بطارية الليثيوم هي بطارية تجمع خلايا ليثيوم متعددة متصلة تسلسليًا ومتوازيًا، ومجهزة بنظام إدارة بطارية (BMS) وأجزاء هيكلية، وغيرها، لتلبية متطلبات الجهد والسعة والطاقة وغيرها من متطلبات البطارية لجهاز أو تطبيق محدد. تُستخدم على نطاق واسع في المركبات الكهربائية، والأدوات الكهربائية، وأنظمة تخزين الطاقة، والطائرات بدون طيار، وغيرها من المجالات. في هذه المقالة، سنقدم أساسيات بطارية الليثيوم.
1، مكونات حزمة بطارية الليثيوم
خلايا بطارية الليثيوم:
وحدة الطاقة الأساسية، والتي توجد عادة في الخلايا الأسطوانية (مثل 18650، 21700)، والمربعة (الحالة الصلبة)، والخلايا ذات العبوة الناعمة (البوليمر).
الخلية هي الجزء الأساسي في بطارية الليثيوم، وهي تُوفر الطاقة الكهربائية. توجد عادةً خلايا ليثيوم كوبالت، وفوسفات حديد الليثيوم، وثلاثية الليثيوم، وأنظمة أخرى مختلفة من خلايا البطاريات، ولكل منها خصائصها الخاصة، مثل بطارية ليثيوم كوبالت ذات كثافة طاقة عالية، لكنها ضعيفة الأمان نسبيًا؛ وبطارية ليثيوم فوسفات حديد الليثيوم ذات أمان جيد، لكنها منخفضة الكثافة. تختلف أنواع خلايا البطاريات في الجهد، والسعة، والعمر، والاستقرار الحراري، وغيرها من الخصائص.
نظام إدارة البطارية (BMS):
- مراقبة الجهد/التيار/درجة الحرارة: مراقبة في الوقت الحقيقي لحالة كل خلية من خلايا البطارية.
- إدارة المعادلة: القضاء على فروق السعة بين الخلايا من خلال المعادلة السلبية أو النشطة.
- وظائف الحماية: حماية من الشحن الزائد، حماية من التفريغ الزائد، حماية من التيار الزائد، حماية من الحرارة الزائدة، إلخ.
- تقدير SOC/SOH: قم بتقدير سعة البطارية المتبقية (SOC) وحالة الصحة (SOH).
المكونات الهيكلية والقشرة:
- الهيكل الميكانيكي: بما في ذلك غلاف البطارية، والقوس، وقطعة التوصيل، وقطعة التثبيت، والمواد العازلة، وما إلى ذلك، تستخدم لتثبيت وحماية الخلية الكهربائية والمكونات الأخرى، وفي الوقت نفسه تلعب دور الاتصال الكهربائي والدعم الميكانيكي.
- مواد الغلاف: سبائك الألومنيوم أو البلاستيك الهندسي أو المواد المركبة، والتي تحتاج إلى تلبية متطلبات القوة وخفة الوزن وتبديد الحرارة.
- تصميم الإدارة الحرارية: أحواض الحرارة، وأنابيب التبريد السائلة أو القنوات للتحكم في درجة حرارة تشغيل بطارية الليثيوم (عادةً 20~40 درجة مئوية).
- الموصلات وحزم الأسلاك: لتحقيق الاتصال بين وحدة بطارية الليثيوم والمعدات الخارجية ومصدر الطاقة ووحدة التحكم.
التوصيل الكهربائي
- تكوين التوصيل التسلسلي: وصّل الأطراف الموجبة والسالبة لعدة خلايا بالتتابع لزيادة الجهد الكلي لمجموعة البطاريات، بحيث يساوي الجهد الكلي مجموع جهد كل خلية، مع ثبات السعة. على سبيل المثال، يُمثّل التوصيل التسلسلي لبطارية ليثيوم 16S (LiFePo4) لزيادة الجهد 16 خلية على التوالي (مثلًا: 3.2 فولت × 16 = 51.2 فولت).
- التوصيل المتوازي: يؤدي توصيل القطب الموجب لعدة خلايا بالقطب الموجب، والقطب السالب بالقطب السالب، إلى زيادة السعة الإجمالية لحزمة البطارية، حيث تساوي السعة الإجمالية مجموع سعة كل خلية مع ثبات الجهد. على سبيل المثال، بتوصيل خمس خلايا، كل منها بجهد 3.2 فولت وسعة 20 أمبير/ساعة، على التوازي، يصبح جهد حزمة البطارية 3.2 فولت وسعتها 60 أمبير/ساعة.
- طريقة التوصيل: لحام الليزر، لحام صفائح النيكل أو توصيل البراغي، مطلوب مقاومة داخلية منخفضة وموثوقية عالية.
2. مقدمة للمعلمات الرئيسية لحزمة بطارية الليثيوم
الجهد: يُحدَّد جهد خرج حزمة البطارية بعدد الخلايا المتصلة على التوالي وجهد الخلية الواحدة. تتطلب تطبيقات مختلفة مستويات جهد مختلفة، على سبيل المثال، تستخدم الهواتف المحمولة عادةً بطاريات ليثيوم بجهد 3.7 فولت أو 4.2 فولت، بينما تستخدم المركبات الكهربائية عادةً حزم بطاريات عالية الجهد بمئات الفولتات.
