يتم وضع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات في ظروف السوق المتزايدة الطلب ، مما يوفر مجموعة واسعة من التطبيقات.سيكون من الجدير بالمناقشة كيفية بناء نظام إدارة البطارية (BMS) يضمن حياة طويلة، التنوع والتوافر.
تحتاج كل بطارية حديثة إلى نظام إدارة البطارية (BMS) ، وهو مزيج من الإلكترونيات والبرمجيات، ويعمل كدماغ البطارية.تركز هذه المقالة على تقنية BMS لأنظمة تخزين الطاقة الثابتةأساسية وظائف BMS هي التأكد من أن خلايا البطارية تبقى متوازنة وآمنة، والمعلومات الهامة، مثل الطاقة المتاحة،يتم نقلها إلى المستخدم أو الأنظمة المتصلة.
هناك حاجة إلى التوازن لأن أنظمة البطاريات تتكون من مئات، وأحيانا آلاف الخلايا الفردية، والتي كل منها لديها قدرات ومقاومة مختلفة قليلا.هذه الاختلافات تزداد مع مرور الوقت حيث تتحلل الخلايا بمعدلات مختلفةإذا لم يتم توازن الخلايا على الأقل في بعض الأحيان، فإن الجهد الخاص بها سوف يتحرك بسرعة بعيدا إلى درجة أن سعة البطارية تصبح غير صالحة للاستخدام.
يتم ضمان السلامة من خلال الحفاظ على الخلايا ضمن حدود التشغيل الآمنة من الجهد والتيار ودرجة الحرارة، وهو أمر مهم بشكل خاص للبطاريات الليثيوم أيون.مشحون عند درجات حرارة منخفضة جداً، أو تعرضها لتيارات أو درجات حرارة مفرطة ، يمكن أن تتطور أخطاء قد تؤدي إلى حرائق أو انفجارات.
المعلومات مثل الطاقة المتاحة والطاقة لا يمكن قياسها مباشرة، مما يعني أن نظام BMS يجب أن يحسب تستند إلى قياسات الجهد والتيار ودرجة الحرارة. هذه الحسابات تسمى تقدير الحالة ويتم نقل النتائج إلى أنظمة المستوى الأعلى، بما في ذلك واجهات المستخدم.
قبل أن ننظر إلى اعتبارات تصميم BMS بتفصيل أكبر، فمن الجدير وصف الأنواع المختلفة من BMS ومتطلبات الصناعة التي تؤثر على خيارات التصميم.يستخدم أسلوب التوازن عادة لتصنيف أنواع BMS، على الرغم من أن جوانب التصميم الأخرى تلعب أدوار مهمة، مثل النهج المختلفة لتقدير الحالة وتدفقات المعلومات.
الخلايا، أو الخلايا الكهروكيميائية، مثل خلايا ليثيوم أيون هي أصغر وحدة تخزين للطاقة داخل حزمة.الجهد الأدنى لخلية ليثيوم أيون يمكن أن تكون منخفضة إلى 2.5 فولت (لخلايا LFP) ويمكن أن يصل الجهد الأقصى إلى 4.3 فولت للكيمياء NMC.
يتم توصيل الخلايا بالتوازي لزيادة الحد الأقصى للتيار الذي يمكن استخدامه من الحزمة. وتسمى مجموعة من الخلايا المتوازية المرتبطة بخلايا فائقة.
بشكل عام، الخلايا داخل الخلية الفائقة سوف توازن نفسها وليس هناك حاجة لإدارتها أكثر.الاستثناءات يمكن أن تشمل الكيماويات الجديدة مثل كبريتات الليثيوم والكيماويات مع حالة شحن مسطحة مقابل منحنيات الجهد التي تعمل في ظروف C-rate القاسية مثل فوسفات الحديد الليثيوم.
يتم توصيل الخلايا الخارقة بالسلسلة لتشكيل سلسلة. عادة ما تتكون مجموعة البطارية من سلسلة واحدة. ربط الخلايا الخارقة بالسلسلة يزيد من فولتاجيّة الحزمة،والتي هي ضرورية في تطبيقات الطاقة العالية لمنع التيارات التشغيلية العالية للغاية.
عند إضافة الخلايا إلى تكوين حزمة البطارية، تزداد سعة الطاقة. لذلك، فإن إضافة الخلايا المتوازية إلى خلية فائقة يزيد من سعة الطاقة في حزمة البطارية،كما يفعل توصيل خلية فائقة إضافية في سلسلة.
نهج التوازن
الموازنة السلبية تقوم بمزامنة فولتات الخلية في نهاية عملية الشحن عن طريق تبديد الطاقة ، والتي كانت ستذهب إلى الخلايا المشحونة بالكامل ، كحرارة عبر المقاومات.ميزة هذا النهج هي انخفاض تكلفة المكونات الإلكترونية.
وتشمل العيوب أن جميع الخلايا تتعرض لنفس التيار ، مما يعني أن أضعف الخلايا المتصلة بالسلسلة تحد من الطاقة والطاقة ومدة الحياة والسلامة للبطارية بأكملها.يتم تسريع تدهور الخلايا لأن التيار على الخلايا الضعيفة أعلى نسبة إلى قدرتها، والتي يمكن أن تسبب أيضًا نقاط ساخنة محلية قد تؤدي إلى تراجع طاقة البطارية أو حتى مشاكل السلامة. علاوة على ذلك ، يتم إهدار الطاقة أثناء عملية الشحن.نظام BMS السلبي يمكن فقط مراقبة تيار حزمة وقطعها عن طريق مفتاح فصل في حالة وجود خطأ.
