سلامة بطارية السيارة الكهربائية: التوازن بين الكثافة والشحن السريع

أدت سلسلة حرائق السيارات الكهربائية في أكتوبر، بما في ذلك طرازات فاخرة مثل شاومي SU7 ألترا، ونيو ET7، ولي أوتو ميجا، ومرسيدس-بنز EQE، وبورش تايكان، إلى تسليط الضوء مجددًا على سلامة البطاريات. تُظهر البيانات والأدلة أن المنافسة على الأداء - من كثافة الطاقة العالية إلى الشحن فائق السرعة - تأتي على حساب الاستقرار الحراري وتتطلب إدارة مخاطر أكثر صرامة (عبر موقع 36kr.com).

كثافة الطاقة العالية: ميزة النطاق، الاستقرار الحراري للضغط

أدى الانتقال من مواد فوسفات حديد الليثيوم (LFP) إلى مواد الليثيوم الثلاثي (NCM/NCA) الموجبة إلى زيادة كثافة الطاقة وتوسيع نطاق التشغيل. ومع ذلك، بالمقارنة مع فوسفات حديد الليثيوم (LFP)، الذي يتميز ببنية بلورية مستقرة ويصعب إطلاق الأكسجين منه، فإن المواد عالية النيكل تُقلل من الاستقرار الحراري.

أجبرت تجربة السوق الصناعة على التكيف: بعد الحوادث المتعلقة بـ NCM 811 (GAC Aion S في عام 2020؛ استدعت جنرال موتورز ما يقرب من 70,000 مركبة في عام 2021 بسبب مخاطر بطاريات النيكل العالية، ودفعت LG Chem تعويضات بقيمة مليار دولار)، تحولت نسبة NCM الشائعة إلى 5-2-3/6-2-2 لتحقيق التوازن بين الأداء والسلامة. لا تزال بطاريات LFP شائعة في فئة السيارات التي تقل قيمتها عن 200,000 يوان بسبب تكلفتها، بينما تُستخدم البطاريات ثلاثية المكونات في السيارات متوسطة وحديثة الطراز (على سبيل المثال، تستخدم Tesla بطاريات ثلاثية المكونات للإصدارات طويلة المدى، بينما تستخدم LFP للإصدارات القياسية).

من 18650 إلى 4680، ثم CTP/CTC: الكفاءة الحجمية ومخاطر الخلايا الكبيرة

إلى جانب المواد، ساهمت التحسينات المعمارية في "ضغط" المزيد من الطاقة في الحجم نفسه. استخدمت سيارة تسلا موديل S الأولى هيكل الخلية-الوحدة-الحزمة: احتوت كل وحدة على حوالي 444 خلية 18650، مزودة بنظام إدارة البطارية (BMS) وأنابيب التبريد الخاصة بها؛ ويمكن أن تحتوي الحزمة الواحدة على 16 وحدة، مصنوعة من مواد مقاومة للحريق. ومنذ ذلك الحين، ساد التوجه نحو تقليل الوحدات (CTP - الخلية إلى الحزمة) والتكامل العميق (CTC - الخلية إلى الهيكل).

زاد حجم الخلية الأسطوانية من 18650 إلى 21700 و4680؛ أما من حيث الحجم المكعب، فقد حسّنت BYD بطارية Blade لزيادة نسبة استغلال الطاقة بحوالي 50%، مما رفع سعة الخلية من 135 أمبير/ساعة إلى أكثر من 200 أمبير/ساعة. وقد رفعت CATL بالتعاون مع Qilin نسبة استغلال الطاقة إلى 72%، متجاوزةً بذلك هدف 63% الذي حققته بطارية 4680؛ وسيتم إنتاج حلول CTC بكميات كبيرة خلال الفترة من 2022 إلى 2023 على التوالي.

الجانب السلبي: عند تعرض الخلايا ذات السعة الكبيرة لقصر كهربائي داخلي، فإنها تُبدّد الحرارة بسرعة، مُشكّلةً بقعًا ساخنة وتفاعلًا حراريًا متسلسلًا أكثر شدة. لذا، فإنّ الفترة الزمنية بين التدخين والاشتعال قصيرة جدًا ويصعب التحكم فيها. بالإضافة إلى الخلية، تُشكّل عملية تغليف العبوة أيضًا نقطة خطر: فقد استدعت شركة NIO 4803 سيارات ES8 في عام 2019 بسبب سوء توصيل أسلاك الجهد العالي في العبوة.

سباق الشحن السريع 800 فولت-10 درجة مئوية: تجربة أفضل، وهامش أمان أضيق

قوة الشحن = الجهد × التيار. كان الجيل الأول من سيارات 400 فولت يتمتع بمعدلات شحن أقل من 1 سيلزيوس. زادت تسلا تدريجيًا قوة الشاحن الفائق من 90 كيلوواط (V1) إلى 250 كيلوواط (V3)، مما أضاف حوالي 250 كيلومترًا إلى مدى السيارة بعد 15 دقيقة من الشحن بمعدلات تتراوح بين 2 و2.5 سيلزيوس.

كانت بورشه تايكان رائدة في منصة الشحن السريع 800 فولت بقدرة 270 كيلوواط: فزيادة الجهد تقلل من فقدان التيار والحرارة، مما يُحسّن السلامة أثناء الشحن عالي الطاقة. وسرعان ما لحق المصنعون الصينيون بركب 800 فولت، فرفعوا سعة البطارية إلى 4 سيلزيوس أو أكثر؛ وظهرت في السوق قدرات شحن تتجاوز 400 كيلوواط. في عام 2023، أعلنت شركة لي أوتو ميجا عن استخدام بطارية CATL Qilin 5C، بسعة قصوى تزيد عن 500 كيلوواط. وذكرت شركة بي واي دي أن شحن 10 سيلزيوس "يكفي لقطع مسافة 600 كيلومتر في 10 دقائق فقط"؛ ووفقًا لاختبارات الصناعة، فإن أقصى تيار 10 سيلزيوس لا يدوم إلا لفترة قصيرة جدًا.

