ما مدى كفاءة بطارية الليثيوم أيون ذات الجهد 48 فولت في تحويل الطاقة؟

فهم مفهوم كفاءة الدورة الكاملة في أنظمة بطاريات الليثيوم-أيون ذات الجهد 48 فولت

ما الذي تقيسه كفاءة الدورة الكاملة (RTE) لبطارية الليثيوم-أيون ذات الجهد 48 فولت؟

تُظهر معلَّمة كفاءة الدورة الكاملة (RTE) مدى جودة بطارية الليثيوم أيون ذات الجهد 48 فولت في تخزين الطاقة ثم إعادتها عند الحاجة. وبشكل أساسي، فإن هذه المعلَّمة تقيس كمية الطاقة المفيدة الخارجة مقارنةً بالطاقة الداخلة خلال دورة شحنٍ وتفريغٍ كاملة واحدة. وعندما تنخفض كفاءة البطاريات، تحدث عدة ظواهر داخلها: فهناك دائمًا مقاومة داخل الخلايا نفسها، كما أنها تميل إلى الارتفاع في درجة الحرارة أثناء العمل الشاق، إضافةً إلى التفاعلات الكيميائية غير المثالية التي لا تتم بشكل كامل. وفي الوقت الحاضر، تحقق معظم أنظمة الليثيوم الحديثة ذات الجهد 48 فولت كفاءة دورة كاملة تتراوح بين ٩٠٪ و٩٥٪. وهذا يعني أن ما بين ٥٪ و١٠٪ من الطاقة تُهدر في كل دورة شحنٍ وتفريغٍ. ومن الناحية المالية، فإن أدنى التحسينات تُحدث فرقًا كبيرًا. ووفقًا لبحثٍ نشرته وزارة الطاقة الأمريكية في تقرير تقييمها لتقنيات التخزين لعام ٢٠٢٣، فإن رفع كفاءة الدورة الكاملة بمقدار خمس نقاط فقط يمكن أن يقلل من الكهرباء المهدرة بنحو ٢٥٠ كيلوواط ساعة سنويًّا لكل بطارية تُستخدم في المصانع والمستودعات على امتداد البلاد.

المقارنة المرجعية: كفاءة إعادة التحويل (RTE) تتراوح بين ٩٠–٩٥٪ مقارنةً بالبطاريات الرصاصية الحمضية (٧٠–٨٠٪) ولماذا يهم ذلك

تتفوق تكنولوجيا الليثيوم-أيون بشكل كبير على البطاريات الرصاصية الحمضية من حيث كفاءة تحويل الطاقة:

ويُحقِّق هذا الفارق البالغ ١٥–٢٥ نقطة مئوية مزايا قابلة للقياس:

• تقليل تكاليف الطاقة : فإن نظام كفاءة إعادة التحويل (RTE) بنسبة ٩٥٪ يستهلك طاقةً من الشبكة أقل بنسبة ~٢٠٪ مقارنةً بنظام الرصاص الحمضي ذي كفاءة إعادة التحويل (RTE) بنسبة ٨٠٪ لنفس المخرجات
• حياة خدمة مطولة : ويؤدي انخفاض تولُّد الحرارة إلى إبطاء معدل تدهور الخلايا والإلكترونيات الداعمة
• تقليل الانبعاثات : وتنعكس الكفاءة الأعلى في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار ١,٢–١,٨ طن سنويًّا لكل بطارية (الوكالة الدولية للطاقة، تقرير دمج مصادر الطاقة المتجددة , 2023)

وهذه المكاسب تجعل كفاءة إعادة التحويل (RTE) عاملًا حاسِمًا في نمذجة العائد على الاستثمار (ROI) للتطبيقات الحرجة أو ذات دورات التشغيل العالية.

الظروف التشغيلية التي تقلل كفاءة بطارية الليثيوم-أيون ذات الجهد ٤٨ فولت

تأثير درجات الحرارة المنخفضة: انخفاض في الكفاءة بنسبة تزيد عن ١٥٪ عند درجات حرارة أقل من ١٠°مئوية

