طريقة التصميم وتحليل التطبيقات الهندسية لسعة البطارية

في العديد من أنظمة إمداد الطاقة DC مثل إمدادات الطاقة الكهروضوئية، وإمدادات الطاقة الاحتياطية في حالات الطوارئ، وتخزين الطاقة الصناعية، تعمل بطارية التخزين كمكون أساسي لتخزين الطاقة. تحدد عقلانية تصميم السعة بشكل مباشر موثوقية واستقرار واقتصاد مصدر طاقة النظام. إن تصميم السعة المعقولة لا يمكنه فقط تلبية احتياجات إمدادات الطاقة المستقرة طويلة المدى للحمل، وتجنب انقطاع التيار الكهربائي الناجم عن عدم كفاية السعة، ولكن أيضًا منع إهدار التكلفة وتباطؤ الموارد بسبب التكرار المفرط للقدرة. من خلال الجمع بين مبدأ عمل بطاريات التخزين والعوامل المؤثرة والممارسة الهندسية، تحلل هذه الورقة بالتفصيل منطق التصميم وطريقة الحساب ونقاط تطبيق سعة البطارية، مما يوفر مرجعًا احترافيًا للمصممين الهندسيين.

I. تعريف المفاهيم الأساسية لسعة البطارية

تشير سعة البطارية إلى إجمالي الكمية الكهربائية التي يمكن لبطارية تخزين مشحونة بالكامل إطلاقها في ظل ظروف تفريغ محددة (بما في ذلك تيار التفريغ، ودرجة الحرارة المحيطة، وفولطية القطع، وما إلى ذلك)، والتي يُشار إليها عادةً بالرمز 'C' ويتم قياسها بوحدة الأمبير-ساعة (A·h). صيغة الحساب الأساسية الخاصة بها هي: السعة (A·h) = تيار التفريغ (A) × وقت التفريغ المستمر (h). هذا المؤشر هو المعلمة الأساسية لقياس قدرة التفريغ لبطارية التخزين وجودة المنتج، وكذلك الأساس الأساسي لاختيار البطارية وتصميم السعة.

يجب توضيح أن السعة الفعلية لبطارية التخزين ليست قيمة ثابتة، بل هي معلمة ديناميكية تتأثر بالعديد من العوامل. تختلف عن السعة المقدرة التي حددتها الشركة المصنعة (قيمة السعة التي تم قياسها وتمييزها في ظل الظروف القياسية)، يجب تصحيح قدرة العمل في التطبيقات العملية وحسابها بالاشتراك مع سيناريوهات الاستخدام المحددة، والظروف البيئية، وخصائص الحمل، والتي تعد أيضًا الصعوبة الأساسية في تصميم السعة.

ثانيا. العوامل الرئيسية التي تؤثر على سعة البطارية

يتم تقييد أداء سعة البطارية بواسطة العديد من العوامل، مثل بنية المنتج وظروف الخدمة. في عملية التصميم، يجب التركيز على العوامل الأساسية التالية للتأكد من أن نتائج الحساب تتماشى مع سيناريوهات التطبيق الفعلية.

(1) تأثير كثافة المنحل بالكهرباء

باعتبارها الوسط الأساسي للتفاعل الكهروكيميائي لبطارية التخزين، تؤثر كثافة المنحل بالكهرباء بشكل مباشر على كفاءة التفاعل وأداء السعة. عندما تزداد كثافة المنحل بالكهرباء بشكل مناسب، تزداد القوة الدافعة الكهربائية للبطارية، ويزداد عدد المواد النشطة المشاركة في التفاعل الكهروكيميائي، وتزداد سعة البطارية وفقًا لذلك؛ ومع ذلك، عندما تكون الكثافة عالية جدًا، ستزداد لزوجة المنحل بالكهرباء بشكل كبير، مما يؤدي إلى تباطؤ في سرعة انتشار الأيونات، وزيادة المقاومة الداخلية، وتكثيف اتجاه كبريت اللوحة، مما سيؤدي بدلاً من ذلك إلى تقليل سعة البطارية وتقصير عمر الخدمة. لذلك، في عملية التصميم، يجب تحديد نطاق كثافة الإلكتروليت الأمثل وفقًا لنوع البطارية (مثل بطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات الليثيوم أيون) لتحقيق التوازن بين السعة وعمر الخدمة.

