EN
روابط سريعة
تحتوي بطاريات الليثيوم أيون عادةً على كثافة طاقة تتراوح بين 150 و200 واط ساعة/كغ، مما يجعل هذه البطاريات خيارات جيدة عند العمل مع أنظمة 48 فولت مدمجة حيث لا يكون هناك الكثير من المساحة المتاحة. من ناحية أخرى، تتميز بطاريات الليثيوم الحديديك الفوسفاتية (LiFePO4) بأنها تدوم لفترة أطول بكثير عبر دورات الشحن. نحن نتحدث عن أكثر من 2000 دورة كاملة مقابل 800 إلى 1200 دورة فقط للبطاريات الليثيوم أيون القياسية وفقًا لأبحاث الليثيوم الخاصة بالسيارات الكهربائية من العام الماضي. إن السعر الأولي لبطاريات LiFePO4 يكون أعلى بنسبة تتراوح بين 10 إلى 20 بالمئة تقريبًا مقارنةً بخيارات الليثيوم أيون العادية. لكن ما يغفله الكثيرون هو أن هذه التكلفة الإضافية تُسترد على المدى الطويل، نظرًا لحاجة هذه البطاريات إلى الاستبدال بشكل أقل تكرارًا بكثير. وعلى المدى الزمني، يؤدي ذلك في الواقع إلى توفير حوالي 40 بالمئة على أساس كل دورة مقارنةً بشراء حزم بطاريات الليثيوم أيون الجديدة باستمرار.
تظل كاثود فوسفات الحديد في بطاريات LiFePO4 مستقرًا حتى عند وصول درجات الحرارة إلى حوالي 270 درجة مئوية، مما يقلل من احتمالات حدوث حالات تسرّب حراري خطيرة. أما البطاريات الليثيوم أيون التقليدية فقصتها مختلفة. وفقًا لبحث نشرته شركة Vatrer Power العام الماضي، فإن هذه التركيبات التقليدية تبدأ في التحلل بمجرد تجاوزها 60 درجة مئوية بقليل. وهذا يخلق مشكلات أمان جسيمة في الأماكن التي ترتفع فيها الحرارة. وبسبب هذا الاستقرار المتأصل، يتجه العديد من المصنّعين إلى استخدام بطاريات LiFePO4 في أنظمتهم البالغة 48 فولت المستخدمة في المعدات الثقيلة. فكّر في المصانع أو مواقع البناء حيث تعمل الآلات باستمرار، وترتفع درجات الحرارة المحيطة بشكل منتظم فوق 50 درجة. فتستمر البطارية في العمل دون أن تعاني من مشاكل ارتفاع درجة الحرارة.
تنتج حرارة الأنظمة ذات الجهد 48 فولت تحت أحمال شديدة بشكل رئيسي من ثلاثة مصادر: المقاومة الداخلية أثناء عمليات الشحن والتفريغ، وتسخين جول عند ارتفاع التيارات المفاجئ، والتفاعلات الطاردة للحرارة التي تحدث أثناء التفريغ العميق. وفقًا لبحث نُشر بواسطة MDPI في عام 2023، فإن درجة حرارة سطح البطاريات غالبًا ما تتجاوز 54 درجة مئوية عند تشغيلها بمعدل تفريغ 3C إذا لم يتم استخدام نظام تبريد نشط. وفي التطبيقات التي تتطلب طلبًا عاليًا على الطاقة، مثل أنظمة الدعم في المركبات الكهربائية، يؤدي هذا التراكم الحراري غير الخاضع للرقابة إلى ظهور بقع ساخنة خطيرة عبر الحزمة. وتؤدي هذه المناطق الساخنة إلى تدهور خلايا البطارية بوتيرة أسرع بكثير مقارنة بالحزم التي تتمتع بإدارة حرارية مناسبة، وقد تقلل العمر الافتراضي أحيانًا بنسبة 40 بالمئة أو أكثر.
يُعد مزيج التبريد السائل غير المباشر مع مواد تغيير الطور، أو ما يُعرف بـ PCMs، أحد أبرز الطرق الناشئة لتحقيق كفاءة وأمان عاليين في أنظمة الـ 48 فولت الجديدة التي نراها في كل مكان هذه الأيام. أظهرت دراسة نُشرت في مجلة مصادر الطاقة عام 2025 شيئًا مثيرًا للاهتمام بالفعل. عندما اختبر الباحثون أنظمة هجينة تستخدم التبريد السائل ومواد تغيير الطور معًا، انخفضت درجات الحرارة القصوى بنسبة حوالي 18 بالمئة في بطاريات السيارات العاملة في درجة حرارة محيطة تبلغ 35 درجة مئوية. إنها نتيجة مثيرة للإعجاب حقًا. كما أصبحت أنظمة التحكم الحراري الحديثة أكثر ذكاءً أيضًا. فهي قادرة على تعديل تدفق المبرد بناءً على الظروف الحالية الفعلية. ويؤدي هذا التعديل الديناميكي إلى توفير نحو 70 بالمئة من الطاقة مقارنةً بالأنظمة الأقدم ذات السرعة الثابتة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على الفروق الحرارية بين الخلايا ضمن حدود 1.5 درجة مئوية فقط. وهذا أمر منطقي إذا فكرت فيه.
