فهم اختلالات خلايا بطارية الليثيوم والوقاية منها

يحدث اختلال توازن خلايا بطارية الليثيوم عندما تختلف حالات الشحن أو السعة أو الجهد في كل خلية من خلايا حزمة البطارية. قد يؤثر هذا التفاوت سلبًا على الأداء العام للبطارية وسلامتها. على سبيل المثال:

• تؤدي الاختلافات في السعة والمقاومة إلى إنشاء تيارات خلوية غير متساوية، مما يؤدي إلى توليد تدرجات في الحرارة ودرجة الحرارة.

• تكشف الدراسات أن الخلايا من نفس دفعة الإنتاج تظهر تباينًا كبيرًا في القدرة بعد 800 إلى 1000 دورة، مما يسلط الضوء على مخاطر اختلال التوازن على المدى الطويل.

تتدهور البطاريات غير المتوازنة بشكل أسرع وقد تتعطل قبل أوانها. معالجة هذه المشكلات تضمن عمرًا أطول لبطاريات الليثيوم وتقلل من مخاطر مثل الانفلات الحراري. يحافظ التوازن السليم للخلايا على ثبات الفولتية، مما يمنع البطاريات غير المتوازنة من تعريض موثوقيتها للخطر.

الوجبات السريعة الرئيسية

• قد يؤدي عدم تساوي خلايا بطاريات الليثيوم إلى انخفاض أدائها وتسببها في مخاطر. فحصها والعناية بها يضمنان في كثير من الأحيان عملها بكفاءة.

• يُعد استخدام نظام إدارة البطارية (BMS) أمرًا بالغ الأهمية. فهو يُوازن توزيع الخلايا، ويمنع الشحن الزائد، ويُوزّع الطاقة بشكل أفضل لبطارية تدوم طويلًا.

• اشحن البطاريات بالطريقة الصحيحة لمنع تفاوت الخلايا. استخدم شواحن مزودة بنظام إدارة البطارية (BMS) واتبع قواعد الشحن لتحسين أداء البطاريات.

الجزء 1: أسباب عدم توازن خلايا بطارية الليثيوم

1.1 الاختلافات في التصنيع والمقاومة الداخلية

تعد التناقضات في التصنيع أحد الأسباب الرئيسية لاختلال توازن الخلايا في حزم بطارية ليثيوم أيونحتى مع تقنيات الإنتاج المتقدمة، تحدث اختلافات طفيفة في سعة الخلية ومقاومتها الداخلية وخواصها الكهروكيميائية. قد تبدو هذه الاختلافات ضئيلة في البداية، لكنها قد تؤدي إلى تفاوتات كبيرة في الأداء مع مرور الوقت.

تُسلِّط دراسة الضوء على أنَّ اختلافات خلايا بطاريات الليثيوم تتأثر بتفاوتات التصنيع، ومراقبة الجودة، وعوامل بيئية مثل تدرجات درجات الحرارة. كما تُشير إلى أنَّ عدم التجانس في الخصائص الكهروكيميائية قد يُؤدِّي إلى مشاكل كبيرة في الأداء، حيث أظهرت نتائج مُحدَّدة اختلافات نسبية بنسبة 0.28% في سعة الخلية و0.72% في المعاوقة عبر الخلايا المُختَبَرة.

يوضح الجدول أدناه أهم النتائج المتعلقة باختلافات التصنيع وتأثيرها على توازن الخلايا:

هذه الاختلافات تجعل فحص المقاومة الداخلية أثناء الإنتاج والتجميع أمرًا ضروريًا. معالجة هذه التناقضات مبكرًا تساعد في موازنة البطاريات في التكوينات المتوازية، وتمنع مشاكل موازنة البطاريات على المدى الطويل.

1.2 تدرجات درجات الحرارة وتوزيع الحرارة غير المتساوي

تلعب درجة الحرارة دورًا حاسمًا في الحفاظ على توازن الخلايا. يؤدي التوزيع غير المتساوي للحرارة داخل حزمة البطارية إلى تدرجات في درجات الحرارة، مما يؤثر على التفاعلات الكهروكيميائية في كل خلية على حدة. تتدهور الخلايا المعرضة لدرجات حرارة أعلى بشكل أسرع، مما يؤدي إلى اختلال في السعة والجهد.

