كيفية اختبار ما إذا كانت البطارية تتمتع بأداء دورة طويلة؟

فهم الأداء في الدورات الطويلة: التعريف والمؤشرات الرئيسية

ما هو العمر الطويل للدورة في بطاريات الليثيوم أيون؟

يشير مصطلح دورة الحياة الطويلة بشكل أساسي إلى مدى قدرة البطارية على الاحتفاظ بقوتها القابلة للاستخدام بعد المرور عبر مئات من دورات الشحن والتفريغ. وعند الحديث تحديدًا عن بطاريات الليثيوم أيون، فإننا ننظر إلى عدد مرات الشحن الكامل (من حوالي 80% إلى 100%) التي يمكن للبطارية تحملها قبل أن تنخفض سعتها إلى 80% فقط من سعتها الأصلية - وهي النقطة التي يعتبرها معظم العاملين في المجال بداية تدهور موثوقية البطارية (كما أفاد معهد بونيمون في عام 2023). إن تحقيق أداء جيد عبر هذه الدورات له أهمية كبيرة بالنسبة للتطبيقات التي تحتاج إلى طاقة مستدامة دون استبدالات متكررة، مثل السيارات الكهربائية التي تواصل السير لمسافات طويلة، أو تلك المجموعات الضخمة من البطاريات المستخدمة لتخزين الطاقة المتجددة عبر شبكات الطاقة بأكملها.

العلاقة بين دورات الشحن والتفريغ واحتفاظ السعة

في كل مرة تمر فيها البطاريات بعمليات الشحن والتفريغ، تفقد تدريجيًا قدرتها على الاحتفاظ بالطاقة بسبب التغيرات الكيميائية التي تحدث داخل مواد الأقطاب والمحلول الإلكتروليتي. وعندما نُجهدها أكثر عن طريق التفريغ العميق في كل دورة، يحدث هذا التآكل بشكل أسرع بكثير. انظر إلى أرقام من الواقع: عادةً ما تصل البطاريات التي تُستخدم حتى 90٪ من سعتها إلى مرحلة النهاية بعد حوالي 40٪ من الوقت مقارنة بتلك التي تُفرغ فقط حتى 50٪. وبالتالي يصبح إيجاد توازن مناسب بين عمق التفريغ ومدة عمر البطارية أمرًا بالغ الأهمية لأي شخص يسعى لتحقيق أقصى أداء على المدى الطويل.

المعيار الصناعي: 80٪ من السعة كعتبة لنهاية العمر الافتراضي

يُعتبر معيار السعة البالغ 80٪ — حيث تحتفظ البطارية فقط بأربعة أخماس طاقتها الأولية — النقطة الوظيفية المقبولة على نطاق واسع عبر الصناعات. تُظهر الأبحاث أن الأداء والموثوقية ينخفضان بشكل حاد عند التدني عن هذا المستوى، مع زيادة معدلات الفشل خمس مرات (IEEE 2023). ويُستخدم هذا المعيار في تحديد شروط الضمان وجداول الصيانة وتخطيط الاستبدال.

أساليب الاختبار الموحّدة لتقييم الأداء الطويل الدورة

نظرة عامة على بروتوكولات اختبار عمر دورة البطارية

يوفر معيار IEC 61960 أساليب لتقييم أداء البطاريات عبر العديد من الدورات باستخدام اختبارات خاضعة للرقابة، حيث يتم شحنها وتفريغها بشكل متكرر. تقوم المختبرات بإجراء هذه الاختبارات بسرعة أكبر من المعتاد من خلال تسريع عملية الشيخوخة، مما يمكنها من رؤية ما يحدث بعد سنوات من الاستخدام في غضون بضعة أسابيع فقط. عندما تتبع المرافق إرشادات EN 45552:2020 لاختبار المتانة، فإن تنبؤاتها بشأن عمر البطارية تكون دقيقة إلى حد كبير في معظم الأحيان، وعادةً ضمن هامش خطأ يقارب 2٪. وهذا يوضح أهمية الالتزام بالمعايير المُعتمدة للحصول على بيانات موثوقة عند اختبار عمر البطارية الطويل.