(2) تأثير درجة الحرارة المحيطة

تعد درجة الحرارة عاملاً بيئيًا مهمًا يؤثر على سعة البطارية، وتنعكس آلية عملها بشكل أساسي في سيولة المنحل بالكهرباء ومعدل استخدام المواد الفعالة. عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة، تزداد لزوجة المنحل بالكهرباء، وتزداد صعوبة اختراق لوحة القطب، ولا يمكن للمواد الفعالة المشاركة بشكل كامل في التفاعل، وتزداد المقاومة الداخلية للبطارية، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في السعة؛ على العكس من ذلك، فإن زيادة درجة الحرارة (ضمن نطاق معقول) يمكن أن تحسن سيولة ونشاط تفاعل المنحل بالكهرباء، مما يفضي إلى أداء السعة، ولكن درجة الحرارة المفرطة ستؤدي إلى تسريع شيخوخة لوحة القطب وتحلل المنحل بالكهرباء، وكذلك إتلاف عمر البطارية. عند تصميم المناطق الباردة، يجب مراعاة عوامل تصحيح درجة الحرارة الإضافية لتجنب عدم كفاية القدرة الناتجة عن انخفاض درجة الحرارة.

(3) العوامل المؤثرة الرئيسية الأخرى

بالإضافة إلى العوامل المذكورة أعلاه، فإن هيكل المنتج لبطارية التخزين (مثل مساحة لوحة القطب، والسمك، ومسامية المادة النشطة)، وتيار التفريغ، وأوقات الدورة، ومعدل التفريغ الذاتي يؤثر أيضًا على أداء السعة. على سبيل المثال، كلما كان تيار التفريغ أكبر، كان من الأسهل سد مسام المادة الفعالة على سطح لوحة القطب بواسطة كبريتات الرصاص، مما يؤدي إلى عدم قدرة المادة النشطة الداخلية على المشاركة في التفاعل، وسيتم تقليل السعة بشكل كبير؛ إن الاختلاف في بنية المادة النشطة بين بطاريات الدورة العميقة والبطاريات الضحلة يحدد أيضًا خصائص سعتها المختلفة والسيناريوهات القابلة للتطبيق.

ثالثا. الخطوات الأساسية وطرق الحساب لتصميم سعة البطارية

المنطق الأساسي لتصميم سعة البطارية هو: بناءً على سيناريوهات الطلب والاستخدام، حساب الحد الأدنى من السعة التي تلبي متطلبات موثوقية مصدر الطاقة، مع الأخذ في الاعتبار الاقتصاد وعمر الخدمة. ويمكن تقسيم خطواتها الأساسية إلى ثلاث مراحل: تحديد المعلمة، وحساب السعة، وتعديل التصحيح، وهي مفصلة على النحو التالي.

(1) تحديد معلمات التصميم الأساسية

قبل التصميم، يجب توضيح ثلاث معلمات أساسية لتوفير أساس لحساب القدرة:

1. متوسط ​​الحمل اليومي (A·h/day): حساب متوسط ​​استهلاك الطاقة اليومي وفقًا لتيار العمل ووقت العمل لجميع الأحمال في النظام، أي مجموع استهلاك الطاقة اليومي لجميع الأحمال، بوحدة A·h/day.

2. أيام الاكتفاء الذاتي (أيام): تشير إلى الحد الأقصى لعدد الأيام التي تحتاجها بطارية التخزين لتزويد الحمل بالطاقة بشكل مستمر عندما لا يكون هناك شحن خارجي (مثل عدم وجود ضوء في النظام الكهروضوئي، انقطاع شبكة الكهرباء). يجب تحديده وفقًا للاحتياجات الفعلية للمستخدم (مثل مدة إمداد الطاقة في حالات الطوارئ، وتكرار الأيام الممطرة)، والتي تتراوح عادةً من 1 إلى 7 أيام.

3. عمق التفريغ (DOD): يشير إلى النسبة المئوية للحد الأقصى للكمية الكهربائية التي يُسمح لبطارية التخزين بإطلاقها مع حساب سعتها المقدرة. وتتمثل وظيفتها الأساسية في حماية بطارية التخزين وتجنب تلف لوحة القطب الكهربائي وتقصير عمر الخدمة الناجم عن الإفراط في التفريغ. ينبغي دمج اختيار عمق التفريغ مع نوع البطارية: بالنسبة لبطاريات الدورة العميقة (مناسبة لسيناريوهات الدورة طويلة الأجل مثل الخلايا الكهروضوئية وتخزين الطاقة)، ​​فإن نسبة DOD الموصى بها هي 80%؛ بالنسبة للبطاريات ذات الدورة الضحلة (المناسبة للنسخ الاحتياطي في حالات الطوارئ وسيناريوهات التفريغ قصيرة المدى)، فإن نسبة DOD الموصى بها هي 50%، وينبغي الإشارة بشكل محدد إلى دليل منتج البطارية.

