أظهرت دراسة جديدة: بطاريات السيارات الكهربائية تدوم لفترة أطول بكثير من المتوقع

في حين أن سيارات الديزل تعمل وتعمل، فإن بطاريات السيارات الكهربائية سرعان ما تتعطل وتحول السيارة الجديدة باهظة الثمن إلى خسارة مالية كاملة، ويمكن العثور على مثل هذه التصريحات على وسائل التواصل الاجتماعي مراراً وتكراراً. قامت شركة P3 الآن بتحليل بيانات أكثر من 7000 سيارة كهربائية، مما يوفر نظرة ثاقبة حول العمر الحقيقي للبطارية. وترسم البيانات الميدانية صورة مختلفة تماماً.

وأحياناً يتعلق الأمر بعمالة الأطفال في تعدين الكوبالت، وأحياناً يتعلق بالقلق من المدى أو انهيار شبكة الطاقة إذا تم شحن جميع السيارات الكهربائية في الوقت نفسه - فالإنترنت مليء بالتصريحات الكاذبة وأنصاف الحقائق حول السيارات الكهربائية وبطارياتها. وبمجرد أن يتم دحض موضوع ما بالحقائق أو يتم دحضه من خلال النطاقات الأطول وشبكات الشحن الأفضل، تنتشر الشائعة التالية. إحدى هذه الخرافات هي تقادم البطارية: سيكون من المستحيل تقريباً بيع السيارات الكهربائية المستعملة لأن البطارية تتقادم بسرعة، وتفقد المدى وفي أسوأ الحالات، يجب استبدالها - كما يُفترض.

مثل العديد من الخرافات، فإن الخرافة المتعلقة بتقادم البطارية لها نواة من الحقيقة - فالبطاريات تتقادم بطريقتين. لذا فإن أي شخص يريد معرفة المزيد عن السيارات الكهربائية سيصادف مثل هذه القصص عاجلاً أم آجلاً. هناك شيء واحد واضح، وهو أن البطارية هي أغلى مكوّن في السيارة الكهربائية، ولهذا السبب يبرز السؤال المشروع حول كيفية تأثير ذلك على القيمة المتبقية للسيارة أو عدد المرات التي تحتاج فيها بطاريات السيارات الكهربائية إلى الاستبدال بالفعل وما هي العواقب المالية المترتبة على ذلك.

أجرت شركة P3 للاستشارات الإدارية المتخصصة في مجال التنقل الكهربائي دراسة لتقديم إجابة مبنية على الحقائق والتصدي للأساطير المتعلقة بالبطاريات. في الخطوة الأولى، فحصت شركة P3 50 سيارة كهربائية من أسطولها الخاص ثم حللت لاحقاً بيانات القياس الحقيقية لـ 7000 سيارة كهربائية. تريد P3 استخدام النتائج لتزويد المستهلكين بمعلومات شاملة للقضاء على سوء الفهم حول التنقل الكهربائي وعمر البطارية. "يمكن أن يكون للمعلومات المضللة تأثير سلبي على الانتقال إلى التنقل الكهربائي من خلال تغذية المخاوف التي لا أساس لها من الصحة، وبالتالي الحد من القبول الاجتماعي وانتشار السيارات الكهربائية في السوق. ولذلك، فإن توفير بيانات موثوقة وشفافة أمر بالغ الأهمية لتقديم صورة واقعية عن عمر البطارية الفعلي وبالتالي تعزيز الثقة في السيارات الكهربائية."

الحالة الصحية كمؤشر رئيسي

قبل أن نصل إلى النتائج، دعونا نوضح بإيجاز بعض المصطلحات. "الحالة الصحية"، أو اختصاراً "SoH"، هي أمر أساسي في تقادم البطارية. لا يوجد تعريف موحد هنا؛ في هذا المنشور، يشير P3 إلى سعة البطارية فقط. تُعرّف السعة SoH على أنها نسبة السعة الحالية المقاسة إلى السعة في الحالة الجديدة - بالمعنى الدقيق للكلمة، السعة الصافية في كل حالة، أي محتوى الطاقة الذي يمكن للعميل الاستفادة منه. أما السعة الإجمالية، أي محتوى الطاقة المثبت في السيارة، فهي أعلى ولكنها غير ذات صلة هنا. في النهاية، لا يُعتد إلا بالطاقة المتاحة للعميل في السيارة الكهربائية. وبعبارة أخرى، تتوافق السعة الصافية عندما تكون البطارية جديدة مع سعة حرارية تبلغ 100 في المائة. وإذا انخفضت السعة الحالية في وقت لاحق، تنخفض السعة الحالية أيضاً إلى أقل من 100 في المائة. غالباً ما تحدد شروط ضمان الشركة المصنعة نسبة 70 أو 80 في المائة بعد قطع مسافة معينة أو فترة استخدام معينة.

