EN
קישורים מהירים
סוללי ליתיום-יון הם בעלי צפיפות אנרגיה של כ-150 עד 200 וואט-שעה לקילוגרם, מה שהופך אותם לבחירה טובה בעבודה עם מערכות 48V קומפקטיות שבהן אין הרבה מקום. מאידך, ליתיום ברזל פוספט (LiFePO4) מבליט את עצמו בשל אורך החיים הארוך בהרבה שלו לאורך מחזורי טעינה. מדובר על יותר מ-2000 מחזורים מלאים לעומת רק 800 עד 1200 מחזורים בסולרי ליתיום-יון רגילים, לפי מחקר של סולרי ליתיום ברכב חשמלי משנה שעברה. המחיר ההתחלתי של LiFePO4 הוא גבוה בכ-10 עד 20 אחוזים לעומת אפשרויות ליתיום-יון רגילות. אך מה שרוב האנשים מתעלמים ממנו הוא שהשקעה הנוספת משתלמת לאורך זמן, שכן סוללות אלו צריכות להחליף לעיתים רחוקות בהרבה. לאורך זמן, זה גורם לחיסכון של כ-40 אחוז על בסיס כל מחזור בהשוואה לקניית סוללות ליתיום-יון חדשות שוב ושוב.
קתודת הברזל-פוספט בבטריות LiFePO4 נשארת יציבה גם כאשר הטמפרטורות מגיעות לכ-270 מעלות צלזיוס, מה שמצמצם את הסיכויים למצבים מסוכנים של התחממות לא מבוקרת. בטריות ליתיום יון רגילות סופרות סיפור שונה. לפי מחקר של Vatrer Power שפורסם בשנה שעברה, כימיקלים מסורתיים אלו מתחילים להתפרק כאשר הם מגיעים לכ-60 מעלות צלזיוס. זה יוצר בעיות אבטחה חמורות בסביבות חמות. בשל היציבות המובנית הזו, חברות רבות עובדות על LiFePO4 במערכות ה-48 וולט המשמשות בציוד כבד. דמיינו מפעלים או אתרי בנייה בהם המכונות פועלות ללא הפסקה וטמפרטורות הסביבה עולות באופן קבוע מעל 50 מעלות. הסוללה ממשיכה לעבוד בלי בעיות של חימום יתר.
יצירת חום במערכות של 48V תחת עומס כבד נובעת בעיקר משלושה מקורות: התנגדות פנימית במהלך מחזורים, חימום ג'ול בעת עלות זרם חדת, והתגובות האקסותרמיות המתרחשות במהלך פריקות עמוקות. כאשר סוללות פועלות בקצב פריקה של 3C, פני השטח שלהן לעתים קרובות מגיעים ליותר מ-54 מעלות צלזיוס אם לא משמש קירור פעיל, בהתאם למחקר שפורסם על ידי MDPI בשנת 2023. ביישומים שבהם דרישות הכוח עוצמתיות, כגון מערכות עזר ברכב חשמלי, הצטברות חום בלתי מבוקרת כזו יוצרת נקודות חמות מסוכנות לאורך החבילה. אזורים חמים אלו מדרדרים תאים של סוללות הרבה יותר מהר בהשוואה לחבילות עם ניהול תרמי תקין, ולעיתים מקצרים את אורך החיים בכ-40 אחוז או יותר.
שילוב של קירור נוזלי עקיף עם חומרי שינוי פאזה, או PCMs, צובר תאוצה כשיטת הובלה אחת מהמובילות להשיג גם יעילות טובה וגם בטיחות במערכות החדשות בעלות 48 וולט שאנו רואים בכל מקום בימינו. מחקר שפורסם בכתב העת Journal of Power Sources בשנת 2025 הראה משהו די מעניין. כאשר בדקו מערכות היברידיות המשתמשות גם בקירור נוזלי וגם ב-PCMs יחד, הטמפרטורות המרביות ירדו בכ-18 אחוז בסוללות רכב שפעלו בטמפרטורת סביבה של 35 מעלות צלזיוס. דברים די מרשים. גם מערכות בקרה תרמיות מודרניות נעשות חכמות יותר. הן יכולות להתאים את זרימת הנוזל הקורן בהתאם למה שקורה ממש ברגע נתון. התאמת זרימה דינמית זו חוסכת כ-70 אחוז מהאנרגיה בהשוואה למערכות ישנות עם מהירות קבועה, וכל זאת תוך שמירה על הבדלי טמפרטורה בין התאים בתוך טווח של 1.5 מעלות צלזיוס בלבד. הגיוני כשחושבים על זה.
