تأثيرات الحرارة والجهد على شحنة وصحة وحدات بطاريات الليثيوم أيون في المركبات الكهربائية الخفيفة

لماذا تهم الأيام الحارة بطاريات الدراجات الكهربائية

تعد الدراجات والسكوترات الكهربائية بنقل أنظف وأسهل، لكن البطاريات التي تشغلها تواجه صمتًا مشاكل مرتبطة بالحرارة. تفحص هذه الدراسة حزمة البطارية لمركبة كهربائية خفيفة لمعرفة كيف يؤثر القيادة الواقعية ودرجات الحرارة المختلفة — من غرفة معتدلة إلى حرارة شبيهة بالصحراء — على كمية الطاقة التي يمكن للبطارية تخزينها وعلى عمرها التشغيلي. تساعد النتائج على تفسير سبب انخفاض المدى في الأيام الحارة جدًا ولماذا تكون أنظمة التبريد والشحن الأذكى ضرورية للتنقل الحضري الآمن والمتين.

نظرة داخل مركبة كهربائية صغيرة

ركز الباحثون على نوع شائع من المركبات الكهربائية الخفيفة، يشبه الدراجة المساعدة بالكهرباء، المزوَّدة بحزمة بطارية ليثيوم أيون بجهد 48 فولت مكوَّنة من 52 خلية أسطوانية صغيرة. بدلاً من اعتبار الحزمة صندوقًا أسود واحدًا، فككوها حتى أمكن قياس كل خلية على مقعد اختبار خاص. لكل خلية حددوا مقدار الشحنة التي يمكنها تخزينها ومدى "صحتها" مقارنةً بحالتها عند جديدة. أعادوا بعد ذلك تجميع الحزمة، وثبتوا المركبة على أسطوانات مقاومة، وشغلوها عبر دورة قيادة معيارية مستخدمة لاختبار الدراجات النارية، محاكون التوقف والانطلاق في المدينة وفترات من السرعات الأعلى.

رفع الحرارة بطريقة مضبوطة

لمعرفة كيف يغير الدرجة الحرارية سلوك البطارية، وضع الفريق الحزمة كاملة في صندوق معدني محكم حيث يمكنهم ضبط البيئة عند 25 أو 35 أو 45 أو 65 درجة مئوية. أثناء "قيادة" المركبة على الأسطوانات، رصدت الحساسات الجهد والتيار ودرجة الحرارة في الوقت الحقيقي، سواء على السطح الخارجي للحزمة أو قرب مركزها. بعد كل مجموعة اختبارات عند درجة حرارة معينة، فُكّت الحزمة مجددًا حتى يمكن إعادة قياس سعة الشحنة وصحة كل خلية على حدة. أعطت صور الكاميرا الحرارية صورة مباشرة لكيفية تراكم الحرارة وانتشارها داخل الوحدة أثناء الاستخدام والشحن.

ماذا يحدث للشحنة والصحة مع ارتفاع الحرارة

عند درجات حرارة معتدلة — حوالى 25 إلى 35 درجة مئوية — تصرفت البطارية بشكل جيد. كانت الحزمة قادرة على الشحن بالقرب من جهدها المستهدف، واستهلكت المركبة المحاكاة الطاقة بسلاسة، مع ارتفاعات طفيفة فقط في الحرارة. في هذا النطاق ظلّت حالة الشحنة (مدى امتلاء البطارية) وحالة الصحة (كمية السعة المتبقية مقارنة بالجديدة) ضمن الحدود المرغوبة. لكن مع ارتفاع الحرارة إلى 45 درجة وخاصة إلى 65 درجة، ظهرت مشاكل. فقدت الحزمة الجهد بسرعة أكبر أثناء دورة القيادة، مما يعني أن مدى المركبة سيكون أقل. فقدت بعض الخلايا جزءًا ملحوظًا من سعتها الأصلية، وانزلقت تحت حدود الصحة المقبولة عادةً للاستخدام المستمر في المركبات.

الحرارة تختبئ في الوسط

كشفت الصور الحرارية وقراءات الحساسات أن الحرارة لم تنتشر بشكل متساوٍ. الخلايا الوسطية في الوحدة كانت تعمل دومًا بدرجة حرارة أعلى من تلك الموجودة على الجوانب. في اختبار 25 درجة الخفيف، بلغ أدفأ موضع داخل الحزمة ما دون 30 درجة بقليل، لكن في اختبار 65 درجة ارتفع قلب الحزمة الساخن فوق 80 درجة. أثناء الشحن ازدادت المشكلة: احتفظت الحزمة بالحرارة في وسطها، بينما سخنت الإلكترونيات والكوابل الواقية أيضًا. عند أعلى درجة حرارة، أوقفت وحدة إدارة البطارية الشحن مبكرًا لمنع الضرر، ما حمى الحزمة لكنه تسبب أيضًا في بعض الخلايا أن تُشحن أقل مقارنة بغيرها. هذه الاختلالات قللت الطاقة القابلة للاستخدام وسرَّعت التقدم في الشيخوخة للخلايا الأكثر تعرضًا للإجهاد.

دروس تصميم لرحلات أكثر أمانًا وطول عمر

بشكل عام تُظهر الدراسة أن بطاريات المركبات الكهربائية الخفيفة مريحة فقط داخل نافذة حرارية ضيقة نسبيًا، تقريبًا بين 25 و35 درجة مئوية. فوق ذلك، تفقد الطاقة بسرعة أكبر، وتتقدم في العمر أسرع، وتطوّر بقعًا ساخنة غير متساوية — خاصة في مركز الحزمة — بينما تكافح الإلكترونيات الوقائية للحفاظ على الأمان. بالنسبة للركاب يترجم هذا إلى مدى أقصر وخطر أعلى لاستبدال البطارية مبكرًا في المناخات الحارة. بالنسبة للمصممين ومخططي المدن، تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تبريد أو تهوية بسيطة وفعالة، وتصميم حزم أذكى يتجنب النوى الساخنة، ومراقبة دقيقة لصحة الخلايا على مستوى الخلية. مع هذه التدابير، يمكن للمركبات الكهربائية الصغيرة أن توفّر نقلًا أنظف دون التضحية بالسلامة أو عمر البطارية.

الاستشهاد: Quintana, J.M., Paredes-Rojas, J.C., Vázquez-Medina, R. et al. Temperature and voltage effects on the charge and health of lithium-ion battery modules in light electric vehicles. Sci Rep 16, 9408 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40094-5

الكلمات المفتاحية: بطاريات الليثيوم أيون, الدراجات الكهربائية, درجة حرارة البطارية, صحة البطارية, إدارة حرارية