الطاقة
أوقية الوقاية تساوي رطل العلاج – كيف يُستخدم التحليل الطيفي للمقاومة الكهربائية (EIS) لتحسين صحة بطاريات السيارات الكهربائية
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
السيارات الكهربائية (EVs) قد تحظى باهتمام كبير في السنوات القليلة الماضية، مدفوعة بالتحول العالمي نحو الطاقة النظيفة والنقل المستدام.
نظرًا لأنها لا تنتج أي انبعاثات من عادم السيارة، فإن السيارات الكهربائية أفضل بكثير للبيئة مقارنةً بنظيراتها التي تعمل بالبنزين أو الديزل. وهذا يجعل السيارات الكهربائية تقنية أساسية لإزالة الكربون من النقل البري، الذي يُعَد مسؤولًا عن حوالي سدس الانبعاثات العالمية.
كما أن تكاليف تشغيلها وصيانتها أقل من مركبات الاحتراق الداخلي، مما يجعلها أكثر كفاءةً وتكلفةً معقولة.
وبهذا، فإن شعبية واعتماد السيارات الكهربائية تتزايد بشكل ملحوظ، حيث كان ما يقرب من سيارة واحدة من كل خمس سيارات مباعة في عام 2023 كهربائية. بعد أن تجاوز عدد السيارات الكهربائية 10 ملايين في عام 2020، وصل عدد السيارات الكهربائية على الطرق إلى 40 مليون العام الماضي.
في عام 2023 وحده، كانت مبيعات السيارات الكهربائية تقريبًا 14 مليون، 95٪ منها في الصين وأوروبا والولايات المتحدة. نتيجة لهذا التوسع، تشكل السيارات الكهربائية حوالي 20٪ من جميع مبيعات السيارات الجديدة عالميًا، ومن المتوقع أن ترتفع إلى 50٪ بحلول عام 2030.
ليس هناك نوع واحد فقط من السيارات الكهربائية؛ بل هناك عدة أنواع:
- مركبات كهربائية بطارية (BEVs)
- مركبات هجينة قابلة للشحن (PHEVs)
- مركبات هجينة (HEVs)
- مركبات خلايا وقود كهربائية (FCEVs)
ومن بين هذه الأنواع، تُعد المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية هي الأكثر شيوعًا، حيث تمثل 70٪ من أسطول السيارات الكهربائية في عام 2023.
تُعد BEVs مدفوعة بالكامل بالكهرباء ويمكن شحنها من مصادر خارجية. وهي أكثر كفاءةً من المركبات الهجينة ومركبات الشحن المدمج.
نظرًا لأن البطاريات هي مصدر الطاقة للسيارات الكهربائية، فهي المكوّن الأكثر أهمية في السيارة الكهربائية. من خلال استبدال محركات الاحتراق الداخلي، يمكن للسيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية أن تقلل التلوث بشكل كبير، وتساعد على دمج مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية، وتضمن الاستدامة.
عند الحديث عن السيارات الكهربائية، فإن حالة البطاريات تحدد أدائها. وحجمها، الذي يُقاس بالكيلوواط‑ساعة، يحدد كمية الطاقة التي يمكن للبطارية تخزينها والمسافة التي يمكن للسيارة قطعها بشحنة واحدة.
كلما ارتفعت كثافة الطاقة في البطارية، زادت المدى لكل شحنة. كما أن الشحن السريع ضروري للسماح لمالكي السيارات الكهربائية بشحن مركباتهم بسرعة.
الآن، تستخدم السيارات الكهربائية مجموعة متنوعة من البطاريات، بما في ذلك بطاريات الليثيوم‑أيون، وهي الأكثر شيوعًا. وتُعد بطاريات الرصاص الحمضية خيارًا شائعًا، خاصةً في الولايات المتحدة، بفضل تكلفتها الفعّالة وعمرها الطويل، بينما يزيد الليثيوم‑كبريت من القدرة النظرية للشحن.
إلى جانب الوعي المتزايد بالبيئة والحوافز الحكومية، فإن التقدم في تكنولوجيا البطاريات، على وجه الخصوص، الذي جعل السيارات الكهربائية أكثر كفاءةً وتكلفةً معقولة، يدفع تبني السيارات الكهربائية.
