كيفية حساب كفاءة استخدام الطاقة في البطاريات: دليل تدريب المهندسين

مواصلة القيام بالشحن حتى تصل البطارية إلى آخر شحنة محددة، وهذا التكتل المقطعي حاسم بالنسبة لصحة البطاريات ويجب التقيد به بدقة، وتسجيل مجموع الطاقة التي تم تسليمها أثناء التصريف في ساعات العمل.

وهذا حساب مباشر إذا ما مارست البطارية في دورات تشحن بالكامل ثم تفريغ البطارية بالكامل، ولكن العديد من التطبيقات تنطوي على الشحن والتدبير الذي يعتمد على التغيرات العشوائية في الموارد الشمسية وفي الحمولة.

الخطوة 5: حساب كفاءة الطاقة

ومع قياس مدخلات الطاقة والنواتج، تحسب كفاءة الطاقة باستخدام الصيغة الأساسية:

Energy Efficiency (%) = (Energy Output / Energy Input) × 100]

فعلى سبيل المثال، إذا استهلكت البطارية 100 1 وامتلاكها أثناء شحنها وتسليمها 990 وامتلاكها أثناء تصريفها، فإن كفاءة الطاقة ستكون كما يلي:

Energy Efficiency = (990 / 1100) × 100 = 90٪ ]

وهذا يعني أن 10 في المائة من الطاقة المُدخَلة قد فقدت خلال دورة التحميل بسبب أوجه قصور مختلفة، منها المقاومة الداخلية، والإمكانيات الكهروكيميائية، وردود الفعل الجانبية.

الخطوة 6: شروط الاختبار والنتائج

والوثائق الشاملة ضرورية لإعادة استنساخ البيانات وتفسيرها.

• تحديد هوية البطارية (مصنع، نموذج، رقم تسلسلي، عمر)
• درجة الحرارة المحيطة ودرجة حرارة البطاريات طوال الاختبار
• معدلات الشحن والتصريف (المعدلات الإجمالية)
• حدود التكلف والتصريف
• فترات الراحة
• المعدات المستخدمة وحالة المعايرة
• أي شذوذ أو انحراف عن البروتوكول الموحد

ونتيجة لذلك، قد يلزم إجراء فترة تحليل مطولة، ت، لاستخلاص عدة دورات (أو دورة واحدة على الأقل) كاملة للشحن، وفترة تحليل مدتها سنة واحدة تقريبا كافية، وذلك حسب كيفية استخدام البطارية.

طرق الحساب المتطورة

وإلى جانب حساب كفاءة الطاقة الأساسي، توفر عدة طرق متقدمة نظرة أعمق عن أداء البطاريات وتتيح إجراء تحليل أكثر تطورا.

حساب الكفاءة المنفصلة والتخلّص من التكاليف

وتنقسم كفاءة الطاقة إلى ثلاث فئات، وهي كفاءة الطاقة تحت الطلب، وكفاءة الطاقة تحت التفريغ، وكفاءة الطاقة تحت بند الشحن - التخلص، ويُعزى عامل رئيسي في حساب كفاءة الطاقة إلى حل الطاقة الكيميائية المخزنة في البطاريات (المشار إليها أدناه باسم الطاقة الصافية)، ويُذكر صافي الطاقة بمعادلة لوظيفة من مركب الدائرة المفتوحة وحالة الشحن.

ونظراً إلى أن الطاقة الكيميائية التي تخزن يصعب قياسها، فمن الصعب تحديد فرادى أنواع الشحن والتدبير الكفاءات المخففة، ومع ذلك، يمكن حساب كفاءة دورة كاملة استناداً فقط إلى الطاقات الكهربائية المزودة بالعجلات والمنقولة.

مستوى الكفاءة العليا

وتتفاوت كفاءة البطاريات مع حالة الشحن، إذ تحقق أفضل كفاءة لجميع البطاريات في منتصف المدة من 30 إلى 70 في المائة، ولوصف هذا السلوك، وإجراء قياسات الكفاءة في مختلف نوافذ SOC بدلا من دورات كاملة للتحميل.

هذا النهج يتضمن شحن البطارية إلى شركة SOC محددة، وقياس مدخلات الطاقة، والتدشين إلى شركة SOC أقل، وقياس إنتاج الطاقة، وحساب الكفاءة لهذا النطاق من البرمجيات SOC.

Empedance Spectroscopy

وتشمل الطريقة الأكثر تقدما قياس الاستجابة للبطارية من حيث تواترها بعد إدخالها كتلة من الطراز العنيف أو التحفيز الحالي، وتحليل الازدحام المعقد الذي يمثل العمليات المادية والكيميائية التي تجري داخل البطارية، ويتيح تقدير كفاءة البطاريات، ويوفر هذا الأسلوب معلومات تعتمد على الترددات بشأن المقاومة الداخلية والعمليات الكهروكيميائية التي تسهم في فقدان الكفاءة.