إذا تم تنفيذ تدفق المعلومات ثنائي الاتجاه ، فيمكن تغيير معايير مستوى النظام مثل إعدادات التشغيل لتحديد أولوية عمر البطارية أو الأداء.يتم إعطاء الأولوية لحياة الطاقة من خلال تقليل نافذة التشغيل على حساب الطاقة المتاحة أو الطاقة، بينما يتم إعطاء الأولوية للأداء من خلال توسيع نافذة التشغيل، على حساب عمر البطارية.
عادة ما يتم تنفيذ التوازن النشط عن طريق دوائر التجاوز منخفضة التيار ، والتي توجه تيار شحن منخفض إلى الخلايا التي لم يتم شحنها بعد ، بدلاً من إبعاد الطاقة على أنها حرارة.الفائدة الرئيسية لهذا النهج هي تحسين كفاءة الشحن، والتي قد تكون مهمة إذا كانت طاقة الشحن المتاحة يجب أن تستخدم بكفاءة أكبر.الموازنة النشطة لا تبرر تكلفة المكونات المضافة للمنافع التي تحققهاكما هو الحال مع التوازن السلبي، يتم تسريع تدهور الخلايا من خلال التيارات النسبية العالية على الخلايا الضعيفة ويمكن أن تتشكل النقاط الساخنة.
تقديرات الدولة
يستند تقدير حالة الشحن (SoC) وحالة الصحة (SoH) إلى مزيج من نماذج البطارية وخوارزميات التقدير.مستوى التعقيد والدقة التي من الممكن لتقدير الحالة ونماذج البطارية الأساسية يعتمد بشدة على الأجهزة، والتي نستخدمها هنا لتمييز النهج المختلفة
تُستخدم الدوائر المتكاملة (IC) في معظم BMSات الحالة التقليدية لتقدير الحالة ، والتي غالباً ما يشار إليها باسم "مقياس الوقود".ويتم تشغيل وحدات التداول المتعددة مع نماذج بطارية خاصة بالكيمياء وخوارزميات تقدير الحالةميزة ICs هي أنها منخفضة التكلفة. تشمل العيوب مرونة وتحديد تصميم النظام المحدود. يميل هذا الأخير إلى التدهور بمرور الوقت.مرونة التصميم محدودة لأن ICs عادة ما يتم إنشاؤها للكيمياء البطارية معينة مع مواصفات معينة.
إذا تغيرت كيمياء البطارية أو المواصفات ، فيتعين أيضًا تغيير IC وتكييف التصميم. The reasons for the limited and deteriorating accuracy are (i) state estimation on ICs is based on generalised representations of the battery chemistry and doesn’t capture the nuanced thermodynamic and dynamic properties of cells، والتي يمكن أن تختلف بين الشركات المصنعة، والتنسيقات واللوازم،حتى لنفس الكيمياء (ii) قوة الحوسبة المحدودة على وحدات التحكم تقيد تعقيد ودقة خوارزميات تقدير الحالة ونماذج البطارية الأساسية، و (الثالث) تتغير خصائص الخلية بمرور الوقت ، والتي لا يمكن التقاطها بواسطة خوارزميات IC المتصلة بالأسلاك الصلبة ، مما يؤدي إلى زيادة عدم الدقة بمرور الوقت.
يمكن برمجة المعالجات الدقيقة مع نماذج بطارية أكثر تعقيداً وأكثر دقة وخوارزميات تقدير الحالةوالتي يمكن ضبطها بدقة لتأخذ في الاعتبار خصائص ومواصفات الخلايا الخاصةيمكن استيعاب الخصائص المتغيرة للخلية عن طريق تحديث معايير خوارزميات تقدير الحالة ونماذج البطارية ، مما يحافظ على نتائج أكثر دقة مع مرور الوقت.نفس الأجهزة يمكن استخدامها لأي نوع من الكيمياء البطارية أو الشركة المصنعة، مما يسمح بالمرونة النهائية للتصميم. يمكن أن تكون العيب أعلى تكلفة المكونات ، اعتمادا على الوظائف المطلوبة وقوة الحوسبة.
تدفق المعلومات
تدفق المعلومات أحادي الاتجاه شائع في معظم أنظمة البطارية: تدفقات المعلومات من BMS إلى أنظمة المستوى الأعلى وواجهات المستخدم.المعلومات منخفضة المستوى تكون متاحة، لأن هذه المعلومات يمكن اعتبارها حساسة. المعلومات الأكثر أهمية هي المعلومات المتعلقة بالسلامة والأداء وتشمل مقاييس مثل SoC و SoH.
تدفق المعلومات ثنائي الاتجاه ممكن إذا كان نظام BMS قادرًا على معالجة المدخلات ، مثل التغييرات في إعدادات التشغيل (على سبيل المثال ، أقصى وأدنى فولتاج الخلية المسموح به أو SoC) ،أو حتى تحديثات لنماذج البطارية أو خوارزميات تقدير الحالة للحفاظ على دقة، إذا تم استخدام الحواسيب الصغيرة.
