ما هي الصيانة المطلوبة لبطاريات الليثيوم الحديد الفوسفات الأسطوانية (LiFePO4)؟

نظام إدارة البطارية (BMS) وموازنة الخلايا للبطاريات الأسطوانية من نوع LiFePO4

دور نظام إدارة البطارية (BMS) في صيانة بطاريات LiFePO4

يُعد نظام إدارة البطارية، أو BMS، عنصرًا حيويًا للحصول على أقصى استفادة من بطاريات LiFePO4 الأسطوانية مع الحفاظ على سلامتها أثناء التشغيل. يقوم النظام بمراقبة معايير مهمة مثل جهود الخلايا الفردية، وقراءات درجة الحرارة عبر الحزمة، ومقدار التيار المار في كل مكوّن. وعندما تبدأ الحرارة في الارتفاع بشكل كبير أو تقترب الجهود من مستويات خطرة، يتدخل النظام لحماية جميع المكونات. على سبيل المثال، فإنه يقطع الطاقة القادمة من الشاحن بمجرد وصول أي خلية فردية إلى حوالي 3.65 فولت، مما يساعد على منع التلف الناتج عن الشحن الزائد. وبالمثل، يتوقف تمامًا عن التفريغ عندما تنخفض الخلايا إلى أقل من 2.5 فولت تقريبًا لكل منها. وتُحدث هذه الإجراءات الوقائية فرقًا حقيقيًا في عمر البطارية. تُظهر الدراسات أن الأنظمة المُدارة بشكل صحيح يمكنها الحفاظ على سعتها بنسبة أفضل تصل إلى 30 بالمئة بعد إتمام 2000 دورة شحن مقارنةً بالأنظمة التي لا تُدار بشكل مناسب، ما يعني أن هذه البطاريات تدوم لفترة أطول بكثير قبل الحاجة إلى الاستبدال.

مراقبة الجهد والتحكم في الشحن من خلال نظام إدارة البطارية (BMS)

يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) بتعديل الشحن ديناميكيًا بناءً على بيانات الجهد الفعلية. تتطلب خلايا LiFePO4 تحكمًا دقيقًا—فأدنى اختلالات يمكن أن تقلل السعة القابلة للاستخدام. تحافظ وحدات نظام إدارة البطارية المتطورة على هامش ضيق بقيمة ±0.02 فولت عبر الخلايا أثناء الشحن، مما يتيح كفاءة شحن تزيد عن 95%. يضمن هذا الدقة توزيعًا موحدًا للشحن ويقلل من الإجهاد الواقع على الخلايا الفردية.

أهمية موازنة الخلايا في التكوينات الأسطوانية لخلايا LiFePO4

عندما ننظر إلى حزم بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) الأسطوانية المتصلة على التوالي، غالبًا ما تظهر مشكلة عدم تطابق الجهد. وعادةً ما تنشأ هذه المشكلات بسبب فروقات طفيفة في عملية تصنيع البطاريات أو اختلافات في درجات حرارة التشغيل عبر أجزاء مختلفة من الحزمة. ويتعامل نظام إدارة البطارية (BMS) مع ذلك باستخدام تقنيات موازنة سلبية تقوم بشكل أساسي بإهدار الشحنة الزائدة من الخلايا ذات الجهود الأعلى عن طريق تمريرها عبر مقاومات أثناء عملية الشحن. ويساعد هذا في الحفاظ على توازن جميع الخلايا داخل الحزمة، مما يجعل النظام بأكمله lasts longer. وتحتفظ الحزم المتوازنة جيدًا بنسبة حوالي 85٪ من سعتها الأصلية حتى بعد تركها دون استخدام لمدة خمس سنوات، في حين تنخفض الحزم غير المتوازنة بشكل صحيح إلى حوالي 65٪. ويمثل هذا الفرق فرقًا كبيرًا عند النظر في الأداء والموثوقية على المدى الطويل.