لذلك، تلعب البطاريات دورًا حاسمًا في السيارات الكهربائية والتحول إلى الطاقة النظيفة بشكل أوسع، مما يجعل من الضروري أن نمتلك فكرة أوضح عن مدى كفاءتها وحالتها. لهذا، طور الباحثون تقنية جديدة تراقب حالة البطاريات بدقة عالية لتعظيم كفاءتها واستقرارها على المدى الطويل.
التقنية للتشخيص الدقيق لبطاريات السيارات الكهربائية
طور الباحثون في معهد كوريا المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) هذه التقنية الجديدة لتشخيص حالة بطاريات السيارات الكهربائية بدقة، وهو أمر أساسي لإدارتها بكفاءة واستخدامها بأمان، باستخدام كميات صغيرة فقط من التيار.
تم الإعلان عن هذا التطور الأسبوع الماضي من قبل KAIST، الذي أشار إلى أن فريقًا من الباحثين بقيادة الأستاذين سانغ‑غوغ لي وكيونغها كوون من كلية الهندسة الكهربائية قد بنى تقنية التحليل الطيفي للمقاومة الكهربائية (EIS).
يمكن استخدام تقنية EIS هذه لتحديث أداء وثبات البطاريات عالية السعة في السيارات الكهربائية.
التحليل الطيفي للمقاومة الكهربائية هو أداة قوية تقيس مقدار المقاومة وتغيّرها في البطارية، مما يسمح بتقييم كفاءة البطارية وفقدانها.
مقاومة البطارية هي ببساطة قياس لمقاومة تدفق التيار داخل البطارية. هذه الطريقة غير التداخلية لمنع فشل البطارية تحدد ببساطة العلامات المبكرة للضعف أو التدهور وتفحص أدائها وحالتها.
إنها أداة مهمة لتقييم حالة شحن البطارية وصحتها، ويمكنها أيضًا تحليل التغييرات الكيميائية أو الفيزيائية، ووصف الخصائص الحرارية، وتحديد أسباب الفشل، وتوقع عمر البطارية.
ومع ذلك، فإن معدات EIS التقليدية ليست فقط مكلفة بل معقدة أيضًا، مما يجعل من الصعب تركيبها وتشغيلها وصيانتها.
ثم هناك مسألة قيود الدقة والحساسية، ما يعني أنه عندما نطبق اضطرابات تيار بمقامات عدة أمبيرات على بطارية، قد ينتج عن ذلك إجهادًا كهربائيًا كبيرًا. وهذا بدوره يزيد من خطر الحريق أو فشل البطارية، وبالتالي يجعل استخدامها صعبًا في الواقع.
لذلك، وللتصدي لكل هذه المشكلات، أنشأ فريق الهندسة في KAIST نظام EIS منخفض التيار لتشخيص حالة البطاريات عالية الكفاءة في السيارات الكهربائية وكذلك صحتها.
يمكن لهذا النظام الجديد قياس مقاومة البطارية بدقة باستخدام اضطرابات تيار منخفضة، أي 10 مللي أمبير. خلال عملية القياس، يقلل تقنية EIS الجديدة من التأثيرات الحرارية ومشكلات السلامة.
فائدة أخرى لهذا النظام هي أنه يقلل الحاجة إلى مكونات ضخمة ومكلفة. وبالتالي يمكن دمجه بسهولة في المركبات.
لقد أظهر النظام الجديد نجاحه بالفعل في تحديد الخصائص الكهروكيميائية لبطاريات السيارات الكهربائية تحت ظروف تشغيل مختلفة، بما في ذلك درجات حرارة ومستويات شحن (SOC) متنوعة.
إن دمج النظام بسهولة في نظام إدارة البطارية (BMS) للسيارات الكهربائية، إلى جانب دقته العالية في القياس وتقليل التعقيد والتكلفة مقارنةً بأساليب EIS التقليدية ذات التيار العالي، يجعله مفيدًا جدًا للسيارات الكهربائية.
وفقًا للبروفيسور كيونغها كوون، المؤلف المشارك، يمكن للنظام أيضًا المساهمة في تشخيص البطاريات وتحسين الأداء لأنظمة تخزين الطاقة (ESS).
