May 31, 2022
يتم وضع أنظمة تخزين طاقة البطارية في ظروف السوق المتزايدة الطلب ، مما يوفر مجموعة واسعة من التطبيقات. سيكون سؤالًا يستحق المناقشة حول كيفية بناء نظام إدارة البطارية (BMS) الذي يضمن عمرًا طويلًا وتعدد الاستخدامات والتوافر.
تحتاج كل بطارية حديثة إلى نظام إدارة البطارية (BMS) ، وهو مزيج من الإلكترونيات والبرامج ، ويعمل كعقل للبطارية ، وتركز هذه المقالة على تقنية BMS لأنظمة تخزين الطاقة الثابتة.تتمثل الوظائف الأساسية لنظام إدارة المباني في التأكد من أن خلايا البطارية تظل متوازنة وآمنة ، وأن المعلومات المهمة ، مثل الطاقة المتاحة ، يتم تمريرها إلى المستخدم أو الأنظمة المتصلة.
التوازن ضروري لأن أنظمة البطاريات تتكون من مئات ، وأحيانًا آلاف الخلايا الفردية ، والتي تتمتع جميعها بقدرات ومقاومات مختلفة قليلاً.تزداد هذه الاختلافات بمرور الوقت حيث تتحلل الخلايا بمعدلات مختلفة.إذا لم تكن الخلايا متوازنة على الأقل من حين لآخر ، فسوف تنجرف الفولتية الخاصة بها قريبًا إلى حد أن سعة البطارية تصبح غير قابلة للاستخدام.
يتم ضمان السلامة من خلال الحفاظ على الخلايا ضمن حدود التشغيل الآمن للجهد والتيار ودرجة الحرارة ، وهو أمر مهم بشكل خاص لبطاريات الليثيوم أيون.إذا تم شحن الخلايا بشكل زائد أو شحنتها في درجات حرارة منخفضة جدًا أو تعرضت لتيارات أو درجات حرارة مفرطة ، فقد تتسبب في حدوث أخطاء قد تؤدي إلى حرائق أو انفجارات.
لا يمكن قياس المعلومات مثل الطاقة المتاحة والقوة بشكل مباشر ، مما يعني أن نظام إدارة المباني يجب أن يحسب يعتمد على قياسات الجهد والتيار ودرجة الحرارة.تسمى هذه الحسابات بتقدير الحالة ويتم تمرير النتائج إلى أنظمة ذات مستوى أعلى ، بما في ذلك واجهات المستخدم.
قبل أن ننظر إلى اعتبارات تصميم BMS بمزيد من التفصيل ، يجدر وصف الأنواع المختلفة من أنظمة إدارة المباني ومتطلبات الصناعة التي تحدد خيارات التصميم.يتم استخدام نهج التوازن عادةً لتصنيف أنواع أنظمة إدارة المباني ، على الرغم من أن جوانب التصميم الأخرى تلعب أدوارًا مهمة ، مثل الأساليب المختلفة لتقدير الحالة وتدفق المعلومات.
الخلايا ، أو الخلايا الكهروكيميائية ، مثل خلايا الليثيوم أيون هي أصغر وحدة لتخزين الطاقة داخل العبوة.تأتي بأحجام مادية مختلفة تتعلق مباشرة بسعتها.يمكن أن يكون الحد الأدنى من الجهد لخلية ليثيوم أيون منخفضًا يصل إلى 2.5 فولت (لخلايا LFP) ويمكن أن يصل الجهد الأقصى إلى 4.3 فولت للكيمياء NMC.
تتصل الخلايا بالتوازي لزيادة الحد الأقصى للتيار الذي يمكن استخلاصه من العبوة.تسمى مجموعة من الخلايا المتصلة المتوازية بالخلية الفائقة.
بشكل عام ، الخلايا داخل الخلية الفائقة سوف تتوازن ذاتيًا وليس هناك حاجة لإدارتها بشكل أكبر.يمكن أن تشمل الاستثناءات مواد كيميائية جديدة مثل كبريت الليثيوم والكيمياء ذات حالة الشحن المسطحة مقابل منحنيات الجهد التي تعمل في ظروف معدل C القصوى مثل فوسفات حديد الليثيوم.
ترتبط الخلايا الفائقة في سلسلة لتشكيل سلسلة.تتكون حزمة البطارية عادة من سلسلة واحدة.يؤدي توصيل الخلايا الفائقة بالتسلسل إلى زيادة جهد الحزمة ، وهو أمر ضروري في تطبيقات الطاقة العالية لمنع تيارات التشغيل العالية للغاية.
عند إضافة خلايا إلى تكوين حزمة بطارية ، تزداد سعة الطاقة.لذلك ، فإن إضافة خلايا متوازية إلى خلية فائقة يزيد من سعة طاقة الحزمة ، كما هو الحال مع توصيل خلية فائقة إضافية على التوالي.
نهج التوازن
يزامن التوازن السلبي جهود الخلية في نهاية عملية الشحن عن طريق تبديد الطاقة ، التي كانت ستنتقل إلى خلايا مشحونة بالكامل ، كحرارة عبر المقاومات.ميزة هذا النهج هي التكلفة المنخفضة لمكونات الإلكترونيات.
تشمل العيوب تعرض جميع الخلايا لنفس التيار ، مما يعني أن أضعف الخلايا المتصلة بالسلسلة تحد من طاقة البطارية وقوتها وعمرها وأمانها.يتم تسريع تدهور الخلية نظرًا لأن التيار الموجود على الخلايا الأضعف أعلى بالنسبة لقدرتها ، مما قد يؤدي أيضًا إلى حدوث نقاط ساخنة موضعية قد تؤدي إلى تقليل طاقة البطارية أو حتى مشكلات تتعلق بالسلامة.علاوة على ذلك ، تُهدر الطاقة أثناء عملية الشحن.يمكن لنظام BMS السلبي فقط مراقبة تيار الحزمة ومقاطعته عبر مفتاح فصل في حالة حدوث خطأ.
