EN
روابط سريعة
يقوم اختبار خلية البطارية بتقييم ثلاث معلمات أساسية: استقرار الجهد، واحتفاظ السعة، والمقاومة الداخلية. تحدد هذه المقاييس الأداء والموثوقية عبر دورات الشحن والتفريغ. عادةً ما يشير احتفاظ السعة بأقل من 80٪ من القيمة الأولية إلى نهاية عمر أنظمة الليثيوم أيون. تتطلب البروتوكولات القياسية مثل UN 38.3 مراقبة هذه المؤشرات لضمان السلامة والمتانة.
يعطي جهد الدائرة المفتوحة، أو ما يُعرف بـ OCV، تقييماً سريعاً لصحة البطارية بمجرد النظر إلى الجهد الكهربائي للخلية عند السكون. وقد أظهرت أبحاث حديثة من عام 2023 أمراً مثيراً للاهتمام أيضاً. عندما يبقى جهد OCV مستقراً نسبياً ضمن نطاق زائد أو ناقص 2٪، فإن هذه الخلايا القائمة على النيكل تميل إلى فقدان أقل من 5٪ من سعتها مع مرور الوقت. فماذا يفعل المهندسون بالفعل بهذه المعلومات؟ إنهم يقومون بإجراء قياساتهم ثم يقارنونها مع المخططات التي تقدمها الشركات المصنعة، والتي تربط قراءات OCV بمستويات شحن البطارية (State of Charge). ويساعد اكتشاف التناقضات في كشف المشكلات مبكراً، مثل حالات تقادم الخلايا بشكل غير متساوٍ. والتعامل المبكر مع هذه القضايا يعني إصلاحها قبل أن تتفاقم وتصبح أكثر تكلفة في المستقبل.
تعمل تقنية العد الكولومبي من خلال تتبع مقدار التيار المتدفق عبر البطارية على مر الزمن، مما يعطي تقديرًا لحالة الشحن (SOC) بدقة تصل إلى زائد أو ناقص 3٪ عندما تبقى درجات الحرارة ثابتة. تظهر المشكلة عندما تبدأ المستشعرات في الانحراف عن الت head calibration، وهو أمر يحدث أكثر مما يتخيل الناس. هذا الانحراف يتراكم بمرور الوقت، لذا تصبح المراجعة الدورية باستخدام جهد الدائرة المفتوحة (OCV) ضرورية، خاصة إذا كانت البطاريات تعمل في ظروف حرارية شديدة أو باردة. بعض الأنظمة الأحدث أصبحت جيدة إلى حد كبير في التعامل مع هذه الأمور، حيث تجمع بين طريقة العد الكولومبي التقليدية وما يُعرف بنمذجة الهسترة الجهدية، مما يرفع الدقة الكلية إلى حوالي ±1.5٪. وقد أصبح هذا النهج ممارسة قياسية لدى معظم المركبات الكهربائية الحديثة، حيث إن مراقبة صحة البطارية ضرورية تمامًا لأسباب تتعلق بالأداء والسلامة.
المقاومة الداخلية هي مؤشر رئيسي لصحة البطارية. الزيادات التي تتجاوز 30٪ من القيم الأساسية ترتبط بشكل قوي بانخفاض السعة وعدم الاستقرار الحراري. تسمح تقنيات مثل تحديد خصائص القدرة النبضية الهجينة (HPPC) وتحليل مطيافية الممانعة الكهروكيميائية (EIS) بتحليل تفصيلي للمقاومة الأومية والمقاومة القطبية، مما يوفر رؤى حول آليات التدهور الكهروكيميائية.
| نوع الطريقة | تقنية | الخصائص الرئيسية |
|---|---|---|
| المجال الزمني | متواليات النبض HPPC | قياس المقاومة الفورية IR |
| المجال الترددي | تحليل الطيف EIS | تحديد كينتيك التفاعل |
يعطي النهج القائم على المجال الزمني نتائج خلال حوالي 15 ثانية أو ما يقارب، ولذلك فهو يعمل بشكل جيد على خطوط التجميع حيث تكون السرعة مهمة. ولكن هناك عيب. تتجاهل هذه الطرق في كثير من الأحيان علامات الشيخوخة التي يمكن اكتشافها باستخدام تقنيات EIS. تقوم مطيافية الأعاقة الكهروكيميائية بمسح الترددات من 0.1 هرتز وحتى 10 كيلو هرتز، مما يسمح لكشف التغيرات الدقيقة في واجهات المواد مثل كيفية تطور طبقة SEI بمرور الوقت. لقد لاحظت شركات تصنيع السيارات التي أجرت اختبارات على بطاريات الليثيوم أيون قديمة فرقاً يبلغ حوالي 12 بالمئة بين القراءات التي تم أخذها بواسطة هذه الأساليب المختلفة. هذا النوع من الفجوة يبرز سبب أهمية فهم كلا الطريقتين لضمان تقييم دقيق للبطاريات.
