كيفية ضمان سلامة حزم البطاريات في درجات الحرارة العالية؟

فهم ظاهرة الانطلاق الحراري والمخاطر المرتبطة بها في حزم البطاريات

تحدث ظاهرة الانطلاق الحراري في حزم بطاريات الليثيوم-أيون عندما يفوق إنتاج الحرارة قدرة التبديد، مما يؤدي إلى دورة فشل ذاتية التسارع. تمثل هذه الظاهرة 38% من حالات فشل البطاريات في درجات الحرارة العالية (حسب موقع Energy-Storage.news لعام 2023)، وخصوصًا في المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة على الشبكة، حيث تزيد متطلبات التشغيل من مستويات الخطورة.

ما الذي يُسبب الانطلاق الحراري في حزم البطاريات؟

من الأسباب الشائعة ما يلي:

• تلف في سلامة الخلية (مثل ثقوب ناتجة عن عيوب تصنيعية)
• إساءة استخدام كهربائية مثل الشحن الزائد بأكثر من 4.25 فولت لكل خلية
• درجات الحرارة المحيطة التي تتجاوز 45°م (113°ف)

عند 80°م، تبدأ مواد الفاصل بالتحلل، مما يسمح بحدوث دوائر قصيرة داخلية (المصدر: Discovery Alert 2024). ويمكن أن يؤدي هذا إلى ارتفاع درجات الحرارة بسرعة إلى 500°م خلال ثوانٍ، مما يؤدي إلى إطلاق الكهارل القابلة للاشتعال وزيادة خطر نشوب حريق

توليد الحرارة مقابل التبديد: موازنة الديناميكيات الحرارية على مستوى الخلية

يتطلب الإدارة الحرارية الفعالة الحفاظ على معدل تبديد حراري أعلى بـ 2–3 مرات من معدل التوليد. وتؤثر عوامل التصميم الرئيسية على هذا التوازن:

غالبًا ما تفشل أنظمة التبريد السلبية في البيئات التي تزيد عن 30°م، مما يجعل عناصر التحكم الحرارية النشطة ضرورية للتطبيقات عالية الأداء.

استخدام معامل الانطلاق الحراري (TRF) لتقييم مخاطر السلامة

يُعبّر معامل الانطلاق الحراري (TRF) عن المخاطر باستخدام الصيغة التالية:
TRF = (معدل توليد الحرارة) / (سعة التبدد الحراري)

الأنظمة ذات القيمة TRF >1.2 لديها احتمال 85% لحدوث أعطال متسلسلة (Energy-Storage.news 2023). تقلل التصاميم الحديثة التي تتضمن مراقبة مستمرة لقيمة TRF من الحوادث المرتبطة بالحرارة العالية بنسبة 72% من خلال تقليل التيار تنبؤيًا وتفعيل التبريد على مراحل.

تصميم خلية البطارية لتحسين الاستقرار الحراري

مواد الأقطاب والكهرولايت لمرونة أعلى في درجات الحرارة العالية

تُدمج حزم البطاريات اليوم موادًا تتحمل الحرارة بشكل أفضل، مما يجعلها أكثر أمانًا بشكل عام. غالبًا ما تحتوي الحزم الأحدث على كاثودات غنية بالنيكل وعوامل موجبة تحتوي على السيليكون، والتي تتعامل فعليًا مع الحرارة بشكل جيد دون التأثير على كمية الطاقة التي يمكن تخزينها. كما يستخدم المصنعون فواصل مغلفة بمواد سيراميكية وإلكتروليتات لا تشتعل بسهولة لمنع حدوث دوائر قصيرة خطيرة من الداخل. تعد بطاريات فوسفات الليثيوم الحديديدي (LFP) تحسنًا كبيرًا آخر لأنها تقلل من خطر مشاكل ارتفاع درجة الحرارة بنسبة تقارب 40 بالمئة مقارنة بأنواع البطاريات القديمة. تعني كل هذه التحسينات أن البطاريات يمكنها الاستمرار في العمل بشكل صحيح حتى عند ارتفاع درجات الحرارة فوق 60 درجة مئوية، وهي نقطة مهمة جدًا بالنسبة للمركبات الكهربائية وأنظمة التخزين الكهربائي الكبيرة حيث يُعد التحكم في الحرارة دائمًا مصدر قلق.