עיצובי תרמי חייבים להתאים לסביבות פעילות:
פלטות קירור מודולריות נפוצות הופיעו כתקן ניתן להרחבה, ומאפשרות הרחבה חלקה מיחידות דירות 5 קוט"ש ועד מערכות בגודל רשת של 1 מ"וואט-שעה, מבלי לעצב מחדש רכיבי קירור מרכזיים.
חוקרים ב-Applied Thermal Engineering ביצעו ב-2025 מבחנים לבחינת אופן פעולת מערכת נוזלית מיוחדת של PCM רב-שכבות עם סוללות מנוע 48 וולט לשימוש במגרשי אחסון שבהם הטמפרטורה מגיעה לכ-45 מעלות צלזיוס. הממצאים היו מרשים למדי. הסוללות נשארו קרות, והטמפרטורה המרבית שלהן נשמרה על כ-29.2 מעלות צלזיוס לאורך כל משמרת העבודה הארוכות של שמונה שעות. זהו ירידה של 7.3 מעלות ביחס לסוללות רגילות ללא מערכת קירור. יש גם חדשות טובות נוספות: אובדן הקיבולת השנתי של הסוללה ירד בצורה דרמטית מ-15% ל-2.1% בלבד. כשנבדקו בתנאי שטח אמיתיים, מערכות אלו הראו הפרשי טמפרטורה מינימליים של פחות מ-2 מעלות בין כל 96 התאים, גם במהלך תהליכי טעינה מהירים של 150 אמפר. דברים מרתקים למדי לכל מי שמתמודד עם פעילות סוללות עמידה.
המקורות העיקריים לאיבודי אנרגיה במערכות 48V כוללים התנגדות פנימית שמתגבה בין 3 ל-8 אחוז, בנוסף לאיבודי פיזור תרמי של כ-2 עד 5 אחוז בכל מחזור טעינה, שלא לדבר על אי-יעילות מטרידות בממשקים של האלקטרודות. כאשר טעינה לא מתבצעת נכון, איבודי אום יכולים לעלות עד 12% יותר בהשוואה לשיטות טעינה מאוזנות היטב, לפי מחקרים אחרונים שנבדקו דרכים אופטימליות לטעינת יוני-ליתיום. עבור כל מי שעוסק ביישומים בעלי הספק גבוה כמו מערכת הנעה של רכב חשמלי (EV), איבודים מסוג זה ממש חשובים, מכיוון שמחזורי הפעלה מהירים וקבועים פשוט גורמים לבلى מהיר יותר לאורך זמן.
מערכות ניהול סוללות בימינו מפנות את הדברים קדימה מכיוון שהן מכווננות את זרימת הזרם בצורה חכמה. זה עוזר לצמצם את אובדן ההתנגדות המטרידים ביותר ב-18 עד 22 אחוז. הן גם מאזנות תאים בדיוק רב, ושומרות על מתחים בתוך הבדל של רק 1.5% בין כל התאים. וכשקריר בחוץ, מערכות אלו מתקנות את השינויים בטמפרטורה במהלך טעינה, כדי שלא ניגמר עם בעיות ציפוי ליתיום. בהסתכלות על מה שחוקרים מצאו, סוללות שמשתמשות בגישה של זרם קבוע מרובה שלבים איבדו פחות קיבולת לאורך זמן. מבחנים על מערכות LiFePO4 של 48 וולט הראו כ-16.5% פחות דегרדציה בהשוואה לשיטות ישנות יותר של בקרת טעינה. ברור למה יותר חברות עוברות למערכות מתקדמות אלו לפתרונות אנרגיה בעלי חיים ארוכים יותר.