عندما تنخفض درجات الحرارة إلى ما دون ١٠ درجات مئوية، تبدأ بطاريات الليثيوم أيون ذات الجهد ٤٨ فولت في فقدان نحو ١٥٪ من كفاءتها في دورة الشحن والتفريغ الكاملة، وذلك لأن حركة الأيونات تتباطأ ويزداد المقاومة الداخلية. وتزداد الأمور سوءًا عندما تنخفض الحرارة إلى سالب ١٠ درجات مئوية، حيث قد تنخفض سعة البطارية بأكثر من ٣٠٪ مقارنةً بالظروف التشغيلية الاعتيادية عند ٢٥ درجة مئوية. وبالمقابل، لا تواجه بطاريات الرصاص الحمضية المشكلات التي تعاني منها بطاريات الليثيوم أيون في هذه الظروف الباردة. فنلاحظ ظهور مشكلات مثل ترسب الليثيوم على الأقطاب الكهربائية، وزيادة لزوجة الإلكتروليت مما يجعل التعامل معه أكثر صعوبة. وهذه المشكلات تُبطئ أداء البطارية في عمليات الشحن والتفريغ، كما تُسرّع من عملية تآكلها وتقادمها. وللأشخاص الذين يعتمدون على الألواح الشمسية دون اتصال بشبكة الكهرباء، أو المركبات الكهربائية (EV) في المناطق الثلجية، أو أنظمة الطوارئ الاحتياطية التي تتطلب إنتاج طاقة موثوقًا، فإن هذا الأمر يكتسي أهمية كبيرة جدًّا. وبذلك فإن الإدارة الحرارية ليست مجرد ميزة مرغوبة في هذه الحالات، بل هي ضرورة قصوى إذا أراد أي شخص أن تعمل بطارياته وفق المواصفات المُعلَّنة.

تأثيرات التفريغ عالي المعدل على المقاومة الداخلية وفقدان الحرارة

عندما تُفرَّغ البطاريات بمعدلات تتجاوز 1C، فإنها تتعرَّض لانخفاض سريع في الجهد إلى جانب تأثيرات تسخين أومي ملحوظة. ويُفقد نحو 20% من الطاقة المخزَّنة على هيئة حرارة ضائعة بدلًا من أن تتحوَّل إلى طاقة فعَّالة قابلة للاستخدام. وتساهم الحرارة الناتجة عن ذلك في تسريع تدهور الأقطاب الكهربائية، ما يؤدي إلى فقدان دائم لقدرة البطارية مع مرور الوقت. كما أن دورات الشحن السريع المتكرِّرة تُسبِّب إجهادًا إضافيًّا على هياكل الكاثود وتلك الواجهات الحساسة بين المواد الصلبة والإلكتروليت، مما يؤثِّر في النهاية على أداء البطارية بعد عدد كبير من دورات الشحن والتفريغ. ولأنظمة تهدف إلى الحفاظ على كفاءة تفوق 90% خلال فترات الذروة في الطلب، يجب على المهندسين تنفيذ حلولٍ فعَّالة لإدارة الحرارة جنبًا إلى جنب مع استراتيجيات ذكية لتوزيع الأحمال. وتؤدِّي أنظمة إدارة البطاريات (BMS) هنا أيضًا دورًا محوريًّا، حيث تراقب باستمرار أي زيادات مفاجئة في المقاومة الداخلية لكي تتدخَّل قبل أن تخرج الأمور عن السيطرة وتتجه نحو ظروف الاندفاع الحراري الخطرة.

التحسين على مستوى النظام لكفاءة بطارية الليثيوم-أيون ذات الجهد ٤٨ فولت

ذكاء نظام إدارة البطارية (BMS): موازنة في الوقت الفعلي، وإدارة الحرارة، والحفاظ على الكفاءة

بالنسبة لأنظمة الليثيوم-أيون ذات الجهد 48 فولت، يلعب نظام إدارة البطارية (BMS) عالي الجودة دورًا حيويًّا في الحفاظ على مؤشر العائد إلى الطاقة (RTE) عند مستويات مقبولة. ويقوم النظام باستمرار برصد جهود الخلايا الفردية ودرجات حرارتها وتدفُّق التيار فيها لتوازن الخلايا ديناميكيًّا، مما يمنع هدر الطاقة الناجم عن عدم تطابق الخلايا. وتشكِّل السيطرة على درجة الحرارة وظيفةً أساسيةً أخرى. فعند الاحتفاظ بدرجة الحرارة ضمن النطاق المثالي (20–30 درجة مئوية)، يمكن لنظام إدارة البطارية (BMS) منع الخسائر الكبيرة في مؤشر العائد إلى الطاقة (RTE) التي تحدث عندما تنخفض درجات الحرارة إلى ما دون 10 درجات مئوية، حيث تنخفض الكفاءة عادةً بنسبة تزيد على 15٪. كما تساعد التعديلات الفورية في عمليتي الشحن والتفريغ في خفض الخسائر الناجمة عن المقاومة وتلك التحولات الجهدية المعقدة التي تُعرف باسم «الهستيرسيس». وما يجعل هذا الأمر بالغ الأهمية هو قدرة نظام إدارة البطارية (BMS) على منع الحالات الخطرة مثل الشحن الزائد والتفريغ العميق وذروات التيار المفاجئة، والتي تؤدي تدريجيًّا إلى انخفاض كفاءة التحويل. ولا تقتصر فوائد هذه الحمايات على إطالة عمر البطارية قبل الحاجة إلى استبدالها فحسب، بل تضمن أيضًا أداءً ثابتًا لمؤشر العائد إلى الطاقة (RTE) طوال فترة التشغيل الكاملة للبطارية.

