השפעות טמפרטורה ומתח על המטען והבריאות של מודולי סוללות ליתיום-יון בכלי רכב חשמליים קלים

מדוע ימים חמים חשובים עבור סוללות של אופניים חשמליים

אופניים וקטנועים חשמליים מבטיחים נסיעה נקייה וקלה יותר, אבל הסוללות שמזינות אותם מסתברות בשתיקה לקשיי חום. מחקר זה בוחן את מכלול הסוללה של כלי רכב חשמלי קל כדי לראות כיצד נהיגה בתנאים אמיתיים וטמפרטורות שונות — מחום נעים של חדר ועד חום בדמות מדבר — משנים את כמות האנרגיה שהסוללה יכולה לאחסן וכמה זמן היא תחזיק מעמד. הממצאים מסייעים להסביר מדוע טווח הנסיעה יורד בימים חמים מאוד ולמה קירור וטעינה חכמים הם קריטיים לתפעול בטוח ועמיד בעיר.

מבט פנימי על כלי רכב חשמלי קטן

החוקרים התמקדו בסוג נפוץ של כלי רכב חשמלי קל, בדומה לאופניים מעוצבים בעזרת סיוע חשמלי, המצויד בחבילת סוללות ליתיום-יון 48 וולט המורכבת מ-52 תאי גליל קטנים. במקום להתייחס לחבילה כקופסה שחורה אחת, הם פירקו אותה כך שכל תא נמדד על מדף בדיקה מיוחד. עבור כל תא קבעו כמה מטען הוא יכול להכיל וכמה הוא "בריא" ביחס למצבו כשהיה חדש. לאחר מכן הרכיבו מחדש את החבילה, הרכיבו את כלי הרכב על גלילים והפעילו אותו במחזור נהיגה סטנדרטי המשמש לבדיקת אופנועים, המדמה נהיגה עירונית עצירה־התחלה וקטעי מהירות גבוהים.

העלאת החום בצורה מבוקרת

כדי לראות כיצד שינויי טמפרטורה משפיעים על התנהגות הסוללה, הצוות הניח את כל החבילה בתיבה מתכתית אטומה שבה יכלו לקבע את סביבת הטמפרטורה על 25, 35, 45 או 65 מעלות צלזיוס. בזמן ש"הרכב" נסע על הגלילים, חיישנים עקבו בזמן אמת אחרי מתח, זרם וטמפרטורה, הן מחוץ למכלול והן בקרבת המרכז שלו. לאחר כל סדרת בדיקות בטמפרטורה נתונה הפירקו שוב את החבילה כך שניתן היה למדוד מחדש את קיבולת המטען ובריאות כל תא ותא. תמונות מצלמת חום סיפקו תמונה ישירה של בניית החום והתפשטותו בתוך המודול בזמן שימוש וטעינה.

מה קורה למטען ולבריאות כשהדברים מחממים

בטמפרטורות מתונות — בסביבות 25 עד 35 מעלות צלזיוס — הסוללה התנהגה היטב. החבילה יכלה להיטען קרוב למתח היעד, ונסיעת המדמה של הרכב שאבה אנרגיה באופן חלק, עם עליות טמפרטורה קטנות בלבד. בטווח זה, מצב המטען (כמה הסוללה מלאה) ומצב הבריאות (כמה קיבולת נשארה בהשוואה לחדשה) נשארו בטווח הרצוי. אך ככל שהטמפרטורה עלתה ל-45 מעלות ובפרט ל-65 מעלות, הופיעו בעיות. החבילה איבדה מתח מהר יותר במהלך מחזור הנהיגה, כלומר לרכב היה טווח נסיעה קצר יותר. חלק מהתאים איבדו חלק ניכר מהקיבולת המקורית שלהם והחלו ליפול מתחת לספי בריאות מקובלים להמשך שימוש בכלי רכב.

החום מסתתר במרכז

תמונות תרמיות ונתוני חיישנים הראו שהחום אינו מתפזר באופן אחיד. התאים המרכזיים במודול פעלו בעקביות בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר אלה בצדדים. בבדיקה המתונה של 25 מעלות, הנקודה החמה ביותר בתוך החבילה הגיעה קצת מתחת ל-30 מעלות, אך בבדיקה של 65 מעלות ליבה החמה עלתה מעל 80 מעלות. במהלך הטעינה המצב החמיר: החבילה שמרה על חום במרכז שלה, בעוד האלקטרוניקה והמוליכים המגנים גם הם התחממו. בטמפרטורה הגבוהה ביותר מערכת ניהול הסוללה קטעה את הטעינה מוקדם כדי למנוע נזק, מה שהגן על החבילה אך גם גרם לכמה תאים להיות טעונים פחות בהשוואה לאחרים. חוסר האיזון הזה צמצם עוד יותר את האנרגיה הניתנת לשימוש והאיץ את ההזדקנות בתאים הלחוצים ביותר.

לקחים לעיצוב לנסיעות בטוחות ועמידות יותר

בסך הכל, המחקר מראה שסוללות של כלי רכב חשמליים קלים נוחות רק בחלון תרמי צר יחסית, בערך 25 עד 35 מעלות צלזיוס. מעל טווח זה הן מאבדות אנרגיה מהר יותר, מזדקנות מהר יותר ומפתחות נקודות חמות לא אחידות — במיוחד במרכז החבילה — בעוד האלקטרוניקה המגנה מתקשה לשמור על בטיחותן. לרוכבים זה מתורגם לטווח נסיעה קצר יותר וסיכון גבוה יותר להחלפת סוללה מוקדמת באקלים חם. עבור מעצבים ומתכנני ערים, העבודה מדגישה את הצורך בקירור או אוורור פשוט ויעיל, פריסות חבילה חכמות שמונעות לבות חום, ומעקב קפדני אחר בריאות ברמת התא. עם צעדים אלה, כלי רכב חשמליים קטנים יכולים לספק תחבורה נקייה מבלי לוותר על בטיחות או חיי סוללה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: סוללות ליתיום-יון, אופניים חשמליים, טמפרטורת הסוללה, בריאות הסוללה, ניהול תרמי