تحسين تخزين الطاقة: أهمية أنظمة إدارة البطارية

اليوم، أصبحت البطاريات الحديثة أكثر قوة وتسمح باستقلالية طويلة وشحن سريع بأمان تام للسيارات والقطارات وحتى الطائرات. تتيح الدائرة المخصصة، المعروفة باسم نظام إدارة البطارية (BMS)، للبطاريات أن تدوم لفترة أطول، وتزيد من سلامتها من حيث الاستخدام والشحن. أنواع البطاريات الأكثر تأثراً بنظام إدارة المباني هي البطاريات القابلة لإعادة الشحن، ولا سيما بطاريات الليثيوم أيون، الموجودة حالياً في معظم التطبيقات، من الهواتف الذكية إلى السيارات الكهربائية. تلعب هذه الأنظمة الذكية دورًا حاسمًا في مراقبة أداء البطارية وعمرها والتحكم فيها وتحسينها مع ضمان سلامة المستخدم والتحميل.

مقدمة

لضمان التشغيل الآمن والفعال للبطاريات على المدى الطويل، يلزم وجود نظام لإدارة البطارية (BMS). وهو ينفذ العديد من الوظائف، وبعضها معقد جدًا (انظر المخطط التفصيلي في الشكل 1). الوظيفة الأولى هي مراقبة البطارية، حيث يتم جمع الكثير من المعلومات في الوقت الفعلي حول معلمات البطارية الرئيسية. بعضها يتعلق بالتيار المسلم، وتيار الشحن، والجهد الحالي، ودرجة حرارته، وحالة الشحن. يتم استخدام هذه المعلومات لتقييم صحة البطارية والتحقق من وجود أي حالات شاذة.

إحدى الوظائف المهمة جدًا هي التحكم في تيار الشحن والتفريغ لمنع التحميل الزائد للطاقة أو التفريغ العميق الذي قد يضر بعمر البطارية نفسها. يتم أيضًا مراقبة درجة الحرارة بعناية لتجنب ارتفاع درجة الحرارة والانفجارات أو الحرائق المحتملة. تتضمن النماذج الأكثر تطوراً توصيل التيار إلى الخلايا المختلفة بشكل مستقل، مما يضمن التوازن الأمثل. كما يقوم نظام إدارة البطارية بتنفيذ إجراءات أمان مختلفة لحمايتها من التلف والأعطال والأعطال. فهو يتدخل في حالة التوزيع أو إعادة الشحن غير الطبيعي، ويوقف الشحن أو التفريغ على الفور في حالة حدوث ظروف خطيرة.

يمكن لبعض النماذج، المجهزة بدوائر خاصة، أن تنقل المعلومات المتنوعة التي تم جمعها إلى أنظمة أخرى من خلال اتصالات سلكية أو لاسلكية. يعد هذا الاحتمال مفيدًا جدًا إذا كانت البطارية موجودة في أماكن يصعب على المشغلين الوصول إليها. تقوم أبسط الأنظمة بمراقبة الجهد والتيار والتحقق من وجود أي أحمال زائدة، بينما تقوم الأنظمة الأكثر تقدمًا بتنفيذ وظائف موازنة الخلايا، والتواصل مع الأنظمة الأخرى، والتشخيص المتقدم.

تحسين إدارة البطارية

تعد إدارة البطاريات الإلكترونية والآلية للسيارات الكهربائية واحدة من أكثر التحديات صعوبة اليوم وأحد العوامل الأكثر أهمية هو اختيار الدائرة المتكاملة لتنفيذ العديد من الوظائف. يجب أن يفهم النظام الجيد أولاً تصميمات حزمة البطاريات للسيارات الكهربائية. وعادة ما تتكون من عدد معين من الخلايا المتصلة على التوالي أو بالتوازي أو مختلطة لمضاعفة الجهد أو التيار والحصول على المزيد من الطاقة.