ممارسات الشحن والتفريغ المثلى لبطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) الأسطوانية

استخدام شواحن متوافقة مصممة للكيمياء الخاصة ببطاريات LiFePO4

تحتاج بطاريات LiFePO4 الأسطوانية إلى شواحن محددة تعمل مع كيميائها البالغة 3.2 فولت. قد يؤدي استخدام شواحن الليثيوم-أيون العادية إلى حدوث مشاكل لأنها ترسل أنماط جهد خاطئة عبر البطارية، مما قد يؤدي إما إلى الشحن الزائد أو عدم الشحن الكافي على الإطلاق. الشواحن الذكية التي تستخدم خوارزميات CC-CV أفضل من حيث السلامة والكفاءة، حيث تبدأ بشحن تيار مُتحكم به ثم تقلل تدريجياً الجهد عند علامة 3.65 فولت. عندما يستخدم الناس شواحن غير متطابقة، غالباً ما يلاحظون انخفاض السعة بنسبة حوالي 15٪ بعد 50 دورة شحن فقط. ولهذا السبب فإن التحقق من تطابق مواصفات الشاحن مع ما تحدده الشركة المصنعة أمر بالغ الأهمية للحفاظ على أداء هذه البطاريات على المدى الطويل.

تجنب الشحن الزائد، والشحن الناقص، والتفريغ العميق

من المهم جدًا الحفاظ على خلايا الليثيوم ضمن نطاق الجهد الآمن، والذي يتراوح من حوالي 2.5 فولت عند التفريغ الكامل إلى نحو 3.65 فولت عند الشحن الكامل، إذا أردنا أن تدوم هذه الخلايا لفترة أطول. وعندما تنخفض بطاريات الليثيوم إلى أقل من 10٪ من سعتها، يحدث داخلها شيء يؤدي إلى تسريع تآكل الأقطاب الكهربائية. ويمكن أن يؤدي هذا النوع من التفريغ العميق إلى تقليل عمر البطارية بنسبة تتراوح بين 30 و40 بالمئة مقارنة باستخدامها ضمن النطاق من 20٪ إلى 80٪. كما أن الشحن الزائد الذي يتجاوز 3.65 فولت ليس جيدًا أيضًا، لأنه يتسبب في تلف مادة الكاثود ويزيد من مقاومة البطارية للتيار الكهربائي مع مرور الوقت. ويجد معظم المستخدمين اليوميين لهذه البطاريات أن تركها تفرغ جزئيًا قبل إعادة شحنها يساعد فعليًا في إطالة عمرها بنسبة تصل إلى 25٪ تقريبًا. وقد أكدت دراسة حديثة نُشرت في عام 2023 هذا الاستنتاج، وبالتالي يوصي العديد من الخبراء الآن بالالتزام بدورة التفريغ والإعادة الجزئية كأفضل ممارسة للعناية اليومية بالبطارية.

إدارة درجة الحرارة أثناء التشغيل والشحن

تأثير درجات الحرارة العالية والمنخفضة على أداء بطاريات LiFePO4

بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) الأسطوانية مستقرة نسبيًا من حيث الحرارة، لكنها لا تزال تعاني في الظروف القاسية. عندما تتجاوز درجات الحرارة حوالي 45 درجة مئوية (ما يعادل 113 فهرنهايت)، تبدأ العمليات الداخلية في التدهور. يتحلل الإلكتروليت بشكل أسرع، وينمو طبقة SEI المزعجة هذه بشكل مفرط، مما يؤدي إلى تقليل عدد دورات الشحن التي يمكن أن تخضع لها البطارية قبل أن ينخفض أداؤها بنسبة تقارب 20٪. إن الطقس البارد يُعد مشكلة أخرى. عند حوالي ناقص 20 درجة مئوية (أو ناقص 4 فهرنهايت)، لا تتحرك الأيونات داخل البطارية بالكفاءة نفسها، ما يؤدي إلى فقدان مؤقت في السعة يتراوح بين 15٪ و30٪. وإذا حاول شخص شحن هذه البطاريات في درجات حرارة تحت نقطة التجمد، فهناك خطر حقيقي من تشكل طلاء الليثيوم على الأقطاب. هذا النوع من التلف دائم ولا رجعة فيه، ويؤدي لتدمير الخلية بالكامل.