ابتكارات هيكلية تمنع الانتشار الحراري

يُحدِث المهندسون من انتشار الحرارة باستخدام هياكل كهربائية ثلاثية الأبعاد وطبقات ضغط تُدير قوى التمدد. وتعزل الجدران النارية الداخلية المصنوعة من عازل الإيروجيل الخلايا التي ترتفع حرارتها، في حين تستبعد التصاميم الموحّدة من خلية إلى حزمة حدوث الجسور الحرارية. معًا، تحتوي هذه الميزات على الحرارة عند المصدر دون المساس بسعة الطاقة.

دراسة حالة: إعادة تصميم خلايا الليثيوم أيون لتحسين الأداء الحراري

في عام 2023، أصدرت إحدى الشركات المصنعة الكبرى منتجًا مُعاد تصميمه سلّط الضوء بشكل كبير على مدى فعالية التحسينات المتكاملة. فقد استخدمت خلايا من النوع الكيسوي ودمجتها مع تقنية متقدمة جدًا لإدارة الحرارة، ما أدى إلى زيادة كثافة الطاقة بنسبة حوالي 15 بالمئة ضمن نفس المساحة. والجدير بالذكر أنه حتى عند استخدام معدلات الشحن السريع 3C، تمكنت هذه الوحدات من الحفاظ على درجات حرارة سطحها تحت السيطرة، حيث بقيت عند 45 درجة مئوية أو أقل طوال فترة التشغيل. وعند إجراء اختبارات الشيخوخة المتسارعة على هذه التصاميم الجديدة، ظهر أمر مميز: وهو أن الفاقد في سعة البطارية كان أقل بنحو 30% بعد اجتياز 1,000 دورة شحن في ظروف حرارة 55°م مقارنة بالإصدارات السابقة من نفس الشركة.

نظام إدارة البطارية (BMS): حماية في الوقت الفعلي في الظروف الحارة

تُعد أنظمة إدارة البطاريات الحديثة (BMS) بمثابة الجهاز العصبي المركزي لحزم البطاريات التي تعمل في بيئات ذات درجات حرارة عالية. ومن خلال المراقبة المستمرة والبروتوكولات التكيفية للسلامة، فإنها تقلل من المخاطر عندما تتجاوز الظروف المحيطة الحدود الآمنة.

مزايا المراقبة المستمرة لدرجة الحرارة والإيقاف التلقائي

تعتمد أنظمة إدارة البطاريات الحديثة (BMS) على أجهزة استشعار للحرارة موزعة بشكل واسع تتحقق من حالة كل خلية ما يصل إلى 100 مرة في الثانية الواحدة. إذا بدأت قراءات درجة الحرارة هذه بالاقتراب من المنطقة الحمراء بشكل خطير، وهي الحالة التي تحدث عادةً عند تجاوز 60 درجة مئوية بالنسبة لمعظم بطاريات الليثيوم أيون، فإن نظام إدارة البطارية يتدخل بتطبيق عدة طبقات دفاع. فقد يقوم أولاً بتقليل سرعة شحن البطارية، ثم تشغيل آليات تبريد إضافية عند الحاجة، وأخيراً إيقاف النظام بالكامل كملاذ أخير. وفقًا لاختبارات ميدانية أُجريت في مختلف المنشآت التصنيعية، فإن هذا النهج المتدرج في التعامل مع مشكلات الحرارة يمنع فعليًا حوالي 9 من كل 10 مشكلات ارتفاع الحرارة المحتملة قبل أن تتسبب بأي ضرر جسيم.

الوقاية من الشحن الزائد واندفاعات التيار تحت درجات حرارة محيطة عالية

تسرع درجات الحرارة المرتفعة من تدهور التفاعلات الكهروكيميائية، مما يزيد من احتمالية التلف الناتج عن الشحن الزائد. تقوم حلول نظام إدارة البطارية (BMS) المتقدمة بتعديل جهود الشحن القصوى ديناميكيًا بناءً على بيانات الحرارة الفعلية في الوقت الحقيقي — حيث تقلل العتبات بنسبة 3–5٪ لكل ارتفاع بـ 10°م فوق 35°م. كما أن خوارزميات تحديد التيار تُقمع الزيادات الخطرة خلال دورات التفريغ السريع في الظروف الحارة.