عادة ما تكون كل خلية مصحوبة بوحدة إلكترونية تراقبها بشكل مستمر ويقوم النظام بجمع كافة المعلومات لضمان التشغيل الآمن للبطارية. ينفذ نظام إدارة المباني مجموعة من المهام مثل الإدارة الحرارية الدقيقة، والقياس الدقيق للجهد والتيار، والموازنة الممتازة لمستوى شحن الخلايا الفردية، وسلسلة من الإجراءات لسلامة النظام. في الواقع، الوظائف الرئيسية لنظام إدارة المباني هي ما يلي:

• حماية البطارية: تضمن التشغيل الطبيعي وتمنع أي عمليات غير متوقعة في منطقة التشغيل الخاصة بها
• مراقبة البطارية: تقوم بالتحقق باستمرار من حالة الشحن وصحة البطارية أثناء الشحن والتفريغ
• تحسين البطارية: يضمن توازنًا جيدًا للخلايا، مما يحسن عمر البطارية وسعتها، وبالتالي تحسين استقلالية المركبات الكهربائية.

من خلال تحليل العمل الذي لا يقدر بثمن لنظام إدارة المباني (BMS) بالتفصيل، فهو ينفذ التحكم في الجهد المنخفض أو الجهد الزائد للبطارية. يمكن أن تتلف خلايا الليثيوم إذا تم شحنها وتفريغها خارج نطاق جهد معين، عادة ما بين 10.5 فولت و14.8 فولت. وفي هذه الحالة، يقوم نظام إدارة المباني بحظر البطارية تلقائيًا. علاوة على ذلك، فإنه ينفذ الحماية التلقائية ضد تيارات التفريغ القصوى المستمرة والمندفعة. فهو يحمي النظام تلقائيًا من الدوائر القصيرة، التي يمكن أن تسبب انفجارات وحرائق بسهولة، ويقوم بإجراء فحوصات صحيحة ومستمرة لدرجة حرارة التشغيل، حيث لا يمكن إعادة شحن بطاريات الليثيوم أقل من 0 درجة مئوية وما فوق 55 درجة مئوية ولا يمكن أن تعمل بشكل صحيح أدناه -20 درجة مئوية وما فوق 60 درجة مئوية.

ويلعب نظام إدارة المباني أيضًا دورًا أساسيًا في التحكم في الحد الأقصى لتيار الشحن، حيث يمكن إعادة شحن بطاريات LiFePO4 بشكل أسرع من بطاريات الرصاص الحمضية، ولكن يجب دائمًا احترام الحدود. وأخيرًا، يقوم نظام إدارة البطارية بتنفيذ موازنة الخلايا، وهو موضوع سيتم استكشافه بعمق في الفقرة التالية. من الأمثلة الصالحة لنظام إدارة المباني (BMS) حل إدارة البطارية الذي تنتجه شركة STMicroelectronics. استنادًا إلى الدائرة المتكاملة L9963E (انظر الشكل 2)، يمكنها توفير قياسات بأقصى دقة تصل إلى 14 خلية متسلسلة، بتكوين أحادي أو ثنائي الاتجاه وتنفيذ وظائف متطورة للغاية لمراقبة الخلايا وتشخيصها.

مثال آخر على نظام إدارة المباني هو BQ76905 من شركة Texas Instruments (انظر الشكل 3)، والذي يدمج وظيفة مراقبة البطارية لعدد 2 إلى 5 خلايا متسلسلة؛ دائرة حماية تتضمن الجهد ودرجة الحرارة والتيار والتشخيص الداخلي. يقوم بتنفيذ وظيفة موازنة الخلايا، والتي يجب التحكم فيها للحد من التيار وتجنب تجاوز درجة حرارة التشغيل الموصى بها للجهاز. يتم تحقيق ذلك عن طريق حساب مقاومات دخل الخلية بشكل صحيح وتحديد عدد الخلايا التي يمكن موازنتها في وقت واحد.

موازنة البطارية

تعطي بطاريات الليثيوم أفضل النتائج مع العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية، لكن أثناء الإنتاج لا يمكن ضمان نماذج متطابقة وموحدة على أساس السعة الاسمية والمقاومة الداخلية والتفريغ الذاتي. تؤدي هذه الاختلافات الصغيرة، بمرور الوقت، إلى خلل في توازن خلايا البطاريات، مما يقلل من كفاءتها ويسرع عملية الشيخوخة. ترتبط الخلايا الداخلية على التوالي، ويستخدم شحنها وتفريغها نفس الطاقة. إذا لم يكن هناك نظام موازنة مناسب، فإن الفرق بين الخلايا سيزداد أكثر فأكثر، مما يؤدي إلى تدمير البطارية عمليا. لذلك، إذا قمت بشحن بطارية دون موازنة، فإن الخلايا الأضعف تصل إلى طاقتها الكاملة قبل الخلايا الأكثر قوة. المشكلة العامة ترجع بالتحديد إلى وجود الخلايا الأضعف.