نطاقات درجات حرارة الشحن والتفريغ الآمنة

تتراوح درجات حرارة التفريغ الآمنة للبطاريات بين ناقص 20 درجة مئوية و60 درجة مئوية، أي ما يعادل تقريبًا من أربع درجات فهرنهايتية سالبة إلى 140 درجة فهرنهايت. ويجب الشحن بدقة ضمن نطاق من صفر درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية (32 إلى 113 فهرنهايت)، لأن تجاوز هذه النطاقات قد يؤدي إلى نمو خطير للدندريتات داخل الخلايا. وعلى الرغم من أن أنظمة إدارة البطارية الحديثة تتوقف تلقائيًا عند حدوث ظروف متطرفة، فإن دفع البطارية باستمرار نحو هذه الحدود سيؤدي إلى تقصير عمرها الافتراضي بغض النظر عن ذلك. وللحفاظ على الأداء الأمثل عند حوالي 25 إلى 35 درجة مئوية (حوالي 77 إلى 95 فهرنهايت)، تُدمج العديد من الأنظمة حلولًا خاصة لإدارة الحرارة. وقد تشمل هذه الحلول مواد تتغير حالتها الفيزيائية لامتصاص الحرارة أو أنظمة تبريد سائلة. وتزداد أهمية مثل هذه التدابير في الحالات التي تظل فيها متطلبات الطاقة مرتفعة باستمرار على مدى الزمن.

ظروف التخزين طويلة الأمد للبطاريات الأسطوانية من نوع LiFePO4

الحالة المثالية لشحنة التخزين (50–80%)

عند تخزين خلايا ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) الأسطوانية لفترات طويلة، يُوصى بالحفاظ على مستوى شحنتها بين 50% و80%، ما يعادل تقريبًا قراءة جهد تتراوح بين 3.3 فولت و3.4 فولت لكل خلية على حدة. والبقاء ضمن هذا النطاق يساعد في إبطاء تحلل الإلكتروليت ويقلل من الضغط الواقع على مكونات الكاثود الحرجة داخليًا. وعلى العكس، فإن ترك الخلايا مشحونة بالكامل قد يؤدي في الواقع إلى تسريع ظاهرة تعرف باسم ترسيب الليثيوم (lithium plating)، في حين أن انخفاض الشحنة إلى أقل من 20% يخلق مشكلة أخرى تمامًا تُعرف باسم القصر النحاسي (copper shunting). كما أظهرت الاختبارات الواقعية نتائج ممتازة إلى حد ما. إذ تحتفظ الخلايا التي تبقى عند حوالي 3.35 فولت بنسبة 99.3٪ من سعتها الأصلية بعد ستة أشهر، مقارنةً بنسبة 92.7٪ فقط عند التخزين الكامل بالكامل. وهذا يُحدث فرقًا كبيرًا في التطبيقات العملية حيث تكون الأداء المستقر هو الأهم.

إدارة التفريغ الذاتي من خلال إعادة الشحن الدورية

تُفقد بطاريات LiFePO4 حوالي 1 إلى 3 بالمئة من شحنتها كل شهر، وهي نسبة جيدة نسبيًا مقارنة بأنواع البطاريات الليثيومية الأخرى. ومع ذلك، لا يزال من الجدير مراقبة هذه الظاهرة. إذا كنت تخطط لتخزينها لأكثر من عام، فمن المنطقي التحقق من حالتها كل ثلاثة أشهر. يمكن لعوامل قليلة أن تسرّع من عملية التفريغ الطبيعية هذه. فدرجة الحرارة المرتفعة تؤثر كثيرًا — فكّر في 25 درجة مئوية مقابل 15 درجة فقط. كما أن الخلايا الأقدم تتدهور بشكل أسرع، حيث تفقد الوحدات التي يبلغ عمرها خمس سنوات الشحن بأكثر بنسبة 12 بالمئة تقريبًا. ولا تنسَ وصلات الاتصال بين الخلايا؛ فالوصلات السيئة يمكن أن تضيف استنزافًا إضافيًا شهريًا بنسبة 0.8 بالمئة. عندما تنخفض الجهدية إلى أقل من 3.2 فولت لكل خلية، فقد حان الوقت لإعادة الشحن، مع الهدف إلى مستوى شحن يتراوح بين 50 و80 بالمئة من السعة. استخدم شاحنًا بجهد ثابت معدّل على 3.45 فولت لكل خلية. وتجنّب الشحن الكامل تمامًا، لأن الدورات الكاملة المتكررة تسهم فعليًا في تكوّن طبقة SEI المزعجة التي تقلّل من عمر البطارية مع مرور الوقت.