العوامل التي تؤثر على كفاءة استخدام الطاقة في البطاريات

وتؤثر عوامل متعددة على كفاءة الطاقة في البطاريات، ويجب على المهندسين أن يحسبوا هذه المتغيرات عند إجراء القياسات وتفسير النتائج.

الآثار المزمنة

إن نوع البطارية وحجمها وفولتها وعمرها، وكذلك طريقة الشحن والطاقة ودرجة الحرارة المحيطة بها، كلها تؤثر على كفاءة البطاريات، وقد يكون للتدرج أثر عميق على معدلات التفاعل الكهروكيميائي، والمقاومة الداخلية، وردود الفعل الجانبية، وقد تتسبب درجات الحرارة المرتفعة في ارتفاع السن وفقدان القدرة، وتدفع تحت التجميد في ضرر دائم.

وفي درجات الحرارة المنخفضة، تقلل زيادة المقاومة الداخلية من الكفاءة حيث تُفرَّق الطاقة بقدر الحرارة، وفي درجات الحرارة المرتفعة، بينما قد تنخفض المقاومة الداخلية، تزيد ردود الفعل الجانبية وتخفف من حدة الكفاءة الكهرمائية، غير أن ذلك لا يمكن إلا إذا تم تحميله على نحو متوسط ومتوسط وبدرجات حرارة باردة.

وبالنسبة لقياس الكفاءة الدقيق، حافظ على درجة الحرارة الثابتة طوال الاختبار أو على تفاوت درجات حرارة الوثائق بعناية، ويحدد العديد من بروتوكولات الاختبار التشغيل عند درجة حرارة 25 درجة مئوية (77 درجة مئوية) كشرط مرجعي معياري.

معدلات الشحن والإبعاد

كما أن ارتفاع أسعار الصرف أو ارتفاعها يؤدي إلى زيادة الكفاءة، كما أن زيادة التدفق الحالي من خلال المقاومة الداخلية تولد قدرا أكبر من الحرارة، مما يقلل من الكفاءة، بالإضافة إلى أن مستويات التركز والحد من النقل الجماعي أصبحت أكثر وضوحا بالمعدلات العالية، ويزيد من انخفاض الأداء.

أما انخفاض معدلات الشحن والتصريف، فكلما زاد ذلك، فإن الكفاءة، ولكن بطء الرسوم يمكن أن يقلل أيضا من كفاءة الكولومبيتش بسبب زيادة الانقطاع الذاتي خلال فترة التحميل الممتدة، ويجب على المهندسين أن يوازنوا بين الكفاءة المثلى وبين القيود الزمنية العملية.

وهناك عوامل عديدة لها تأثير كبير على أوجه الكفاءة، مثل الكثافة الحالية، ودرجة الحرارة، واختيار الدمج/المنفصل، والسلوكية الكهربائية.

البطارية العمر وحياة العضلات

كما أن العمر يؤدي دوراً، حيث أن البطاريات تعمر من خلال التدوير المتكرر وشيخوخة التقويم، وتزيد المقاومة الداخلية وتحلل المواد النشطة، ويزيد من المقاومة الداخلية للبطارية ويقلل من قدرتها؛ ولذلك، تتطلب نظم تخزين الطاقة خوارزمية لإدارة البطاريات يمكن أن تتحكم في حالة البطارية.

عدة عمليات تدهور، بما في ذلك المجرى الحراري، و طقوس الليثيوم، وإنتاج الغاز، تسبب بطاريات فقدان الكفاءة بمرور الوقت، وهذه العمليات تقلل من أداء البطارية وسلامتها وقدرتها، وتوفر قياسات الكفاءة المنتظمة طوال حياة البطارية بيانات قيمة للتنبؤ ببقايا الحياة المفيدة والجداول البديلة المثلى.

حالة الشحن

ويُعتبر القبول المنخفض للشحنات عندما يزيد على 70 في المائة عن أحدث رسوم وتشويه ذاتي، الذي يزيد عندما تصبح البطارية دافئة نحو نهاية الشحن، عاملاً يسهم في بطاريات التشغيل المنخفضة الحجم في النطاقات المثلى لمراكز التشغيل الخاصة، من شأنه أن يحسن الكفاءة ويوسع نطاق الحياة في الدورة.

