البطارية الأسطوانية أم البطارية المنشورية، أيهما أفضل للسيارات الكهربائية؟

إذا كنت تقود سيارة تعمل بالبنزين أو الديزل، فستكون على دراية بالبطارية الصندوقية الموضوعة بشكل مريح في الزاوية، أسفل غطاء المحرك. عجينة حمض الرصاص الثقيلة والضخمةالمنشأ لا تناسب السيارات الكهربائية التي تستوعب آلاف البطاريات خفيفة الوزن. لتحقيق التراص المدمج، تعد البطاريات الرفيعة على شكل لوح خيارًا أفضل. تأتي هذه في نوعين، وهما أنواع الحقيبة والمنشورية، والفرق هو أغلفةها المرنة والصلبة على التوالي. بحلول عام 2010، عندما تم إطلاق أول سيارات تعمل ببطارية ليثيوم أيون، كانت تصميمات الحقيبة والمنشورية راسخة في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية وكان اعتمادها في السيارات الكهربائية خيارًا عمليًا. لبضع سنوات، سيطر هذان النوعان على سوق السيارات الكهربائية.

جاء التطور في الحكاية في عام 2012، عندما قدمت شركة تيسلا سيارة السيدان طراز S باستخدام بطاريات أيون الليثيوم الأسطوانية الرخيصة نسبيًا. شكل 1 يوضح أن هذه الأشكال الثلاثة كانت تتنافس باستمرار على حصة السوق.

يتبين من الشكل 1 أنه بين عامي 2013 و2019، حلت البطاريات الأسطوانية محل النوع المنشوري وحققت هيمنتها على السوق. كان هذا في المقام الأول بسبب تسلا. ولكن هل يعود المد مرة أخرى؟ يبدو أنه منذ عام 2021، بدأ الشكل المنشوري يشق طريقه مرة أخرى إلى المقدمة.

تطور الحصة السوقية لتنسيقات بطاريات السيارات الكهربائية

إذا كنت تقود سيارة تعمل بالبنزين أو الديزل، فستكون على دراية بالبطارية الصندوقية الموضوعة بشكل مريح في الزاوية، أسفل غطاء المحرك. بطاريات الرصاص الحمضية الثقيلة والضخمة لا تناسب السيارات الكهربائية التي تستوعب آلاف البطاريات خفيفة الوزن. لتحقيق التراص المدمج، تعد البطاريات الرفيعة على شكل لوح خيارًا أفضل. تأتي هذه في نوعين، وهما أنواع الحقيبة والمنشورية، والفرق هو أغلفةها المرنة والصلبة على التوالي. بحلول عام 2010، عندما تم إطلاق أول سيارات تعمل ببطارية ليثيوم أيون، كانت تصميمات الحقيبة والمنشورية راسخة في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية وكان اعتمادها في السيارات الكهربائية خيارًا عمليًا. لبضع سنوات، سيطر هذان النوعان على سوق السيارات الكهربائية.

جاء التطور في الحكاية في عام 2012، عندما قدمت شركة تيسلا سيارة السيدان طراز S باستخدام بطاريات أيون الليثيوم الأسطوانية الرخيصة نسبيًا. ويبين الشكل 1 أن هذه الأشكال الثلاثة كانت تتنافس باستمرار على حصة السوق.

يتبين من الشكل 1 أنه بين عامي 2013 و2019، حلت البطاريات الأسطوانية محل النوع المنشوري وحققت هيمنتها على السوق. كان هذا في المقام الأول بسبب تسلا. ولكن هل يعود المد مرة أخرى؟ يبدو أنه منذ عام 2021، بدأ الشكل المنشوري يشق طريقه مرة أخرى إلى المقدمة.