بصيرة البيانات: يقلل نظام إدارة البطارية (BMS) من معدلات الفشل عند درجات الحرارة العالية بنسبة تصل إلى 60٪

أظهر تحليل أجري في عام 2024 على 12,000 تركيب تجاري أن تقنية نظام إدارة البطارية التكيفية قلّلت من حالات الفشل المرتبطة بالحرارة بنسبة 58٪ مقارنةً بأنظمة مراقبة الجهد الأساسية. وفي البيئات التي تتجاوز درجات حرارتها باستمرار 40°م، أظهرت منصات نظام إدارة البطارية المتقدمة موثوقية أعلى بنسبة 60–67٪.

خوارزميات تنبؤية للكشف المبكر عن الإجهاد الحراري

تستخدم أنظمة إدارة البطارية من الجيل التالي نماذج تعلم آلي تم تدريبها على بيانات الأداء التاريخي واتجاهات البيئة. تقوم هذه الخوارزميات باكتشاف علامات مبكرة للإجهاد الحراري—مثل التقلبات الدقيقة في الجهد وتحولات المعاوقة—وتتنبأ بالحوادث المحتملة قبل 8 إلى 12 ساعة بدقة تصل إلى 89%. ويتيح ذلك اتخاذ إجراءات استباقية مثل إعادة توزيع الحِمل أو التبريد الوقائي.

أنظمة إدارة الحرارة: استراتيجيات التبريد النشط والسلبي

تُعد أنظمة إدارة الحرارة الفعّالة ضرورية لضمان سلامة حزمة البطارية وطول عمرها في الظروف شديدة الحرارة.

مقارنة بين التبريد النشط والسلبي من حيث كفاءة حزمة البطارية

تعمل أنظمة التبريد السلبية عن طريق السماح للحرارة بالهروب بشكل طبيعي من خلال عناصر مثل مشتتات الحرارة، أو مواد خاصة تتغير حالتها عند ارتفاع درجة الحرارة، أو مجرد توصيل جيد من خلال الغلاف نفسه. هذه الطرق ممتازة لأنها لا تحتاج إلى طاقة وتعمل بشكل تلقائي تقريبًا، لكنها تفشل تمامًا عند التعامل مع النوع الشديد من الحرارة الناتجة عن البطاريات المعبأة بكثافة. أما التبريد النشط فيعتمد على نهج مختلف تمامًا. فهو يستخدم المراوح لطرد الحرارة، ويضخ السوائل، وأحيانًا يستخدم مواد تبريد للحفاظ على درجات الحرارة تحت السيطرة. ما العيب؟ تستهلك هذه الأنظمة حوالي 15 إلى 25 بالمئة أكثر من الطاقة مقارنةً بالأنظمة السلبية. ولكن ما تُكسبه هذه الأنظمة يعوّض ذلك في العديد من التطبيقات، حيث يمكنها الحفاظ على درجات حرارة أكثر اتساقًا عبر جميع خلايا البطارية، وغالبًا ما تحسّن التجانس بنسبة تصل إلى 40 بالمئة.

اتجاهات التبريد السائل في حزم بطاريات المركبات الكهربائية للتحكم الفائق في الحرارة

يُعتمد المصنّعون للمركبات الكهربائية بشكل متزايد على أنظمة التبريد السائلة نظرًا لفعاليتها العالية في انتقال الحرارة. حيث يسري المائع المبرد عبر قنوات دقيقة مدمجة مباشرة في وحدات البطارية، مما يزيل الحرارة أسرع بنسبة 50٪ مقارنةً بالتصاميم التي تعتمد على التبريد بالهواء. وتبين فعاليته خاصةً في إدارة إنتاج الحرارة الأعلى بنسبة 60–80٪ الذي تشهده بطاريات المركبات الكهربائية أثناء الشحن السريع.

تصميم غلاف بتحكم مناخي لتعزيز السلامة

تجمع الأغلفة المتقدمة بين العزل والتبريد النشط لتحقيق استقرار الظروف الداخلية. وتقلل التصاميم متعددة الطبقات التي تستخدم عوازل الهلام الهوائي والحواجز ذاتية الإغلاق من دخول الحرارة الخارجية بنسبة 70٪ في المناخات الصحراوية. وقد أصبحت الأغلفة ذات التصنيف IP67 مع التحكم الآلي في الرطوبة هي المعيار الحالي، ما يقلل مخاطر التآكل بنسبة 35٪ في البيئات الاستوائية.