وللاكتمال، غالباً ما يتم الحديث عن الشيخوخة "التقويمية" و"الدورية". أثناء الشيخوخة التقويمية للبطارية، تتغير البنى الكيميائية في خلايا البطارية، حتى بدون استخدام نشط. يسبب الشيخوخة الدورية إجهاداً إضافياً بسبب شحن البطارية وتفريغها. لا يمكن تجنب كلا العاملين كلياً (المزيد عن هذا لاحقاً) ولا يمكن فصلهما عن بعضهما البعض بوضوح. لهذا السبب، لا يتضمن تعريف السعة الحرارية SoH قيمًا مثل تاريخ الشحن والتفريغ، ولكن فقط السعة - وهو أمر مهم للسيارات الكهربائية من وجهة نظر العميل.

تحليل بيانات أكثر من 7,000 سيارة تم تحليلها

الجديد في هذه الدراسة هو أنها تستند إلى بيانات حقيقية من المركبات على الطريق. في نموذج SoH، قامت شركة P3 سابقاً في نموذجها الخاص بـ SoH، بوضع تنبؤات حول عمر الخدمة استناداً إلى البيانات الأكاديمية والقياسات المختبرية - عادةً على مستوى الخلية. لا تضيف البيانات المستقاة من السيارات الكهربائية عوامل خارجية مثل التأثيرات البيئية وسلوك القيادة والشحن فحسب، بل تضيف أيضاً برمجة نظام إدارة البطارية واستراتيجيات التقادم التي تنفذها الشركات المصنعة للسيارات من حيث كيفية إجهاد و/أو حماية بطارياتها.

اتبعت P3 طريقتين للحصول على بيانات السيارة المهمة للغاية: أولاً، تم قياس 50 سيارة من أسطول الشركة الخاص بها، وتم فحص البطارية لمعرفة مدى تقادمها السابق، وتم ربط درجة حرارة البطارية مع سلوك الاستخدام والشحن. تقول شركة P3: "تم اختيار السيارات للحصول على أكبر عدد ممكن من المعلومات حول القيادة والشحن وتحديد الاختلافات بين الشركات المصنعة".

ولتعزيز هذه التحليلات الفردية النوعية بمزيد من البيانات الكمية، شملت الخطوة الثانية شركة Aviloo النمساوية الناشئة لتشخيص البطاريات. ووفقاً لهذه الشركة الأخيرة، فقد أجرت بالفعل أكثر من 60,000 اختبار للقدرة. استطراد موجز: تقدم شركة Aviloo تحليلين مختلفين، "اختبار الفلاش" و"الاختبار المتميز". في كلتا الحالتين، يتم توصيل ما يسمى بـ "صندوق أفيلو"، وهو دونجل OBD، بمنفذ OBD في السيارة. بالنسبة إلى "الاختبار المتميز"، يتم شحن البطارية بنسبة 100% وتشغيلها بنسبة 10% مع توصيل الدونجل. وبهذه الطريقة، يتم قياس عدد لا يحصى من البيانات المتعلقة بالبطارية وتحليلها على خوادم Aviloo. لا يتم إجراء "اختبار الفلاش" إلا عندما تكون السيارة متوقفة، ويحلل القيم المقاسة المتاحة بناءً على قاعدة البيانات التي تم إعدادها لنوع البطارية المعني عبر "الاختبار المتميز".

