المواضيع:
- مقدمة
- مواد ومواصفات البطاريات المختلفة
- بطارية الرصاص الحمضية
- النيكل والكادميوم (Ni-Cd)
- هيدريد معدن النيكل (Ni-MH)
- ليثيوم أيون (ليثيوم أيون)
- مكثف فائق (supercap)
- موازنة خلايا البطارية
مقدمة:
تحتوي السيارة الهجينة أو الكهربائية بالكامل على بطاريات أكبر وأثقل من السيارات التي تحتوي على محرك احتراق فقط. تستخدم السيارات الهجينة جهدًا كهربائيًا عاليًا، مما قد يهدد الحياة إذا تم إجراء الإصلاحات بواسطة أشخاص غير مؤهلين. كمثال:
- يستخدم محرك التشغيل حوالي 1,2 كيلو واط (1200 واط)
- السيارة الهجينة التي تعمل بالكامل بالكهرباء تستهلك حوالي 60 كيلو واط (60.000 ألف واط)
لا يجوز العمل على السيارات الهجينة إلا من قبل الأشخاص الذين خضعوا لتدريب خاص. توجد شبكة داخلية 12 فولت لتزويد الملحقات بالطاقة (مثل الراديو وغيرها) مع بطارية صغيرة خاصة بها، كما توجد شبكة داخلية عالية الجهد تعمل بجهد 400 فولت (حسب العلامة التجارية) ). يتم تحويل الجهد الكهربي 400 فولت إلى 12 فولت بواسطة محول DC/DC خاص وشحن البطارية ذات الصلة.
يتم وضع متطلبات عالية على بطاريات المحرك الهجين. يجب أن تكون كبيرة جدًا سعة التخزين امتلاك. يتم تخزين احتياطيات كبيرة من الطاقة، ويتم سحب فولتيات عالية جدًا عند دعم محرك الاحتراق (الهجين)، أو عند توصيل الطاقة للدفع الكامل (BEV).
الصورة أدناه توضح حزمة بطارية من سيارة تويوتا بريوس. تحتوي بطارية هيدريد معدن النيكل (NiMH) على 28 وحدة، تتكون كل منها من 6 خلايا. كل خلية لديها جهد 1,2 فولت. يبلغ الجهد الإجمالي لحزمة البطارية هذه 201,6 فولت.
مواد ومواصفات الأنواع المختلفة للبطاريات:
عند تطوير نظام نقل الحركة الكهربائي، يتم الاختيار بين أنواع مختلفة من البطاريات. تلعب الخصائص والأداء وخيارات البناء والتكاليف دورًا رئيسيًا. أنواع البطاريات الأكثر استخدامًا في السيارات الهجينة والكهربائية بالكامل هي بطاريات Ni-MH (هيدريد معدن النيكل) وبطاريات ليثيوم أيون (ليثيوم أيون).
بالإضافة إلى أنواع Ni-MH وLi-ion، هناك تطوير للمكثفات الإلكتروليتية، والتي نضعها تحت اسم “المكثف الفائق”، أو “المكثفات الفائقة”.
ويوضح الجدول المواد المستخدمة في البطاريات المختلفة مع مواصفاتها.
بطارية الرصاص:
يذكر الجدول أيضًا بطارية الرصاص الحمضية (لا يتم أخذ إصدارات الجل وAGM في الاعتبار). نظرًا لأن بطارية الرصاص الحمضية تتمتع بأعلى عمر عند أقصى تفريغ يبلغ 20%، وتعاني من الكبريتات مع تقدمها في السن، ولها كثافة ومحتوى منخفض من الطاقة، فهي غير مناسبة للاستخدام في السيارات الكهربائية. نجد بطارية الرصاص الحمضية كبطارية ملحقة؛ تعمل مستهلكات الجهد المنخفض مثل الإضاءة وأنظمة الراحة (هيكل السيارة) ونظام المعلومات والترفيه بجهد يبلغ حوالي 14 فولت.