ويستفيد العديد من التطبيقات من الحد من نطاق التركيز الحرفي، مثل العمل بين 20 في المائة و80 في المائة بدلاً من 100 في المائة، وفي حين أن هذا يقلل من القدرة المتاحة، فإنه يمكن أن يحسن كثيراً الكفاءة والطول.

المقاومة الداخلية وصلاحياتها

ومن شأن الخسائر المختلفة، بما في ذلك المقاومة الأورامية، والتفعيل المفرط، والتركيز المفرط، أن تقلل من كفاءة التطاير، وهذه الخسائر تظهر على أنها الفرق بين شحن وتصريف الفولط، وكلما زاد هذا الهستريز الفولطي، كلما انخفض كفاءة الطاقة.

إن رد الفعل المتناقض الذي يحدث داخل جهاز الكيمياء الكهرومغناطيسي للخلية يحول دون بلوغ الكفاءة 100 في المائة، وهذه ردود الفعل الجانبية تستهلك الطاقة دون الإسهام في تخزين الشحنات المفيدة، مما يقلل بشكل دائم من الكفاءة.

قيم الكفاءة النموذجية لمختلف كيميائيات البطاريات

وتظهر مختلف كيميائيات البطاريات نطاقات الكفاءة التي تتسم بها استنادا إلى خصائصها الكهروكيميائية وآليات التشغيل.

البطاريات الليثيوم - الأيون

ويحصل الليون على درجة أعلى من درجات التصنيف في البطاريات القابلة للشحن، وهو يوفر كفاءة تتجاوز 99 في المائة، وتحصل البطاريات الليثيوم - الأسيون على بعض أعلى درجات الكفاءة في استهلاك الكبريتات التي تُعاد شحنها، والتي تتجاوز عادة 99 في المائة، وغالبا ما تبدأ الخلايا الجديدة بنسبة 99.1 في المائة وتحسن مع استقرار طبقة نظام المحاسبة البيئية، حيث تصل إلى 99.5 في المائة أو أعلى في إطار الدورات من 15 إلى 30.

وتتراوح كفاءة الطاقة في البطاريات الليثيوم -يون عادة بين 85 في المائة و 95 في المائة، حسب معدلات الرسوم/التغذية وظروف التشغيل، ويعكس الفرق بين كفاءة الكبريتيك وكفاءة الطاقة خسائر في الفولط أثناء التشغيل.

البطاريات الرائدة

ويأتي حمض الرصاص في أدنى مستوى له في مستوى حرارة القلب البالغ نحو 90 في المائة، وتخفض البطاريات القائمة على النيكل عموماً بعد، وتعاني البطاريات الرصاصية - الخادمة عادة من كفاءة الكبريت تبلغ نحو 85 في المائة، ومن كفاءة الطاقة (الساعة) التي تزيد على معظم نطاق سوك، كما تحددها تفاصيل التصميم ودورة العمل التي تتعرض لها.

وتتناقص البطاريات الرصاصية بدرجة كبيرة، حيث تدور نحو 90 في المائة، وهذا يعني أن نحو 10 في المائة من الشحنة التي توضع في بطارية الرصاص يفقد كل دورة من دوراته بسبب ردود الفعل الجانبية، ولا سيما تقسيم المياه الذي ينتج الهيدروجين وغاز الأكسجين.

البطاريات المُعدّدة من طراز نيكل

وتميل البطاريات التي تستخدم النيكل (النيكل - كادميوم، والنيكل - الميدالية) إلى الانخفاض حتى عن حمض الرصاص، وذلك جزئياً لأنها تولد قدراً أكبر من الحرارة أثناء الشحن وتتأثر بردود الفعل الذاتية التي تستهلك الشحنات المخزنة.() وتتراوح كفاءة الكيوم بالنسبة للبطاريات القائمة على النيكل عادة بين 70 في المائة و85 في المائة، مع انخفاض كفاءة الطاقة في كثير من الأحيان إلى 70 في المائة.

ويمثل انخفاض كفاءة البطاريات القائمة على النيكل مقارنة بآيون الليثيوم أحد الأسباب التي تدعو إلى اعتماد تكنولوجيا الليثيوم على نطاق واسع في التطبيقات التي تتسم فيها الكفاءة بأهمية حاسمة.

التحليل المقارن

وإذا كان الانخفاض في الفولطية 100 ملليغرام أثناء الشحن و100 مللي في أثناء التصريف وإذا افترض أن كمية الألف بنسبة 100 في المائة، فإن الكفاءة، مثلا، بالنسبة لخلية من طراز نيكودس ذات فولت مائي قدره 1.2 V، هي فولت فولت، هي الطريقة التي تسهم بها وحدة الطاقة بنسبة 1.1 ف-3 في المائة في V=84.6 في المائة، وفي مقارنة مع بطارية الليثيوم - إيون مع ارتفاع في الكفاءة بنسبة 3.6 في المائة().