تطورات أخرى في حالة وسلامة بطاريات السيارات الكهربائية
نظرًا لأهمية البطاريات، يعمل الباحثون على طرق مختلفة للحصول على فكرة أوضح عن حالتها. فبعد كل شيء، سعة بطاريات السيارات الكهربائية تنخفض بنحو 10٪ خلال حوالي 6.5 سنة من التشغيل المتواصل. وتساهم فيه أيضًا الشحن الزائد والتفريغ الزائد.
في العام الماضي، أنشأ فريق من باحثي الهندسة في جامعة ميتشيغان صيغة لتشخيص ومراقبة بطارية دون تمزيقها. الصيغة، التي يمكن تطبيقها أيضًا على أجهزة فوتونية وإلكترونية أخرى، تعمل مع أي تركيبة من مواد البطارية.
إحدى الطرق التي يستخدمها الباحثون للتحقق من البطاريات هي تطبيق تيار متناوب ضعيف، مشابه لما يأتي من مقبس الحائط لكنه أضعف بكثير، لاستكشاف البطارية. في هذه العملية، تتغير المقاومة بحسب تردد التيار المتناوب أو سرعة تغير اتجاهه.
المقياس الرئيسي هو كيفية تغير المقاومة مع التردد، ويتم الحصول عليه من خلال مسح التردد من منخفض إلى عالي. لتحقيق ذلك، يجب بناء علاقة بين مواد البطارية وتوقيعها. ومع ذلك، ابتكر الفريق صيغته الخاصة لوصف العلاقة. ومتى ما تم قياس المقاومة عند عدد قليل من الترددات، يمكن للصيغة توقع المقاومة كدالة للتردد عبر نطاق واسع من الترددات.
تُعد الصيغة، بحسب الفريق، وسيلة لعرض مقاومة المادة باستخدام عدد قليل فقط من نقاط البيانات التجريبية. إنها تبسط عملية نمذجة تدفق الكهرباء عبر الأجهزة المصنوعة من مواد مختلفة ولا تحتاج إلى معرفة البنية الدقيقة للمادة مسبقًا.
يمكنها أيضًا المساعدة في تصميم إلكتروليتات صلبة أفضل، وتحديد ميزات المقاومة للمكونات الأخرى للبطاريات، وبناء نماذج بطارية دقيقة لتوفير تحكم أكثر أمانًا وكفاءةً عند الشحن والتفريغ.
في ذلك الوقت، صرح الفريق أنهم يخططون لاستخدام الصيغة لفهم ثم تصميم إلكتروليتات صلبة ذات مواد مختلطة، يمكن أن توفر سعة أعلى وأمانًا أفضل.
التقدم في تصميم البطاريات الهيكلية والمواد وأنظمة المراقبة مستمر، مما عزز إجراءات السلامة لمنع الدوائر القصيرة الداخلية والانفجار الحراري. لهذا، يركز الباحثون بشكل متزايد على دور الأنودات القائمة على السيليكون، خصوصًا توزيع جسيمات SiO داخل طبقة الأنود، لتحقيق كثافة طاقة أعلى مع التحكم في الآثار السلبية أثناء الدورات، وبالتالي تحسين السلامة وطول العمر.
عند الحديث عن تصميم وتجميع البطاريات، تظهر المواد اللاصقة أيضًا كعنصر حاسم، حيث تقدم مزايا مثل تحسين الأداء من خلال تحسين الواجهة الحرارية بين خلايا البطارية وأنظمة التبريد، وزيادة مرونة التصميم عبر ربط مجموعة متنوعة من المواد، وتحسين إدارة الطاقة للسلامة، وتوفير التكاليف من خلال تبسيط عمليات التصنيع.
كما يستفيد الباحثون والشركات من الذكاء الاصطناعي لاكتشاف مواد البطاريات وتصنيعها. وعلى الرغم من التقدم الكبير في تكنولوجيا بطاريات السيارات الكهربائية في السنوات الأخيرة، لا تزال هناك عدة قضايا تتعلق بالمواد، التصميم، المدى، وأنظمة إدارة البطاريات.
نظام إدارة البطارية (BMS) في السيارة الكهربائية يهدف إلى ضمان الكفاءة والسلامة وطول العمر من خلال تحسين أداء البطارية. لم تكن تقديرات صحة البطارية وشحنتها التقليدية لتوقع التدهور المستقبلي دقيقة، مما أدى إلى ظهور خوارزميات تعلم الآلة لنظام BMS التي تحلل البيانات في الوقت الفعلي لتقديرات دقيقة لحالة صحة البطارية (SOH) وحالة الشحن (SOC). ثم يستخدم نظام BMS هذه التقديرات لتحسين أداء البطارية.
