تطبيقات بطارية الليثيوم - المكانس الكهربائية والأدوات الكهربائية

1. مقدمة: ظهور بطاريات الليثيوم في الأجهزة اللاسلكية

2. الثورة اللاسلكية في المكانس الكهربائية

3. تطور تكنولوجيا البطاريات

• بطاريات النيكل-والكادميوم (NiCd): القيود المبكرة
• النيكل-ميتال هيدريد (NiMH): المرحلة الانتقالية
• بطاريات الليثيوم-أيون (Li-ion): معيار الصناعة

4. أنواع بطاريات الليثيوم-الأيونية في التطبيقات

• بطاريات الليثيوم الأسطوانية (18650، 21700، إلخ.)
• بطاريات الليثيوم المنشورية
• بطاريات الليثيوم-اللينة (البوليمر).

5. نظام إدارة السلامة والبطارية (BMS)

• لماذا BMS هو "الوصي" على بطاريات الليثيوم
• ميزات الحماية الرئيسية (الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والتيار الزائد، ودرجة الحرارة)
• دورآلة اختبار BMSفي ضمان السلامة والأداء

6. اتجاهات الصناعة

7. الاستنتاج

مع اجتياح الاتجاه اللاسلكي عبر قطاعات الأجهزة المنزلية والأدوات، أصبحت بطاريات الليثيوم مصدر الطاقة الأساسي الذي يدعم أداء المنتج. منذ الأيام الأولى لـ "الشحن لمدة 10 ساعات والاستخدام لمدة 5 دقائق" وحتى عمر البطارية الطويل-اليوم الذي يصل إلى 60 دقيقة، لم تؤد الإنجازات التكنولوجية في بطاريات الليثيوم إلى إعادة تشكيل تجربة مستخدم المكانس الكهربائية والأدوات الكهربائية فحسب، بل أدت أيضًا إلى إحداث نقلة نوعية في الصناعة بأكملها.

"الثورة اللاسلكية" في المكانس الكهربائية

تستهلك المحركات الرقمية عالية السرعة-طاقة كبيرة. بدون بطاريات الليثيوم-عالية الجودة ونظام إدارة البطارية (BMS)، ستكون "الميزة اللاسلكية" للمكانس الكهربائية اللاسلكية مستحيلة. يحقق Dyson V10، المزود بـ 7-خلية، وبطارية أيون الليثيوم-وات بقدرة 525-وات، مقترنًا بإلكترونيات مطورة ونظام إدارة المباني، عمر بطارية متعدد الاستخدامات يصل إلى 8 دقائق من التنظيف العميق في الوضع الأقصى، و30 دقيقة من التنظيف اليومي في الوضع القياسي، و60 دقيقة من التنظيف الممتد في وضع التحمل، مما يلغي الحاجة إلى متاعب تغيير البطاريات في منتصف التنظيف. يركز الكثير من الناس على التكنولوجيا الإعصارية والمحركات عالية السرعة، متجاهلين الدور الحاسم لبطاريات الليثيوم. لولا اعتمادها على نطاق واسع، لكان عصر المكانس الكهربائية اللاسلكية قد تأخر لعدة سنوات على الأقل.

قبل أن تصبح بطاريات الليثيوم سائدة، شهدت المكانس الكهربائية والأدوات الكهربائية موجتين من تكنولوجيا البطاريات، تعالج كل منهما نقاط الضعف في الجيل السابق:

1. بطاريات النيكل-والكادميوم(NiCd): "خيار ضروري" مبكر

باعتبارها أول نوع من البطاريات المستخدمة، كانت بطاريات النيكل-والكادميوم تعاني من عيوب واضحة: السعة الصغيرة، وأوقات الشحن الطويلة، وعمر البطارية القصير. كان "الشحن لمدة 10 ساعات، والاستخدام لمدة 5 دقائق" موضوعًا شائعًا. والأهم من ذلك، أنها عانوا من تأثير شديد على الذاكرة (يؤدي التفريغ غير الكامل إلى انخفاض عمر البطارية) وكانت شديدة التلوث بالبيئة. اعتبارًا من 1 كانون الثاني (يناير) 2016، حظر الاتحاد الأوروبي رسميًا استخدامها في الأدوات الكهربائية والأجهزة الصغيرة، كما تلاشت بطاريات النيكل-الكادميوم تدريجيًا من السوق.

2. النيكل-هيدريد المعدن(NiMH): "نسخة محسنة" خلال المرحلة الانتقالية.

بالمقارنة مع بطاريات النيكل-والكادميوم، توفر بطاريات النيكل-هيدريد المعدن سعة أعلى وتأثيرًا أقل على الذاكرة وتلوثًا بيئيًا أقل. وعلى الرغم من ارتفاع الأسعار، فإنها سرعان ما أصبحت سائدة في السوق، مما مهد الطريق للتعميم الأولي للمنتجات اللاسلكية.