معدات الاختبار وتقنيات القياس

وتتطلب قياسات الكفاءة الدقيقة معدات مناسبة وإيلاء اهتمام دقيق لتقنيات القياس.

البطارية Cyclers and Test Systems

وتوفر أجهزة دورة البطاريات المهنية رقابة دقيقة على التيارات التي تحمل رسوماً وتصفحها، بينما تقيس في الوقت نفسه حجم الفولط والحالي ودرجات الحرارة، وتشمل هذه النظم عادة ما يلي:

• المصادر والبالونات الحالية ذات الدقة العالية أفضل من 0.1 في المائة
• قياس فولتاج مع حل ملفولت
• الرصد والمراقبة في حالة التدرج
• نظم اقتناء البيانات ذات معدلات أخذ العينات العالية
• تسلسل الاختبار الآلي ورصد السلامة

وتحسب نظم اختبار البطاريات الحديثة آليا مقاييس الكفاءة وتصدر تقارير شاملة، ولكن ينبغي للمهندسين أن يفهموا الحسابات الأساسية للتحقق من النتائج ومن شذوذ الاضطرابات.

النظر في قياس درجة الحرارة

إن النهج الأسهل والأهم من الناحية الاقتصادية هو قياس حجم البطاريات عندما يكون في راحة وفي دائرة مفتوحة، ولكن الفولطية وحدها لا تكفي لتحديد كفاءة البطاريات تحديدا لأنها تتوقف على نوع البطاريات وعلى مستوى الشحنات، وبالنسبة لقياس الكفاءة، فإن الرصد المستمر للفولطام أثناء الشحن والتصريف أمر أساسي.

(د) استخدام الاتصالات ذات العجلات الأربع (كيلفين) عند الإمكان للقضاء على قطرات فولتاج في خيوط الاختبارات، وتستخدم هذه التقنية أسلاك منفصلة للاستشعار الحالي للإنجاز والفولط، بما يكفل قياسات دقيقة للفولط في محطات البطاريات.

القياسات الحالية وحسابات الكولومب

وتعدّة الكولومب أسلوباً أكثر دقة ينطوي على تتبع شحنة البطارية وإطلاقها بمرور الوقت، وإدماج البيانات للتحقق من مدخلات الطاقة ومنتوجها، وتوفر أجهزة الاستشعار ذات الدقة العالية أو أجهزة الاستشعار ذات التأثيرات الهالكة قياسات دقيقة في جميع نطاق التشغيل.

ضمان أن تكون أجهزة الاستشعار الحالية مُعيَّنة بشكل سليم وأن يكون لديها حل كاف للنطاق الحالي المتوقع، وبالنسبة للبطاريات ذات الملامح المتغيرة جدا، فإن ارتفاع معدلات أخذ العينات (من الناحية التقليدية 1 Hz أو أسرع) أمر ضروري لاستخلاص السلوك عبر الزمن.

قياس المقاومة الداخلية

هذه الطريقة الأكثر تطوراً تشمل تزييف البطارية بكمية صغيرة من التيار أو الفولط وقياس التغير في الفولط أو التيار وهذه التقنية تُحسب فقدان الطاقة الذي يعزى إلى المقاومة الداخلية للبطارية لتقييم كفاءة البطارية، وتوفر قياسات المقاومة الداخلية معلومات تشخيصية قيمة وتساعد على تفسير التباينات في الكفاءة.

اقتناء البيانات وتسويتها

ويمكن أن تؤدي التباينات في مستويات القدرة على الدفع والتصريف على حد سواء التي تحدث في غضون خطوة زمنية واحدة إلى الإغفال العام عن طريق الناتج والكفاءة إذا لم يسجل الاثنان بصورة مستقلة (في كثير من الأحيان يكونان متوسطين أو ملخمين على مدى الفترة الزمنية)، وبالتالي، لا يلزم أن تكون هناك فترة زمنية قصيرة سوى تقرير واحد عن القياسات، سواء عن الشحن أو البيانات التصريفية.

وبالنسبة لمعظم التطبيقات، فإن تسجيل البيانات على فترات زمنية واحدة توفر حلا كافيا، غير أن التطبيقات ذات تقلبات سريعة في الطاقة قد تتطلب معدلات أخذ عينات أعلى من أجل التقاط تدفقات الطاقة بدقة.

حالات الفرز المشترك وكيفية تجنبها

ويمكن أن تؤدي عدة أخطاء مشتركة إلى تقويض قياسات الكفاءة، ففهم هذه الثغرات يتيح للمهندسين تنفيذ الضمانات المناسبة.