دورة الشحن والتفريغ: طرق CC-CV والتيار الثابت

يتم استخدام طريقتين رئيسيتين في اختبار الدورات:

• التيار الثابت-الجهد الثابت (CC-CV) : يتم تطبيق تيار ثابت حتى الوصول إلى حد الجهد، ثم يُثبت الجهد لإكمال عملية الشحن. هذه الطريقة توازن بين الكفاءة وصحة الخلية.
• التيار الثابت البحت : أبسط ولكن يمكن أن يُجهد الخلايا بشكل مفرط من خلال تجاهل حدود الجهد.

تُظهر الدراسات أن طريقة الشحن CC-CV تحسّن عمر الدورة بنسبة 18٪ مقارنة بالتيار الثابت وحده عند الاختبار حتى الاحتفاظ بسعة 80٪.

مراقبة الجهد والتيار والمقاومة الداخلية أثناء الاختبار

تمكّن المراقبة الفورية للمعايير الرئيسية من اكتشاف مبكر لأنماط التدهور. وتشمل المقاييس الحرجة ما يلي:

تطبق الأنظمة الآلية معايير ASTM F3283-17 لتحديد الشذوذ وتحديد اتجاهات انخفاض السعة أثناء الاختبارات الممتدة.

المختبر مقابل الظروف الواقعية: معالجة التناقضات في المحاكاة

تُجرى اختبارات المختبرات عادةً في بيئات خاضعة للرقابة حول 25 درجة مئوية، مع تفاوت درجة واحدة تقريبًا، ولكن في العالم الحقيقي، تتعرض البطاريات لمجموعة متنوعة من التغيرات في درجات الحرارة وأحمال العمل المختلفة. فقط فكّر في مدى سرعة انخفاض عمر البطارية عند التعرض للحرارة أو البرودة الشديدة. وفقًا لبحث نُشر بواسطة AAC في عام 2023، يمكن لتقلبات درجات الحرارة هذه وحدها أن تسرّع من تآكل البطارية بنسبة تصل إلى 35%. الخبر الجيد هو أن الطرق الحديثة للاختبار أصبحت أكثر ذكاءً. يستخدم العديد من المرافق الآن غرف تحكم مناخي تتراوح بين ناقص 20 إلى زائد 60 درجة مئوية، إلى جانب أنماط استخدام حقيقية بدلًا من النماذج النظرية فقط. يقلل هذا الأسلوب من المحاكاة غير الدقيقة بشكل كبير، ويُخفض معدلات الخطأ من حوالي 40% إلى أقل من 12% في معظم الحالات.

المعدات الأساسية لاختبار الدورة الطويلة الدقيقة

أجهزة تفريغ وشحن البطاريات: الميزات ومعايير الاختيار

تُعدّ أجهزة تفريغ وشحن البطاريات مركزية في اختبارات الدورات الطويلة، حيث تتيح إعادة تكرار تسلسلات الشحن والتفريغ بدقة. وتتميز الموديلات المتطورة بدقة تيار تبلغ ±0.05٪ والتحكم القابل للبرمجة في الظروف البيئية، كما تم التحقق منها في دراسة BTS-4000. وتشمل عوامل الاختيار الرئيسية ما يلي:

• إمكانية التشغيل عبر قنوات متعددة لإجراء اختبارات متوازية
• مدى درجة الحرارة التشغيلية من -40°م إلى +85°م
• الامتثال لمعايير السلامة UN 38.3 وIEC 62133

تضمن هذه الميزات تقييماً موثوقاً وقابلًا للتوسيع لعمر بطاريات الليثيوم أيون.