النيكل والكادميوم (Ni-Cd):
في الماضي، Ni-Cd تعاني البطاريات من تأثير الذاكرة، وبالتالي فهي غير مناسبة للاستخدام في الدفع الكهربائي: حيث يحدث الشحن والتفريغ الجزئي بشكل مستمر. لم تعد بطاريات Ni-Cd الحديثة تتأثر فعليًا بتأثير الذاكرة. أكبر عيب لهذا النوع من البطاريات هو وجود مادة الكادميوم السامة. وهذا يجعل بطارية Ni-Cd غير صديقة للبيئة على الإطلاق. ولذلك فإن استخدام هذه البطارية محظور قانونًا.
هيدريد معدن النيكل (Ni-MH):
يمكن شحن بطارية Ni-MH بشكل أسرع من بطارية الرصاص الحمضية. أثناء الشحن، يتم إنشاء كل من الحرارة والغاز، والتي يجب إزالتها. البطاريات مجهزة بنظام تبريد وصمام تنفيس. بفضل عمرها الطويل وطاقتها العالية وكثافة الطاقة، تعد بطارية Ni-MH مناسبة للاستخدام في السيارات الكهربائية. ومع ذلك، فإن هذا النوع من البطاريات حساس للشحن الزائد والتفريغ المفرط ودرجات الحرارة المرتفعة والتغيرات السريعة في درجات الحرارة.
توضح الصورة أدناه حزمة بطارية Ni-MH لسيارة Toyota Prius. توجد حزمة البطارية هذه في صندوق السيارة، خلف مسند الظهر في المقعد الخلفي. عندما تسجل مستشعرات درجة الحرارة درجة حرارة عالية، يتم تنشيط مروحة التبريد (يمكن رؤيتها في الصورة على اليمين بواسطة الغلاف الأبيض). تمتص المروحة الهواء من الداخل وتدفعه عبر قنوات الهواء الموجودة في حزمة البطارية لتبريد الخلايا.
ليثيوم أيون (ليثيوم أيون):
نظرًا للطاقة العالية وكثافة الطاقة لبطارية الليثيوم أيون (مقارنة بـ Ni-MH)، تُستخدم عادةً حزمة بطارية ليثيوم أيون في السيارات الهجينة والمركبات الكهربائية بالكامل. تعمل بطارية الليثيوم أيون بشكل جيد في درجات الحرارة المنخفضة ولها عمر طويل. ومن المتوقع أن تتحسن الخصائص في السنوات القادمة بسبب التطوير الإضافي.
في الصورة التالية نرى حزمة بطارية (li-ion) لسيارة BMW i3. تم فك الغطاء وهو خلفه. عند تركيبه، يغلق الغطاء بإحكام.
يتم تثبيت حزمة بطارية i3 أسفل السيارة. تم استغلال المساحة الأرضية بين المحور الأمامي والخلفي قدر الإمكان لتوفير أكبر مساحة ممكنة لحزمة البطارية.
في الصورة نرى الكتل الثمانية المنفصلة التي تحتوي كل منها على اثنتي عشرة خلية. تبلغ قدرة كل كتلة 2,6 كيلووات في الساعة، مما يجعل إجمالي 22 كيلووات في الساعة. للمقارنة: الجيل الحالي i3 (2020) يحتوي على بطارية بسعة 94 آه وقوة 22 كيلو وات في الساعة. ظل حجم حزمة البطارية كما هو منذ طرحها في عام 2013، لكن أدائها (وبالتالي نطاقها) تحسن بشكل كبير.
تستخدم Tesla خلايا بطارية صغيرة في الطرازات بدءًا من عام 2013 فصاعدًا (الطراز S والطراز X) وهي أكبر قليلًا من بطاريات AA القياسية التي نعرفها من جهاز التحكم عن بعد الخاص بالتلفزيون. يبلغ طول خلايا البطارية (18650 من باناسونيك) 65 ملم وقطرها 18 ملم. تحتوي حزم البطاريات الأكثر شمولاً على ما لا يقل عن 7104 من هذه الخلايا.
في الصور أدناه نرى خلايا البطارية الفردية على اليسار وحزمة البطارية التي تحتوي على 7104 خلية على اليمين.
تتكون بطارية الليثيوم أيون من أربعة مكونات رئيسية:
- الكاثود (+) يتكون من سبيكة الليثيوم
- الأنود (-) المكون من الجرافيت أو الكربون
- الفاصل المسامي
- المنحل بالكهرباء
أثناء التفريغ، تتحرك أيونات الليثيوم عبر الإلكتروليت من الأنود (-) إلى الكاثود (+)، إلى المستهلك والعودة إلى الأنود. أثناء الشحن، تتحرك الأيونات في اتجاهين متعاكسين ثم تنتقل من الكاثود (+) إلى الأنود (-).