يجب أن تُصمم الأنظمة الحرارية وفقًا للبيئات التشغيلية:
ظهرت صفائح التبريد السائلة الوحداتية كمعيار قابل للتوسيع، مما يتيح التوسع السلس من وحدات سكنية بسعة 5 كيلوواط ساعة إلى أنظمة بسعة 1 ميجاواط ساعة على مستوى الشبكة دون الحاجة إلى إعادة تصميم المكونات الحرارية الأساسية.
أجرى باحثون في الهندسة الحرارية التطبيقية اختبارات في عام 2025 لدراسة كيفية عمل نظام سائل خاص متعدد الطبقات يستخدم مادة تغيير الطور (PCM) مع بطاريات الرافعات الشوكية ذات الجهد 48 فولت داخل المستودعات التي تصل درجات حرارتها إلى حوالي 45 درجة مئوية. وكانت النتائج مثيرة للإعجاب بشكل كبير. فقد ظلت هذه البطاريات باردة، حيث حافظت على أقصى درجة حرارة لها عند حوالي 29.2 درجة مئوية طوال ورديات العمل الطويلة التي تمتد لثمانية ساعات. وهذا يقل بواقع 7.3 درجات مئوية مقارنة بالبطاريات العادية التي لا تحتوي على أي نظام تبريد. كما أن هناك أخبارًا جيدة إضافية. فقد انخفض فقدان سعة البطارية السنوي بشكل كبير من 15 بالمئة إلى 2.1 بالمئة فقط. وعند اختبارها في ظروف عملية حقيقية، أظهرت هذه الأنظمة فروقًا طفيفة جدًا في درجات الحرارة تقل عن درجتين مئويتين عبر جميع الخلايا الـ96، حتى أثناء جلسات الشحن السريع الشديدة والتي تبلغ شدتها 150 أمبير. إنها حقًا تقنية رائعة لأي شخص يتعامل مع عمليات تشغيل بطاريات عالية الأداء.
تشمل المصادر الرئيسية لفقدان الطاقة في الأنظمة ذات الجهد 48 فولت مقاومة داخلية تتراوح بين 3 إلى 8 بالمئة، بالإضافة إلى خسائر التبدد الحراري التي تبلغ حوالي 2 إلى 5 بالمئة خلال كل دورة شحن، ناهيك عن تلك الكفاءات المزعجة عند واجهات الإلكترود. وعندما لا يتم الشحن بشكل صحيح، يمكن أن تزداد الخسائر الأومية بنسبة تصل إلى 12% مقارنةً بالأساليب المتوازنة جيدًا للشحن، وفقًا لبعض الدراسات الحديثة التي تبحث في أفضل السبل لتحسين شحن أيون الليثيوم. بالنسبة لأي شخص يعمل في تطبيقات ذات طاقة عالية مثل محركات المركبات الكهربائية، فإن هذا النوع من الخسائر يُعد مهمًا جدًا لأن الدورات السريعة المستمرة تؤدي فقط إلى استهلاك المكونات بشكل أسرع مع مرور الوقت.
أنظمة إدارة البطاريات هذه الأيام تجعل الأداء أفضل لأنها تقوم بتعديل تدفق التيار بشكل ذكي. وهذا يساعد في تقليل الفاقد المزعج الناتج عن المقاومة عند أقصى مستوياته بنسبة تتراوح بين 18 إلى 22 بالمئة. كما تقوم أيضًا بتوازن الخلايا بدقة عالية، بحيث تحافظ على الفروقات الجهدية ضمن حدود 1.5٪ فقط بين جميع الخلايا. وعندما تنخفض درجة الحرارة في الخارج، تقوم هذه الأنظمة بتعويض تغيرات درجة الحرارة أثناء الشحن لتجنب مشكلة ترسب الليثيوم. ومن خلال مراجعة ما توصل إليه الباحثون، فإن البطاريات التي تستخدم نهج التيار الثابت متعدد المراحل تخسر سعتها بوتيرة أقل مع الزمن. وأظهرت اختبارات أجريت على أنظمة ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) بجهد 48 فولت انخفاضًا في التدهور بنسبة 16.5٪ تقريبًا مقارنةً بأساليب التحكم في الشحن القديمة. ولهذا من المنطقي أن تتجه المزيد من الشركات نحو هذه الأنظمة المتقدمة للحصول على حلول طاقة أكثر دواماً.