الفحص المادي وصيانة الاتصالات الكهربائية

تحمي الصيانة الاستباقية 73% من الأعطال التي يمكن تجنبها في أنظمة خلايا ليثيوم حديد فوسفات الأسطوانية (مجلس سلامة البطاريات 2023). تُحافظ الفحوصات الدورية على التوصيلية والسلامة الهيكلية عبر مصفوفات الخلايا.

فحوصات بصرية دورية للتحقق من وجود أضرار أو تسريبات أو تآكل

• افحص أغلفة الخلايا كل ثلاثة أشهر بحثًا عن انتفاخ أو خدوش أو شقوق
• ابحث عن تآكل أبيض أو أخضر على المحطات
• تحقق من منافذ التهوية من انسداد أو رواسب
• تأكد من عزل الموصلات بين الخلايا

استخدم أدوات غير معدنية لمنع حدوث دوائر قصيرة، واحتفظ بسجل رقمي لتتبع الاتجاهات.

تنظيف المحطات وضمان الاتصالات الآمنة

1. افصل الجهاز عن الأحمال وأجهزة الشحن
2. نظف الأطراف باستخدام كحول أيزوبروبيل بنسبة أقل من 90٪ وفرش نايلون
3. طبق شحوم عازلة لمنع الأكسدة
4. أعد تشديد التوصيلات بعزم دوران يتراوح بين 4.5 و5.5 نيوتن متر، وفقًا لمواصفات الشركة المصنعة

تؤدي التوصيلات الفضفاضة إلى زيادة المقاومة بنسبة 300٪، مما يؤدي إلى فقد الطاقة وتراكم الحرارة تحت الحمل. تحقق دائمًا من قيم العزم باستخدام ورقة البيانات الرسمية للبطارية.

الأسئلة الشائعة

ما الوظيفة الأساسية لنظام إدارة البطارية (BMS) في بطاريات LiFePO4؟

يراقب نظام إدارة البطارية ويُنظم الجوانب الحرجة مثل الجهد ودرجة الحرارة وتدفق التيار في بطاريات LiFePO4 لضمان السلامة وإطالة عمر البطارية.

لماذا يعد موازنة الخلايا مهمة في تكوينات بطاريات LiFePO4 الأسطوانية؟

تساعد موازنة الخلايا في الحفاظ على مستويات جهد موحدة عبر جميع خلايا البطارية، ومنع حالات عدم التوازن التي قد تقلل السعة والموثوقية مع مرور الوقت.

كيف تؤثر درجة الحرارة على أداء البطاريات الأسطوانية من نوع LiFePO4؟

يمكن أن تؤدي درجات الحرارة القصوى إلى تدهور مواد البطارية، مما يؤدي إلى تقليل الأداء ومخاطر محتملة مثل ترسب الليثيوم في درجات الحرارة المنخفضة.

ما هي الشروط الموصى بها لتخزين بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) الأسطوانية؟

يجب تخزين بطاريات LiFePO4 عند شحن تتراوح نسبته بين 50٪ و80٪، وفي درجات حرارة تتراوح بين 15°م إلى 25°م، وذلك لتحسين الاحتفاظ بالسعة على المدى الطويل.

ما مدى تكرار فحص بطاريات LiFePO4 للصيانة؟

يجب إجراء الفحوصات الدورية كل ثلاثة أشهر للتحقق من وجود أضرار مادية أو تآكل، ولضمان ثبات التوصيلات الكهربائية.