ما فائدة توصيل خلايا بطارية السيارة الكهربائية على التوالي أو التوازي؟

تعرّف إلى أثر التوصيل على التوالي والتوازي في الجهد والسعة والطاقة داخل بطارية السيارة الكهربائية، ولماذا لا تكفي هذه القيم وحدها لتحديد المدى أو زمن الشحن.

يجمع توصيل خلايا بطارية السيارة الكهربائية الخلاياَ المنفردة لتوفير الجهد والطاقة اللذين تحتاج إليهما السيارة. يشرح هذا الدليل الفرق بين التوصيل على التوالي والتوازي، وأثر كل منهما في الجهد والسعة، وما الذي تعنيه قيمة الكيلوواط ساعة، ولماذا لا يضمن ترتيب الخلايا وحده مدى قيادة أو تجربة شحن بعينها.

الخلية والوحدة وحزمة البطارية

الخلية هي أصغر وحدة تخزن الطاقة الكهربائية بصورة كيميائية. يمكن وصل خلايا عدة كهربائياً لتكوين مجموعات، ثم ترتيب هذه المجموعات في وحدات، وتجميع الوحدات في حزمة بطارية. ولا تستخدم جميع السيارات الترتيب المادي نفسه؛ إذ يختلف شكل الخلية وعدد الوحدات ومسارات التوصيل والتبريد والتحكم باختلاف تصميم السيارة والبطارية.

لا تقتصر حزمة البطارية على الخلايا. فهي تشمل الوصلات الكهربائية والبنية الواقية وإدارة الحرارة وأنظمة تحكم تراقب الخلايا. ويساعد نظام إدارة البطارية على متابعة الظروف الكهربائية والحرارية. لذلك فإن طريقة وصل الخلايا جزء واحد من منظومة أكبر، وليست وصفاً كاملاً للبطارية.

ماذا يحقق التوصيل على التوالي؟

في التوصيل على التوالي، يوصل القطب الموجب لخلية بالقطب السالب للخلية التالية. وبذلك تتجمع جهود الخلايا، فيكون جهد سلسلة من الخلايا المتشابهة أعلى من جهد خلية واحدة. ويمكن استخدام عدد كبير من الخلايا المتصلة على التوالي للوصول إلى مستوى الجهد الذي يحتاج إليه نظام الدفع ومكونات السيارة ذات الجهد العالي.

النقطة الأساسية أن إضافة خلايا على التوالي ترفع جهد الحزمة أساساً؛ ولا ترفع سعة الأمبير ساعة مباشرةً في الظروف المتماثلة. يمر التيار نفسه في كل خلية ضمن السلسلة. لذلك قد تحد خلية ضعيفة أو مختلفة السلوك من الأداء القابل للاستخدام في السلسلة. وتبرز هنا أهمية مراقبة الخلايا وإدارة تفاوتات التصنيع بواسطة أنظمة التحكم.

ماذا يحقق التوصيل على التوازي؟

في التوصيل على التوازي، تتصل الأقطاب الموجبة بمسار مشترك، وتتصل الأقطاب السالبة بمسار آخر. ومن الناحية المثالية يبقي ذلك الجهد عند مستوى الخلية الواحدة، مع زيادة السعة الإجمالية والقدرة على توفير التيار. ويمكن لمجموعات متعددة على التوازي تخزين طاقة أكبر وتقديم تيار أكبر للنظام.

ينبغي أن تعمل الخلايا المتصلة على التوازي عند مستويات جهد متوافقة. وإذا اختلفت خصائصها أو ظروف توصيلها فقد لا يتوزع التيار بينها بالتساوي. لذا يراعي التصميم توافق الخلايا ومقاومة الوصلات والحرارة وطريقة التحكم، لا عدد الخلايا فقط. وهذا لا يعني إمكان إضافة خلايا إلى بطارية سيارة عشوائياً؛ فحزم الجهد العالي تحتاج إلى تصميم متخصص ووسائل حماية.

كيف يجتمع التوصيلان في حزمة واحدة؟

تجمع بطارية السيارة عادةً بين التوصيلين. تسهم مجموعات التوازي في السعة والقدرة على توفير التيار، بينما يؤدي وصل المجموعات على التوالي إلى رفع جهد الحزمة. ويمكن لهذا الترتيب أن يلائم احتياجات منظومة الدفع الكهربائية. وقد ينتج عن العدد الإجمالي نفسه من الخلايا جهد وسعة مختلفان إذا اختلف ترتيبها.

في حساب مبسط لخلايا متشابهة، تزداد سعة الأمبير ساعة لمجموعة التوازي مع عدد الخلايا في المجموعة، ويزداد جهد سلسلة التوالي مع عدد الخلايا فيها. ويعطي حاصل ضرب الجهد في سعة الأمبير ساعة قيمة تقريبية للطاقة. تساعد هذه العلاقة على فهم أن الفولت (V) والأمبير ساعة (Ah) والكيلوواط ساعة (kWh) مقاييس مختلفة لا يصح استخدامها بالتبادل.