واستخدمت P3 في تحليلها سجلات بيانات أكثر من 7000 سيارة، تم تحليلها جميعاً باستخدام "الاختبار المتميز" - وهذا الإجراء أكثر تعقيداً ولكنه أكثر دقة أيضاً. تضمنت مجموعة البيانات هذه أيضاً سيارات قطعت مسافة تزيد عن 300,000 كيلومتر. وجاء في التقرير: "سمح ذلك بتقييم عمر البطارية بمزيد من التفصيل وبشكل كمي أكبر فيما يتعلق بعدد الكيلومترات". "وهذا يكمل على وجه التحديد تحليل أسطول P3 ويوفر قاعدة بيانات أوسع نطاقاً لإجراء تقييم قائم على أسس جيدة."

الصورة: مجموعة P3

ويؤدي التقييم إلى نتيجة واضحة: في أول 30,000 كيلومتر أو نحو ذلك، يتسارع فقدان القدرة على السير في أول 30,000 كيلومتر، ما يعني أن الحالة الصحية تنخفض بسرعة نسبياً من 100 إلى حوالي 95 في المائة. والخبر السار هو أن التدهور الحقيقي يتناقص مع زيادة عدد الكيلومترات المقطوعة. تُظهر بيانات Aviloo من 7,000 سيارة أن الحالة الصحية (في المتوسط) تبلغ حوالي 90 في المائة عند 100,000 كيلومتر. وبعد ذلك، يكون خط الاتجاه أفقيًا تقريبًا؛ فبين 200,000 و300,000 كيلومتر، يكون مستقرًا تقريبًا - وهو أعلى بكثير من نسبة 70 إلى 80 في المائة من ضمان البطارية. في الواقع، إنها أقرب إلى 87 في المائة.

هناك تفسير بسيط لفقدان SoH السريع في المرحلة الأولية: تتشكل ما يسمى بطبقة SEI (الطور البيني للإلكتروليت الصلب) على الأنود (أي الطرف السالب) في خلية البطارية أثناء دورات الشحن والتفريغ الأولى. وهي عبارة عن رواسب من نواتج التفاعل من الإلكتروليت التي تتشكل دائماً. واعتماداً على السيارة وكيمياء البطارية، يمكن أن يحدث ذلك بطرق مختلفة جداً، وهذا هو سبب وجود تباين كبير في البيانات. ومع ذلك، يوفر خط الاتجاه من أكثر من 7000 مجموعة بيانات مركبة تقديراً جيداً.

وتتطابق البيانات من سيارات P3 البالغ عددها 50 سيارة مع نتائج تحليل Aviloo. وقد تم استخدام بعض هذه السيارات أيضاً في اختبارات أخرى، لذلك قد يكون وضع القيادة والشحن لهذه السيارات أكثر تطرفاً من وضع سيارات الشركة التي تُستخدم في المقام الأول للتنقل. ومع ذلك، فقد أثبتت بطارياتها أنها تدوم طويلاً: "تتمتع جميع سيارات P3 التي تم اختبارها تقريباً بقدرة شحن تزيد عن 90%. ويشير ذلك إلى أن البطاريات في أسطول سيارات P3 تستمر في الأداء الجيد للغاية على الرغم من اختلاف المصنعين واختلاف أنماط الاستخدام والاستخدام المكثف."

نتيجة أخرى مثيرة للاهتمام من أكثر من 7000 مجموعة بيانات: تشير البيانات الميدانية إلى أنه يتم الحفاظ على سعة البطارية الفعلية لفترة أطول مما هو مفترض في ظل ظروف الحياة الواقعية، خاصة مع الأميال العالية التي غالباً ما يتم الاستشهاد بها والتي تصل إلى 200,000 كيلومتر وأكثر. واستناداً إلى الاختبارات المعملية للخلايا، أعطى نموذج SoH الذي نشرته P3 في عام 2023 توقعات أكثر تشاؤماً لصحة البطارية. حتى مسافة 50,000 كيلومتر تقريباً، يتطابق النموذج المخبري والبيانات الميدانية تقريباً، أي حتى مسافة تزيد عن 100,000 كيلومتر. ومع ذلك، تتباعد خطوط الاتجاه بشكل كبير. وتخلص P3 إلى أن ملفات المستخدم الفعلية والتحكم في الخلايا من قبل نظام إدارة البطارية في الميدان يقلل بشكل كبير من التقادم.