(2) صيغة حساب القدرة الأساسية

استنادا إلى المعلمات المذكورة أعلاه، فإن صيغة الحساب الأساسية لسعة البطارية هي:

C=T*P/DOD 

حيث: C هي سعة البطارية المطلوبة (A·h)؛ T هي أيام الاكتفاء الذاتي (أيام)؛ P هو متوسط ​​الحمل اليومي (A·h/day)؛ DOD هو الحد الأقصى لعمق التفريغ (في شكل عشري، مثل 80٪ مسجل كـ 0.8).

المنطق الأساسي لهذه الصيغة هو: أولاً حساب إجمالي الطاقة التي يتطلبها الحمل خلال أيام الاكتفاء الذاتي، ثم تصحيحها من خلال عمق التفريغ للحصول على الحد الأدنى من السعة المقدرة التي تتطلبها البطارية، مما يضمن تلبية الطلب على مصدر الطاقة على المدى الطويل دون الإضرار بالبطارية.

(3) مطابقة وتعديل الجهد والتيار

بعد اكتمال حساب السعة، من الضروري ضبط مجموعة التوازي المتسلسل مع الجهد الاسمي للحمل والجهد الاسمي للبطارية لضمان أن الجهد والتيار لحزمة البطارية يفي بمتطلبات النظام:

1. الجمع بين السلسلة: عندما يكون الجهد الاسمي للبطارية أقل من الجهد الاسمي للحمل، يتم اعتماد طريقة السلسلة لزيادة الجهد الإجمالي. صيغة حساب عدد البطاريات المتسلسلة هي: عدد البطاريات المتسلسلة = الجهد الاسمي للحمل ÷ الجهد الاسمي للبطارية. بعد التوصيل المتسلسل، يكون الجهد الإجمالي لحزمة البطارية هو مجموع الفولتية للبطاريات المفردة، وتتوافق السعة الإجمالية مع سعة البطارية المفردة.

2. الجمع المتوازي: عندما يكون التيار (السعة) لحزمة البطارية أقل من طلب النظام، يتم اعتماد الطريقة المتوازية لزيادة السعة الإجمالية. معادلة حساب عدد مجموعات البطاريات المتوازية هي: عدد المجموعات المتوازية = السعة الإجمالية المطلوبة ÷ سعة البطارية المفردة. بعد التوصيل المتوازي، تكون السعة الإجمالية لحزمة البطارية هي مجموع سعات المجموعات المفردة، ويتوافق الجهد الإجمالي مع جهد البطارية المفردة.

رابعا. تحليل الأمثلة الهندسية

لمزيد من التوضيح لعملية تصميم السعة وطريقة الحساب، يتم تقديم شرح تفصيلي مع مثال لنظام إمداد الطاقة الكهروضوئية، والذي يتماشى مع سيناريو التطبيق الهندسي الفعلي.

مثال: يحتوي نظام إمداد الطاقة الكهروضوئية على جهد اسمي للحمل يبلغ 24 فولت، ومتوسط ​​حمل يومي يبلغ 20 أمبير في الساعة/اليوم، ويتم تحديد أيام الاكتفاء الذاتي على أنها 4 أيام بالاشتراك مع ظروف الأيام الممطرة المحلية؛ مع الأخذ في الاعتبار التحكم في التكلفة، يتم اختيار بطارية ذات دورة ضحلة، مع أقصى عمق تفريغ (DOD) يبلغ 50%، وتكون البطارية المفردة ذات جهد اسمي 12 فولت وسعة اسمية 100 أمبير · ساعة. حاول تصميم سعة البطارية ونظام الجمع المتوازي والتسلسلي للنظام.

1. حساب السعة: وفقًا للصيغة الأساسية، فإن سعة البطارية المطلوبة هي C = 4*20/0.5= 160 (A·h).

2. مجموعة السلسلة: الجهد الاسمي للحمل هو 24 فولت، والجهد الكهربي للبطارية الواحدة هو 12 فولت. عدد البطاريات المتسلسلة = 24 فولت ÷ 12 فولت = 2 (قطعة). بعد التوصيل المتسلسل، تكون سعة كل مجموعة 100A·h، والجهد 24V.