مقارنة كيميائية: ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO₄) مقابل نيكل منغنيز كوبالت (NMC) لتحويل طاقة بطاريات الليثيوم-أيون ذات الجهد ٤٨ فولت

الاستقرار الدوراني، واتساق الجهد، ومقايضات المقاومة الداخلية

تلعب الكيمياء المختارة دورًا رئيسيًّا في سلوك كفاءة التحويل الطاقي العكسي (RTE) داخل أنظمة الجهد ٤٨ فولت. فلنأخذ مثالاً على بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LFP): تتميَّز هذه المادة باستقرار استثنائي في دورة الشحن والتفريغ، حيث تحتفظ بأكثر من ٨٠٪ من سعتها حتى بعد آلاف الدورات، وذلك بفضل هيكلها البلوري المستقر من نوع «أوليڤين». وعلى الرغم من أن جهدها الأسمى أقل نسبيًّا (حوالي ٣,٢ فولت لكل خلية)، فإن هذا يُفضِّل في الواقع خصائص الأداء في تطبيقات معينة. أما كثافة الطاقة فهي أقل إثارة للإعجاب (تقريبًا ٩٠–١٢٠ واط ساعة/كجم)، لكن ما يميِّز بطاريات LFP هو قدرتها على الحفاظ على إخراج طاقة ثابت ومقاومة مشاكل ارتفاع الحرارة الداخلية عند التحميل. ومن ناحية أخرى، تقدِّم بطاريات NMC أداءً أعلى، إذ يتراوح جهدها بين ٣,٦ و٣,٧ فولت لكل خلية، وتوفِّر كثافة طاقة أعلى بكثير تتراوح بين ١٥٠ و٢٥٠ واط ساعة/كجم. ومع ذلك، تأتي هذه المزايا بتكلفةٍ مرتفعة: فمعظم خلايا NMC تتحلَّل بشكل أسرع، وتصل إلى نهاية عمرها الافتراضي ما بين ١٠٠٠ و١٥٠٠ دورة شحن وتفريغ. كما تُظهر انخفاضًا في كفاءة التحويل الطاقي العكسي (RTE) بنسبة ٣–٥٪ مقارنةً بخلايا LFP أثناء عمليات التفريغ عالي القدرة لفترات طويلة، ويعود ذلك أساسًا إلى مقاومة أعلى ناتجة عن مكونات الكوبالت وحساسيتها الأكبر لتغيرات درجة الحرارة. ولذلك نجد أن بطاريات LFP تهيمن حاليًّا على التطبيقات الثابتة مثل أنظمة تخزين الطاقة الشمسية، حيث تكتسب الموثوقية على المدى الطويل أولويةً أكبر من الحجم المدمج. وفي المقابل، لا يزال المصنِّعون يفضِّلون بطاريات NMC في الأجهزة المحمولة، حيث يكتسب كل غرام وزنًا بالغ الأهمية.

قسم الأسئلة الشائعة

ما المقصود بكفاءة الدورة الكاملة (RTE) في البطاريات؟

تقاس كفاءة الدورة الكاملة (RTE) بمقدار الطاقة المفيدة التي توفرها البطارية مقارنةً بالطاقة المُدخلة إليها خلال دورة شحنٍ وتفريغٍ كاملة.

لماذا تكتسب كفاءة الدورة الكاملة (RTE) أهميةً بالغةً في بطاريات الليثيوم-أيون؟

تُعد كفاءة الدورة الكاملة (RTE) عاملاً حاسماً لأنها تؤثر في تكاليف الطاقة وعمر البطارية الافتراضي والانبعاثات، ما يجعلها ضروريةً لتقدير العائد على الاستثمار في التطبيقات التي تتطلب كفاءةً عاليةً وعدداً كبيراً من دورات الشحن والتفريغ.

كيف تؤثر درجة الحرارة في كفاءة بطاريات الليثيوم-أيون؟

يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى خفض الكفاءة بشكلٍ ملحوظ، حيث تتجاوز الخسائر ١٥٪ عند درجات حرارة أقل من ١٠°م، وذلك بسبب ازدياد المقاومة الداخلية وتباطؤ حركة الأيونات.

ما الدور الذي تؤديه نظام إدارة البطارية (BMS) في تحسين كفاءة البطارية؟

يُحسّن نظام إدارة البطارية (BMS) الكفاءة من خلال تنظيم جهود الخلايا، والتحكم في درجة الحرارة، وإجراء التعديلات الفورية على عمليات الشحن/التفريغ، ومنع التلف الذي قد يضر بالكفاءة.