ولكن كيف يمكن تفسير التباين الملحوظ؟ ففي نهاية المطاف، لا تزال بعض السيارات تتمتع بنسبة عالية جداً من السخونة الحرارية بعد قطع أكثر من 50,000 كيلومتر، بينما لا تزال بعض السيارات عند نسبة 98 في المائة بعد قطع حوالي 200,000 كيلومتر، بينما تنخفض نسبة السخونة الحرارية في سيارات أخرى بسرعة إلى أقل من 90 في المائة. في الواقع، يؤثر سلوك الشحن والاستخدام لدى السائقين والمركبات نفسها على هذا الأمر، وكذلك الشركات المصنعة. فمن ناحية، يلعب المخزون الاحتياطي المقصود (أي الفرق بين السعة الإجمالية والصافية) دوراً مهماً من حيث حجم المخزون الاحتياطي واستخدامه. وذلك لأنه يمكن استخدامه، على سبيل المثال، لتقليل التقادم الملحوظ خلال فترة الضمان - عن طريق إطلاق المزيد من السعة الصافية مع مرور الوقت. من ناحية أخرى، يمكن تعديل سلوك الشحن عبر تحديث البرنامج. فمن ناحية، يمكن أن يكون ذلك عبارة عن طاقة شحن أعلى لأوقات شحن أقصر، مما يؤدي إلى مزيد من الضغط على الخلية. ومن ناحية أخرى، من الممكن أيضًا أن يؤدي التحديث إلى تحسين التحكم في الخلايا، على سبيل المثال، من خلال تحسين التكييف المسبق لتقليل الضغط أثناء الشحن السريع في ظروف دون المستوى الأمثل.

تتدهور قاعدة البيانات مع ارتفاع الأميال المقطوعة

ينبغي عدم إغفال نقطتي انتقاد لمجموعات البيانات: تشير P3 نفسها إلى أن قاعدة البيانات الخاصة بالمركبات التي قطعت أكثر من 200,000 كيلومتر أصغر بكثير من المركبات التي قطعت مسافات أقل. "السبب في ذلك هو أنه لا يوجد سوى عدد قليل من المركبات ذات المسافات الطويلة. وهذا يحد إلى حد ما من صحة البيانات بالنسبة للقراءات ذات الكيلومترات العالية ويؤدي أيضًا إلى تشتت أكبر للبيانات". يجب أيضاً أخذ "تحيز البقاء على قيد الحياة" في الاعتبار. ففي النهاية، لم يتم قياس سوى المركبات التي قطعت مسافات طويلة ولا تزال صالحة للسير على الطرقات عند قطع 200,000 أو 300,000 كيلومتر. ولم يتم تضمين المركبات التي لم تعد قيد الاستخدام بسبب تعطل البطارية. قد يجعل ذلك موثوقية المركبات تبدو إيجابية للغاية. ولكن المشكلة الكبيرة هي أنه حتى إذا تعطلت سيارة كهربائية قبل الأوان، وفقاً لإحصائيات الأعطال الصادرة عن ADAC لعام 2023، فإن هذا لا يحدث إلا في بعض الأحيان بسبب بطارية الجر. كتب P3: "لا يزال من الممكن أن تحدث حالات فردية، مثل الأعطال الناجمة عن سلوك استخدام خاص أو أخطاء في الإنتاج، وغالباً ما تحدث خلال فترة الضمان، وبالتالي نادراً ما تشكل خطراً مالياً على المستهلكين".

إذاً، ما الذي يمكن للمستهلكين القيام به لتحسين صحة البطارية وإبطاء عملية التقادم؟ بشكل تقريبي، من خلال القيادة الحذرة وسلوك الشحن. يجب التمييز بين التقويم والتقادم الدوري للحصول على إجابة أكثر تفصيلاً. هام: هذه عبارات عامة. في الحالات الفردية، من الممكن أن يختلف السلوك باختلاف السيارة والبطارية. ومع ذلك، لن تؤدي توصيات P3 التالية إلى تلف البطارية.