3. المجموعة المتوازية: السعة الإجمالية المطلوبة هي 160A·h، وقدرة كل مجموعة هي 100A·h. عدد المجموعات المتوازية = 160A·h ÷ 100A·h ≈ 2 (مجموعات). بعد التوصيل المتوازي، تبلغ السعة الإجمالية 200 أمبير في الساعة (تصميم زائد لضمان موثوقية مصدر الطاقة)، ​​ويظل إجمالي الجهد 24 فولت.

4. المخطط النهائي: حدد بطاريات الدورة الضحلة 12V/100A·h، واعتمد قطعتين متتاليتين كمجموعة واحدة، وإجمالي مجموعتين بالتوازي، بإجمالي عدد 4 قطع. يمكنه تلبية احتياجات النظام من الاكتفاء الذاتي لمدة 4 أيام وإمدادات الطاقة 24 فولت، مع الأخذ في الاعتبار التكلفة وعمر الخدمة.

V. ملاحظات التصميم واقتراحات التحسين

1. يجب أن تكون قيم المعلمات متوافقة مع الواقع: يجب تحديد أيام الاكتفاء الذاتي بشكل معقول وفقًا لمتطلبات موثوقية المناخ المحلي وإمدادات الطاقة، وتجنب انقطاع التيار الكهربائي الناجم عن القيم الصغيرة جدًا أو إهدار التكلفة الناجم عن القيم الكبيرة جدًا؛ يجب أن يتبع عمق التفريغ مواصفات منتج البطارية بدقة، ويمنع منعا باتا الإفراط في التفريغ.

2. خذ بعين الاعتبار تصحيح درجة الحرارة المحيطة: في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة، يجب تصحيح السعة المحسوبة. على سبيل المثال، في المناطق الباردة، يمكن إضافة 10%-20% من سعة التكرار بشكل مناسب لتعويض توهين السعة الناتج عن انخفاض درجة الحرارة.

3. مطابقة نوع البطارية: هناك اختلافات كبيرة في خصائص السعة بين بطاريات الدورة العميقة والبطاريات الضحلة. يجب اختيار البطارية بشكل معقول وفقًا لسيناريو استخدام النظام. على سبيل المثال، تُفضل بطاريات الدورة العميقة لأنظمة تخزين الطاقة الكهروضوئية، ويمكن استخدام بطاريات الدورة الضحلة لإمدادات الطاقة الاحتياطية في حالات الطوارئ.

4. تكرار السعة الاحتياطية: في التصميم الهندسي، عادة ما يتم الاحتفاظ بتكرار السعة بنسبة 10% إلى 15% للتعامل مع انخفاض السعة الناجم عن عوامل مثل تقلبات الحمل وشيخوخة البطارية، ولتحسين موثوقية مصدر طاقة النظام.

سادسا. خاتمة

يعد تصميم سعة البطارية رابطًا أساسيًا في تصميم أنظمة إمداد الطاقة بالتيار المستمر، وجوهرها هو عملية موازنة موثوقية مصدر الطاقة والاقتصاد وعمر خدمة البطارية. في عملية التصميم، من الضروري أولاً توضيح سيناريو الطلب على الحمل واستخدامه، وفهم قانون تأثير عوامل مثل كثافة المنحل بالكهرباء ودرجة الحرارة على السعة، ومن ثم تحقيق تصميم معقول للقدرة من خلال طرق الحساب العلمي والمجموعات المتوازية المتسلسلة. يمكن أن توفر خطوات التصميم وطرق الحساب والأمثلة الهندسية المقترحة في هذه الورقة مرجعًا عمليًا لتصميم سعة البطارية في سيناريوهات مثل الأنظمة الكهروضوئية وإمدادات الطاقة في حالات الطوارئ، مما يساعد على تحسين استقرار تشغيل النظام وتقليل تكاليف التصميم والتشغيل والصيانة. في المستقبل، مع التطوير المستمر لتكنولوجيا البطاريات، يجب تحسين تصميم السعة بالاقتران مع خصائص البطاريات الجديدة (مثل كثافة الطاقة العالية ودورة الحياة الطويلة لبطاريات الليثيوم أيون) لزيادة التكيف مع احتياجات سيناريوهات تخزين الطاقة المختلفة.