عدد المركبات غير المكتملة أو المشطوبة

ويحدث عدم تحميل البطارية أو تصريفها بالكامل وفقا للبروتوكول المحدد أخطاء منهجية، ويتبع دائما الحدود القصوى المحددة للفولطام ومعايير الإنهاء التي يحددها المصانع، ويوثق أي انحرافات عن الإجراءات الموحدة ويقيّم أثرها المحتمل على النتائج.

فترات الراحة غير الكافية

وقد يؤدي عدم كفاية وقت الراحة بين الشحن والتصريف إلى قياسات غير دقيقة بسبب الآثار العابرة والتوازن الكهروكيميائي غير الكامل، ومتابعة بروتوكولات فترة الراحة المعمول بها، التي تتراوح عادة بين 30 دقيقة وعدة ساعات تبعاً لكيمياء البطاريات وحجمها.

التغيرات في درجة الحرارة

وتؤثر التغيرات غير الخاضعة للمراقبة في درجات الحرارة أثناء الاختبار تأثيرا كبيرا على قياسات الكفاءة، وتستخدم الغرف التي تخضع لرقابة درجة الحرارة عند الإمكان، أو عند أدنى درجة، درجة حرارة الوثائق طوال الاختبار، وتقيّم أثرها على النتائج.

معدات القياس

وتستحدث المعدات غير المعايرة أو المعايرة بشكل غير سليم أخطاء منهجية تتراكم على الاختبارات الطويلة، وتحافظ على جداول معيارية منتظمة لجميع معدات القياس وحالة معايرة الوثائق، وتتحقق من دقة المعدات باستخدام معايير مرجعية معروفة قبل إجراء القياسات الحرجة.

إغراق استهلاك السلطة المساعدة

وبالنسبة للتقييم الكامل للكفاءة في النظام، فإن حساب الطاقة التي تستهلكها نظم إدارة البطاريات ونظم التبريد ومعدات تحويل الطاقة، ويمكن أن يشمل هذا الرقم كفاءة اللافتات، وبالتالي ينبغي التحقق من الكفاءة على مستوى المنظومة، وهي دائما أقل من كفاءة مستوى الخلايا بسبب هذه الحمولات الإضافية.

التطبيقات العملية ودراسات الحالات الإفرادية

ويساعد فهم كيفية تطبيق حسابات الكفاءة في سيناريوهات العالم الحقيقي المهندسين على اتخاذ قرارات تصميم مستنيرة وتحقيق الأداء الأمثل للنظام.

نظم كتائب المركبات الكهربائية

وهذا أمر بالغ الأهمية مع وجود نظم بطارية كبيرة في المركبات الكهربائية ونظم تخزين الطاقة والسواتل، بل إن التحسينات الصغيرة في الكفاءة تترجم إلى زيادة نطاق القيادة وانخفاض تكاليف الشحن، ويمكن أن يمتد تحسين كفاءة المرحلتين ذهابا وإيابا بحوالي عدة أميال لكل دورة شحن.

وتتوخى شركات تصنيع المركبات الإلكترونية تحسيناً دقيقاً في تحديد خصائصها، والإدارة الحرارية، واستراتيجيات التشغيل لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة عبر مختلف ظروف القيادة، وتسترشد هذه الجهود في قياس الكفاءة عند درجات الحرارة ومستويات الطاقة.

Grid-Scale Energy Storage

وفي أجهزة تخزين الطاقة الواسعة النطاق مثل البطاريات في المركبات الكهربائية أو نظم تخزين الطاقة المنزلية، تشكل تكلفة الطاقة المستهلكة لشحن البطارية عاملا هاما وتترجم مباشرة إلى تكلفة الطاقة التي توفرها أجهزة التخزين، وبالنسبة لتطبيقات تخزين الشبكة التي تخزن ساعات عمل ميغاوات من الطاقة، تؤثر الكفاءة تأثيرا مباشرا على القدرة على البقاء اقتصاديا.

ويفقد نظام تخزين الطاقة بالبطارية بنسبة 85 في المائة من كفاءة المرحلتين المطوّرة 15 في المائة من الطاقة المخزنة كدفئة، ويمثل هذا النظام، بالنسبة لنظام يدوّن يومياً، 150 كيلوواط من الخسائر في اليوم، أو ما يقرب من 55 ميغاواط سنوياً، وتمثل هذه الخسائر، في الأسعار العادية للكهرباء، تكاليف تشغيلية كبيرة يجب أن تُدرج في الاقتصاد المشروعي.