في حالة تقادم التقويم بمرور الوقت، فإن العوامل الرئيسية هي درجة الحرارة وحالة الشحن. في حالة عدم الاستخدام، تفضل البطاريات درجات الحرارة المنخفضة إلى المتوسطة التي تقل عن 25 درجة، وفقًا لـ P3. أما درجة الحرارة المرتفعة جداً (أكثر من 60 درجة مئوية) فهي "قوة دافعة للتفاعلات الكيميائية، مما يؤدي إلى تسارع تدهور السعة". ومع ذلك، فإن إدارة السيارة أو البطارية يمكن أن تساعد هنا أيضاً، كما يظهر من خلال بحثنا التقني المتعمق في منصة PPE الخاصة بمجموعة فولكس فاجن. من المهم أيضاً مستوى الشحن الذي تتوقف عنده السيارة الكهربائية على مدى فترة زمنية أطول. فمستوى الشحن الأعلى يعني جهداً أعلى في الخلية، مما يسرّع من تقادمها على مدى فترة زمنية أطول. توصي شركة P3 بإيقاف السيارة بمستوى شحن منخفض إلى متوسط (من 10 إلى 50 في المائة) لفترات إيقاف طويلة جداً.

سلوك القيادة والشحن اللطيف يساعد البطارية في القيادة والشحن برفق

تلعب درجة الحرارة أيضًا دورًا في التقادم الدوري، أي الاستخدام، ولكن في مجال مختلف. إذا تم استخدام البطارية، يجب ألا تكون ساخنة جداً ولا باردة جداً. ينطبق ذلك على الشحن (السريع) والقيادة. لا تؤدي التيارات العالية (الشحن السريع، التسارع الشديد، القيادة بسرعة عالية) بشكل عام إلى تآكل البطارية (SoH)، ولكن بشكل خاص في درجات الحرارة القصوى. وبعبارة أخرى، فإن سلوك القيادة المعتدل مع سرعات ثابتة ومنخفضة وشحن سريع غير متكرر في درجات حرارة متوسطة سيكون مثالياً - ومع عمق تفريغ منخفض، أي إذا ظل مستوى الشحن بين 20 و80 في المائة. ليست نهاية العالم إذا انحرفت عن ذلك في حالات فردية (لأن الشحن السريع مطلوب أيضاً على طول الطريق السريع في الشتاء). ومع ذلك، يمكن أن يؤدي سلوك القيادة والشحن اللطيف في الغالب إلى إبطاء تقادم البطارية.

يُظهر الاستطلاع أيضاً أن تقادم البطارية الحقيقي نادراً ما يخرق شروط ضمان البطارية. يبلغ الضمان القياسي لأنظمة بطاريات السيارات الكهربائية حالياً أكثر من ثماني سنوات أو 160,000 كيلومتر، مع وجود أوائل الشركات المصنعة التي تصل إلى 250,000 كيلومتر وعشر سنوات. حتى أن لكزس تقدم ضماناً ممتداً حتى مليون كيلومتر أو عشر سنوات على سيارة UX300e (التي لا تُستخدم على نطاق واسع). وبالتالي فإن البطارية تدوم عموماً لفترة أطول بكثير من الضمان أو الأجزاء الأخرى من السيارة.

الصورة: مجموعة P3

مع العمر التشغيلي الطويل، فإن الاستخدام الثاني للبطارية بعد "العمر الافتراضي الأول" في السيارة ممكن بالطبع، على سبيل المثال، كتخزين طاقة ثابتة - "العمر الثاني". فقط بعد هذا الاستخدام الثاني، أي بعد حوالي 20 عاماً أو أكثر، يتم إعادة تدوير البطارية. هذا هو النموذج على الأقل.

للإجابة على السؤال المطروح في البداية حول القيمة المتبقية، فإنها تعتمد بشكل كبير على مرحلة الاستخدام الحالية. خلال فترة ضمان الشركة المصنّعة، تكون بطبيعة الحال أعلى مما هي عليه بعد انتهاء الضمان، حتى لو كانت البطارية في السيارة لا تزال تعمل. تنخفض القيمة المتبقية حيث لم يعد يتم استبدالها أو إصلاحها بموجب الضمان. كتب P3: "خلال فترة الضمان، تعتمد الخسارة في القيمة بشكل كبير على التقادم والسعة المتبقية". "بعد انتهاء فترة الضمان، من المتوقع حدوث خسارة أكبر في القيمة. في نهاية العمر الافتراضي الأول، واعتمادًا على تكلفة البطاريات الجديدة، قد تظل للبطارية قيمة متبقية كبيرة من خلال الاستخدام الثاني."