أنظمة اقتناء البيانات لمراقبة الأداء المستمر

تراقب أنظمة اقتناء البيانات (DAQ) الحديثة أكثر من 15 معاملًا في آنٍ واحد، بما في ذلك المعاوقة (بدقة تصل إلى 0.1 مللي أوم) ومعاملات الإنتروبيا. ويقلل دمج أدوات تحليل الملف الحراري من أخطاء تنبؤ انخفاض السعة بنسبة 22٪ مقارنةً بالاعتماد على الجهد فقط. وتشمل القدرات الأساسية ما يلي:

• محولات تناظرية رقمية (ADCs) بتقنية 24 بت لقياسات الميكروفولت عالية الدقة
• معدلات عينة تتجاوز 1 كيلو هرتز لالتقاط الأحداث العابرة
• تحليلات قائمة على السحابة لتتبع التدهور في الوقت الفعلي

بالتعاون مع أجهزة تدوير البطاريات، تمكن أنظمة اقتناء البيانات (DAQ) من تقييم شامل لكثافة الطاقة (وات-ساعة/كغ) واحتفاظ القدرة (%) عبر آلاف الدورات.

تقييم التدهور وحالة الصحة (SOH) على مدى عمر دورة طويل

يعتمد التقييم الفعّال للأداء على المدى الطويل للدورات على المراقبة المنهجية للتدهور والنماذج المتقدمة لحالة الصحة (SOH).

تتبع انخفاض السعة إلى 80٪ على مدى دورات شحن وتفريغ ممتدة

تُفقد معظم بطاريات الليثيوم أيون حوالي 1-4٪ من سعتها كل عام عند الاستخدام العادي، على الرغم من أن دورات الشحن المتكررة تسرّع هذا الانخفاض بشكل كبير. تقوم المختبرات باختبارات قياسية يتم فيها التحقق من كمية الطاقة الخارجة بعد كل دورة شحن/تفريغ كاملة، وترسم هذه النتائج على رسوم بيانية تُظهر كيف تؤثر تغيرات درجة الحرارة وعمق التفريغ على عمر البطارية. يتفق العاملون في المجال الصناعي عمومًا على أنه بمجرد وصول البطارية إلى حوالي 80٪ من سعتها الأصلية، فقد حان الوقت للتفكير في استبدالها بالنسبة لمعظم الاستخدامات اليومية، على الرغم من أن بعض المعدات المتخصصة قد تستمر في العمل ما بعد هذه النسبة.

تقدير حالة البطارية باستخدام نماذج عمر الدورة

تُعد نماذج الحالة الصحية للبطارية (SOH) اليوم متقدمة جدًا، حيث تجمع بين بيانات الدوران من العالم الواقعي ومبادئ الكيمياء الكهربائية للتنبؤ بمدة بقاء البطارية قبل الحاجة إلى استبدالها. وقد نجحت بعض النهج الهجينة الأحدث التي تجمع بين تقنيات التعلم الآلي وأنماط البلى الفعلية في تحقيق تنبؤات بالسعة بدقة تقل عن 3٪ حتى بعد 500 دورة شحن. ما يجعل هذه النماذج فعّالة للغاية هو قدرتها على تحليل عوامل مثل تقلبات الجهد مع مرور الوقت، وزيادة المقاومة الداخلية، والتغيرات الحرارية أثناء التشغيل، مما يمكنها من إجراء توقعات دقيقة حول سعة البطارية دون الحاجة إلى إعادة معايرة كاملة باستمرار.

دراسة حالة: تنبؤ الحالة الصحية للبطارية (SOH) في بطاريات المركبات الكهربائية بعد أكثر من 1000 دورة

في التطبيقات automotive، تُثبت البيانات المبكرة في الدورة تنبؤًا عاليًا بالأداء على المدى الطويل. وجدت دراسة أجريت في عام 2024 أن استخدام أول 200 دورة يسمح بالتنبؤ الدقيق بسعة البطارية عند 1,000 دورة، مع أخطاء تنبؤ أقل من 5%. وهذا يبرز أهمية المراقبة المستمرة والنمذجة القائمة على البيانات لضمان الموثوقية في البيئات ذات الطلب العالي.

