أنظمة تخزين الطاقة: كيفية إدارة حزمة البطارية الخاصة بك بسهولة وأمان

لا تعد الليثيوم أيون (Li-ion) وكيمياء البطاريات الأخرى عناصر أساسية في عالم السيارات فحسب، ولكنها تستخدم أيضًا في الغالب في أنظمة تخزين الطاقة (ESSes). على سبيل المثال، يمكن للمصانع العملاقة إنتاج عدة ميجاوات/ساعة يوميًا من الطاقة المستخرجة من توليد الطاقة المتجددة. كيف يمكننا حساب الأعباء المختلفة الملقاة على عاتق شبكة الطاقة على مدار 24 ساعة؟ ويمكن القيام بذلك عن طريق استخدام أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESSes). تتناول هذه المقالة حلول وحدة التحكم في إدارة البطارية وفعاليتها في تطوير ونشر ESSes.

تحديات بطارية ليثيوم أيون

هناك حاجة إلى نظام إدارة البطارية (BMS) لاستخدام خلايا Li-ion. لا غنى عن BMS لأن خلايا Li-Ion يمكن أن تكون خطيرة. إذا تم شحنها بشكل زائد، فإنها يمكن أن تتعرض للهروب الحراري وتنفجر. إذا تم تفريغها بشكل مفرط، تحدث تفاعلات كيميائية داخل الخلية مما يؤثر بشكل دائم على قدرتها على الاحتفاظ بالشحنة. كلتا الحالتين تنطويان على فقدان خلايا البطارية بطرق خطيرة ومكلفة. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى نظام إدارة المباني لأن خلايا Li-ion غالبًا ما تكون مكدسة لتشكل حزمة بطارية. غالبًا ما يتم شحن الخلايا المكدسة بشكل متسلسل عن طريق تطبيق مصدر تيار ثابت بالتوازي مع المكدس. ومع ذلك، فإن هذا يجلب معه تحدي التوازن، وهو الحفاظ على جميع الخلايا في نفس حالة الشحن (SOC). كيف يمكننا شحن أو تفريغ جميع الخلايا بالكامل دون الشحن الزائد أو التفريغ الزائد لأي خلية واحدة في حزمة البطارية؟ يعد التوازن أحد الفوائد الحاسمة العديدة لنظام إدارة المباني الجيد. تشمل الوظائف الأساسية لنظام إدارة المباني ما يلي:

• مراقبة معلمات الخلية مثل جهد الخلية ودرجة حرارة الخلية والتيار المتدفق داخل وخارج الخلية
• حساب SOC عن طريق قياس المعلمات المذكورة أعلاه وكذلك تيار الشحن والتفريغ بالأمبير-ثانية باستخدام عداد كولوم
• موازنة الخلايا (السلبي) للتأكد من أن جميع الخلايا في نفس SOC

حلول إدارة المباني

تمتلك شركة Analog Devices Inc.‎ عائلة واسعة من أجهزة BMS (ADBMSxxxx). على سبيل المثال، يعد ADBMS1818 مناسبًا بشكل مثالي للتطبيقات الصناعية وتطبيقات BESS ويمكنه قياس مجموعة البطاريات المكونة من 18 خلية. مطلوب وحدة تحكم دقيقة (MCU) لتشغيل أي ADBMS IC. تتواصل وحدة MCU مع نظام إدارة المباني، وتتلقى بيانات القياس وتجري العمليات الحسابية لتحديد SOC والمعلمات الأخرى. في حين أن معظم وحدات MCU يمكنها التواصل مع BMS، إلا أنها ليست جميعها مناسبة. من المرغوب فيه وجود وحدة MCU ذات قوة معالجة واسعة النطاق. يمكن أن تكون البيانات التي يغذيها نظام إدارة المباني (BMS) كبيرة، خاصة عندما تكون هناك حاجة إلى مجموعة كبيرة من الخلايا (يمكن أن تصل بعض الأكوام إلى 1500 فولت وتتكون من ما يصل إلى 32 ADBMS1818s متصلة في سلسلة ديزي). في هذه الحالة، يجب أن يكون لدى وحدة MCU نطاق ترددي كبير بما يكفي للتواصل مع مختلف وحدات BMS ICs في النظام أثناء معالجة النتائج. كجزء من حل منصة BMS، يحتوي MAX32626 MCU على مصدرين للإمداد تتم إدارتهما من خلال وحدة تحكم PowerPath. تقوم وحدة التحكم PowerPath بإعطاء الأولوية لمصدر الإمداد بناءً على الطلب على طاقة اللوحة (الأجهزة الطرفية المتصلة وحمل المعالجة، وما إلى ذلك).