إذا تم تنفيذ تدفق المعلومات ثنائي الاتجاه ، فقد يتم تغيير معلمات مستوى النظام مثل إعدادات التشغيل لإعطاء الأولوية لعمر البطارية أو الأداء.يتم إعطاء الأولوية لمدى الحياة من خلال تقليل نافذة التشغيل على حساب الطاقة أو الطاقة المتاحة ، بينما يتم إعطاء الأولوية للأداء من خلال توسيع نافذة التشغيل ، على حساب عمر البطارية.
يتم تنفيذ التوازن النشط عادةً عبر دوائر تجاوز التيار المنخفض ، والتي توجه تيارات الشحن المنخفضة إلى الخلايا التي لم يتم شحنها بعد ، بدلاً من تبديد الطاقة كحرارة.تتمثل الفائدة الرئيسية لهذا النهج في تحسين كفاءة الشحن ، والتي قد تكون مهمة إذا كان يجب استخدام طاقة الشحن المتاحة بأكبر قدر ممكن من الكفاءة.ومع ذلك ، بالنسبة لمعظم التطبيقات ، لا تبرر الموازنة النشطة تكلفة المكونات المضافة للفوائد التي تنتج عنها.كما هو الحال مع التوازن السلبي ، يتم تسريع تدهور الخلايا عن طريق التيارات النسبية الأعلى على الخلايا الأضعف وقد تتشكل النقاط الساخنة.
تقدير الدولة
يعتمد تقدير حالة الشحن (SoC) والحالة الصحية (SoH) على مجموعة من نماذج البطارية وخوارزميات التقدير.يعتمد مستوى التعقيد والدقة الممكن لتقدير الحالة ونماذج البطاريات الأساسية بشدة على الأجهزة ، التي نستخدمها هنا للتمييز بين الأساليب المختلفة.
تُستخدم الدوائر المتكاملة (IC) في معظم أنظمة إدارة المباني التقليدية لتقدير الحالة ، والتي يشار إليها غالبًا باسم "مقياس الوقود".الدوائر المتكاملة "موصولة" بنماذج بطاريات خاصة بالكيمياء وخوارزميات تقدير الحالة.ميزة المرحلية هي أنها منخفضة التكلفة.تشمل العيوب محدودية مرونة تصميم النظام ودقته.يميل الأخير إلى التفاقم بمرور الوقت.مرونة التصميم محدودة لأن الدوائر المتكاملة يتم إنشاؤها عادةً لبطارية كيميائية معينة بمواصفات معينة.
إذا تغيرت كيمياء البطارية أو المواصفات ، فيجب أيضًا تغيير IC وتكييف التصميم.أسباب الدقة المحدودة والمتدهورة هي (1) يعتمد تقدير الحالة على الدوائر المتكاملة على التمثيلات المعممة لكيمياء البطارية ولا يلتقط الخصائص الديناميكية الحرارية والديناميكية الدقيقة للخلايا ، والتي يمكن أن تختلف بين الشركات المصنعة والتنسيقات والدُفعات ، حتى لنفس الكيمياء (2) قوة الحوسبة المحدودة على الدوائر المتكاملة تقيد تعقيد وإخلاص خوارزميات تقدير الحالة ونماذج البطارية الأساسية ، و (3) تتغير خصائص الخلية بمرور الوقت ، والتي لا يمكن التقاطها بواسطة خوارزميات IC الصلبة ، مما يؤدي إلى زيادة عدم الدقة الوقت.
يمكن برمجة المعالجات الدقيقة بنماذج بطارية أكثر تعقيدًا وعالية الدقة وخوارزميات تقدير الحالة ، والتي يمكن ضبطها لمراعاة خصائص ومواصفات خلية معينة.يمكن استيعاب خصائص الخلية المتغيرة عن طريق تحديث معلمات خوارزميات تقدير الحالة ونماذج البطارية ، مما يجعل المخرجات أكثر دقة بمرور الوقت.يمكن استخدام نفس الأجهزة لأي نوع من أنواع كيمياء البطاريات أو الشركة المصنعة ، مما يسمح بمرونة التصميم القصوى.يمكن أن يكون العيب هو تكلفة مكون أعلى ، اعتمادًا على الوظيفة المطلوبة والقدرة الحسابية.
تدفق المعلومات
يعد تدفق المعلومات أحادي الاتجاه شائعًا في معظم أنظمة البطاريات: تتدفق المعلومات من BMS إلى الأنظمة عالية المستوى وواجهات المستخدم.إذا تم توفير BMS من قبل صانع الخلية ، تميل المعلومات منخفضة المستوى إلى أن تكون متاحة ، حيث يمكن اعتبار هذه المعلومات حساسة.أهم المعلومات تتعلق بالسلامة والأداء وتتضمن مقاييس مثل SoC و SoH.
يكون تدفق المعلومات ثنائي الاتجاه ممكنًا إذا كان بإمكان نظام إدارة المباني معالجة المدخلات ، مثل التغييرات على إعدادات التشغيل (على سبيل المثال الحد الأقصى والحد الأدنى المسموح به من جهد الخلية أو SoC) ، أو حتى تحديثات نماذج البطارية أو خوارزميات تقدير الحالة للحفاظ على دقتها ، إذا كانت وحدات التحكم الدقيقة يستخدم.