الإلكترونيات النقالة

وفي الأجهزة المحمولة، تؤثر كفاءة البطاريات على الوقت الذي يستغرقه تشغيلها ودفعها، ويعني ارتفاع الكفاءة أن الطاقة المستمدة من منفذ الجدار متاحة أثناء شحنها لتشغيل الأجهزة، وهذا أمر مهم بصفة خاصة بالنسبة للتطبيقات السريعة حيث تميل الكفاءة إلى الانخفاض بمعدلات عالية.

ويتوازن المصنعون في أجهزة النبض مع السرعة التي تُفرض على الكفاءة من أجل تحقيق أقصى قدر من خبرة المستعملين، ففهم عملية تبادل القوى العاملة على الكفاءة يتيح اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن فرض بروتوكولات واستراتيجيات الإدارة الحرارية.

Renewable Energy Integration

ويجب أن تخزن نظم البطاريات المقترنة بالشمس أو توليد الرياح بكفاءة الطاقة المتجددة المتقطعة للاستخدام في وقت لاحق، وتحدد كفاءة المرحلتين مدى توافر الطاقة المتجددة في نهاية المطاف للاستهلاك، وفي النظم غير الحوافظية، يجب تعويض خسائر الكفاءة عن طريق الإفراط في توليد الطاقة، وزيادة تكلفة النظام.

المواضيع المتقدمة في كفاءة البطارية

وبالإضافة إلى حسابات الكفاءة الأساسية، توفر عدة مواضيع متقدمة نظرة أعمق عن أداء البطاريات وفرصاً لتحقيق الاستخدام الأمثل.

الكفاءة وتدهور البطارية

وقد استخدمت كفاءة الكولومبيتش على نطاق واسع في بحوث البطاريات كمؤشر قابل للقياس الكمي لعكس مسار البطاريات، وبينما تساعد اللجنة على التنبؤ بمدى عمر بطارية الليثيوم، فإن التنبؤ ليس دقيقا بالضرورة في بطارية معدنية قابلة للشحن، فالعلاقة بين الكفاءة والتدهور معقدة ومعتمدة على الكيمياء.

هذا المقياس مهم لأنه تراكمي و فقدان 1% لكل دورة يبدو تافهاً لكن على مدى مئات الدورات تلك المركبات الصغيرة

الكفاءة في نظم إدارة البطاريات

وتقترح هذه الورقة صيغة لحساب كفاءة البطاريات لإدارة حالة البطاريات، وتستخدم الصيغة المقترحة لحساب كفاءة البطاريات وقت الشحن، وشحن الطاقة الحالية، والقدرة على البطاريات، وتستخدم نظم إدارة البطاريات الحديثة مقاييس الكفاءة لتحقيق أقصى قدر ممكن من استراتيجيات الشحن، والتنبؤ بالقدرات المتبقية، وكشف الأخطاء.

كما يمكن أن تؤدي نظم إدارة البطاريات المتقدمة إلى تحقيق الحد الأمثل من عمليات الشحن والتدبير من أجل تقليل فقدان الطاقة إلى أدنى حد ممكن، كما أن رصد الكفاءة في الوقت الحقيقي يتيح استراتيجيات التكيف في مجال الرقابة التي تحقق أقصى قدر من الأداء مع حماية صحة البطاريات.

اختيار المواد وتصميمها على الوجه الأمثل

يمكن زيادة كفاءة التذبذب إلى أقصى حد من خلال تقليل مقاومة جميع مكونات الخلايا واستخدام المواد الكهرومغناطيسية ذات القدرة الكهربائية العالية، وكهرباء جيدة، ومساحة سطحية عالية، ويمكن تحسين كفاءة البطارية عن طريق الاستخدام الأمثل للتصميم الداخلي للبطارية، مثل استخدام المواد التي توفر مقاومة أقل وتعزيز تركيبة الكهروليت.

وعلى الرغم من أن كفاءة الطاقة كانت قريبة تقريباً من الوحدة بالنسبة لجميع المواد الكهربائية من مركبات الليبريين، فإن هذا العامل مهم للغاية بالنسبة للمواد الجديدة ذات الكثافة العالية (مثلاً، استناداً إلى آلية التحويل) لأن كثافة الطاقة يمكن أن تكون أقل بكثير من متطلبات التطوير العملي، وفي الواقع، فإن كثافة الطاقة المنخفضة تعزى إلى ارتفاع الاحتمالات المفرطة، وهو جزء أساسي من البحوث الأساسية لتحسين التصميم التجاري.

