أساسيات أداء البطارية: المعلمات الأساسية وتفاعلاتها

سعة البطارية (mAh): مقياس لقوة البطارية

1. تعريف ومضمون

يتم التعبير عن سعة البطارية في مليامبيرس ساعة (mAh) ، وهو المنتج من التيار (مليامبيرس، م) والوقت (ساعات، ساعة). على سبيل المثال، بطارية 1000mAh تعني:

يمكن أن تستمر الفراغات عند 1000mA (1A) لمدة ساعة واحدة.

التفريغ عند 500mA يمكن أن يستمر لمدة ساعتين.

أساسا: mAh يقيس الكمية الإجمالية للشحنة التي يمكن أن تخزنها البطارية، دون الإشارة إلى الجهد، على غرار "قدرة الماء" في دلو.

- 2. فهم خاطئ شائع: كمية كبيرة من السعرات الماه ≠ عمر بطارية طويل

فكرة خاطئة: التفكير بأن بطارية 5000 ميلياهار ستستمر بالتأكيد لفترة أطول من بطارية 3000 ميلياهار.

الحقيقة: عمر البطارية يحدده الطاقة (Wh) ، وليس فقط السعة.

 

كثافة الطاقة (واط ساعة/كجم): المؤشر الأساسي لتحديد درجة الحمل

1. التعريف والأهمية

تشير كثافة الطاقة إلى كمية الطاقة المخزنة لكل وحدة وزن من البطارية (واط ساعة/كجم)، وهي معلمة أساسية لقياس قدرة البطارية على "التنحيف":

كثافة الطاقة الحجمية (واط ساعة/لتر): تؤثر على سُمك الجهاز (مثل بطاريات الهواتف المحمولة)؛

كثافة الطاقة الكتلية (واط ساعة/كجم): تحدد خفة معدات (مثل مدى سير المركبات الكهربائية).

2. مقارنة لكثافة الطاقة عبر مختلف التقنيات.

نوع البطارية	كثافة الطاقة الكتلية (واط ساعة/كجم)	التطبيقات النموذجية
بطارية حمض الرصاص	50-70	البطارية القياسية لتشغيل المركبات الكهربائية
بطارية فوسفات حديد الليثيوم	140-200	محطات تخزين الطاقة، والمركبات التجارية
بطارية الليثيوم الثلاثية	250-350	المركبات الكهربائية، والهواتف المحمولة عالية الجودة
بطارية الليثيوم الصلبة	350-500 (قيد التطوير)	الجيل التالي من المركبات الكهربائية والطائرات المُسيَّرة

3. الجانب المزدوج للكثافة الطاقية

المزايا: عندما تصل كثافة الطاقة في بطاريات الليثيوم الثلاثية إلى 300 واط ساعة/كجم، يمكن أن يتجاوز مدى المركبات الكهربائية 600 كم؛

التحدي: مع كل زيادة بنسبة 10% في كثافة الطاقة، تزداد مخاطر التفاعل الحراري غير المنضبط بنسبة 15%، مما يتطلب نظام تحكم في درجة الحرارة أكثر تعقيدًا.

 

منحنيات الشحن والتفريغ: "رسم القلب" لأداء البطارية

1. الرمز الكهروكيميائي وراء المنحنى

تعكس منحنى الشحن والتفريغ قانون تغير جهد البطارية مع الطاقة، حيث تتميز بشكل نموذجي بـ:

مرحلة الشحن:

شحن التيار الثابت (يرتفع الجهد بسرعة);

شحن الجهد الثابت (يقل التيار تدريجياً، ويستقر الجهد).

مرحلة التفريغ:

ينخفض الجهد أولاً بسرعة، ثم يدخل فترة مستقرة ثابتة، وأخيراً ينخفض بحدة إلى الجهد النهائي.

 

2. تحليل المعلمات الرئيسية

منصة الجهد: النطاق الذي يظل فيه الجهد مستقراً أثناء التفريغ. كلما كانت المنصة أعلى وأطول، كانت أداء البطارية أفضل.

على سبيل المثال: منصة تفريغ بطارية الليثيوم الحديد الفوسفاتية هي 3.2 فولت، ومنصة بطارية الليثيوم الثلاثية هي 3.7 فولت، والأخيرة تمتلك طاقة أعلى.