تؤثر درجة الحرارة المحيطة بشكل كبير على المقاومة الداخلية، حيث تؤدي التقلبات بين -20°م و60°م إلى تغيير القراءات بنسبة تصل إلى 40%. كما تساهم حالة الشحن أيضًا في التباين، إذ تُظهر الخلايا المشحونة بالكامل مقاومة أقل بنسبة 18% مقارنة بحالة 20% من سعة الشحن. تتطلب القياسات الموثوقة تحكمًا دقيقًا في ظروف الاختبار، بما في ذلك استقرار درجة الحرارة ±2°م.
غالبًا ما يشير مؤيدو الاختبار السريع إلى وجود توافق يبلغ حوالي 85٪ بين تغيرات المقاومة الداخلية بمرور الوقت وما نراه في اختبارات الحالة الصحية الكاملة. ولكن تظهر مشكلات عند التركيز على خلايا فوسفات الحديد الليثيومية بشكل خاص. إذ يمكن أن تختلف الأرقام بأكثر من 20٪، ويرجع ذلك بشكل رئيسي إلى تفسير مختلف لمقاومة انتقال الشحنة. عادةً ما تُغفل الطرق التقليدية القائمة على الزمن التغيرات الصغيرة التي تحدث في طبقة SEI، بينما تلتقطها بالفعل طرق تحليل التردد مثل مطيافية التوهج الكهروكيميائي (EIS). ويجعل هذا بعض الأشخاص يتساءلون عما إذا كانت هذه الاختبارات البسيطة تخبرنا فعلاً بما يكفي عن كيفية تدهور بطاريات على مدى سنوات من الاستخدام.
يعود الحصول على قياسات دقيقة لقدرة البطارية إلى إجراء اختبارات الشحن والتفريغ القياسية في بيئات مُحكمة. يعتمد معظم الخبراء في الوقت الحالي على ما يُعرف بطريقة CCCV. بشكل أساسي، نقوم بشحن الخلايا بتيار يعادل نصف تيارها المُصنّف حتى 4.1 فولت، ثم نحافظ على هذا المستوى الجهد حتى ينخفض تيار الشحن إلى أقل من حوالي 0.15 أمبير. وعندما يحين وقت التفريغ، يؤدي التفريغ بسرعة 1C إلى إعطائنا أوضح صورة لقدرة التخزين الفعلية دون التقلبات المزعجة في الجهد. الدقة هنا مُلفتة للنظر أيضًا، حوالي ±0.8%، وهي أفضل بكثير من طرق الاختبار بالنبضات القديمة من حيث الموثوقية.
تُعد مراقبة الجهد بدقة عالية (بدقة 0.1 مللي فولت) ومعدلات التفريغ المستقرة أمراً بالغ الأهمية للحصول على نتائج موثوقة. أظهرت دراسة في الكيمياء الكهربائية عام 2023 أن تغيرات بمقدار ±5% في تيار التفريغ تؤدي إلى اختلافات بنسبة 12% في سعة خلايا الليثيوم-أيون من نوع NMC. وتكمن أهمية الدقة بوجه خاص عند مستويات شحن أقل من 20% SOC، حيث تتسطح منحنيات الجهد، وبالتالي يمكن لأخطاء قياس صغيرة أن تؤدي إلى تفسيرات كبيرة.
تؤثر درجة الحرارة بشكل مباشر على السعة أثناء التفريغ. وأظهرت تجارب حديثة على خلايا NMC انخفاضاً بنسبة 23% في السعة عند -20°م مقارنة بـ 25°م. ويمكن للتغيرات الحرارية غير المنضبطة (±5°م) أن تشوه النتائج بنسبة 8–11% في خلايا 18650 القياسية. ولذلك فإن الحجرات الخاضعة للتحكم المناخي ضرورية للحفاظ على الاتساق عبر الاختبارات.
رصدت دراسة مدتها 18 شهراً تحت ظروف مضبوطة تدهور الخلايا المصنوعة من أكسيد النيكل-المنغنيز-الكوبالت:
| عدد الدورات | السعة المتبقية | عامل التدهور |
|---|---|---|
| 100 | 97.2% | أكسدة الإلكتروليت |
| 300 | 89.1% | نمو طبقة SEI |
| 500 | 76.5% | تشقق الجسيمات |
يُبرز البحث نمط تدهور غير خطي: يبدأ فقدان السعة بمتوسط 2.5% لكل 100 دورة، ثم يتسارع إلى 4.1% بعد تجاوز 300 دورة، مما يُبرز أهمية إجراء اختبارات مُحكمة في التنبؤ بعمر البطارية في العالم الحقيقي.