يحتوي المنحل بالكهرباء على أملاح الليثيوم لنقل الأيونات. يضمن الفاصل إمكانية مرور أيونات الليثيوم، بينما يظل الأنود والكاثود منفصلين.
توجد خلايا البطارية في وحدات متصلة على التوالي. يُظهر الرسم التخطيطي التالي حزمة بطارية لها أوجه تشابه قوية مع تلك الموجودة في سيارة فولكس فاجن E-UP! ورينو زوي. يختلف عدد الخلايا فقط: حزمة بطارية E-UP! يحتوي على 204 خلية وخلايا Renault Zoë 192.
في هذا المثال، تتكون حزمة البطارية من مجموعتين من ست وحدات. تحتوي كل وحدة على مجموعتين من 10 خلايا متصلة بالسلسلة بالتوازي.
- اتصال السلسلة: يزيد جهد البطارية. عند جهد خلية (ليثيوم أيون) يبلغ 3,2 فولت، توفر وحدة بطارية واحدة (3,2 * 10) = 32 فولت.
عيب الاتصال المتسلسل هو أنه مع وجود خلية سيئة تصبح سعة الاتصال المتسلسل بأكمله أقل. - التوصيل الموازي: يبقى الجهد كما هو، لكن التيار والسعة يزدادان. ليس للخلية السيئة أي تأثير على الخلايا الموجودة في الدائرة المتصلة بها على التوازي.
وبالتالي يمكن للمصنعين اختيار استخدام دوائر متوازية متعددة لكل وحدة. في وحدات Volkswagen E-Golf، لا يوجد (اثنتان في هذا المثال)، ولكن ثلاث مجموعات من الخلايا متصلة بالتوازي.
تتمتع خلايا أيون الليثيوم بعمر افتراضي يبلغ حوالي 2000 دورة تفريغ وشحن قبل أن تنخفض سعتها إلى حوالي 80% من سعة الشحن الأولية.
الفولتية لخلية ليثيوم أيون هي كما يلي:
- الجهد المقنن: 3,6 فولت؛
- حد التفريغ: 2,5 فولت؛
- الحد الأقصى لجهد الشحن: 4,2 فولت.
تستخدم معظم أنظمة إدارة البطارية (BMS) حدًا أدنى يبلغ 2,8 فولت. إذا تم تفريغ الخلية بما يتجاوز 2,5 فولت، فسوف تتضرر الخلية. يتم تقصير عمر الخلية. يؤدي الشحن الزائد لخلية الليثيوم أيون أيضًا إلى تقليل عمرها الافتراضي، ولكنه أمر خطير أيضًا. يمكن أن يؤدي الشحن الزائد للخلية إلى اشتعالها. تؤثر درجة حرارة الخلايا أيضًا على عمرها: عند درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية، قد لا تكون الخلايا مشحونة. توفر وظيفة التسخين الحل في هذه الحالة.
مكثف كود فائق (supercap):
تم في الفقرات السابقة ذكر أنواع مختلفة من البطاريات، ولكل منها تطبيقاتها ومزاياها وعيوبها. العيب الذي يواجهه كل من لديه مثل هذه البطارية هو وقت الشحن. يمكن أن يستغرق شحن مجموعة البطارية عدة ساعات. يعد الشحن السريع أحد الخيارات، ولكن هذا يرتبط بمزيد من الحرارة وربما أيضًا شيخوخة أسرع (وتلف) لحزمة البطارية.
يتم حاليًا إجراء الكثير من البحث والتطوير في المكثفات الفائقة. نحن نسميها أيضًا "القبعات الفائقة" أو "المكثفات الفائقة". يمكن أن يوفر استخدام supercaps حلاً لهذا:
- الشحن سريع جدًا؛
- يمكنهم إطلاق الطاقة (التفريغ) بسرعة كبيرة، لذلك من الممكن زيادة كبيرة في الطاقة؛
- أكثر متانة من بطارية ليثيوم أيون بفضل عدد غير محدود من دورات الشحن (مليون دورة على الأقل) لعدم حدوث أي تفاعلات كهروكيميائية؛
- فيما يتعلق جزئيًا بالنقطة السابقة، قد يتم تفريغ الغطاء الفائق بالكامل دون أن يكون لذلك أي عواقب ضارة على عمره الافتراضي.