עומסים משתנים בשילובי רובוטיקה ורשתות מיקרו מתחדשות יוצרים אתגרי יעילות:
| מאפיין העומס | השפעת היעילות | אסטרטגיית הפחתה |
|---|---|---|
| זרמי שיא גבוהים (≥3C) | נפילת מתח של 8–12% | קבלים בעלי התנגדות פנימית אולטרה-נמוכה |
| תנודות תדר (10–100Hz) | הפסדי רעשים של 6% | סינון פעיל של הרמוניות |
| תקופות דממה בודדות | טעינה עצמית של 3% בשעה | מצבי BMS של שינה עמוקה |
נתוני מערכת גיבוי לתקשורת показывают כי עיבוד עומס מגביר את יעילות הסיבוב מה87% ל-93% בבטריות ליתיום של 48V ומצמצם את צורכי האנרגיה לניהול תרמי ב-40%.
איבוד הקיבולת במערכות סוללות 48V מתרחש בעיקר בשל שלושה גורמים: צמיחה של שכבת הממשק האלקטרוליטית המוצקה, היווצרות של פיגומים של ליתיום על האלקטרודות, וכוחות מכניים הנגרמים מתפישות ומתכווצים מתמשכים של החומרים במהלך מחזורי הטעינה. כאשר הטמפרטורה עולתה, תגובות כימיות לא רצויות אלו מאיצות בצורה דרמטית. מחקר שפורסם בשנה שעברה מראה שאם טמפרטורת הפעולה עולה רק 10 מעלות צלזיוס מעל 30 מעלות, מספר פעימות הטעינה שסוללה יכולה לעמוד בה לפני כשל יורד בחצי. לייצרני רכב deals עם תנאי נהיגה אמיתיים, שחיקה מכנית זו הופכת לרעה יותר עם הזמן, שכן כלי רכב מכניסים את הסוללות למגוון רטט ושינויי עומס פתאומיים בעת הנסיעה.
הפעלת סוללות 48V בטווח של 20%–80% מצב טעינה (SOC) מפחיתה את היווצרות שכבת SEI ב-43% בהשוואה לטמפרטות מלאות. ניתוח של NREL משנת 2023 גילה כי קצב טעינה של 0.5C (טעינה של 3 שעות) שומר על 98% מהקיבולת הראשונית לאחר 800 מחזורי טעינה, לעומת שמירה של 89% בקצב של 1C.
| קצב טעינה | מחזורים עד ל-80% מהקיבולת | איבוד שנתי של קיבולת |
|---|---|---|
| 0.3C | 2,100 | 4.2% |
| 0.5c | 1,700 | 5.8% |
| 1.0C | 1,200 | 8.3% |
טבלה: השפעת קצב הטעינה על אורך החיים של סוללות ליתיום-יון 48V (NREL 2023)
טעינה מהירה בקצב 1C בהחלט מקצרת את זמן ההמתנה, אך היא מגיעה עם חסרון: הסוללות נוטות להתחמם מבפנים ב-55 עד 70 אחוז לעומת קצב הטעינה האיטי יותר של 0.5C. בחינה עדכנית של מערכות איחסון אנרגיה מסחריות משנת 2024 חשפה משהו מעניין. ניסו גישה בה טענו במהירות מלאה (1C) עד שמגיעים לערך טעינה של כ-70%, ואז הקטינו את הקצב ל-0.3C בלבד. לאחר 1,200 מחזורי טעינה, שיטה זו שמרה על כ-85% מכושר ההתפוקה המקורי, מה שנחשב קרוב יחסית לשיטות הטעינה האיטיות והמזהירות ביותר. והנה הפאנץ': אם למערכות הללו יש ניהול תרמי טוב שיוכל להוריד את הטמפרטורות ב-30% לפחות, טעינה מהירה חלקית מתחילה להיראות כמו פתרון אמצעי חכם בין השאיפה לטעינה מהירה לבין הצורך להאריך את חיי הסוללה.