عند التحقق من صحة البطارية، ينظر معظم الناس إلى عنصرين رئيسيين: كمية الشحن التي يمكنها الاحتفاظ بها مقارنة بحالتها الجديدة (معدل الحفاظ على السعة) والتعديلات التي تطرأ على المقاومة الداخلية بمرور الوقت. بشكل عام، بمجرد أن تنخفض سعة البطارية إلى أقل من 80% من سعتها الأصلية، يعتبرها الكثيرون قد وصلت إلى نهاية عمرها الافتراضي. كما أظهرت دراسة نشرت في مجلة Nature السنة الماضية أن هذه المؤشرات الرئيسية تفسر حوالي 94% من أسباب فشل البطاريات في الواقع. أما فيما يتعلق بتوقع متى قد تحتاج البطارية إلى الاستبدال (توقعات عمر البطارية)، فإن الخبراء يجمعون بين بيانات الاختبارات التي تسرع عملية الشيخوخة مع معلومات حول كيفية استخدام البطارية في الحياة اليومية. تتيح هذه الطريقة للمصنعين تقدير عمر البطاريات بدقة معقولة، عادة ضمن نطاق زائد أو ناقص 15% لبطاريات الليثيوم أيون العاملة في ظروف طبيعية.
تكشف اختبارات المعاوقة عن علاقة متسقة بين ارتفاع المقاومة وانخفاض السعة. في خلايا NMC، يقابل كل زيادة بمقدار 10 ملي أوم في المعاوقة التيار المتردد انخفاضًا متوسطًا بنسبة 1.8٪ في السعة. ويساعد التتبع المتعدد النقاط عبر مستويات شحن البطارية (SOC) في التمييز بين التدهور الدائم والتأثيرات التشغيلية المؤقتة، مما يحسن دقة التشخيص.
تتيح نماذج تعلم الآلة الآن تقديرًا دقيقًا لحالة البطارية (SOH) باستخدام بيانات تشغيل جزئية، مما يقلل الاعتماد على دورات التفريغ الكاملة. ويُظهر البحث أن الخوارزميات التي تحلل مسارات الجهد ودرجة الحرارة يمكنها تحقيق دقة تنبؤ تصل إلى 95٪. وتُظهر النماذج الهجينة التي تجمع بين مبادئ التدهور القائمة على الفيزياء والشبكات العصبية وعودًا كبيرة للرصد الفعلي في المركبات الكهربائية.
يعتمد تقييم البطارية المتسق على الالتزام بالمعايير الدولية. وتشمل الأطر الرئيسية IEC 62133 من حيث السلامة، و UL 1642 للخلايا القائمة على الليثيوم، مع تحديد كلا المعيارين لقيم تسامح ضيقة (±1٪ للسعة) ولضوابط بيئية.
تُجري مختبرات البحث توصيفًا مفصلًا عبر أكثر من 1000 دورة، وتحلل أكثر من 15 معلمة أداء. في المقابل، يركّز التحكم الصناعي في الجودة على التحقق السريع من المقاييس الحرجة مثل مقاومة التيار المستمر الداخلية واحتفاظ الشحنة. وتُبلغ المرافق الحاصلة على شهادة ISO 9001 عن انخفاض بنسبة 40٪ في التباين أثناء الاختبارات نظرًا للمعايرة الدقيقة والتحكم المناخي الصارم (25°م ±0.5°م).
تتطلب المواصفات العسكرية (MIL-PRF-32565) التحقق من هامش تصميم بنسبة 200%، في حين تُعطي الإلكترونيات الاستهلاكية الأولوية للسلامة—مثل الحد من خطر الانطلاق الحراري إلى أقل من 0.1٪ أثناء اختبارات اختراق المسامير. يضمن هذا النهج الطبقي الموثوقية دون إجراء اختبارات زائدة عن الحاجة، ويُطبّق صرامة التحقق وفقًا لمتطلبات التطبيق.
المؤشرات الرئيسية هي استقرار الجهد، واحتفاظ السعة، والمقاومة الداخلية. تقيّم هذه العوامل الأداء والموثوقية عبر دورات الشحن والتفريغ.
يوفر جهد الدائرة المفتوحة تقييماً سريعاً لصحة البطارية من خلال فحص جهدها الكامن، مما يساعد على اكتشاف المشكلات مبكراً.
يمكن أن تؤثر التقلبات في درجة الحرارة تأثيراً كبيراً على المقاومة الداخلية، مما يؤثر على دقة الاختبار، ويستدعي التحكم الدقيق في ظروف الاختبار.
تحسّن نماذج التعلم الآلي تقدير حالة الصحة من خلال تحليل بيانات تشغيلية جزئية، مما يعزز دقة التنبؤ بعمر البطارية وأدائها.