تُشكّل المناخات الباردة تحديات كهروكيميائية وميكانيكية مُحددة لبطاريات الليثيوم. تُلخّص هذه المقالة أنماط الأعطال الرئيسية، وتُقدّم حلولاً هندسية (نظام إدارة البطاريات (BMS)، والتسخين المُسبق، والخيارات الكيميائية، والتغليف)، وتُقدّم أمثلة عملية لمنشآت الاتصالات، والمركبات الكهربائية، والطاقة الشمسية النائية.

تحديات استخدام بطاريات الليثيوم في المناخات الباردة

1. انخفاض القدرة القابلة للاستخدام

عند درجات الحرارة المنخفضة، تتباطأ حركة الأيونات وحركية التفاعل، مما يُقلل من إنتاج البطارية للطاقة القابلة للاستخدام. تنخفض السعة النسبية عادةً مع انخفاض درجة الحرارة (انظر الجدول والرسم البياني أدناه).

2. بطء الشحن وخطر طلاء الليثيوم

قد يؤدي الشحن عند درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية إلى ترسب الليثيوم المعدني (الطلاء) على الأنود. يُعد الليثيوم المطلي مادة فعالة مفقودة، مما يزيد من خطر حدوث ماس كهربائي.

3. زيادة المقاومة الداخلية (IR)

تُظهر الخلايا الباردة مقاومة أعلى للأشعة تحت الحمراء، مما يُسبب انخفاضًا أكبر في الجهد تحت الحمل وفقدانًا أكبر للطاقة. قد يُفعّل هذا الحماية من انخفاض الجهد قبل الأوان.

4. المخاوف الميكانيكية والسلامة

يمكن أن تؤدي دورات التجميد والذوبان، ومخاطر التكثيف، وهشاشة مادة العلبة إلى حدوث ضغوط ميكانيكية، أو تآكل، أو إتلاف الأختام.

السعة النموذجية مقابل درجة الحرارة

الحلول الهندسية وأفضل الممارسات

1. نظام إدارة البطارية (BMS) مع منطق يراعي درجة الحرارة

تنفيذ منطق BMS الذي:

• يمنع الشحن تحت الحد الأدنى من درجة الحرارة الآمنة (عادة 0 درجة مئوية ما لم تحدد الخلية خلاف ذلك).
• يوفر تيار شحن متكيفًا استنادًا إلى درجة حرارة الخلية المقاسة.
• يسجل تاريخ درجة الحرارة ويطلق إجراءات الحماية (العزل، خفض الأداء) عند الحاجة.

2. أنظمة التسخين المسبق / التسخين الذاتي

تشمل الخيارات ما يلي:

• وسادات تدفئة مقاومة متكاملة يتم التحكم فيها بواسطة نظام إدارة البطارية (BMS) — تُستخدم لتدفئة العبوات قبل الشحن أو الأحداث ذات التحميل العالي.
• تقنيات الخلايا ذاتية التسخين (خلايا تحتوي على سخانات داخلية أو إضافات) للاستخدام في ظروف البرودة الشديدة.
• حالة الاستخدام: عادةً ما تطبق المركبات الكهربائية التدفئة على مستوى العبوة باستخدام طاقة المركبة أو من شاحن خارجي.

3. اختيار الكيمياء

خذ بعين الاعتبار المواد الكيميائية التي تتحمل درجات الحرارة المنخفضة عندما يكون ذلك مناسبًا:

• LFP (LiFePO₄) - قوي بطبيعته، وذو دورة حياة جيدة، وسلوك معتدل في درجات الحرارة المنخفضة.
• LTO (تيتانات الليثيوم) - أداء ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة وإمكانية الشحن السريع، ولكن بتكلفة أعلى.
• يمكن أيضًا أن يؤدي تعديل تركيبة الأقطاب الكهربائية وإضافات الإلكتروليت إلى تحسين قبول الشحنة في درجات الحرارة المنخفضة.

4. التصميم الحراري والعزل

تدابير على مستوى العلبة والعبوة:

• صناديق معزولة بمواد ذات موصلية حرارية منخفضة لتقليل فقدان الحرارة.
• المواد الكتلية الحرارية ومواد تغير الطور (PCM) حيث تكون التقلبات اليومية ذات صلة.
• تقليل تسرب الهواء والحماية من التكثيف؛ تضمين المجففات ومؤشرات الرطوبة عند الحاجة.

5. بروتوكولات الشحن الذكية

استخدم الشحن التكيفي:

• الشحن البطيء مع مراعاة درجة الحرارة المحددة حتى تصل الخلايا إلى درجة حرارة آمنة، ثم زيادة التيار.
• ملفات تعريف شحن قابلة للتكوين ميدانيًا لتحقيق التوازن بين سرعة الشحن وصحة الخلية.

خاتمة

تُشكّل المناخات الباردة تحدياتٍ واضحةً لأداء بطاريات الليثيوم وطول عمرها، ولكن يُمكن تحمّلها بتصميمٍ مُدروسٍ للنظام. تجمع الاستراتيجية الأكثر فعاليةً بين: منطق نظام إدارة البطارية (BMS) المُراعي لدرجة الحرارة، والعزل المُتواضع، والقدرة على التسخين المُسبق، والاختيار الدقيق للكيمياء . في العديد من عمليات النشر، يُحقق هذا النهج المُختلط تشغيلًا موثوقًا بتكلفةٍ معقولة.

تقدم شركة هواوين نيو باور خدمات شاملة لأنظمة البطاريات في المناخات الباردة: اختيار التركيبة الكيميائية، وتكوين نظام إدارة البطاريات (BMS)، والتصميم الحراري، واختبار النماذج الأولية، والتحقق الميداني. تواصل مع فريقنا لمناقشة حل مُصمم خصيصًا لتطبيقك.

إخلاء مسؤولية: البيانات والمنحنيات في هذه المقالة توضيحية. للتصميم النهائي، استخدم أوراق بيانات خاصة بالخلية، وأجرِ اختبارات على مستوى التطبيق.