تُدخل الأحمال المتغيرة في الروبوتات والشبكات الدقيقة المتجددة تحديات تتعلق بالكفاءة:
| خصائص الحمولة | تأثير الكفاءة | استراتيجية التخفيف |
|---|---|---|
| انحناءات تيار عالية (≥3C) | هبوط جهد بنسبة 8–12% | مكثفات بمقاومة داخلية منخفضة للغاية (ESR) |
| تقلبات التردد (10–100 هرتز) | خسائر تموج بنسبة 6% | ترشيح فعّال للتوافقيات |
| فترات توقف متقطعة | تفريغ ذاتي بنسبة 3%/ساعة | وضعيات نظام إدارة البطارية (BMS) في حالة النوم العميق |
تشير بيانات نظام النسخ الاحتياطي للاتصالات السلكية واللاسلكية إلى أن تنظيم الحمل يعزز الكفاءة الدورانية من 87% إلى 93% في بطاريات الليثيوم 48 فولت ويقلل احتياجات الطاقة لإدارة الحرارة بنسبة 40%.
تحدث فقدان السعة في أنظمة البطاريات بجهد 48 فولت بشكل رئيسي بسبب ثلاثة أشياء: نمو طبقة واجهة الإلكتروليت الصلبة، وتكوين رواسب الليثيوم على الأقطاب، والإجهاد المادي الناتج عن التمدد والانكماش المستمرين للمواد أثناء دورات الشحن. وعندما ترتفع درجات الحرارة، تتسارع هذه التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها بشكل كبير. تُظهر أبحاث نُشرت العام الماضي أنه إذا ارتفعت درجة حرارة التشغيل بمقدار 10 درجات مئوية فقط فوق 30 درجة، فإن عدد مرات الشحن التي يمكن للبطارية تحملها قبل الفشل ينخفض إلى النصف. بالنسبة لشركات تصنيع السيارات التي تتعامل مع ظروف قيادة حقيقية، فإن هذا التآكل الميكانيكي يزداد سوءًا بمرور الوقت، حيث تتعرض البطاريات لمختلف الاهتزازات والتغيرات المفاجئة في الحمل أثناء القيادة على الطرق.
يعمل استخدام بطاريات 48 فولت ضمن نطاق شحن يتراوح بين 20٪ و80٪ من حالة الشحن (SOC) على تقليل تكوين طبقة SEI بنسبة 43٪ مقارنة بالشحن الكامل. ووجد تحليل NREL لعام 2023 أن معدل شحن 0.5C (شحذ لمدة 3 ساعات) يحافظ على 98٪ من السعة الأولية بعد 800 دورة، مقابل احتفاظ بنسبة 89٪ عند معدل 1C.
| معدل الشحن | عدد الدورات للوصول إلى 80% من السعة | فقدان السعة السنوي |
|---|---|---|
| 0.3C | 2,100 | 4.2% |
| 0.5C | 1,700 | 5.8% |
| 1.0C | 1,200 | 8.3% |
الجدول: تأثير معدل الشحن على عمر بطاريات الليثيوم أيون 48 فولت (NREL 2023)
الشحن السريع بمعدل 1C يقلل بالتأكيد من وقت الانتظار، لكنه يأتي بعيب يتمثل في أن البطاريات تميل إلى أن تسخن داخليًا بنسبة تتراوح بين 55 و70 بالمئة مقارنةً بمعدل الشحن الأبطأ 0.5C. ومع ذلك، أظهر تحليل حديث لنظم التخزين التجاري للطاقة لعام 2024 أمرًا مثيرًا للاهتمام. فقد جربوا نهجًا يتمثل في الشحن بالسرعة القصوى (1C) حتى الوصول إلى حالة شحن تبلغ حوالي 70٪، ثم خفّضوا السرعة إلى 0.3C فقط. وبعد إتمام 1200 دورة شحن، حافظت هذه الطريقة على نحو 85٪ من السعة الأصلية، وهي نسبة قريبة جدًا من النتائج التي تُحصل عليها باستخدام طرق الشحن البطيء الحذرة للغاية. وإليك المفاجأة: إذا كانت هذه الأنظمة مزودة بنظام فعال لإدارة الحرارة يمكنه خفض درجات الحرارة بنسبة لا تقل عن 30٪، فإن الشحن السريع الجزئي يصبح خيارًا ذكيًا يوازن بين الرغبة في شحن سريع وضرورة إطالة عمر البطارية.