3. بطاريات ليثيوم-أيون(Li-ion): "العمود الفقري المطلق" اليوم.

لقد أحدث ظهور بطاريات الليثيوم-أيون ثورة في مشهد الصناعة. إنها توفر ثلاث مزايا أساسية: كثافة طاقة تبلغ 1.5-مرتين من بطاريات هيدريد معدن النيكل-، وعدم وجود تأثير على الذاكرة، وانخفاض التفريغ الذاتي-، مما يجعلها متوافقة تمامًا مع متطلبات الطاقة العالية للمحركات عالية السرعة. يعتمد مبدأ عملها على حركة أيونات الليثيوم بين القطب الموجب (تشمل المواد الشائعة أكسيد كوبالت الليثيوم LiCoO2 وأكسيد منغنيز الليثيوم LiMn2O4) والقطب السالب.

بطاريات الليثيوم الأسطوانية:اخترعتها شركة Sony في اليابان عام 1992، وهي توفر جودة مستقرة وأمانًا عاليًا وقابلية توسعة قوية. تشمل النماذج الشائعة 14650، و17490، و18650، و21700. واستخدم طراز تسلا 3 بطارية باناسونيك 18650 (تمت ترقيتها لاحقًا إلى 21700). تعد بطارية 18650 (بطارية أسطوانية بقطر 18 مم وطول 65 مم) هي البطارية الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في المكانس الكهربائية والأدوات الكهربائية. ومع ذلك، في عام 2016، باعت شركة سوني أعمالها في مجال بطاريات الليثيوم لشركة Murata Manufacturing Co., Ltd. في اليابان، والتي استحوذت أيضًا على عملاء بطاريات الليثيوم من سوني، بما في ذلك دايسون.

بطاريات الليثيوم المنشورية:يتم تعبئتها عادةً في علب من الألومنيوم أو الفولاذ. إنها تتميز ببنية بسيطة وكثافة طاقة عالية (حوالي 205 وات ساعة/كجم لخلية 50 أمبير). كما أنها تتميز بمعدل تجميع النظام بنسبة 70% (أعلى من 60% لبطاريات 18650)، وخلايا كبيرة، واتساق أفضل. ومع ذلك، نظرًا لدرجة التخصيص العالية والتنوع الكبير في النماذج، فإن عمليات التصنيع الموحدة تكون صعبة.

مجموعة بطاريات الليثيوم- الناعمة(بطاريات الليثيوم البوليمر): تحتوي هذه البطاريات على طبقة خارجية من البوليمر وتوفر أمانًا ممتازًا (المشاكل تؤدي فقط إلى الانتفاخ والتشقق وليس الانفجار). فهي خفيفة الوزن ولها قدرة عالية، مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في الهواتف المحمولة. ومع ذلك، فقد أدى ضعف اتساقه وتكلفته العالية وميله إلى التسرب إلى استخدامه المحدود في المكانس الكهربائية والأدوات الكهربائية.

على الرغم من أن بطاريات الليثيوم تقدم أداءً ممتازًا، إلا أنها تحمل خطر الانفجار. يعد انفجار بطارية ليثيوم-أيون واحدة أمرًا مهمًا بالفعل، كما أن عواقب حدوث قصور في الدائرة-وانفجار بطاريات متعددة في نفس الوقت تكون أكثر تدميراً. حتى خلايا البطاريات المستوردة من علامات تجارية مثل Panasonic، وLG، وSamsung لا يمكن أن تضمن تشغيلًا خاليًا من المخاطر بنسبة 100%.

وللتخفيف من هذه المخاطر، ظهر نظام إدارة البطارية (BMS). إنها التقنية الأساسية لحزم بطاريات الليثيوم-أيون، حيث تقوم بمراقبة حالة كل خلية لمنع الشحن الزائد والتفريغ الزائد-. تعتبر أنظمة إدارة المباني في المركبات الكهربائية معقدة ويمكنها مراقبة الجهد والتيار ودرجة الحرارة وتقدير السعة المتبقية (SOC) والتحكم في نظام التحكم في درجة الحرارة واكتشاف التسرب والتواصل مع الأنظمة الأخرى وأرشفة تاريخ استخدام البطارية. تعد أنظمة إدارة البطارية (BMSs) في المكانس الكهربائية وأدوات الطاقة بسيطة نسبيًا، وهي مسؤولة بشكل أساسي عن الوظائف الأساسية مثل الشحن الزائد/الإفراط في -حماية التفريغ (على سبيل المثال، جهد حماية الشحن الزائد 4.20-4.30 فولت، أكثر من-جهد حماية التفريغ 2.60-2.80 فولت)، وحماية التيار الزائد (تيار حماية الدائرة القصيرة 80 أمبير تقريبًا)، وحماية من درجات الحرارة العالية (درجة حرارة التفريغ للحماية من درجات الحرارة العالية 70-80 درجة)، مما يضمن التشغيل المستقر لحزمة البطارية.