سوق تشكيل واختبار بطاريات السيارات الكهربائية العالمي هو في الواقع سوق سريع النمو، حيث قُدِّر بقيمة 1.9 مليار دولار في عام 2023. من المتوقع أن ينمو هذا السوق بمعدل نمو سنوي مركب يزيد عن 17.6٪ خلال السنوات الثماني المقبلة ليصل إلى 7.8 مليار دولار بحلول عام 2032.
هذا النمو مدفوعًا بارتفاع اعتماد السيارات الكهربائية وإنتاج البطاريات المتزايد، وتقدم التكنولوجيا في كيمياء البطاريات، ومتطلبات السلامة والموثوقية للبطاريات، والتركيز المتزايد على الاستدامة وتقليل انبعاثات الكربون.
قبل بضعة أشهر، أعلن وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) أيضًا عن تمويل بقيمة 43 مليون دولار لمشاريع ستُعزز البحث والتطوير والنشر في مجالات البطاريات الحرجة. هدف المبادرة هو دفع الابتكارات في تصنيع بطاريات السيارات الكهربائية منخفضة التكلفة، تقليل الفشل، تحسين سلامة البطاريات، وتعزيز سلسلة الإمداد المحلية لمواد البطاريات.
هذا يتماشى مع الخريطة الوطنية الأمريكية لتقليل انبعاثات النقل، التي تهدف إلى إزالة جميع الانبعاثات من قطاع النقل بحلول عام 2050 من خلال تعزيز تقنيات البطاريات لتشغيل سيارات كهربائية صفرية الانبعاثات آمنة وفعّالة.
الشركات التي تساعد على تقدم إدارة بطاريات السيارات الكهربائية
الآن، لنلقِ نظرة على الشركات التي تعمل عند تقاطع تقنية صحة بطاريات السيارات الكهربائية، أنظمة BMS، وتطورات EIS، جميعها حاسمة لاستدامة سوق السيارات الكهربائية وتحسين أعمار البطاريات وسلامتها.
تسلا التابعة لإيلون ماسك Tesla (TSLA ) هي من بين الأكثر بروزًا، وتستثمر بعمق في بطاريات عالية السعة وطويلة العمر للسيارات الكهربائية. مع ارتفاع أسهم تسلا بنسبة 4.83٪ هذا العام، تبلغ قيمتها السوقية حاليًا 830.7 مليار دولار.
TSLA مخطط السعر
ثم هناك شركة QuantumScape Corporation ذات القيمة السوقية 3.24 مليار دولار QuantumScape Corporation (QS )، التي تطور بطاريات ليثيوم‑معدن صلبة للسيارات الكهربائية، بينما شركة Enovix Corporation ذات القيمة السوقية 1.9 مليار دولار Enovix Corporation (ENVX ) تطور بطاريات ليثيوم‑أيون ذات أنود سيليكون متقدم. شركة Albemarle Corporation ذات القيمة السوقية 11.18 مليار دولار Albemarle Corporation (ALB ) هي منتج رئيسي للليثيوم وتشارك في تحسين كفاءة وسلامة البطاريات. أسهم QS و ALB انخفضت بنسبة 6.47٪ و 34.14٪ و 13.14٪ هذا العام على التوالي.
Analog Devices (ADI ) هي شركة قيمتها 114 مليار دولار، ارتفعت أسهمها بنسبة 15.67٪ منذ بداية العام. وفي الوقت نفسه، توفر حلول نظام إدارة البطارية (BMS) لبطاريات السيارات الكهربائية.
الآن، لنلقِ نظرة أعمق على شركة أخرى ذات صلة شهدت أداءً جيدًا هذا العام.
General Motors Company
شركة العملاقة ذات القيمة السوقية 59.2 مليار دولار شهدت ارتفاعًا ملحوظًا في أسهمها هذا العام. مع بقاء أكثر من شهرين فقط في عام 2024، ارتفع سعر سهم GM بنسبة 46.77٪ وتداول عند 52.9 دولار. لديها ربحية السهم (TTM) تبلغ 9.37 ونسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 5.63، بالإضافة إلى عائد توزيعات بنسبة 0.91٪.