تُفاقم التدرجات الحرارية أيضًا فروق المقاومة الداخلية، مما يُجبر بعض الخلايا على العمل بجهد أكبر من غيرها. يُسرّع هذا العبء غير المتساوي من تدهور البطارية ويزيد من خطر التسرب الحراري. تُعد الإدارة الحرارية السليمة، مثل استخدام أنظمة التبريد أو ضمان توزيع الحرارة بالتساوي، أمرًا بالغ الأهمية لتجنب التناقضات المتوازية والحفاظ على توازن الخلايا.

1.3 شيخوخة الخلايا وتدهورها بمرور الوقت

مع تقدم عمر بطاريات أيون الليثيوم، تتدهور خلاياها بمعدلات مختلفة. وينتج هذا التدهور عن عوامل مختلفة، منها ظروف الدورة، والتعرض لدرجات الحرارة، وأنماط الاستخدام. ومع مرور الوقت، تُسبب هذه الاختلافات اختلالات في السعة، والجهد، والمقاومة الداخلية.

لمنع فقدان السعة القابلة للاستخدام، يُنصح بقياس جهد الخلايا بانتظام ومراقبة علامات الشيخوخة. يُساعد تطبيق نظام إدارة بطاريات (BMS) قوي على تخفيف آثار الشيخوخة والتلف من خلال ضمان توازن الخلايا باستمرار طوال عمر البطارية.

تجنب دورات الشحن العالية، وتأكد من وجود فترة راحة كافية بين دورات الشحن والتفريغ لتقليل آثار الاستقطاب. ستساعد هذه الإجراءات في الحفاظ على توازن الخلايا وإطالة عمر البطارية.

الجزء الثاني: إصلاح اختلالات خلايا بطارية الليثيوم

2.1 الأسباب الشائعة لعدم التوازن وقابلية الإصلاح

ينشأ اختلال التوازن في مجموعات البطاريات من عوامل مثل الشيخوخة غير المتساوية للخلايا، أو الاختلافات في التفريغ الذاتي، أو أنظمة الموازنة الخاطئة، أو عدم اتساق درجات الحرارة.

• اختلال بسيط في التوازن (اختلافات الجهد الصغيرة، على سبيل المثال، <0.1 فولت لخلايا الليثيوم):

  للإصلاح:يمكن حل هذه المشكلة في كثير من الأحيان من خلال وظيفة موازنة نظام إدارة البطارية (BMS) أو تعديلات الشحن/التفريغ اليدوية.

  لا حاجة للتخلص منها:آمن للاستخدام المستمر بعد الصيانة الروتينية.

• اختلال التوازن المعتدل (اختلافات الجهد الأكبر، على سبيل المثال، 0.2–0.5 فولت لخلايا الليثيوم):

  يتطلب التدخل اليدوي:قد يتضمن ذلك استبدال الخلايا القديمة أو استخدام أجهزة موازنة نشطة.

  تعتمد على التكلفة:يستحق الإصلاح إذا كانت التكلفة أقل من 30-50% من سعر حزمة البطارية الجديدة.

• اختلال التوازن الشديد (اختلافات الجهد الشديد أو الخلايا المعيبة):

  تقييم حالة الخلية:

  استبدل الخلايا إذا كانت منتفخة، أو متسربة، أو ذات مقاومة داخلية عالية، أو تدهور في سعتها بنسبة >30%.

  تخلص من العبوة إذا كانت قديمة جدًا (على سبيل المثال، إذا تجاوزت الدورات عمر التصميم).

2.2 متى يمكن الاستمرار في استخدام حزمة البطارية؟

يمكن لمجموعة البطارية التي تعاني من اختلال التوازن في الجهد أن تظل عاملة في ظل الظروف التالية:

• صحة عامة عالية:تحتفظ معظم الخلايا بسعة ومقاومة شبه أصلية، مع وجود مجموعة فرعية صغيرة فقط تتطلب الإصلاح أو الاستبدال (على سبيل المثال، استبدال 20% من الخلايا المتدهورة في مجموعة البطاريات).

• إصلاحات فعالة من حيث التكلفة:إن تكاليف الإصلاح (على سبيل المثال، الموازنة اليدوية، واستبدال الخلايا) أقل بكثير من شراء حزمة جديدة، وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص للأنظمة ذات القيمة العالية مثل تخزين الطاقة الصناعية.