البطارية الأسطوانية مقابل خلية البطارية المنشورية

من المحتمل أن يكون اختيار نوع البطارية المناسب هو القرار الأكبر الذي ستتخذه أي شركة مصنعة للسيارات الكهربائية. وبصرف النظر عن الأداء والتكلفة، يجب تأمين سلاسل توريد البطاريات. إذًا، ما هي السمات الرئيسية للبطاريات الأسطوانية والمنشورية؟ كيف يمكن للمرء أن يختار بينهما؟ دعونا نتعمق في التفاصيل!

ما هو خلية بطارية أسطوانية?

خلايا بطارية الليثيوم أيون الأسطوانية مصنوعة من هلام إلكتروليت محصور بين صفائح قطب الأنود والكاثود. يتم توفير ورقة فاصلة مسامية بين صفائح الأنود والكاثود، مما يمنع حدوث ماس كهربائي. على غرار الطريقة التي يتم بها صنع جيلي رول، يتم لف القطب الكهربائي وهلام الإلكتروليت و"شطيرة" الفاصل في أسطوانة ووضعها داخل غلاف معدني يتم تغطيته بعد ذلك. قد يكون السكن من الفولاذ المطلي بالنيكل أو الألومنيوم. بشكل عام، يتم تصنيع الكاثودات من أكسيد الليثيوم الممزوج بالنيكل والمنغنيز والكوبالت المطلي على رقائق الألومنيوم، في حين أن الأنود مصنوع من الجرافيت المطلي على رقائق النحاس. تعمل الرقائق المعدنية كمجمعات للتيار، بالإضافة إلى توفير قاعدة لطلاء القطب الكهربائي. يتدفق التيار من وإلى الخلية عبر شرائح معدنية تسمى Tabs ملحومة بالأقطاب الكهربائية.

هيكل بطارية EV الأسطوانية

ما هي النماذج الشائعة لخلايا البطارية الأسطوانية؟

كانت شركة تسلا رائدة في استخدام الخلايا الأسطوانية في سياراتها الكهربائية، وهي أكبر المشترين لهذه البطاريات في العالم. لديهم أيضا مرافق التصنيع الخاصة بهم. وبصرف النظر عن تيسلا، وعلى نطاق أصغر بكثير، يستخدم الوافدون الجدد مثل لوسيد وريفيان أيضًا بطاريات أسطوانية في بعض الطرازات. ستتبنى شركة BMW الألمانية الكبرى المنتجة لبطاريات Tesla تنسيق البطاريات الكبيرة في فئتها الجديدة من البطاريات. البطاريات الأسطوانية الأكثر شيوعًا هي موديلات 18650 و21700 و4680، حيث تمثل الأرقام عامل الشكل لكل بطارية.

هيكل بطارية EV المنشورية

إيجابيات وسلبيات الخلية الأسطوانية

الايجابيات

  • تتمتع الخلايا الأسطوانية بسلامة هيكلية أفضل مقارنة بالأشكال الأخرى نظرًا لأن الشكل الأنبوبي يمكنه تحمل الضغوط الميكانيكية الأعلى ويوجد عدد أقل من نقاط تركيز الإجهاد (حواف حادة).
  • لديهم كثافة طاقة وزنية أعلى مقارنة بالخلايا المنشورية.
  • تكلفة الإنتاج أقل بنسبة 15 إلى 10% من تكلفة الخلايا المنشورية.
  • بسبب عدم وجود طبقات متعددة مكدسة، تتمتع الخلايا الأسطوانية بمقاومة كهربائية أقل مقارنة بالخلايا المنشورية.

سلبيات

  • يمكن للخلايا الأسطوانية القيام بحوالي 2000 إلى 3000 دورة شحن وتفريغ فقط قبل أن تتحلل بنسبة 20٪. وهذا هو حوالي نصف ما يمكن أن تحققه الخلايا المنشورية.
  • كثافة التعبئة في حزمة البطارية أقل من كثافة الخلايا المنشورية مما يجعلها غير مناسبة للسيارات الصغيرة.