المكثفات الفائقة هي مكثفات بسعة وكثافة طاقة أعلى بآلاف المرات من المكثفات الإلكتروليتية القياسية. يتم زيادة السعة باستخدام إلكتروليت خاص (مادة عازلة) تحتوي على أيونات وبالتالي يكون لها ثابت عازل عالي جدًا بين الألواح. يتم نقع فاصل (رقاقة رقيقة) في مذيب يحتوي على أيونات ويوضع بين الألواح. عادة ما تكون الألواح مصنوعة من الكربون.
سعة المكثف الموضحة هي 5000 F.
يمكن دمج الأغطية الفائقة مع بطارية ليثيوم أيون ذات الجهد العالي؛ عند التسارع لفترة وجيزة، يمكن استخدام الطاقة من المكثفات بدلاً من الطاقة من البطارية ذات الجهد العالي. مع الكبح المتجدد، يتم شحن المكثفات بالكامل خلال جزء من الثانية. قد تتيح التطورات المستقبلية أيضًا استبدال بطارية الليثيوم أيون بحزمة فائقة السعة. لسوء الحظ، مع التكنولوجيا الحالية، فإن السعة وبالتالي كثافة الطاقة منخفضة جدًا مقارنة ببطارية الليثيوم أيون. يبحث العلماء عن طرق لزيادة السعة وكثافة الطاقة.
موازنة خلايا البطارية:
من خلال موازنة خلايا البطارية السلبية والنشطة، تتم مراقبة كل خلية بواسطة وحدة التحكم الإلكترونية للحفاظ على حالة البطارية الصحية. يؤدي ذلك إلى إطالة عمر الخلايا عن طريق منع التفريغ العميق أو الشحن الزائد. ويجب أن تظل خلايا أيون الليثيوم على وجه الخصوص ضمن حدود صارمة. يتناسب جهد الخلايا مع حالة الشحنة. يجب أن تظل شحنات الخلايا متوازنة مع بعضها البعض قدر الإمكان. من خلال موازنة الخلايا، من الممكن التحكم بدقة في حالة الشحن في حدود 1 مللي فولت (0,001 فولت).
- يضمن التوازن السلبي توازنًا في حالة الشحن لجميع خلايا البطارية عن طريق التفريغ الجزئي للخلايا ذات حالة الشحن العالية جدًا (سنعود إلى هذا لاحقًا في هذا القسم)؛
- يعد التوازن النشط تقنية موازنة أكثر تعقيدًا يمكنها التحكم في الخلايا بشكل فردي أثناء الشحن والتفريغ. وقت الشحن مع التوازن النشط أقصر من التوازن السلبي.
في الصورة التالية نرى وحدة بطارية تحتوي على ثماني خلايا.
يتم شحن الخلايا الثماني بنسبة 90%. يقل عمر الخلية إذا تم شحنها بشكل مستمر إلى 100%. وعلى العكس من ذلك، ينخفض العمر أيضًا إذا تم تفريغ البطارية بما يتجاوز 30%: في حالة الشحن <30%، يتم تفريغ الخلية بعمق.
وبالتالي فإن حالة شحن الخلايا ستكون دائمًا بين 30% و90%. تتم مراقبة ذلك بواسطة الأجهزة الإلكترونية، لكن لا يراها سائق السيارة.
تشير الشاشة الرقمية في لوحة القيادة إلى 0% أو 100% عند الوصول إلى 30% أو 90%.
بسبب الشيخوخة، يمكن أن تصبح بعض الخلايا أضعف من غيرها. وهذا له تأثير كبير على حالة شحن وحدة البطارية. في الصورتين التاليتين، نرى حالة الشحن عندما تكون سعة خليتين أقل بسبب العمر. خلايا البطارية غير متوازنة في هذه المواقف.
