تصور کنید یک پک باتری هنوز انرژی در خود ذخیره دارد، اما دیگر نمی‌تواند وظیفه‌اش را به‌درستی انجام دهد. این اتفاق بیش از آن چیزی رخ می‌دهد که رانندگان تصور می‌کنند. داده‌های میدانی تازه نشان می‌دهد اقلیتی بسیار کوچک از سلول‌هایی که سریع‌تر فرسوده می‌شوند، می‌توانند زمان بازنشستگی کل پک باتری خودرو برقی را تعیین کنند و در نتیجه بخش قابل توجهی از انرژی ذخیره‌شده بلااستفاده باقی بماند.
پژوهشگرانی که خودروهای برقی واقعی را بیش از سه سال ردیابی کردند، از جمله خودروهای سواری با سلول‌های نیکل-منگنز-کبالت و اتوبوس‌هایی با سلول‌های لیتیوم-آهن-فسفات، دریافتند اختلاف میان سلول‌های مجاور به‌ندرت برای همیشه ناچیز باقی می‌ماند. سلول‌ها در ریزاقلیم‌های متفاوتی کار می‌کنند، تلرانس‌های ساخت اندکی متفاوت دارند و هنگام رانندگی و شارژ با جریان‌های کمی متفاوت روبه‌رو می‌شوند. در طول ده‌ها هزار کیلومتر، همین شکاف‌های کوچک می‌توانند بزرگ‌تر شوند. در بسیاری از خودروهای سواری، حدود ۱۷۰ هزار کیلومتر، برخی سلول‌ها با سرعت بیشتری عقب می‌افتند و ناترازی در سراسر پک باتری را تشدید می‌کنند.
اما چرا یک سلول ضعیف تا این اندازه اهمیت دارد؟ در بیشتر پک‌ها، سلول‌ها به‌صورت سری به هم متصل شده‌اند. این طراحی یعنی ولتاژ و جریان قابل استفاده پک، توسط ضعیف‌ترین حلقه‌ها محدود می‌شود. هنگام شارژ، سلولی با ظرفیت پایین‌تر زودتر از سایر سلول‌ها به سقف ولتاژ خود می‌رسد. هنگام تخلیه یا برداشت توان بالا، سلولی با مقاومت داخلی بیشتر زودتر از همسایه‌هایش گرم می‌شود یا به محدودیت‌های عملیاتی می‌رسد. نتیجه این است که برای محافظت از چند سلول گرفتار، عملکرد کل پک محدود می‌شود، نه به این دلیل که بخش عمده سلول‌ها عمر مفید خود را از دست داده‌اند.
برای اندازه‌گیری این اثر، تیم پژوهشی داده‌های معمول تله‌متری خودروها را بررسی کرد؛ از جمله ولتاژ، جریان، دما و گزارش‌های وضعیت شارژ. سپس مدل‌های باتری مبتنی بر فیزیک را با برآوردهای شبکه عصبی ترکیب کرد. آن‌ها اثر دماهای فصلی و شرایط رانندگی را اصلاح کردند تا مقایسه سلول‌ها منصفانه باشد. مجموعه داده این پژوهش شامل خودروهایی بود که تا ۳۰۰ هزار کیلومتر پیمایش داشتند و به همین دلیل پنجره‌ای کم‌نظیر به فرسودگی بلندمدت باتری در شرایط واقعی فراهم کرد.
اعداد به‌دست‌آمده هشداردهنده‌اند. فرسودگی نامتوازن، سلامت قابل استفاده در سطح پک را در خودروهای سواری حدود ۶.۲ درصد و در اتوبوس‌ها حدود ۷.۵ درصد کاهش داد. وقتی پژوهشگران زمان بازنشستگی پک را با میانگین عمر سلول‌های جداگانه مقایسه کردند، مشخص شد عمر پک در خودروهای سواری حدود ۱۷.۷ درصد و در اتوبوس‌ها حدود ۲۲.۸ درصد کوتاه‌تر است. توان‌دهی نیز آسیب دید: اختلاف در مقاومت داخلی، توان در دسترس را در خودروهای سواری حدود ۱۲.۹ درصد و در اتوبوس‌ها حدود ۱۵.۱ درصد کاهش داد. در طول عمر یک پک، خودروهای سواری حدود ۸۰.۷ درصد از انرژی بالقوه سلول‌های خود را مصرف کردند؛ اتوبوس‌ها فقط حدود ۷۲.۹ درصد را به کار گرفتند. این یعنی زمانی که ضعیف‌ترین سلول‌ها پایان کار را اعلام می‌کنند، از نزدیک به یک‌پنجم تا بیش از یک‌چهارم ظرفیت بالقوه باتری بلااستفاده می‌ماند.
تعداد کمی سلول ضعیف می‌توانند سرنوشت کل پک باتری را تعیین کنند.
این یافته‌ها پیامدهای عملی مهمی دارند. ارزیابی یک پک باتری بر پایه وضعیت میانگین سلول‌ها، مشکل اصلی را پنهان می‌کند. برخی ناوگان‌ها سریع‌تر از دیگران فرسوده شدند و این نشان می‌دهد راهبردهای بالانس سلول، کنترل حرارتی و گروه‌بندی سلول‌ها واقعا اهمیت دارند. این مطالعه به راهکارهایی اشاره می‌کند که ساده به نظر می‌رسند، اما در عمل پیچیده‌اند: تلرانس‌های ساخت دقیق‌تر، مرتب‌سازی هوشمندتر سلول‌ها پیش از مونتاژ، بالانس فعال تهاجمی‌تر یا سازگارشونده‌تر، بهبود مدیریت حرارتی برای نگه داشتن سلول‌ها در یک محدوده کاری مشابه، و حتی معماری‌های قابل پیکربندی مجدد برای پک باتری که بتوانند با واگرایی سلول‌ها، اتصال‌های سری و موازی را تغییر دهند.
این موضوع از زاویه مهندسی سامانه‌ها نیز اهمیت دارد. حسگرهای بهتر و عیب‌یابی در سطح هر سلول، در کنار مدل‌های پیش‌بینانه‌ای که سلول‌های پرت و شتاب‌گرفته در فرسودگی را زود تشخیص می‌دهند، می‌توانند به ناوگان‌ها کمک کنند عمر خدمت باتری را افزایش دهند و انرژی‌ای را بازیابی کنند که امروز بلااستفاده می‌ماند. پیام برای طراحان نیز کاملا روشن است: بیشینه‌سازی عمر باتری فقط به بهبود شیمی میانگین سلول مربوط نیست، بلکه به کاهش پراکندگی عملکرد در سراسر پک باتری وابسته است.
این پژوهش که در نشریه نیچر انرژی منتشر شده و با هدایت پژوهشگران مؤسسه فیزیک شیمیایی دالیان و دانشگاه فناوری چالمرز انجام گرفته است، نگاه ما به بازنشستگی باتری خودروهای برقی را بازتعریف می‌کند. این مطالعه پرسشی کاربردی با پیامدهایی گسترده مطرح می‌کند: آیا ما آخرین ژول‌های ممکن را از باتری‌های امروزی بیرون می‌کشیم، یا چند حلقه ضعیف همچنان بخشی از ارزش واقعی باتری را روی میز باقی می‌گذارند؟
.avif)
نظر بگذارید
نظرات
هنوز نظری ثبت نشده. اولین نفر باشید.