الفرق بين الفولت والأمبير ساعة والكيلوواط ساعة

• الفولت (V): يعبّر عن الجهد الكهربائي، ويؤثر التوصيل على التوالي في هذه القيمة أساساً.
• الأمبير ساعة (Ah): مقياس لسعة الشحنة الكهربائية في ظروف محددة. ويمكن للتوازي بين خلايا متشابهة زيادة هذه السعة.
• الكيلوواط ساعة (kWh): مقياس للطاقة، وترتبط الطاقة بالجهد وسعة الأمبير ساعة معاً. وتُذكر طاقة بطاريات السيارات الكهربائية غالباً بهذه الوحدة.

لا تعني قيمة kWh الأعلى وحدها مدى قيادة أطول في جميع الظروف. فالوزن والسرعة ودرجة الحرارة وانحدار الطريق والإطارات وأسلوب القيادة تؤثر جميعها في استهلاك الطاقة. وقد تختلف الطاقة القابلة للاستخدام عن الطاقة الاسمية الكاملة للحزمة. لذا تعد سعة البطارية مدخلاً مهماً لتقدير المدى، لكنها لا تكفي وحدها لتحديده.

كيف يؤثر الترتيب في الشحن والقيادة؟

يساعد توصيل الخلايا على تحديد نطاق الجهد وسعة الطاقة المتاحين للنظام الكهربائي في السيارة. لكن لا يمكن استنتاج سرعة الشحن من عدد التوصيلات على التوالي والتوازي وحده. إذ تؤثر حدود السيارة والشاحن وحرارة البطارية ومستوى شحنها وقرارات نظام إدارة البطارية في اللحظة نفسها ومواصفات معدات الشحن في العملية. ولهذا قد تختلف مدة الشحن أو مسافة القيادة بين سيارتين لهما قيمة kWh متقاربة.

تحدث خسائر عند نقل الطاقة، ولا تتصرف الخلايا الواقعية بوصفها مكونات متطابقة تماماً. وتشكل إدارة الحرارة ومراقبة الاختلافات بين الخلايا وأنظمة الحماية جزءاً من تشغيل الحزمة على المدى الطويل. ومن المفيد للسائق الاعتماد على دليل السيارة ومواصفاتها المنشورة والمعلومات الظاهرة حالياً، بدلاً من محاولة استنتاج المدى أو زمن الشحن من رسم للتوصيلات.

ما الذي ينبغي مراجعته في المواصفات؟

• تحقق مما إذا كانت طاقة البطارية مذكورة بوحدة kWh، وما إذا كانت القيمة اسمية أم قابلة للاستخدام.
• ميّز بين وحدتي الجهد والسعة؛ فارتفاع الجهد وحده لا يعني زيادة الطاقة المخزنة.
• راجع طريقة القياس وظروفها عند قراءة مدى القيادة المعلن من الشركة المصنّعة، فقد يختلف الاستخدام الفعلي.
• تعامل مع قدرة الشحن والقدرة التي تقبلها البطارية في لحظة معينة والمدة التقديرية بوصفها مفاهيم منفصلة.
• لا تتجاوز في تفسير معلومات كيمياء البطارية أو ترتيب خلاياها ما توضحه الوثائق التقنية للشركة المصنّعة.

إذا كنت تستأجر سيارة كهربائية، فضع المدى المعلن في سياق مسارك وظروف الطريق وإمكان الوصول إلى الشحن. عند الحجز أو استلام السيارة، اسأل الفرع الذي ستستأجر منه عن سعة بطارية السيارة وكيفية فهم تقدير المدى وملاءمة موصل الشحن والنقاط الخاصة بالطراز أثناء الشحن. قد تختلف التفاصيل بحسب السيارة وتجهيزاتها.

سلامة البطارية في الاستخدام اليومي

لا تعمل بنفسك على خلايا البطارية أو وصلات الجهد العالي. إذا بدا غلاف البطارية متضرراً، أو لاحظت حرارة أو رائحة أو صوتاً غير معتاد أو ظهور تحذير، فاتبع تعليمات الشركة المصنّعة واطلب مساعدة مؤهلة بدلاً من مواصلة استخدام السيارة. فتح نظام البطارية أو قياسه أو إصلاحه عمل يخص فنيين مدربين لديهم المعدات المناسبة.

أثناء الشحن، اتبع التنبيهات الظاهرة على شاشة السيارة وإرشادات الدليل. ولا تستخدم كابلاً أو موصلاً تظهر عليه علامات تلف. تنطبق هذه الاحتياطات بصرف النظر عن معرفة حساب التوصيل؛ فبطارية السيارة الكهربائية تخزن طاقة كبيرة، ولذلك تأتي السلامة أولاً.

الخلاصة: ماذا يخبرك ترتيب التوصيل؟

يرفع التوصيل على التوالي الجهد، بينما يزيد التوصيل على التوازي السعة والقدرة على توفير التيار. ويمكن الجمع بينهما في السيارات الكهربائية للوصول إلى مستوى مناسب من الجهد والطاقة. وتصف وحدات الفولت والأمبير ساعة والكيلوواط ساعة كميات مختلفة، أما المدى وتجربة الشحن فيعتمدان على البطارية والسيارة والظروف ونظام الشحن معاً.

عند اختيار سيارة، انظر إلى الطاقة القابلة للاستخدام ومعلومات المدى وملاءمة الشحن ومسارك المخطط، لا إلى ترتيب الخلايا وحده. وإذا كانت السيارة مستأجرة، فتحقق من تفاصيل الاستخدام والشحن الخاصة بطرازها لدى الفرع الذي ستستلمها منه.