)، وصمامات تخفيف الضغط، وأنظمة التهوية، والحماية من قصر الدائرة، والحماية من عكس القطبية. تعمل هذه المكونات معًا لمنع الأعطال الكارثية وضمان تشغيل موثوق طوال عمر البطارية.

س٥. ما هي إجراءات الاختبار اللازمة للتحقق من صحة بطارية ليثيوم أيون حديثة الصنع؟ تشمل إجراءات الاختبار الرئيسية اختبار الجهد والسعة للتحقق من الأداء، والتصوير الحراري للكشف عن نقاط الضعف، واختبار دورة الحياة لمحاكاة الاستخدام الفعلي. بالإضافة إلى ذلك، تُعد اختبارات الامتثال، مثل معيار UN 5، أساسيةً للحصول على شهادة سلامة النقل.