الكفاءة في مختلف طرائق التشغيل

وتتفاوت كفاءة البطارية تفاوتا كبيرا حسب طريقة التشغيل، وتظهر تطبيقات تصريف النبض خصائص مختلفة من خصائص الكفاءة مقارنة بالتصريف المستمر، وتظهر التدوير الجزئي للشحنات كفاءة مختلفة عن التدوير الكامل لعمق التغذية، ويكفل تصنيف الكفاءة عبر وسائل التشغيل ذات الصلة التنبؤ الدقيق بالأداء بالنسبة لتطبيقات محددة.

المعايير وأفضل الممارسات

وعلى إثر المعايير وأفضل الممارسات المتبعة، تكفل الاتساق والقابلية للتكاثر وقابلية المقارنة بين قياسات الكفاءة في مختلف المختبرات والمنظمات.

معايير الصناعة

وتنشر عدة منظمات معايير لفحص البطاريات وقياس الكفاءة:

• IEC 61960 and IEC 62133 for lithium-ion batteries
• IEEE 1679 for bat characterization
• SAE J2464 لاختبار بطارية المركبات الكهربائية
• ISO 12405 for battery performance testing

وتحدد هذه المعايير إجراءات الاختبار، والظروف البيئية، ومتطلبات القياس، وأشكال الإبلاغ.() وييسر التقيد بالمعايير ذات الصلة مقارنة النتائج ويكفل الامتثال التنظيمي.

الوثائق والإبلاغ

ومن الضروري توفير وثائق شاملة لإعادة الإنتاج وتفسير البيانات، وينبغي أن تتضمن تقارير اختبار الكفاءة ما يلي:

• مواصفات البطاريات الكاملة وتحديد الهوية
• تفاصيل معدات الاختبار وحالة المعايرة
• الظروف البيئية في جميع مراحل الاختبار
• إجراءات الاختبار التفصيلية وأي انحراف عن المعايير
• بيانات راو بما في ذلك الفولط والحالي ودرجات الحرارة
• قياسات الكفاءة المحسوبة مع تحليل عدم اليقين
• التمثيل الجمركي للرسوم/المنح الدراسية

ضمان الجودة

تنفيذ إجراءات ضمان الجودة لضمان دقة القياس وموثوقيته:

• معايرة المعدات العادية والتحقق منها
• استخدام البطاريات المرجعية ذات الأداء المعروف
• المقارنات الدورية المشتركة بين التعاونيات
• التحليل الإحصائي للقياسات المتكررة
• توثيق أوجه عدم اليقين في القياس

تحسين كفاءة استخدام البطاريات

وفي حين أن الكفاءة تحدد إلى حد كبير بكيمياء البطاريات وتصميمها، فإن عدة استراتيجيات تشغيلية يمكن أن تحقق الأداء الأمثل في حدود قيود نظام معين للبطارية.

البروتوكولات الجمركية المثلى

وتؤثر استراتيجية الشحن تأثيرا كبيرا على الكفاءة، إذ تستخدم بروتوكولات الشحن المتعددة المراحل التي تقلل من حجم البطاريات مع اقتراب الشحن الكامل من الخسائر مع ضمان التحصيل الكامل، وتُستخدم الشحنات الجارية/المتعلقة بالماءات على نطاق واسع في البطاريات الليثيومية وتوفر الكفاءة الجيدة في الوقت الذي تحمي فيه صحة البطاريات.

تجنب الإفراط في الشحن، أي نفايات الطاقة وتسريع التدهور، تنفيذ الإنهاء السليم للشحنات استنادا إلى الشريط الحالي أو الحدود الزمنية المحددة من قبل مصنّع البطاريات.

الإدارة الحرارية

ويحسن الحفاظ على درجة الحرارة التشغيلية المثلى الكفاءة ويمتد من عمر البطاريات، فنظم التبريد والتدفئة النشطة تحافظ على البطاريات في نطاق درجات الحرارة المثالية، حيث عادة ما تكون 20-25 درجة مئوية بالنسبة لمعظم كيميائيات الليثيوم -يون، وفي حين تستهلك نظم الإدارة الحرارية الطاقة، كثيرا ما تبرر المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة وفوائد طول العمر هذا الاستثمار في نظم البطاريات الكبيرة.

ويمكن للإدارة الحرارية السلبية من خلال تصميم الضبط السليم، والعزل الحراري، والغرق الحراري أن تحسن الكفاءة دون استهلاك إضافي للطاقة.

تشغيل داخل منطقة أوبتيمال SOC

ويؤدي الحد من حجم التشغيل في مرحلة التشغيل إلى تحسين الكفاءة وحياة الدورة، ويستفيد العديد من التطبيقات من العمل بين 20 في المائة و80 في المائة من مستوى التشغيل بدلا من استخدام النطاق الكامل للقدرات، مما يقلل من الضغط على المواد الكهرومغناطيسية ويقلل إلى أدنى حد من ردود الفعل الجانبية التي تقلل من الكفاءة.