ظاهرة الاستقطاب: ينخفض الجهد بسرعة أكبر أثناء تفريغ التيار العالي (مثلاً، ينخفض الجهد 0.5 فولت أكثر أثناء تفريغ 10C مقارنة بـ 1C) بسبب زيادة فقدان مقاومة الداخلية.

3. العلاقة بين المنحنى وسيناريوهات الاستخدام

تسارع المركبات الكهربائية: يتطلب تفريغ تيار عالٍ (5-10C)، ويحتاج إلى منصة منحنى مائلة قليلًا (اهتزاز جهد كهربائي منخفض)

تخزين الطاقة وتنظيم القمة: تفريغ تيار منخفض لفترة طويلة (أقل من 0.5C)، واستقرار المنصة أكثر أهمية.

 

عمر الدورة: مؤقت لاستدامة البطارية

1. التعريف والمعايير

يُقصد بعمر الدورة عدد الدورات الكاملة من الشحن الكامل إلى التفريغ (DOD=100%) ثم الشحن الكامل مجددًا، حتى تنخفض السعة إلى 80% من القيمة المقدرة.

بيانات نموذجية:

بطارية الليثيوم الثلاثية: 1000 دورة (DOD=100%)

بطارية فوسفات الحديد الليثيومية: 3000 دورة (DOD=100%)

بطارية حمض الرصاص: 500 دورة (DOD=80%)

2. القتلة الأربعة المؤثرة على عمر الدورة

الشحن الزائد والتفريغ الزائد: يؤدي الشحن فوق 4.3 فولت أو التفريغ تحت 2.5 فولت إلى إحداث تلف دائم في هيكل الإلكترود.

بيئة درجة الحرارة العالية: يؤدي تخزين البطارية عند 60 درجة مئوية لمدة شهر إلى تقليل عمر الدورة بنسبة 50%.

الشحن والتفريغ بتيار عالي: يؤدي الشحن السريع بتيار 10C إلى تقليل عدد الدورات بنسبة 30% مقارنة بالشحن السريع بتيار 0.5C.

التخزين الطويل مع الشحن الكامل: عندما تخزن بطارية الليثيوم مشحونة بالكامل لمدة شهر، تنخفض سعتك بنسبة 5%.

القاعدة الذهبية لزيادة العمر الافتراضي

الشحن والتفريغ الجزئي: حافظ على مستوى الشحن (SOC) بين 20% و80% للاستخدام اليومي (على سبيل المثال: قم بشحن هاتفك عندما تصل نسبة البطارية إلى 20%).

تجنب درجات الحرارة المرتفعة: تجنب تعرض مركبتك الكهربائية لأشعة الشمس المباشرة أثناء الشحن. عندما تتجاوز درجة الحرارة داخل السيارة 60 درجة مئوية في الصيف، ينخفض عمر البطارية بسرعة.

الشحن والتفريغ العميق بانتظام: أتمم شحنًا كاملاً وتفريغًا كاملاً كل 3 أشهر وقم معايرة عرض الطاقة في نظام إدارة البطارية (BMS).

 

تأثير الارتباط بين المعايير الأساسية

1. المفاضلة بين كثافة الطاقة وعمر الدورة

تتميز بطاريات الليثيوم الثلاثية بكثافة طاقة عالية ولكن بعمر دورة قصير، مما يجعلها مناسبة للمركبات الكهربائية التي تتطلب مدى قيادة أطول.

تتميز بطاريات فوسفات الحديد الليثيومية بعمر دورة طويل ولكن بكثافة طاقة منخفضة، مما يجعلها أكثر ملاءمة لمحطات تخزين الطاقة (التي تتطلب عمليات شحن وتفريغ متكررة).

2. التفاعل بين السعة ومنحنى الشحن/التفريغ

عادةً ما تمتلك البطاريات عالية السعة (مثل 5000 ملي أمبير/ساعة) مقاومة داخلية أكبر، وينخفض منصة الجهد بشكل أكثر وضوحًا خلال تفريغ التيار العالي.

عند نفس السعة، تمتلك البطاريات ذات منصة الجهد الأعلى (مثل 3.7 فولت مقابل 3.2 فولت) طاقة أعلى، ولكن قد ترافقها خسائر تشتت أعلى.