ما هي خلية البطارية المنشورية؟

اسم الخلية المنشورية مشتق من شكلها الهندسي وهو المنشور المستطيل. وعلى النقيض من بناء الجرح الحلزوني للخلايا الأسطوانية، فإن الخلية المنشورية تشبه شطيرة مكدسة. تتكون كل خلية من عدة طبقات، حيث تشتمل كل طبقة على هلام إلكتروليت يوضع بين صفائح الأنود والكاثود والفواصل المتداخلة. يتم بعد ذلك وضع الطبقات المكدسة داخل غلاف من الألومنيوم أو الفولاذ وعلامات تبويب معدنية متوفرة في الأعلى للتوصيل الكهربائي بالدائرة الخارجية.

عوامل شكل البطارية الأسطوانية التي تستخدمها تسلا

ما هي النماذج الشائعة لخلايا البطارية المنشورية؟

يتم استخدام الخلايا المنشورية بشكل أساسي من قبل شركات تصنيع السيارات الألمانية ويتم تصنيع البطاريات وفقًا للمعايير المحددة من قبل جمعية السيارات الألمانية. في الوقت الحاضر، تتوفر البطاريات المنشورية للبطاريات الكهربائية والهجينة بالأشكال التالية:

تنسيق الخلية العرض [مم] ارتفاع [مم] سمك [مم]
اتش اى 120 85 12.5
PHEV1 173 85 21
PHEV2 148 91 26.5
PHEV2 + 148 125 26.5
EV1 173 115 32
EV2 173 115 45

تشير الاختصارات HEV وPHEV وEV إلى مركبة كهربائية هجينة ومركبة كهربائية هجينة قابلة للشحن ومركبة كهربائية تعمل بالبطارية على التوالي.

إيجابيات وسلبيات خلية منشورية

الايجابيات

  • يمكن تكديس الخلايا المنشورية بشكل وثيق معًا دون وجود فجوات هوائية. يتيح ذلك تجميع المزيد من الخلايا في حجم أصغر، وهو أمر مفيد للسيارات الأصغر حجمًا.
  • يمكن للخلايا المنشورية أن تدوم لعدد أكبر من دورات الشحن والتفريغ (تصل إلى 5000)، وهو ما يقرب من ضعف عدد دورات الشحن والتفريغ الأسطوانية.
  • يعتبر التصنيع أكثر توحيدًا نسبيًا، نظرًا للامتثال لمعايير VDA.

 

سلبيات

  • انخفاض كثافة الطاقة الوزنية مقارنة بالخلايا الأسطوانية.
  • تعد الإدارة الحرارية لأكوام البطاريات أكثر صعوبة بسبب عدم وجود فجوة هوائية، مما يقلل من تبريد الهواء الإشعاعي والحملي.
  • يعتبر الشكل المنشوري أكثر عرضة للضغوط الميكانيكية مقارنة بالشكل الأسطواني.
  • تكاليف الإنتاج أعلى من الخلايا الأسطوانية.

 

متطلبات بطارية السيارة الكهربائية

على الرغم من أن البطاريات هي قلب أي سيارة كهربائية، إلا أنها جزء من نظام بطاريات متكامل ومعقد.

مكونات نظام بطارية السيارة الكهربائية

يتم تكديس خلايا متعددة وتوصيلها معًا بشكل متسلسل ومتوازي لتكوين وحدة بطارية. يتم توصيل العديد من وحدات البطاريات هذه كهربائيًا لتكوين حزمة بطارية. وبناءً على ذلك، يجب أن تكون البطاريات خفيفة الوزن وقوية ميكانيكيًا، مع زيادة محتوى الطاقة والطاقة المتاحة إلى أقصى حد. يجب أن يكون نقل الحرارة جيدًا، لضمان التبريد الفعال. من وجهة نظر العميل، تعتبر المسافة المقطوعة الطويلة ووقت الشحن السريع والعمر الطويل والتكلفة المنخفضة من الاعتبارات الرئيسية

وبالتالي، يجب أن تلبي بطارية السيارة الكهربائية الجيدة متطلبات العملاء، بالإضافة إلى المتطلبات الهندسية. إذًا، ما هي المعايير والمعايير الأساسية التي يجب الوفاء بها بالنسبة لبطارية السيارة الكهربائية؟ يسرد الجدول التالي المتطلبات الرئيسية لبطارية السيارة الكهربائية.