GM مخطط السعر
تشارك General Motors (GM ) في تصميم وبناء وبيع السيارات والشاحنات وقطع غيار السيارات، بالإضافة إلى تقديم خدمات مدعومة بالبرمجيات. كما تقود الشركة تقدمًا في تكنولوجيا البطاريات، السلامة، والأداء لأسطولها من السيارات الكهربائية عبر منصة Ultium.
تم الكشف عن Ultium لأول مرة في عام 2020، واصفتها المديرة التنفيذية ماري بارا بأنها:
“استراتيجية متعددة العلامات والمتعددة القطاعات للسيارات الكهربائية مع اقتصاديات حجم تنافس أعمال شاحناتنا الكبيرة مع تعقيد أقل ومرونة أكبر.”
خلال اجتماع حديث، أعلنت بارا أن علامة بطارية Ultium ستتوقف، لكنها أكدت أن مبيعات السيارات الكهربائية ستتحسن. تشمل مجموعة سيارات GM الكهربائية Chevy Equinox وBlazer، وGMC Hummer EV، وCadillac Lyriq، وCadillac Celestiq.
أشار كورت كيلتي، نائب رئيس GM لخلية البطارية، إلى أهمية Ultium في مساعدتها على إطلاق مجموعة واسعة من نماذج السيارات الكهربائية الجديدة، قائلاً:
“(تحول الشركة) من بطارية واحدة تناسب الجميع إلى بطاريات مخصصة للبرامج الجديدة.”
تسعى GM الآن إلى عدة كيميائيات للبطاريات لتلبية متطلبات الأداء بشكل أفضل.
تخطط الشركة أيضًا لإنشاء مركز نمذجة بطاريات في ميشيغان سيفتح في عام 2027، مما قد يقلل من الوقت اللازم لتطوير البطاريات بما يصل إلى عام.
هذا الأسبوع، أعلنت GM عن نتائجها المالية للربع الثالث من عام 2024، حيث بلغ إيرادها لهذا الربع 49 مليار دولار، بزيادة 10٪ على أساس سنوي، بينما وصل التدفق النقدي الحر المعدل للسيارات إلى 5.8 مليار دولار، بزيادة 900 مليون دولار مقارنةً بالعام الماضي. خلال هذه الفترة، قامت GM بإعادة شراء أسهم بقيمة مليار دولار.
شهدت الشركة زيادة حصتها السوقية في التجزئة بالولايات المتحدة في الربع الثالث، بينما ظل بيئة التشغيل في الصين صعبة. كما ارتفعت تكاليف الضمان بسبب ضغوط التضخم.
فيما يتعلق بالسيارات الكهربائية، تستهدف الشركة إنتاج 200,000 سيارة كهربائية في أمريكا الشمالية هذا العام. وعلى الرغم من التقدم، لا يزال عمل EV الخاص بـ GM يعمل على تحقيق الربحية ويتوقع تحسين خسائر EV بمقدار 2 إلى 4 مليارات دولار.
الخلاصة
مع تسارع الانتقال إلى الطاقة النظيفة بشكل حاد، مدعومًا بسياسات حكومية، وحوافز، واستراتيجيات صناعية، تحول العالم إلى السيارات الكهربائية. يبرز النمو السريع للسيارات الكهربائية الدور الأساسي للبطاريات، وبالتالي يتطلب كفاءة عالية وسلامة. هنا، يمكن لتقنيات مثل التحليل الطيفي للمقاومة الكهربائية وأنظمة إدارة البطاريات المبتكرة أن تساعد في تحسين طريقة مراقبة صحة بطاريات السيارات الكهربائية وتساهم في استخدام أكثر أمانًا واستدامة.
مع تزايد الدراسات والشركات والحكومات التي تركز على تحسين تشخيص بطاريات السيارات الكهربائية، سنشهد بطاريات تدوم لفترة أطول، وتصاميم أكثر أمانًا، وتخزين طاقة فعال، وكل ذلك ضروري لتحقيق اعتماد واسع النطاق للسيارات الكهربائية. يمكن لهذه الابتكارات أن تساعد أيضًا في تحقيق أهداف المناخ العالمية الطموحة، مما يؤدي إلى مستقبل أنظف وأكثر استدامة.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل 10 أسهم في قطاع السيارات الكهربائية للاستثمار فيها.
