لماذا لا تدوم بطاريات الهاتف المحمول طالما كانت بطارية EV

2018-04-26 14:03:35

كيف يؤثر الاستخدام والإدارة على طول العمر

يوسع صانعو السيارات نطاق القيادة في السيارة الكهربائية ليشبهوا سيارة تعمل بالبنزين. وهذا يتطلب بطاريات أكبر تنمو بشكل كبير مع المسافة المدفوعة. يوضح الشكل 1 نطاقات القيادة المقدرة مع أنظمة البطاريات المختلفة والهيدروجين كدالة للحجم.

لا يؤدي مضاعفة حجم البطارية إلى توسيع نطاق القيادة بشكل خطي وتصبح السيارة غير فعالة مع زيادة الوزن. يعمل Li-ion بشكل أفضل من حمض الرصاص في كثافة الطاقة ، ولكن لا توجد بطارية تلتقي بالهيدروجين مع خلية وقود ، أو الوقود الأحفوري الذي يغذي محرك الاحتراق الداخلي التقليدي (غير موضح). إن توسيع نطاق القيادة بخزان أكبر يكاد لا يكاد يذكر مقارنة مع زيادة حجم البطارية. هناك عتبة لحجم البطارية ووزنها في السيارة ؛ إن تجاوز نقطة حرجة له عائد سلبي وتعاني الكفاءة بسبب زيادة وزن السيارة.

حجم نظام تخزين الطاقة

الشكل 1: حجم البطارية كدالة لمدى القيادة.

لا يؤدي توسيع البطارية إلى توسيع نطاق القيادة بشكل خطي.

ملاحظة: يشير خزان الهيدروجين 35MPa إلى 5000psi.

المصدر: المجلة الدولية للطاقة الهيدروجينية ، 34 ، 6005-6020 (2009)

تتمتع البطاريات بقيمة منخفضة من السعرات الحرارية مقارنة بالوقود الأحفوري وليس من المنطقي تشغيل قطار شحن أو سفينة تسير في المحيط أو طائرة كبيرة بها بطاريات. كشفت دراسة أن استبدال الكيروسين ببطاريات يمكن أن يبقي الطائرة في الجو لمدة تقل عن 10 دقائق. تعد التكلفة مشكلة أخرى وتستغرق شحن البطاريات وقتًا طويلاً. إن التعبئة التي تتم بسرعة وسهولة حيث إن تعبئة الخزان بالوقود السائل أو الغازي أمر مستحيل مع جهاز كهروكيميائي. يحتاج الشحن أيضًا إلى طاقة عالية. تجذب شحنة EV فائقة السرعة الطاقة الكهربائية المكافئة لخمسة منازل. يمكن أن يؤدي شحن أسطول من المركبات الكهربائية إلى إضعاف المدينة.

على العكس من ذلك ، لا يمكن للوقود الأحفوري أن يتطابق مع خصائص البطارية النظيفة والهادئة ، والتي تعمل على الفور بنقرة من المفتاح. على الرغم من أن الوقود الأحفوري رخيص ومتوفر بسهولة ، إلا أن حرق هذا المورد التافه يجب أن يتوقف لإنقاذ كوكبنا. إن إيجاد بدائل صديقة للبيئة واقتصادية ودائمة يمثل تحديًا ؛ البطارية تملأ هذا الشرط جزئيا فقط.

إن التقدم المحرز في تكنولوجيا البطاريات في العشرين عامًا الماضية غير كافٍ لاستبدال الوقود الأحفوري. يذكرنا دفع حدود البطارية بالعديد من القيود ، والتي تشمل كثافة طاقة منخفضة ؛ فترات شحن طويلة وتكلفة عالية وعمر قصير قبل إنهاء الحزم ، غالبًا بدون سابق إنذار. يوضح الجدول 2 كثافة الطاقة في أنواع الوقود الشائعة ، بما في ذلك البطارية.

طاقة الوقود بالكتلة (واط / كجم)

الهيدروجين (350 بار) 39300

البنزين والديزل والغاز الطبيعي (250 بار) 12000-13000

دهون الجسم 10،500

الفحم الأسود (الصلب) ، الميثانول 6000-7000

خشب (متوسط) 2300

بطارية ليثيوم أيون 100–250

بطارية حمض الرصاص 40

الهواء المضغوط 34

مكثف فائق 5

الجدول 2: كثافات الطاقة للوقود الأحفوري والبطاريات.

يحمل الوقود الأحفوري عدة أضعاف الطاقة لكل كتلة مقارنة بالبطاريات ، ولكن يمكن استخدام الطاقة الكهربائية بشكل أكثر كفاءة من حرق الوقود الأحفوري.

جمعت من مصادر مختلفة. القيم تقريبية.

كيفية إطالة عمر البطارية

نطاق القيادة هو الاعتبار الرئيسي عند شراء EV. تلعب التكلفة أيضًا دورًا ولكن نادرًا ما يذكر عمر البطارية. قد لا يكون هذا مصدر قلق لركل الإطارات ، ولا يريد البائع أن ينذر المشتري من مشاكل الخدمة المحتملة في وقت لاحق. ما يبيع هو متعة الدفع الكهربائي النظيف والهادئ والمبهج. كما يساعد إعانات دافعي الضرائب.

البطاريات لها عمر محدد وهذا واضح مع انخفاض وقت التشغيل في هواتفنا المحمولة. قد يجادل دعاة EV بأن بطارية الهاتف الذكي لا يمكن مقارنتها ببطارية EV. هذه المنتجات مختلفة تمامًا. هذا صحيح ، ولكن من المفارقة أن كلاهما يستخدم أنظمة أيونات الليثيوم. تتناول هذه المقالة البطارية في EV والهاتف المحمول من حيث وقت التشغيل وطول العمر.

البطارية في الهاتف المحمول هي من فئة المستهلكين ، وهي الأمثل لأقصى وقت تشغيل بتكلفة منخفضة. من ناحية أخرى ، تم تصنيع بطارية EV وفقًا لمعايير الصناعة مع مراعاة طول العمر. لا تتوقف الاختلافات عند هذا الحد ، ويكمن الاختلاف الرئيسي في كيفية توزيع الطاقة.

يتم شحن الهاتف المحمول في نهاية اليوم ويمكن الاستفادة من الطاقة المخزنة بالكامل حتى تصبح البطارية فارغة. وبعبارة أخرى ، فإن المستخدم لديه حق الوصول الكامل إلى الطاقة المخزنة. عندما تكون البطارية جديدة ، يوفر الهاتف أوقات تشغيل جيدة ولكن هذا ينخفض مع الاستخدام. في وضع الدورة الكاملة هذا ، يقدم Li-ion حوالي 500 دورة. يتكيف المستخدم مع تناقص وقت التشغيل ، وكونه منتجًا استهلاكيًا ، غالبًا ما تتوافق نهاية عمر البطارية مع شاشة مكسورة أو إدخال نموذج جديد. التقادم المدمج يخدم بشكل جيد لمصنعي الأجهزة وتجار التجزئة.

تتأخر بطارية EV أيضًا وتتلاشى السعة ، ولكن يجب على الشركة المصنعة للمعدات الكهربائية ضمان البطارية لمدة ثماني سنوات. يتم ذلك عن طريق زيادة حجم البطارية. عندما تكون البطارية جديدة ، يتم استخدام حوالي نصف الطاقة المتوفرة فقط. يتم ذلك عن طريق شحن الحزمة إلى 80٪ فقط بدلاً من الشحن الكامل ، والتفريغ إلى 30٪ عند إنفاق نطاق القيادة المتاح. مع تلاشي البطارية ، يُطلب المزيد من مساحة تخزين البطارية. يظل نطاق القيادة ثابتًا ولكن غير معروف للسائق ، ويتم شحن البطارية تدريجيًا إلى مستوى أعلى وتفريغها بشكل أعمق لتعويض التلاشي.

بمجرد انخفاض سعة البطارية إلى 80٪ ، يتم استهلاك الحماية الزائدة ويطبق نظام صيانة البطارية (BMS) شحنًا وتفريغًا كاملين. يؤدي ذلك إلى تعريض بطارية EV لمستوى ضغط مماثل لهاتف محمول ويبدأ السائق في ملاحظة انخفاض نطاق القيادة. قد يصبح استبدال البطارية ضروريًا ولكن التكلفة ستكون باهظة وأعلى من محرك الاحتراق.

يبدأ EV في انتحال هوية هاتف محمول من حيث التقادم عندما تتلاشى البطارية. قد يكون هذا هو الوقت الذي يغمر فيه المشتري نماذج أسرع وأكثر لمعانًا ؛ شيء مألوف لدى مستخدم الهاتف الذكي ، لكن السعر سيكون هو الصدمة. لا يزال من السابق لأوانه تحديد المدة التي ستستمر فيها بطارية EV. يقول البعض إن البطارية ستعمر أطول من عمر السيارة وستجد تطبيقًا ثانويًا في أنظمة تخزين الطاقة.

تؤثر عادات القيادة ودرجة الحرارة أيضًا على الشيخوخة ، وهي خاصية ظهرت للضوء عندما تلاشت بطاريات EV التي تعمل في مناخ دافئ قبل الأوان. علمنا أن الحفاظ على بطارية في درجة حرارة مرتفعة وحالة شحن عالية يسبب ضغطًا أكثر من القيادة العدوانية. وبعبارة أخرى ، فإن الحفاظ على بطارية ليثيوم أيون مشحونة بالكامل عند 30 درجة مئوية (86 درجة فهرنهايت) وما فوق يعجل عملية الشيخوخة أكثر من القيادة عند درجة حرارة معتدلة. تشتمل العديد من بطاريات EV على تبريد سائل لتقليل تلاشي البطارية المرتبط بالحرارة.

يقلل التحميل القاسي أيضًا من عمر البطارية. نظرًا لحجمها الكبير ، يتم الضغط على بطارية EV فقط بشكل معتدل ، حتى أثناء التسارع. في المقابل ، يستمد الهاتف المحمول تيارًا مستمرًا عاليًا من بطارية صغيرة عند إرسال البيانات وسحقها. هذا يضع المزيد من الضغط على بطارية الهاتف المحمول من القيادة EV. تتأثر البطارية أيضًا بشكل سلبي بالحمل النبضي للهاتف المحمول بدلاً من الحمل المستمر لسيارة كهربائية. (راجع BU-501: أساسي حول التفريغ.)

لا يكشف EV عن سعة البطارية للسائق ويكشف فقط عن حالة الشحن (SoC) في شكل نطاق القيادة. يتم ذلك جزئيًا خوفًا من شكاوى العملاء في حالة انخفاض السعة إلى ما دون المستوى المطلوب في نهاية فترة الضمان. غالبًا ما تكون المعرفة الأقل أفضل. ينطبق نفس القيد على بطارية الهاتف المحمول ، على الرغم من توفر رموز الوصول لموظفي الخدمة في كثير من الأحيان. بطارية جديدة (يجب أن تكون) بسعة 100٪ ؛ 80٪ هي النهاية النموذجية لعمر البطارية.

اختبارات الضغط الديناميكي (DST) على ليثيوم أيون

تتلاشى جميع بطاريات Li-ion مع الوقت والاستخدام ، سواء في المنتجات الاستهلاكية أو الاستخدام الصناعي الدائم. يستكشف الشكل 3 طول عمر بطاريات Li-ion مع نقاط نهاية الشحن والتفريغ المختلفة.

الشكل 3: فقدان قدرة ليثيوم أيون كدالة لنقاط قطع الشحن والتفريغ.

يؤدي تحديد الشحن الكامل والتفريغ إلى إطالة عمر البطارية ولكنه يقلل الاستخدام.

المصدر: ResearchGate - نمذجة تدهور بطارية ليثيوم أيون لتقييم حياة الخلية

تعمل بطاريات Li-ion في الجدول أعلاه بشكل جيد ولكن أكبر خسارة في السعة تحدث مع العبوة المشحونة بنسبة 100٪ وتفريغها إلى 25٪ (النجوم السوداء). يوفر ركوب الدراجات بين 85٪ و 25٪ (أخضر) عمر خدمة أطول من الشحن إلى 100٪ والتفريغ إلى 50٪ (أزرق داكن).

يحدث أدنى خسارة في السعة عند شحن Li-ion بنسبة 75٪ والتفريغ إلى 65٪. ومع ذلك ، يأخذ هذا الحجم المفرط والبطارية غير مستغلة بالكامل. يتم تطبيق هذه الممارسة في الأقمار الصناعية لتحقيق دورة حياة عالية وأقل للتطبيقات الأرضية لأنها تزيد التكلفة والحجم والوزن بما يتجاوز نقطة العودة المعقولة. لا يتضمن اختبار الضغط الديناميكي بطارية تم شحنها بنسبة 100٪ وتفريغها إلى الصفر ، كما هو الحال مع الهاتف المحمول. توفر الدورة الكاملة أفضل استخدام للبطارية ولكنها تقلل من طول العمر.

لا تكرر البطاريات التي تم اختبارها في المختبر دائمًا ظروف الحياة الحقيقية ، وتميل النتائج إلى أن تكون أفضل من تلك المستخدمة في الاستخدام الميداني. في بيئة المختبر ، يتم تدوير البطاريات على مدار بضعة أشهر ، غالبًا في درجة حرارة محكومة ونظام شحن وتفريغ مثالي. يضيف الاستخدام العشوائي في الحياة الواقعية التعرض للحرارة والاهتزاز وممارسات الشحن القاسية.