اختلال توازن الجهد في الحل: تحليل عدم اتساق حزمة بطارية فوسفات الحديد الليثيوم والحلول

خلفيات

أثناء التطبيق واسع النطاق لـ LiFePO4 في البطاريات، أصبحت مشكلة عدم اتساق الجهد تحديًا رئيسيًا يحد من أدائها وسلامتها وعمرها الافتراضي. مع التطور السريع لأنظمة تخزين الطاقة الجديدة والمركبات الكهربائية، تُستخدم بطاريات Li-FePO4 على نطاق واسع نظرًا لسلامتها العالية وعمرها الافتراضي الطويل ومزاياها من حيث التكلفة، إلا أن مشكلة عدم اتساق الجهد بين البطاريات الفردية بعد التجميع تزداد بروزًا. يتجلى هذا التباين بشكل رئيسي في المعلمات المنفصلة، ​​مثل جهد الخلية الواحدة والمقاومة الداخلية والسعة، وخاصةً عند توصيلها على التوالي أو بالتوازي لتكوين مجموعة، حيث يتزايد الفرق تدريجيًا مع دورة الشحن والتفريغ والتغيرات البيئية، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض الأداء العام لحزمة البطارية، بل وحتى إلى حدوث خلل حراري ومخاطر سلامة محتملة أخرى.

تحليل المشاكل والأسباب

الاختلافات في عملية التصنيع وخصائص المواد:
هناك اختلافات بين معدل تفاعل مادة القطب الموجب ومادة القطب السالب في بطاريات فوسفات حديد الليثيوم، حيث يتفاعل القطب الموجب بمعدل أسرع من القطب السالب، مما يؤدي إلى تراكم فرق الجهد بين القطبين الموجب والسالب أثناء عملية الشحن والتفريغ. إضافةً إلى ذلك، فإن الاختلافات الطفيفة في سمك القطب وتوزيع الإلكتروليت للبطاريات المفردة أثناء عملية التصنيع ستزيد من تفاقم عدم اتساق المقاومة الداخلية والسعة. على سبيل المثال، يؤثر التوزيع غير المتساوي لتركيز الإلكتروليت على معدل انتقال الأيونات، مما يؤدي إلى اختلافات محلية في الجهد.

تأثيرات الشيخوخة واستخدام البيئة:
بعد الاستخدام الدوري طويل الأمد، يؤدي تبخر الإلكتروليت وتبلور مادة الكاثود داخل البطارية إلى تسريع عملية الشيخوخة، وزيادة المقاومة الداخلية، وانخفاض الجهد. في الوقت نفسه، تُفاقم درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة عدم انتظام التفاعل الكهروكيميائي، مما يزيد من تضخم فرق الجهد.

ظروف التشغيل ومشاكل الاتصال الخارجية:

أثناء عملية شحن وتفريغ حزمة البطارية، قد يؤدي التوزيع غير المتساوي للتيار إلى زيادة شحن أو تفريغ بعض المونومرات. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي اللحام الخاطئ ومقاومة التوصيل غير المستقرة إلى ارتفاع درجة الحرارة المحلية وتقلب الجهد. على سبيل المثال، قد تؤدي المقاومة غير الطبيعية لمفاصل اللحام الافتراضية إلى تضخيم كبير لفرق الجهد بين الوحدات المتوازية.

تأثير عدم اتساق الجهد

انحطاط الأداء:
سيؤدي فرق الجهد الزائد إلى تقليل سعة البطارية القابلة للاستخدام. على سبيل المثال، عند انتهاء الشحن والتفريغ، قد تُفعّل الخلايا عالية الجهد آلية الحماية، مما يُجبر البطارية بأكملها على إيقاف التشغيل قبل أوانها، مما يُؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة.
دورة حياة مختصرة:
سيؤدي عدم الاتساق إلى تسريع الشحن الزائد أو التفريغ الزائد لبعض المونومرات، مما يؤدي إلى شيخوخة أسرع بكثير من المونومرات الأخرى، مما يُقصّر عمرها الافتراضي. تُظهر التجارب أن عمر دورة البطاريات التي تعاني من مشاكل لحام قد ينخفض ​​بأكثر من 30%.
مخاطر السلامة:
قد تؤدي فروق الجهد إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعية، مما يؤدي إلى هروب حراري في الحالات القصوى. أظهرت الدراسات أن خطر سلامة حزمة البطارية يزداد بشكل ملحوظ عندما يتجاوز فرق الجهد في خلية واحدة 0.1 فولت.

بالنسبة لأنظمة تخزين الطاقة، فإن مبدأ البرميل هو أن أسوأ خلية تؤثر على شحن وتفريغ المجموعة بأكملها، مما يؤثر على أدائها الإجمالي.