التقليل إلى أدنى حد من اللوتسات الموازية

خفض استهلاك الطاقة بواسطة نظم إدارة البطاريات، ورصد الدوائر، وغيرها من النظم المساعدة، واستخدام عناصر منخفضة الطاقة، وتنفيذ أساليب النوم عندما لا يكون مطلوبا الرصد الكامل، وفي نظم كبيرة، تتراكم حتى الحمولات الطفيلية الصغيرة إلى خسائر كبيرة في الطاقة على مر الزمن.

الاتجاهات المستقبلية في كفاءة البطاريات

وتواصل جهود البحث والتطوير الجارية دفع حدود كفاءة البطاريات من خلال مواد وتصميمات وتكنولوجيات جديدة.

البطاريات التابعة للدولة الصلبة

وتتحقق البطاريات الجديدة في الدول الصلبة، التي تحل محل الكهروليت السائل بمواد صلبة، من تحقيق الكفاءة الكهرمائية حوالي 99 في المائة في الاختبار المختبري، وتعود التكنولوجيا في الدول الصلبة بتحسين الكفاءة من خلال خفض المقاومة الداخلية وإزالة بعض ردود الفعل الجانبية التي تصيب نظم الكهروليت السائلة.

إدارة البطاريات المتقدمة

فالتعلُّم الماكنة والاستخبارات الاصطناعية تتيحان استراتيجيات أكثر تطوراً لإدارة البطاريات تتكيف مع خصائص البطاريات وظروف التشغيل الفردية، وتُفضِّل الخوارزميات العاقبية إلى تحديد ملامح التموين في الوقت الحقيقي لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة مع الحفاظ على صحة البطاريات.

Novel Electrode Materials

وتركز البحوث في المواد الكهربائية الجديدة على الحد من الاحتمالات المفرطة وتحسين القابلية للتحول الكهروكيميائي، كما أن الأنود السيليكونية، والأنواد الليثيومية، ومواد القطط ذات التأثير العالي توفر تحسينات محتملة في الكفاءة، رغم أن التحديات لا تزال قائمة في تحقيق حياة طويلة مع هذه المواد المتقدمة.

تحسين الكهرباء

وتخفض التركيبات الكهربائية المتقدمة المقاومة الداخلية وتكبت ردود الفعل الجانبية، مما يحسن كفاءة الكبريتيك والطاقة على حد سواء.وتظهر الكهروليتات السائلة المأخوذة من الأيوني، والكهرباء البوليمر الصلبة، والحزم الإضافية الجديدة الوعود بتعزيز الكفاءة.

خاتمة

إن كفاءة الطاقة في البطاريات هي مقياس للأداء الحاسم يؤثر تأثيرا مباشرا على القدرة الاقتصادية على البقاء، والاستدامة البيئية، والفوائد العملية لنظم تخزين الطاقة، ويتطلب حساب الكفاءة بدقة إجراءات قياس منهجية، ومعدات مناسبة، والاهتمام الدقيق بالعوامل التي تؤثر على النتائج بما في ذلك درجات الحرارة، ومعدلات الشحن/التغذية، وعمر البطاريات.

ويجب على المهندسين أن يفهموا أوجه التمييز بين مختلف مقاييس الكفاءة - كفاءة الطاقة، والكفاءة في الكبريت، والكفاءة الفولطية - وأن يختاروا القياسات المناسبة لتطبيقاتها المحددة، وفي حين أن الحساب الأساسي لكفاءة الطاقة مع كون نسبة الناتج إلى الطاقة المدخَلة مباشرة، فإن تحقيق نتائج دقيقة ومتجددة يتطلب منهجية صارمة وضمان الجودة.

ومع استمرار تطور تكنولوجيا البطاريات، ستظل قياسات الكفاءة ضرورية لتقييم المواد الجديدة، وتحقيق التصميم الأمثل لنظم تخزين الطاقة، وضمان استيفاء نظم تخزين الطاقة لمتطلبات الطلب على التطبيقات الحديثة، وباتباع الإجراءات التدريجية وأفضل الممارسات المبينة في هذا الدليل، يمكن للمهندسين أن يقيّموا بثقة أداء البطاريات وأن يتخذوا قرارات مستنيرة تعزز تكنولوجيا تخزين الطاقة.

For additional information on battery testing standards, visit the International Electrotechnical Commission] or explore resources from the ]U.S. Department of Energy. The Battery University provides comprehensive educational materials on batbin technology and testing organizations6