- تفريغ أسرع بسبب الخلايا السيئة: يتم تفريغ الخليتين الأوسطتين بشكل أسرع بسبب سعتهما المنخفضة. ولمنع التفريغ العميق، لم تعد الخلايا الست الأخرى في الوحدة قادرة على إطلاق الطاقة وبالتالي لم يعد من الممكن استخدامها؛
- لا يتم الشحن بالكامل بسبب الخلايا السيئة: نظرًا لانخفاض سعة الخليتين الأوسطتين، يتم شحنهما بشكل أسرع. ولأنها تصل أسرع بنسبة 90% من الخلايا الست الأخرى، فلا يمكن إجراء المزيد من الشحن.
من الواضح أن الخلايا ذات السعة المنخفضة هي العامل المقيد عند التفريغ (أثناء القيادة) وعند الشحن. للاستفادة على النحو الأمثل من السعة الكاملة لحزمة البطارية وضمان عمر خدمة طويل.
هناك طريقتان لموازنة البطارية: السلبي والنشط.
- بدون موازنة: أربع خلايا جميعها لها حالة شحن مختلفة. الخلية 2 فارغة تقريبًا والخلية 4 مشحونة بالكامل؛
- سلبي: يتم تفريغ الخلايا ذات السعة الأكبر حتى يتم الوصول إلى حالة الشحن للخلية الأضعف (الخلية 2 في المثال). يعتبر تفريغ الخلايا 1 و 3 و 4 خسارة.
في المثال نرى أن الأكواب يتم تفريغها حتى تصل إلى حالة شحن الخلية 2؛ - نشط: يتم استخدام الطاقة من الخلايا الممتلئة لملء الخلايا الفارغة. ولا يوجد الآن أي خسارة، بل نقل الطاقة من خلية إلى أخرى.
تم شرح مبدأ عمل موازنة الخلايا السلبية والنشطة أدناه.
موازنة الخلايا السلبية:
في المثال نرى أربع خلايا بطارية متصلة على التوالي مع مقاومة قابلة للتحويل (R) على التوازي. في هذا المثال، يتم توصيل المقاوم بالأرضي باستخدام المفتاح. في الواقع هذا هو الترانزستور أو FET.
في المثال نرى أن الخلية 3 تم تحميلها بنسبة 100%. ومن الفقرات السابقة نعلم أن هذه الخلية تشحن بشكل أسرع لأنها أضعف من الخلايا الثلاثة الأخرى. نظرًا لأن حالة شحن الخلية 3 هي 100%، فإن الخلايا الثلاث الأخرى لم تعد مشحونة.
يتم تضمين المقاومة الموجودة بالتوازي عبر الخلية 3 في الدائرة الحالية بواسطة المفتاح. يتم تفريغ الخلية 3 لأن المقاوم يمتص الجهد بمجرد تدفق التيار من خلاله. ويستمر التفريغ حتى تصبح الخلية على مستوى الخلايا الأخرى؛ في هذه الحالة 90%.
عندما تتمتع جميع الخلايا الأربع في هذه الوحدة بنفس حالة الشحن، يمكن شحنها بشكل أكبر.
مع موازنة الخلايا السلبية، يتم فقدان الطاقة: يتم فقد الجهد الذي تمتصه المقاومات المتوازية. ومع ذلك، لا يزال العديد من الشركات المصنعة يستخدم طريقة الموازنة هذه حتى يومنا هذا.
موازنة الخلايا النشطة:
الأكثر كفاءة بالطبع هو موازنة الخلايا النشطة. يتم استخدام الطاقة من الخلية الممتلئة لشحن الخلية الفارغة. نرى مثالاً على موازنة الخلايا النشطة أدناه.
في المثال نرى خليتين متصلتين على التوالي (3 و 4) وجهدهما فوقهما (4 و 3,9 فولت على التوالي). يتم تفريغ الخلية 3 عن طريق المحول. يسمح FET الموجود على الجانب الأساسي بالتفريغ. يتم شحن الملف الأساسي في المحول بهذا. يقوم FET الموجود على الجانب الثانوي بتشغيل الملف الثانوي للمحول. يتم استخدام تيار الشحن الناتج لتنشيط المحول تحت خلية أخرى. يتم أيضًا تشغيل وإيقاف المحول الموجود أسفل الخلية 4 بواسطة FETs.
الصفحات ذات الصلة:
