ما هو عمر دورة البطارية؟ تعريفه وحسابه وعوامله وكيفية تمديده

مع التوسع السريع لأنظمة تخزين الطاقة والمركبات الكهربائية وتقنيات أيونات الليثيوم في جميع أنحاء العالم، أصبح عمر دورة البطارية أحد أهم مؤشرات أداء البطارية. وسواء تم استخدامها في الإلكترونيات الاستهلاكية أو السيارات الكهربائية أو تخزين الطاقة الثابتة، فإن عمر الدورة يحدد بشكل مباشر عمر خدمة البطارية وقيمتها الاقتصادية وموثوقيتها على المدى الطويل.

إن فهم عمر دورة البطارية يساعد المستخدمين على تقييم خيارات البطاريات المختلفة ويسمح لمصممي الأنظمة ببناء حلول أكثر متانة واقتصادية وصديقة للبيئة.

تقدم هذه المقالة نظرة عامة كاملة عن ماهية دورة حياة البطارية، وكيفية قياسها، وسبب أهميتها، والعوامل التي تؤثر عليها، وكيفية إطالة عمر البطارية في التطبيقات الواقعية.

ما هو PCS؟

يشير عمر دورة البطارية إلى عدد دورات الشحن والتفريغ التي يمكن أن تكملها البطارية في ظل ظروف اختبار محددة قبل أن تتدهور قدرتها أو طاقتها إلى نسبة مئوية معينة من قيمتها الأولية. العتبة القياسية في الصناعة هي 80%. وهذا يعني أن عمر دورة البطارية يعتبر مكتملاً عندما تتدهور سعتها من 100% الأولي إلى 80%.

بالنسبة للبطارية التي تبلغ سعتها الأولية 1000 أمبير، فإن عمر دورتها هو عدد الدورات التي تكملها قبل أن تنخفض سعتها إلى 800 أمبير.

تُعرّف الدورة الكاملة بأنها العملية التي يصل فيها التفريغ التراكمي إلى 100% من السعة المقدرة للبطارية، بغض النظر عن عدد الشحنات الفردية.

على سبيل المثال: إذا استهلكت 60% من سعة البطارية في يوم ما، ثم أعدت شحنها بالكامل طوال الليل، ثم استخدمت 40% في اليوم التالي، فإن التفريغ التراكمي يكون 100%، أي إكمال دورة واحدة. ببساطة، تكتمل دورة واحدة عندما يساوي إجمالي الطاقة المفرغة 100% من سعة البطارية.

سبب أهمية عمر دورة البطارية?

بالنسبة للمستخدمين الذين يهدفون إلى تحقيق أقصى قدر من الأداء وتقليل التدهور وإطالة عمر الخدمة، فإن فهم أهمية دورة الحياة أمر بالغ الأهمية. في الإلكترونيات الاستهلاكية، أو السيارات الكهربائية، أو أنظمة تخزين الطاقة على نطاق المرافق، يحدد عمر الدورة بشكل مباشر الموثوقية والاقتصاديات وسهولة الاستخدام على المدى الطويل.

تأثيرات عمر المنتج وتجربة المستخدم

إن عمر الدورة الأطول يعني أن البطارية يمكن أن تعمل بشكل موثوق لفترة أطول قبل أن تتدهور سعتها إلى مستوى غير قابل للاستخدام.

• الإلكترونيات: يوفر عمر بطارية أكثر استقرارًا وعمرًا أطول للمنتج.
• أنظمة تخزين الطاقة : يحدد عمر الدورة الجدوى الاقتصادية للمشروع.
• المركبات الكهربائية: حزمة البطارية هي المكون الأغلى ثمناً. فالعمر الأطول يحسن الاقتصاديات بشكل عام ويعزز ثقة المستهلك.

لذلك، لا يؤثر عمر الدورة على تجربة المستخدم فحسب، بل يحدد أيضًا قيمة الجهاز على المدى الطويل.

تحديد التكلفة الإجمالية للملكية

يؤثر عمر الدورة بشكل مباشر على تكلفة التشغيل على المدى الطويل.

على سبيل المثال: في أنظمة دعم الطاقة الكهربائية، إذا كان عمر دورة البطارية 2000 دورة فقط، فقد يتطلب الأمر استبدالها خلال دورة حياة المشروع البالغة 10 سنوات، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الصيانة.

إذا وصل عمر الدورة إلى 6000 دورة أو أكثر، على الرغم من أن الاستثمار الأولي قد يكون أعلى، فإن التكلفة الاقتصادية طويلة الأجل أقل، مما يوفر اقتصاديات أفضل.

GODE's 1907 ESS, مع إدارة صحية لدرجات الحرارة، ونطاق حالة الشحن (SOC) الخاضع للتحكم، ومعدلات C معقولة، يمكن أن تحقق دورة حياة تزيد عن 6000 دورة. وهذا يجعلها مصدر طاقة مستقرًا للشبكات الصغيرة والتطبيقات خارج الشبكة، مما يمثل استثمارًا طويل الأجل ذا عائد مرتفع.

الشواغل البيئية والإنسانية

يعني العمر الأطول لدورة البطارية عددًا أقل من عمليات استبدال البطاريات، واستهلاكًا أقل للمواد الخام، وعبئًا بيئيًا أقل، وتوافقًا أفضل مع أهداف الاستدامة العالمية.

تساهم البطاريات ذات العمر الطويل في:

• تقليل تكرار استبدال البطارية
• انخفاض الضغط على الموارد أثناء التصنيع
• انخفاض حجم النفايات التي يتم التخلص منها
• انخفاض الطلب على تعدين المعادن المهمة مثل الليثيوم والنيكل والكوبالت

وتستحق مسألة موارد الكوبالت اهتماما خاصا. فجمهورية الكونغو الديمقراطية تمتلك أكثر من 501 تيرابايت من احتياطيات الكوبالت في العالم، والكوبالت مادة أساسية في بطاريات الطاقة والإلكترونيات. ومع ذلك، غالباً ما تنطوي قطاعات التعدين الحرفي والصغير الحجم على استغلال عمالة الأطفال.

إن إطالة عمر دورة البطارية لا يقلل فقط من الاعتماد على المعادن المهمة مثل الكوبالت، بل يمثل أيضاً موقفاً إنسانياً مسؤولاً تجاه حماية الأطفال والفئات الضعيفة.

كيفية حساب عمر دورة البطارية

إن عمر دورة البطارية ليس مجرد مجموع أوقات الشحن، بل هو طريقة اختبار علمية تعتمد على معايير موثوقة وإجراءات صارمة ومعايير واضحة. وفقًا لدليل اختبار البطارية الصادر عن اتحاد البطاريات الأمريكية المتقدمة (USABC)، تتضمن عملية الحساب الكاملة الخطوات التالية:

الخطوة 1: اختبار خط الأساس الأولي

عند درجة حرارة محددة (عادةً 25 درجة مئوية أو 30 درجة مئوية) ومعدل تفريغ (على سبيل المثال، C/3)، قم بإجراء تفريغ قياسي على بطارية مشحونة بالكامل لقياس السعة الأولية (C_initial)، والتي تعمل كمعيار قياسي.

الخطوة2: إجراء اختبار الدورة

قم بإجراء دورات متكررة وفقًا لملف الاختبار المحدد، على سبيل المثال:

• 100% أو 80% DoD
• ثابت C/3، C/2، إلخ.
• بيئة درجة الحرارة الثابتة

على فترات منتظمة (على سبيل المثال، كل 25 أو 50 دورة)، كرر إجراء الاختبار الأساسي لقياس السعة الحالية (C_current).

الخطوة3: تسجيل البيانات وتحديد نقطة النهاية

قم بتسجيل تلاشي السعة باستمرار وحساب سعة الاحتفاظ بالسعة:
احتباس السعة = (C_current / C_initial) × 100%

ينتهي الاختبار عندما ينخفض احتباس السعة لأول مرة إلى أقل من 80%.

إجمالي عدد الدورات المتراكمة عند هذه النقطة هو عمر دورة البطارية في ظل تلك الظروف المحددة.

الخطوة 4: المذكرة المهنية الرئيسية

يعتمد عمر الدورة بشكل كبير على ظروف الاختبار.

يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المختلفة ومستويات وزارة الدفاع ومعدلات C إلى اختلافات كبيرة في عمر الدورة المبلغ عنها. ولذلك، يجب أن تنص التقارير المهنية عن عمر الدورة بوضوح على ما يلي:

• درجة الحرارة
• وزارة الدفاع
• المعدل C-معدل
• نافذة الجهد
• الظروف المحيطة

على سبيل المثال “عمر الدورة ≥3000 دورة عند 25 درجة مئوية، 80% DoD، معدل الشحن/التفريغ C/3.” لا معنى لمناقشة عمر الدورة دون ذكر ظروف الاختبار.

ما الذي يؤثر على دورة حياة البطارية؟

يتأثر عمر الدورة بعوامل متعددة. ويعد فهمها أمراً بالغ الأهمية لتصميم النظام واختيار البطارية والاستخدام اليومي.

كيمياء البطارية

تختلف فترة حياة المواد الكيميائية المختلفة بطبيعتها.

• LFP: هيكل مستقر، وأقل تغير في الحجم، وعمر طويل، وغالبًا ما يتجاوز 3000 دورة.
• ن.م.م.س: كثافة طاقة عالية، ولكن ثبات هيكلي أقل في ظل التدوير العميق، وعادةً ما يكون عمرها أقصر من LFP.
• حمض الرصاص: عمر افتراضي قصير (300-500 دورة)، أكثر ملاءمة لتطبيقات بدء التشغيل من التدوير العميق.

درجة الحرارة

يرتبط تدهور سعة البطارية ارتباطًا وثيقًا بدرجة الحرارة. ويكون التدهور ضئيلاً في درجة حرارة الغرفة ولكنه يتسارع أثناء التخزين أو الاستخدام في درجات حرارة عالية (عادةً ما تكون أعلى من 35 درجة مئوية) أو درجات حرارة منخفضة (عادةً ما تكون أقل من 5 درجات مئوية).

وجدت دراسة نُشرت في مجلة Scientific Reports أنه في حين أن السعة التخزينية القصوى تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة من 25 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية، إلا أنها بدأت في الانخفاض مع زيادة درجات الحرارة.

بالنظر إلى أن تدهور الأداء يكون أكثر حدة في درجات الحرارة المرتفعة، فإن التعرض الطويل للحرارة الشديدة يقصر عمر البطارية بشكل كبير. تجنب التعرض لدرجات الحرارة العالية لفترات طويلة.

عمق التفريغ

يشير مصطلح DoD إلى النسبة المئوية للسعة الإجمالية للبطارية التي يتم تفريغها في دورة واحدة. وهو أحد أكثر العوامل التي يمكن للمستخدم التحكم فيها لإطالة عمر البطارية.

يمكن أن يؤدي الشحن المتكرر إلى أعلى من 90% والتفريغ إلى أقل من 10% إلى تسريع تلاشي السعة.

تجنّب تشغيل البطارية حتى تنطفئ قبل إعادة شحنها. فتعبئة البطارية بانتظام عادة أفضل.

المعدل C-معدل

يقيس المعدل C معدل C شدة تيار الشحن/التفريغ. في حين أن الشحن/التفريغ عالي التيار يلبي الحاجة إلى التجديد السريع للطاقة، إلا أنه يضر بعمر الدورة بشكل واضح.

تولد التيارات العالية المزيد من حرارة الجول، وتزيد من الاستقطاب، وتسرع من الإجهاد الميكانيكي على المواد النشطة وانهيار طبقة SEI، مما يقلل من العمر الافتراضي.

حالة نطاق الشحن

كما أن إبقاء البطارية في حالة شحن عالية أو جهد عالٍ لفترات طويلة يضر بالعمر الافتراضي للبطارية.

للتخزين طويل الأجل، حافظ على SOC بين 40% و80%.

في الاستخدام اليومي، يمكن أن يؤدي تعيين الحد الأقصى للشحن إلى 90% أو 80% إلى إطالة عمر الدورة بشكل فعال.

جودة التصنيع

يعتمد عمر الدورة النهائية للبطارية على عمليات التصنيع المتطورة ومراقبة الجودة.

تؤثر عوامل مثل رطوبة/درجة حرارة الإنتاج الشديدة، والطلاء غير المتساوي للأقطاب الكهربائية، والمحاذاة السيئة في التكديس/التعبئة، والتناقضات بين الخلايا الفردية، كلها عوامل تؤثر على عمر الدورة.

يعد اختيار العلامات التجارية ذات السمعة الطيبة مع عمليات التصنيع المتقدمة أمراً أساسياً للحصول على بطاريات ذات عمر طويل.

كيفية إطالة عمر دورة البطارية

من الناحية العملية، فإن دورة حياة البطارية ليست ثابتة؛ فهي تختلف بشكل كبير بناءً على عادات المستخدم ودرجة الحرارة المحيطة وطرق الشحن/التفريغ. والخبر السار هو أنه يمكنك إطالة عمر البطارية بالعناية المناسبة. إليك أكثر الاستراتيجيات عملية وقابلة للتنفيذ:

الحفاظ على نطاق وزارة الدفاع 40-80%

تفرض التفريغات العميقة إجهادًا عاليًا على مواد القطب الكهربائي، مما يتسبب في أضرار لا يمكن إصلاحها مثل التمدد الهيكلي والتفريغات والتشققات الدقيقة.

يمكن أن يؤدي استخدام البطارية ضمن نطاق 40-80% SOC إلى زيادة عمرها الافتراضي بشكل كبير.

بالنسبة لأنظمة تخزين الطاقة، فإن التدوير بين 20% و80% هو الأكثر شيوعًا.

اتبع معدل C الموصى به من الشركة المصنعة

يمكن أن تتحمل كيميائيات البطاريات المختلفة معدلات C مختلفة. يمكن أن تتسبب المعدلات العالية بشكل مفرط في ارتفاع درجة الحرارة والاستقطاب الشديد ومخاطر طلاء الليثيوم.

يؤدي الالتزام بمعدلات الشحن/التفريغ الموصى بها من الشركة المصنعة إلى إطالة العمر الافتراضي بشكل كبير. يستخدم نظام ESS الصناعي عادةً معدلات 0.25C إلى 0.5C لإطالة العمر الافتراضي.

استخدم دائماً الشاحن الأصلي أو المعدات المعتمدة.

وشمل البحث الذي أجراه فريق بول جاسبر، والذي نُشر في مجلة تخزين الطاقة، اختبارات الشيخوخة المتسارعة على بطاريات من مختلف المصنعين، مع كيميائيات مختلفة (LFP مقابل NMC) وتصاميم مختلفة. أكدت النتائج أن دورة الحياة حساسة للغاية لظروف الاستخدام مثل درجة الحرارة، ومعدل الدوران، ونافذة الجهد، ومعدل C.

يمكن أن يؤدي اعتماد هذه العادات البسيطة والحاسمة في الوقت نفسه إلى إبطاء منحنى تلاشي السعة بشكل كبير، مما يحافظ على البطارية بسعة أعلى قابلة للاستخدام ويضمن عمر خدمة عملي أطول.

الخاتمة

في ظل الخلفية العالمية لتسريع نشر الطاقة المتجددة والحد من استخراج الموارد وتعزيز التنمية المستدامة، فإن إطالة عمر دورة البطارية لا يوفر التكاليف فحسب، بل يقلل أيضًا من متطلبات التعدين ويقلل من النفايات ويساهم بشكل إيجابي في القضايا البيئية والإنسانية.

يمكن أن يؤدي إتقان المبادئ الأساسية الموضحة في هذه المقالة - التحكم في معدل الشحن، وتجنب درجات الحرارة المرتفعة، وتقليل الشحن السريع، والحفاظ على معدلات C معقولة - إلى تعزيز موثوقية البطارية وعمرها التشغيلي بشكل كبير، مما يجعل كل كيلوواط/ساعة من الطاقة أكثر قيمة.