تأثير البرميل بسبب اختلاف السعة

بشكل عام، سيتم إجراء اختبار السعة المنقسمة عند شحن خلية البطارية خارج المصنع، ولكن هناك استثناءات لكل شيء، عندما يكون هناك خلط في سعة المصنع، أو مشاكل تحدث في المرحلة المتأخرة من خلية البطارية نفسها.
كما هو موضح في الشكل أدناه، عندما تكون سعة إحدى خلايا حزمة البطارية غير طبيعية مقارنةً بالخلايا الأخرى، فسنجد أنه أثناء عملية الشحن والتفريغ الفعلية، يُقطع الحد الأدنى لسعة الخلية المنخفضة، وفي هذه الحالة، ستعتمد السعة الإجمالية لمجموعة البطاريات بأكملها على هذه الخلية غير الطبيعية. نستخدم Q للإشارة إلى السعة المُصنّفة للخلية، وQ1 للإشارة إلى السعة الكلية، وQ2 للإشارة إلى سعة الخلية غير الطبيعية. في الحالة المثالية، Q1 = Q، فسيكون الوضع الفعلي Q1 = Q2، وQ أكبر من Q2.

تأثير البرميل بسبب توحيد الجهد

بشكل عام، تحدث اختلافات في اتساق الجهد عادةً أثناء الاستخدام، مثل نتيجة التفريغ الذاتي للخلية.

في مجموعة بطاريات ذات اتساق جهد جيد، يمكن لجهد خلية واحدة أن يصل إلى حالة قطع الشحن وحالة قطع التفريغ في وقت واحد تقريبًا. ومع ذلك، في حالة مجموعة ذات اتساق جهد ضعيف، في مرحلة التفريغ، تصل الخلية ذات السعة المتبقية المنخفضة إلى حالة قطع التفريغ أولاً، مما يؤدي إلى وصول المجموعة بأكملها إلى حالة قطع التفريغ مبكرًا. في عملية الشحن، تصل الخلية ذات السعة المتبقية العالية إلى حالة قطع الشحن أولاً، مما يؤدي إلى وصول المجموعة بأكملها إلى حالة قطع الشحن مبكرًا. في هذه الحالة، يتم تحديد سعة المجموعة بشكل مشترك بواسطة الخلايا ذات السعة المتبقية العالية والمنخفضة، Q1 = Q-(Q عالية - Q منخفضة).

مظاهر وتأثيرات فشل الضغط التفاضلي

على سبيل المثال، عندما يكون للخلايا الملحومة في البطارية لحامٌ خاطئ، عند توصيلها على التوازي، تنخفض سعتها بسبب اللحام الخاطئ، مما يمنع الخلايا غير الطبيعية من الشحن والتفريغ الكامل (جهد الاستقطاب). أما عند توصيل الخلايا على التوالي، فيؤدي اللحام الخاطئ إلى ارتفاع جهد الاستقطاب أثناء الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى انخفاض السعة. وتعود أعطال الضغط التفاضلي المذكورة أعلاه بشكل رئيسي إلى عملية الإنتاج والتصنيع.

التوازن النشط

عندما يكون الجهد غير متناسق للخلية، فإن المعادلة النشطة هي استخدام أساليب هجرة الطاقة، والهجرة النشطة للطاقة من الخلايا ذات السعة العالية إلى الخلايا ذات السعة المنخفضة، وتحقيق أقصى قدر من السعة في نهاية المطاف، بالطبع، إذا كانت المعادلة النشطة للمخطط غير مستقرة، في الواقع، على العكس من ذلك، فإنها ستزيد من خطر تشغيل النظام وتزيد من معدل الفشل.

التوازن السلبي

المعادلة السلبية هي طريقة لاستهلاك الطاقة، وذلك بشكل رئيسي من خلال مفتاح لتفريغ الجهد العالي للنواة، وبالتالي تقليل جهد النواة للحفاظ على اتساق الجهد. ومع ذلك، هذا لا يمكن إلا تفريغ الجهد العالي للنواة، ولكن لا توجد طريقة للتعامل مع الجهد المنخفض الأصلي، وهذا لا يمكن أن يكون حلاً جذريًا لمشكلة عدم اتساق الجهد، للوصول إلى مستوى معين، فمن الضروري تجديد بطارية النواة بشكل مصطنع! أو استبدال الوحدة مباشرة. ومع ذلك، فإن المعادلة السلبية أكثر استقرارًا نسبيًا من المعادلة النشطة، ومعدل الفشل منخفض نسبيًا.

عند اختيار استبدال الوحدة، يُفضل القيام بذلك في بداية التشغيل، لأنه بعد وقت تشغيل طويل، قد تتدهور سعة الوحدة الأصلية. عند استبدال الوحدة الجديدة، قد يكون هناك تفاوت في جهد الوحدة. عند استبدال الوحدات، نعطي الأولوية للبطارية المشحونة بالكامل، ثم نستبدل الوحدة المشحونة بالكامل، لتحقيق اتساق جهد النظام.