معلمة البطارية المعايير الحالية أهمية
كثافة الطاقة > 750 وات/لتر و> 350 وات/كجم للخلايا يحدد نطاق القيادة
التكلفة <$100/كيلوواط ساعة للخلايا تشكل تكاليف البطارية نسبة عالية من سعر السيارة الكهربائية
شحن سريع وقوة 80% ΔSOC في 15 دقيقة يريد العملاء أوقات شحن سريعة.
الحياة 15 سنة يجب أن يكون عمر البطارية على الأقل عمر السيارة حيث أن استبدال البطاريات الفردية ليس عمليًا.
الأداء الحد الأدنى من التأثير على البيئة يجب أن تكون وظيفة البطارية جيدة في الطقس البارد، الطقس الحار، الطقس الممطر، الظروف الصحراوية.
السلامة لا حريق / لهب / تمزق / انفجار يعد الهروب الحراري مصدر قلق كبير لجميع بطاريات الليثيوم أيون.

أيهما أفضل للسيارات الكهربائية؟

ينمو سوق بطاريات السيارات الكهربائية لكلا تنسيقي البطاريات. ومع ذلك، فإن السيارات الصغيرة تفضل الخلايا المنشورية لأنها تتطلب مساحة أقل مقارنة بالخلايا الأسطوانية. من ناحية أخرى، عندما تصبح المركبات ومجموعات البطاريات أكبر وأقوى، تكون الأفضلية للخلايا الأسطوانية. كما أن تكلفة الإنتاج أقل بكثير بالنسبة للخلايا الأسطوانية. ولهذا السبب يتم نسخ قرار تسلا باعتماد تنسيق 4680 لاعبين كبار آخرين مثل BMW.

لماذا استخدمت تسلا البطاريات الأسطوانية منذ البداية؟

في البداية، اختارت تسلا الطراز 18650 الأسطواني لسيارات السيدان الخاصة بها، حيث كان التصميم الأرخص والأكثر نضجًا من الناحية التكنولوجية المتاحة. لقد اكتسبوا بالفعل بعض الخبرة مع سيارتهم الرياضية السابقة رودستر. وبصرف النظر عن انخفاض تكاليف البطارية، فمن الواضح أن البطاريات الأسطوانية توفر نطاقًا أكبر مقارنة بالنوع المنشوري. الآن مع تنسيق Tabless الأكبر حجمًا 4680، تعمل Tesla على تغيير قواعد اللعبة فيما يتعلق بالمركبات الكهربائية ذات الطاقة العالية طويلة المدى. سبب آخر مهم هو وجود شركات تصنيع عالية الجودة للخلايا الأسطوانية مثل باناسونيك، مما يساعد تسلا على إنشاء سلسلة توريد مستقرة في البداية.

من منظور الإدارة الحرارية، تساعد فجوة الهواء بين الخلايا المتجاورة في التبريد الإشعاعي على عكس الخلايا المنشورية المتقاربة. يكون النقل الشعاعي للحرارة أكثر اتساقًا مما هو عليه في حالة الخلايا المنشورية غير المتماثلة.

وفي الختام

تعتبر الأشكال الأسطوانية والمنشورية مهمة لسوق السيارات الكهربائية. يعتبر الشكل المنشوري أفضل للمركبات الصغيرة. بالنسبة للمركبات الأكبر حجمًا، التي تتطلب نطاقًا وقوة أكبر، فإن التنسيق الأسطواني هو الأفضل.

انتقل إلى الأعلى