العوامل الرئيسية المؤثرة على الأداء الطويل للدورة

تأثيرات درجة الحرارة على شيخوخة البطارية وعمر الدورة

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على معدلات التدهور، وفقًا للعلاقة الآرثوسية. تتدهور البطاريات التي تعمل عند 45°م بسرعة تزيد بمقدار 2.3 مرة مقارنة بتلك التي تعمل عند 25°م (دراسة شيخوخة البطاريات 2023)، ويرجع ذلك أساسًا إلى تفكك الكهربائي المتسارع ونمو طبقة ما بين الإلكتروليت الصلب (SEI). ومن الضروري الحفاظ على الظروف الحرارية المثلى لتعظيم عمر الدورة.

تأثير معدلات الشحن/التفريغ وعمق التفريغ (DoD)

تؤدي معدلات الشحن/التفريغ العالية (>1C) إلى إجهاد ميكانيكي يُتلف هياكل الأقطاب، في حين أن التفريغ العميق (>80% عمق التفريغ) يستنفد الليثيوم الفعّال. تُظهر بيانات الحقل علاقة عكسية واضحة بين عمق التفريغ وعمر الدورة:

يمكن أن يؤدي تقييد عمق التفريغ دون 60% إلى مضاعفة العمر الافتراضي في أنظمة التخزين الثابتة.

موازنة الأداء العالي مع عمر دورة طويل في التطبيقات الصناعية

يُظهر سوق المركبات الكهربائية التوازن الكلاسيكي بين أداء هذه المركبات ومدة استمرارها. فعندما يضغط السائقون على المكابح بقوة، تشحن نظام الاسترداد (regen) بشكل أسرع، لكن هذا قد يؤدي في الواقع إلى ظهور شقوق في أنود البطارية مع مرور الوقت. كما أن الرحلات الطويلة على الطرق السريعة وبسرعات عالية (حوالي 4 أضعاف معدلات التفريغ العادية) تتسبب في تآكل البطاريات بشكل أسرع بكثير مقارنة بالقيادة المتقطعة في المدينة، ما يجعلها تتدهور أسرع بنسبة تصل إلى 18%. قد يتساءل البعض عن سبب إنفاق الشركات لمبالغ إضافية على أنظمة إدارة الحرارة التي ترفع التكاليف بنسبة تتراوح بين 9 و12%. والجواب هو أن هذه الأنظمة تحافظ على برودة البطاريات أثناء التشغيل، وتتمكن بطريقةٍ ما من تمديد عمرها الافتراضي بنسبة تصل إلى 40%. كما أن كبرى شركات صناعة السيارات أصبحت أكثر ذكاءً في هذا المجال. فهي تعتمد خوارزميات التعلّم الآلي لضبط توقيت شحن البطاريات وكيفية شحنها. وتقلل هذه الأساليب الذكية للشحن من عملية التقدم في العمر الزمني (calendar aging) بنحو 22%، مع الحفاظ في الوقت نفسه على أداء قوي من حيث الإخراج الكهربائي للتطبيقات الصناعية الخاصة بالتخزين التجاري عبر مختلف القطاعات.

الأسئلة الشائعة

ما أهمية دورة الحياة الطويلة في بطاريات الليثيوم أيون؟

تحدد الدورة الحياتية الطويلة مدى قدرة البطارية على الاحتفاظ بالطاقة القابلة للاستخدام عبر دورات شحن وتفريغ مكثفة، وهي عامل حاسم في التطبيقات التي تتطلب مصادر طاقة متينة مثل المركبات الكهربائية وأنظمة التخزين الكبيرة للطاقة.

كيف تؤثر درجة الحرارة على عمر البطارية؟

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على معدلات التدهور. فتتدهور البطاريات بشكل أسرع في درجات الحرارة القصوى، مما قد يسرّع من عملية البلى، وبالتالي فإن الحفاظ على الظروف الحرارية المثلى أمر بالغ الأهمية لتعظيم عمر الدورة.

ما الذي يُعتبر عتبة نهاية العمر للبطارية؟

عادةً ما تكون عتبة نهاية العمر هي اللحظة التي تحتفظ فيها البطارية فقط بـ 80٪ من سعتها الأصلية، حيث يمكن أن ينخفض الأداء والموثوقية بشكل حاد.