تتيح لك وظائف الموازنة إطالة دورة حياة البطاريات حيث تقوم بإجراء فحص شامل ومستقل في الأقسام المختلفة. تعمل هذه الميزة على زيادة إجمالي سعة البطارية إلى الحد الأقصى وتمنع الشحن الزائد أو الشحن الزائد. باستخدام هذه التقنية، يضمن نظام إدارة المباني (BMS) أن جميع الخلايا التي تتكون منها البطارية تتمتع بنفس حالة الشحن. اعتمادا على التكنولوجيا المستخدمة، هناك عمليات موازنة سلبية، حيث تقوم الخلايا ذات الشحن الزائد بتبديد الطاقة (والحرارة) باستخدام مقاومات الطاقة، لموازنة حالة الشحن لجميع الخلايا. باستخدام هذه الطريقة، يتم استهلاك طاقة الخلايا الأكثر شحنًا عن طريق توصيلها بحمل طاقة، على سبيل المثال، بمنظمات سلبية. لذلك، تطبق أنظمة BMS الشائعة مقاومة على الخلايا الأكثر شحنًا، في انتظار وصول الخلايا الأقل شحنًا إلى نفس مستويات الطاقة. تسمح هذه الطريقة بالحصول على كفاءات منخفضة وإجراء الموازنة طويل للغاية، حتى عشرات الساعات، ولا يطيل عمر البطارية، على الرغم من أنها اقتصادية للغاية.

من ناحية أخرى، يعد التوازن النشط أكثر تعقيدًا وتكلفة ولكنه يسمح بالحصول على نتائج ممتازة لأنه يتم إعادة توزيع التيار بشكل مستقل بين الخلايا المختلفة أثناء دورات الشحن والتفريغ؛ علاوة على ذلك، فإن تنفيذه سريع جدًا، وأحيانًا يستغرق بضع دقائق. تنفذ هذه الطريقة توصيل الطاقة من الخلايا الأكثر شحنًا إلى الخلايا الأقل شحنًا أو تقليل تيار الشحن إلى مستوى منخفض بدرجة كافية بحيث لا تتعرض الخلايا المشحونة بالكامل للتلف، بينما يمكن للخلايا الأقل شحنًا الاستمرار في الشحن. وبالتالي يتم زيادة الاستقلالية ولا يتم توليد أي زيادات معينة في درجة حرارة النظام. ومع ذلك، مع موازنة الخلايا السلبية أو النشطة، تتم مراقبة كل خلية في مجموعة البطارية للحفاظ على حالة شحن جيدة.

وبالتالي، فإن عملية التوازن تعمل على إطالة متوسط ​​عمر البطارية وتوفر مستوى إضافي من الحماية، مما يمنع تدمير الخلية بسبب التفريغ العميق أو الشحن الزائد. يتم توفير مثال على دائرة لموازنة الخلايا النشطة بواسطة Analog Devices، مع LT8584، كما هو موضح في الشكل 4. وهو عبارة عن محول flyback متجانس مع تيار تفريغ 2.5 أمبير، يستخدم مع عائلة LTC680x من شاشات الخلايا.

خاتمة

مع نظام إدارة المباني المناسب، يزيد عمر البطارية بشكل ملحوظ. فهو يساعد على منع الضرر الناتج عن الاستخدام غير السليم للبطارية، مثل الشحن الزائد أو التفريغ العميق. إن نظام إدارة المباني (BMS) هو العقل الحقيقي للبطارية، وإذا تم تصميمه باستخدام أحدث التقنيات الإلكترونية، فإنه يؤدي العديد من الوظائف الإضافية التي تتحكم وتراقب سلوك البطارية في الوقت الفعلي.

المقالة تحسين تخزين الطاقة: أهمية أنظمة إدارة البطارية ظهرت للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.