في المقابل، تزداد متطلبات العزل والحماية وإطفاء القوس الكهربائي بشكل كبير؛ فيزداد تيار القصر اللحظي، ويمكن أن يكون التفاعل الحراري أكثر شدة. عند التيارات العالية، تندمج أيونات الليثيوم وتنفصل بسرعة، مما يتسبب في توليد الحرارة وتحفيز التغصنات، مما يُقصّر من عمرها الافتراضي. ووفقًا لتقرير لي بين (NIO) في سبتمبر، فإن السعي وراء الشحن الفائق له ثمن، بما في ذلك عمر البطارية الافتراضي. تستخدم NIO الشحن البطيء في محطات تبديل البطاريات، بهدف الوصول إلى عمر افتراضي يصل إلى 85% خلال 15 عامًا. "تخيل لو أنك بعد 8 سنوات من استخدام السيارة، ستضطر إلى إنفاق 80,000 أو 100,000 يوان (11-14,000 دولار أمريكي) لاستبدال البطارية... هذه تكلفة باهظة بشكل غير مقبول."

مراحل الشحن السريع وقاعدة الجهد (حسب المصدر)

النظام/المركبة	الأرض/الجهد	أقصى طاقة	ملحوظة
شاحن تسلا الفائق V1 → V3	~400 فولت	90 كيلو واط → 250 كيلو واط	~250 كم/15 دقيقة؛ السرعة 2–2.5 درجة مئوية
بورشه تايكان	800 فولت	270 كيلو واط	تقليل فقدان التيار والحرارة
العديد من الشركات الصينية	800 فولت	>400 كيلو واط	بطارية 4C أو أعلى
لي أوتو ميجا + كاتل تشيلين 5 سي	800 فولت	>500 كيلو واط	تم الإعلان عنه في عام 2023
شاحن BYD 10C	—	—	10 دقائق ~600 كم؛ تيار 10C يستمر لفترة قصيرة جدًا (وفقًا لاختبارات الصناعة)

الحلول التقنية الحالية: التبريد، والفصل الحراري الكهربائي، وتحسين نظام إدارة المباني

قبل أن تصل بطاريات الحالة الصلبة إلى النطاق الصناعي، لا يزال تحسين البطاريات السائلة هو الاتجاه الرئيسي:

تضع شركة CATL Qilin لوحة تبريد سائلة بين الخلايا لزيادة تبادل الحرارة؛ وترتب صمام تخفيف الضغط في الجزء السفلي من الخلية، منفصلاً عن القطب الموجب/السالب في الجزء العلوي من أجل "فصل الحرارة الكهربائية".
يعمل القطب السالب المغطى بالجرافيت ذو الحبيبات الدقيقة على تسريع غمر الأيونات، ويدعم الشحن السريع، ويقلل من خطر "طلاء الليثيوم".
يُحسّن الشكل الطويل والنحيف لشفرة BYD من تبديد الحرارة؛ كما يُوفر التصميم الكثيف دعمًا هيكليًا، مما يُقلل الحاجة إلى العوارض العرضية/الطولية التقليدية. ومع ذلك، لا تزال هناك مخاوف بشأن انحناء الخلايا فائقة الطول في حالة وقوع حادث.
تم تعزيز نظام إدارة البطارية (BMS) بمراقبة آنية للجهد والتيار ودرجة الحرارة، بالإضافة إلى إمكانية فصل الدائرة الكهربائية والتنبيه في حال حدوث أي خلل. مع ذلك، قد يتجاوز قصر الدائرة اللحظي سرعة أخذ العينات/الاستجابة.

البطاريات ذات الحالة الصلبة: إمكانات عالية وعقبات كبيرة

بطاريات الحالة الصلبة قيد التطوير منذ ثلاثة عقود، لكنها لم تصل بعد إلى مرحلة الإنتاج الصناعي بسبب تحديات البحث والتطوير، والعمليات، وتكلفة الانتقال من نظام البطاريات السائلة الحالي. معظم شركات صناعة السيارات والبطاريات غير مستعدة حاليًا لاستثمارات كبيرة.

النتيجة: لا يوجد أمان مطلق، بل هناك منحنى تعليمي فقط

مجموعة البطاريات المتوازنة هي مزيج من المواد والهندسة والعمليات ونظام إدارة البطاريات. في سباق الأداء، يجب زيادة الاستثمار في السلامة بالتناسب، ويجب أن تكون المعلومات المقدمة للمستخدمين صادقة، مع تجنب إخفاء اختلافات المخاطر.

يسعى المصنعون إلى خفض معدل الأعطال إلى جزء في المليار (ppb). ومع ذلك، بالنسبة للمستخدمين، فإن نسبة وقوع حادث واحد في المليار لا تزال 100%. كل حادث يُمثل تحذيرًا وبيانات للتحسين، كما فعلت شركة تسلا لتحسين نظام إدارة البطاريات (BMS) من خلال عمليات الاحتراق التلقائي المبكرة؛ كما يتبع مصنعو السيارات والبطاريات الصينيون مسارًا مشابهًا للتعلم والتحسين.