السعة: تشير إلى كمية الشحنة التي تستطيع البطارية تخزينها، ووحدتها هي أمبير/ساعة. تحدد السعة المدة التي تستطيع فيها البطارية الاستمرار في توفير الطاقة بعد شحنها مرة واحدة.
الطاقة: إجمالي الطاقة الكهربائية (واط-ساعة) التي تستطيع حزمة البطارية إطلاقها. الطاقة تساوي الجهد مضروبًا في السعة. على سبيل المثال، حزمة بطارية 12 فولت، سعتها 100 أمبير/ساعة، طاقتها 12 فولت × 100 أمبير/ساعة = 1200 واط/ساعة = 1.2 كيلوواط/ساعة.
القدرة: كمية الطاقة الكهربائية التي تنتجها حزمة البطارية في وحدة زمنية، بوحدة واط (W) أو كيلوواط (KW). تؤثر كمية الطاقة على حجم الحمل الذي تستطيع حزمة البطارية تشغيله، وعلى الأداء التشغيلي للمعدات.
سيناريوهات تطبيق حزمة بطاريات الليثيوم
- الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية: الأجهزة الإلكترونية المحمولة: مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وما إلى ذلك، تحتاج هذه الأجهزة إلى حزمة بطارية ليثيوم أيون لتوفير كثافة طاقة عالية وحجم صغير وإمدادات طاقة خفيفة الوزن، من أجل تلبية قابلية نقل الجهاز والطلب على التحمل الطويل.
- الأجهزة الإلكترونية المنزلية: مثل المكانس الكهربائية اللاسلكية، وماكينات الحلاقة الكهربائية، وفرشاة الأسنان الكهربائية، وما إلى ذلك، توفر مجموعات بطاريات الليثيوم أيون حلول طاقة مرنة لهذه الأجهزة، مما يحررها من قيود أسلاك الطاقة ويجعلها أكثر ملاءمة للاستخدام.
- في مجال النقل الكهربائي: المركبات الكهربائية النقية، والمركبات الكهربائية الهجينة، والدراجات الكهربائية، والدراجات النارية الكهربائية، والدراجات ثلاثية العجلات الكهربائية، وعربات الجولف، والرافعات الشوكية الكهربائية وغيرها من التطبيقات، أصبحت حزم بطاريات ليثيوم أيون هي السائدة بفضل وزنها الخفيف وكثافتها العالية من الطاقة.
- تخزين الطاقة: تخزين الطاقة المتجددة، وتخزين شبكة الكهرباء، وتخزين الطاقة المنزلية. تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون لتخزين الطاقة الزائدة.
- المجال الطبي: أجهزة تنظيم ضربات القلب، وأجهزة إزالة الرجفان، وأجهزة التنفس الصناعي المحمولة، والمعدات الطبية المتنقلة، وما إلى ذلك. توفر مجموعات بطاريات الليثيوم أيون مصدر طاقة موثوقًا به لهذه الأجهزة، والتي تتطلب أمانًا عاليًا وعمرًا طويلًا وأداءً مستقرًا لضمان التشغيل الطبيعي للمعدات الطبية وسلامة المرضى.
اتجاه تطوير حزمة بطارية الليثيوم في المستقبل
التنمية الخضراء والمستدامة: في عملية الإنتاج، سيتم اعتماد معدات وعمليات إنتاج منخفضة استهلاك الطاقة والانبعاثات، وتعزيز معالجة نفايات الإنتاج واستعادتها، وتشجيع إعادة تدوير الموارد. وفي الوقت نفسه، سيتبع التركيز على استدامة مواد البطاريات، بدءًا من شراء المواد الخام ووصولًا إلى إعادة تدويرها، مبدأ حماية البيئة، مما يقلل من التأثير السلبي على البيئة.
إنتاج مُخصص ومرن: مع تنوع الطلب في السوق، سيتطور إنتاج بطاريات الليثيوم نحو التخصيص. بفضل التصميم المعياري، يُمكن لخط الإنتاج التكيف بسرعة مع الطلب على بطاريات بأنواع ومواصفات وهياكل مختلفة، مما يوفر للعملاء حلول منتجات مُخصصة لتلبية احتياجات مختلف سيناريوهات التطبيقات.
نمو ملحوظ في سوق تخزين الطاقة: مع التطور السريع للطاقة المتجددة، يتزايد الطلب على أنظمة تخزين الطاقة باستمرار. وباعتبارها المكون الأساسي لنظام تخزين الطاقة، تتمتع بطاريات الليثيوم بآفاق استخدام واسعة في مجالات تخزين طاقة الشبكة، وتخزين الطاقة المنزلية، وتخزين الطاقة الصناعية، وغيرها، مما سيعزز توسع سوق بطاريات الليثيوم.
تعزيز التعاون الدولي: مع تسارع تكامل السوق العالمية، ستعمل الشركات من مختلف البلدان على تعزيز التعاون والتبادل الدولي، وإجراء البحوث والتطوير التكنولوجي بشكل مشترك، ومشاركة الموارد والأسواق، وتعزيز الابتكار التكنولوجي والارتقاء الصناعي بخطوط إنتاج حزمة بطاريات الليثيوم، وتعزيز مستوى التنمية الشاملة لصناعة حزمة بطاريات الليثيوم العالمية.