أفضل الممارسات للشحن والتخزين والتحقق من السلامة

بروتوكولات شحن آمنة لمنع التدهور عند درجات حرارة تزيد عن 40°م

الشحن فوق 40°م للبطاريات الليثيوم-أيون يسرّع من عملية التدهور، وتُظهر الدراسات انخفاض السعة أسرع بثلاث مرات مقارنةً بالتشغيل عند 25°م (بونيمون 2023). وتشمل الممارسات الموصى بها:

• استخدام شواحن معتمدة مزودة بدارات لمراقبة درجة الحرارة تتوقف عن الشحن عند 45°م
• الحد من معدلات الشحن إلى 0.5C عندما تتجاوز درجات الحرارة المحيطة 35°م
• الحفاظ على حالة الشحن (SoC) بين 20–80% لتقليل نمو البلورات في الأقطاب الكهربائية

ظروف التخزين المثلى لحزم البطاريات في البيئات الحارة

التعرض الطويل للحرارة يعزز تفاعلات كيميائية لا رجعة فيها. ووجدت دراسة أجرتها NREL عام 2024 أن الحزم المخزنة عند 50% من حالة الشحن في بيئات بدرجة حرارة 30°م تدهورت بمعدل أبطأ بنسبة 40% مقارنة بتلك المحفوظة بشحن كامل عند 40°م. إرشادات التخزين الأساسية:

التحقق من السلامة: الاختبار المتسارع باستخدام جهاز ARC ومحاكاة الإجهادات

تُستخدم أساليب متقدمة للتحقق مثل قياس الحرارة المتسارعة (ARC) والتحليل بالعناصر المحدودة (FEA) لمحاكاة سيناريوهات حرارية قصوى. ويتم تعريض حزم البطاريات لاختبارات معتمدة وفق UL 9540A تشمل:

• معدلات ارتفاع حراري تصل إلى 10°م/دقيقة
• قوى ضغط ميكانيكية تعادل 200% من الحمولة المصنفة
• التيارات ذات الدوائر القصيرة التي تزيد عن 1000A

ووفقاً لتقرير صناعي لعام 2023، خفضت هذه البروتوكولات معدلات فشل المجال بنسبة 70٪ في العبوات التي تعمل فوق 45 درجة مئوية (حلول UL).

قسم الأسئلة الشائعة

ما هي الأسباب الرئيسية للانفصال الحراري في بطاريات البطارية؟

وتشمل الأسباب الرئيسية للانفصال الحراري في باقات البطارية الأضرار الجسدية للخلايا، وإساءة استخدام الكهرباء مثل الإفراط في الشحن، ودرجات الحرارة المحيطة العالية التي تتجاوز 45 درجة مئوية.

كيف يتم قياس خطر الهروب الحراري؟

يتم قياس خطر الانطلاق الحراري باستخدام عامل الانطلاق الحراري (TRF)، والذي يُحسب بقسمة معدل توليد الحرارة على سعة التبديد الحراري. ويشير عامل TRF الأكبر من 1.2 إلى احتمال مرتفع لحدوث عطل.

ما الدور الذي يؤديه نظام إدارة البطارية (BMS) في منع ارتفاع درجة الحرارة؟

يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) برصد درجة حرارة الخلايا باستمرار وتعديل معدلات الشحن وآليات التبريد، ويمكنه أيضًا إيقاف تشغيل المجموعة بالكامل لمنع ارتفاع درجة الحرارة.

ما مدى فعالية أنظمة التبريد النشطة مقارنةً بالأنظمة السلبية؟

تُعد أنظمة التبريد النشطة أكثر فعالية من الأنظمة السلبية في إدارة مستويات الحرارة العالية. فهي تحافظ على درجات حرارة أكثر اتساقًا ولكنها تستهلك طاقة أكبر.

ما التحسينات التي تم إدخالها على تصميم خلايا البطارية لتعزيز الاستقرار الحراري؟

تشمل التحسينات استخدام مواد مقاومة لدرجات الحرارة العالية، وتصاميم أقطاب ثلاثية الأبعاد، وتكنولوجيات متقدمة لإدارة الحرارة تمنع الانتشار الحراري.