العلامة التجارية آسيآلة اختبار BMSيُستخدم بشكل أساسي لاختبار المؤشرات الوظيفية المختلفة لنظام إدارة المباني لبطارية الليثيوم-، وتقييم ما إذا كانت المعلمات المختلفة تقع ضمن نطاق التصميم، ثم الحكم على ما إذا كان نظام إدارة المباني مؤهلاً وقابلاً للاستخدام.

نظرًا لتزايد أهمية بطاريات الليثيوم-أيون، تظهر اتجاهات جديدة في صناعات المكانس الكهربائية والأدوات الكهربائية:

1. منصة البطارية: خفض التكاليف وإشراك المستهلكين

لقد كانت صناعة الأدوات الكهربائية رائدة بالفعل في عملية إنشاء المنصات. على سبيل المثال، توفر TTI منصتين رئيسيتين لبطاريات الليثيوم-أيون: 12 فولت و18 فولت. تشترك مئات المنتجات الموجودة على نفس المنصة في بطاريات متوافقة. وهذا لا يقلل من تكاليف تطوير البطارية ونظام إدارة المباني فحسب، بل يشجع المستهلكين أيضًا على إعطاء الأولوية للعلامات التجارية المتوافقة مع البطاريات الحالية عند شراء أدوات جديدة. وهذا يخلق عائقًا أمام الشركات الكبيرة، مما يجعل من الصعب على الشركات الصغيرة المنافسة. أطلقت Bosch أيضًا المكنسة الكهربائية اللاسلكية 18 فولت Unlimited، مروجة لتوافقها مع كل من المكنسة الكهربائية وبطاريات الأدوات الكهربائية. ومع ذلك، نظرًا لخيارات التصميم المتنوعة للمكانس الكهربائية، يعد تحقيق التوافق أكثر صعوبة من الأدوات الكهربائية.

2. سعة إنتاج البطارية واستكشاف التكنولوجيا: المقايضة-ببطارية 21700
في الوقت الحالي، تتمتع المكانس الكهربائية بدون فرش بعمر بطارية يصل إلى 10 دقائق تقريبًا في وضع الطاقة-العالي. وبدون حدوث اختراقات في كثافة طاقة البطارية، سيكون من الصعب تحقيق تحسينات كبيرة. بدأت بعض المصانع باختبار بطارية 21700 (المستخدمة في سيارة تيسلا موديل 3). تصل كثافة الطاقة الخاصة بها إلى 300 وات/كجم (أعلى بنسبة 20% من بطارية 18650)، مما يزيد من السعة بنسبة 35%، ويقلل التكاليف بنسبة 9%، ويقلل عدد البطاريات المستخدمة. ومع ذلك، فإن بطارية 21700 لها أيضًا عيوبها: فكل زيادة بنسبة 10٪ في السعة، تنخفض دورة الحياة بنسبة 20٪، وتنخفض معدلات الشحن والتفريغ بنسبة 30-40٪، ويزيد ارتفاع درجة الحرارة بنسبة 20٪. إن اختيار البطارية المناسبة هو مسألة موازنة بين التكنولوجيا والاقتصاد. ومع ذلك، تأثر إنتاج الطراز 3 من باناسونيك سابقًا بمشكلات تتعلق بقدرته الإنتاجية البالغة 21700، مما يدل على أن القدرة الإنتاجية تظل عاملاً مقيدًا.

3. الاتصال اللاسلكي هو الاتجاه الحتمي

ليس فقط المكانس الكهربائية، ولكن العديد من المنتجات السلكية الأخرى ستصبح لاسلكية في المستقبل. كل اختراق في تكنولوجيا بطاريات الليثيوم سوف يغذي هذا الاتجاه.

من بطاريات النيكل-والكادميوم إلى بطاريات الليثيوم، ومن "القيود السلكية" إلى "الحرية اللاسلكية"، لم تغير بطاريات الليثيوم عوامل شكل المنتج فحسب، بل أعادت أيضًا تشكيل المشهد التنافسي للصناعة. وقد أصبحت شركات تصنيع البطاريات مثل CATL، وPanasonic، وLG، وEVE Energy، وChanghong Energy (Changhong Three)، وHighpower Technology، على الرغم من أنها ليست في المقدمة بشكل مباشر، لاعبين رئيسيين في هذا التحول. في المستقبل، مع التقدم التكنولوجي المستمر، قد نرى منتجات بطاريات الليثيوم ذات عمر بطارية أطول، وأمان أكبر، وتعدد استخدامات أكبر، مما يفتح المزيد من الراحة في الحياة والعمل.

اتصل الآن