• التطبيقات غير الحرجة:يمكن إعادة استخدام العبوات التي تم إصلاحها في السيناريوهات ذات الطلب المنخفض مثل مصابيح الشوارع التي تعمل بالطاقة الشمسية، أو أنظمة الطاقة الاحتياطية، أو تخزين الطاقة على نطاق صغير، مما يؤدي إلى إطالة عمرها بشكل مستدام مع موازنة الفوائد الاقتصادية والبيئية.
  إن الصيانة المنتظمة وموازنة الجهد الكهربي بشكل استباقي هي المفتاح لتحقيق أقصى قدر من قابلية الاستخدام في هذه الحالات.

2.3 متى يجب إيقاف الحزمة؟

ينبغي إيقاف تشغيل مجموعة البطارية في ظل الظروف التالية:

• مخاطر السلامة:تخلص من الخلايا فورًا إذا أظهرت أي ضرر مادي (مثل التورم أو التسرب أو ارتفاع درجة الحرارة)، لأن هذه تشير إلى مخاطر الحريق أو الانفجار أو التعرض للسموم.

• كفاءة التكلفة ضعيفة:تقاعد إذا تجاوزت تكاليف الإصلاح حوالي 50% من سعر العبوة الجديدة (وهو أمر شائع في بطاريات الرصاص الحمضية منخفضة التكلفة) أو عندما يقدم الاستخدام المستمر قيمة اقتصادية ضئيلة.

• الشيخوخة الشديدة:التقاعد عندما تتدهور معظم الخلايا بشكل كبير (على سبيل المثال، السعة <60% من السعة الأصلية، أو ارتفاعات المقاومة الداخلية، أو عدد الدورات يتجاوز حدود التصميم، مثل بطاريات الليثيوم >1,000 دورة).

• خلل لا يمكن إصلاحه:إذا استمرت فروق الجهد حتى بعد جهود الموازنة، ولم يكن من الممكن استبدال الخلايا الحرجة أو استعادتها.

يجب معالجة العبوات المُستغنى عنها عبر قنوات إعادة تدوير معتمدة لاستعادة المواد (مثل الليثيوم والكوبالت) ومنع الضرر البيئي. أعطِ الأولوية للسلامة و الاستدامة- قم بسحب العبوات عندما تكون المخاطر أو التكاليف أكبر من الفوائد، ولكن اختر دائمًا إعادة التدوير المسؤولة بدلاً من التخلص منها في مكبات النفايات.

الاعتبارات الرئيسية

• تحليل التكاليف والمنافع:قارن تكاليف الإصلاح/إعادة الاستخدام بأسعار العبوات الجديدة.

• السلامة أولا:لا تقم أبدًا بإعادة استخدام الخلايا التي تعاني من تلف مادي (تورم أو تسرب) أو مشكلات حرارية.

• المحافظة على البيئة:إعطاء الأولوية لإعادة التدوير بدلاً من التخلص منها في مكبات النفايات، حتى لو كنت ستتخلص من العبوة.

من خلال اتباع هذه الاستراتيجيات، يمكنك تعظيم كفاءة الموارد وتقليل النفايات وخفض التكاليف مع الحفاظ على الوظائف للتطبيقات غير الحرجة.

الأسئلة الشائعة

1. ما هو دور نظام إدارة البطارية (BMS) في منع اختلال توازن الخلايا؟

يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) الجهد ودرجة الحرارة والتيار. فهو يُوازن الخلايا، ويمنع الشحن الزائد، ويضمن التشغيل الآمن لأداء البطارية الأمثل.

2. هل يمكن أن يحدث خلل في توازن الخلايا في مجموعات بطاريات الليثيوم الجديدة؟

نعم، قد تُسبب اختلافات التصنيع واختلافات المقاومة الداخلية اختلالًا في التوازن حتى في العبوات الجديدة. تُساعد المراقبة المنتظمة على اكتشاف أي اختلال مبكر ومعالجته.

3. كم مرة يجب عليك التحقق من عدم توازن الخلايا في بطاريات الليثيوم؟

يُنصح بفحص البطارية شهريًا أو بعد الاستخدام المكثف. استخدم نظام إدارة البطارية (BMS) أو مقياس الجهد لتحديد التباينات وضمان أداء متوازن.

نصيحة: للحصول على إرشادات احترافية حول التحقق من اختلال توازن الخلايا، تفضل بزيارة Large Power.