تأتي معظم الدوائر المتكاملة لمراقبة ADI في بنية قابلة للتكديس للأنظمة ذات الجهد العالي، مما يعني أنه يمكن توصيل العديد من الواجهات الأمامية التناظرية (AFEs) في سلسلة ديزي. ولذلك، فإن إحدى الخصائص الرئيسية للوحة تحكم BMS، والتي يشار إليها باسم وحدة التحكم في تخزين الطاقة (ESCU)، هي أنها تعمل مع عدة AFEs في نفس الوقت.

يوضح الشكل 1 رسمًا تخطيطيًا نموذجيًا لـ BMS، حيث يتم تمييز وحدة ESCU باللون الأزرق. على الرغم من أن وحدة ESCU لم يتم تحسينها لتطبيقات السلامة الوظيفية، إلا أنه يمكن للمستخدم تنفيذ دوائر الحماية و/أو التكرار لتحقيق متطلبات معينة لمستوى سلامة السلامة.

أجهزة وبرامج لوحة تحكم BMS

معلومات الأجهزة

واجهات ESCU الخاصة بـ ADI مع مجموعة متنوعة من أجهزة BMS (AFE، مقياس الغاز، جهاز الإرسال والاستقبال ISOSPI). أبرز أجهزة ومكونات لوحة تحكم BMS هي:

• MCU على اللوحة: يعتبر Arm Cortex-M4 MAX32626 مناسبًا لتطبيقات تخزين الطاقة. يعمل بطاقة منخفضة ويتفوق في السرعة، حيث يحتوي على مذبذب داخلي يعمل بترددات تصل إلى 96 ميجا هرتز. في وضع الطاقة المنخفضة، يمكن تشغيله بسرعات منخفضة تصل إلى 4 ميجا هرتز لتوفير الطاقة. يتميز بميزات ممتازة لإدارة الطاقة، مثل تيار وضع الطاقة المنخفض 600 نانومتر وساعة في الوقت الفعلي ممكّنة. يستضيف MAX32626 أيضًا مجموعة متنوعة مثالية من الأجهزة الطرفية، بما في ذلك SPI وUART وI²C، واجهة سلك واحد، USB 2.0، محركات PWM، ADC 10 بت وغيرها الكثير. تم دمج وحدة حماية الثقة مع ميزات الأمان المتقدمة في وحدة MCU هذه.
• الواجهات: تستضيف وحدة ESCU واجهات متعددة:

• إس بي آي، آي²ج و يمكن

• isoSPI لنقل المعلومات بشكل قوي وآمن عبر حاجز الجهد العالي
  • USB-C لتشغيل اللوحة وفلاش وحدة MCU

• JTAG لبرمجة MCU وتصحيح الأخطاء
  • موصل Arduino (يتيح المزيد من المرونة لإضافة لوحات متوافقة مع Arduino، مثل درع Ethernet أو لوحات الاستشعار أو حتى Proto Shield)
• أجهزة إرسال واستقبال isoSPI: تحتوي على 2× LTC6820 لتحقيق اتصال isoSPI مع دوائر BMS المرحلية على سلسلة ديزي باستخدام محول واحد. وهذا يضمن أن هذه اللوحة معزولة تمامًا عن دوائر BMS المرحلية المتصلة بأكوام البطاريات ذات الجهد الكبير. يوفر وجود جهاز إرسال واستقبال isoSPI مزدوج اتصالاً معزولًا متكررًا وقابل للعكس حيث تقوم وحدة MCU المضيفة بتبديل منافذ الاتصال لمراقبة سلامة الإشارة (سيتضمن التطوير المستقبلي لهذه اللوحة ADBMS6822) [dual isoSPI transceiver] للحصول على معدلات بيانات أعلى ودعم وظيفة مراقبة الخلايا منخفضة الطاقة الموجودة في أحدث أجهزة ADI BMS ICs).
• إدارة الطاقة:

• يمكن توفير الطاقة إما عن طريق مقبس DC أو USB متصل بالكمبيوتر عبر واجهة USB 2.0 (يتوفر موصل USB-C).
  • تقوم دائرة تحديد الأولويات، باستخدام LTC4415، بإدارة واختيار مصدر الإمداد. إنه يختار بين مقبس DC أو إدخال USB-C بناءً على الحمل الموجود على جانب وحدة التحكم والأجهزة الطرفية. على سبيل المثال، إذا تم توصيل درع Arduino وتشغيله، فإن استهلاك الطاقة للوحة سيزيد بما يتجاوز ما يمكن أن يوفره USB-C. سيتم بعد ذلك تبديل بنية الصمام الثنائي OR المثالي لـ LTC4415 لتحديد مقبس DC كمصدر للإمداد.
  • توفر سلسلة الطاقة قضبان جهد مختلفة (3.3 فولت، 2.5 فولت، و5 فولت)، والتي يمكن تكوينها من خلال وصلات العبور.
• السلامة والحماية: يتحكم MAX32626 في برنامج تشغيل البوابة المعزول الموجود على اللوحة، ADuM4120، الذي يقوم بتشغيل N-FET المتصل بموصل خارجي (الموجود على لوحة البطارية، على سبيل المثال). يحتوي هذا على وظيفة حماية، حيث ستقوم وحدة MCU بتشغيل وإيقاف MOSFET من خلال ADuM4120 لفتح الموصلات وفصل البطاريات في حالات الطوارئ أو حالات الخطأ.

يوضح الشكل 2 مخططًا تخطيطيًا عالي المستوى يسلط الضوء على العناصر الرئيسية لوحدة ESCU.

يأتي ثنائي الفينيل متعدد الكلور في شكل صغير بحجم 10 × 9 سم. وتظهر الواجهات الرئيسية في الشكل 3.

معلومات البرمجيات

من ناحية البرنامج، توفر ADI حلاً كاملاً يتضمن واجهة مستخدم رسومية مفتوحة المصدر (GUI) يمكن استخدامها للتواصل مع لوحة التحكم. تدعم واجهة المستخدم الرسومية ما يصل إلى ثلاثة أجهزة ADBMS متصلة بسلسلة ديزي.

تتواصل واجهة المستخدم الرسومية مع MCU من خلال بروتوكول اتصال مفتوح المصدر محدد جيدًا ويمكن توسيعه بسهولة. يحدد البروتوكول الرسائل التي يتم إرسالها إلى MCU عبر المنفذ التسلسلي. الرسائل محمية بفحص التكرار الدوري لتمكين اكتشاف الأخطاء. تسمح هذه الرسائل للمستخدم بالاتصال بوحدة MCU وقطع الاتصال بها بطريقة منظمة، وتعيين معلمات النظام، وإجراء القياسات، وتمكين الأخطاء والتحقق منها، وكتابة أي أوامر ضرورية إلى جزء ADBMS. يستخدم رمز التطبيق في MCU مؤشرات ترابط RTOS المجانية لإجراء عمليات متوازية. يعد هذا مفيدًا لأنه يمكن تشغيل خيط القياس بالتوازي مع خيط فحص الأخطاء بحيث يمكن تنفيذ وقت الفاصل الزمني للخطأ.

يتم توفير واجهة برمجية مع لوحة تحكم BMS وهي مكتوبة بلغة Python. أقسام المستخدم الرئيسية هي التالية:

• علامة تبويب النظام: هذه هي الصفحة المقصودة الرئيسية للتطبيق (الشكل 4). فهو يسمح للمستخدم بإنشاء اتصال تسلسلي للكمبيوتر الشخصي، واختيار عدد لوحات AFE المتصلة وتحديد الفاصل الزمني للقياس والعتبات التي سيتم استخدامها لفحوصات الجهد الزائد والجهد المنخفض. بعد الضغط على اتصال، يكون المستخدم جاهزًا لبدء القياسات. إذا تحول ضوءا حالة النظام إلى اللون الأخضر (كما في الشكل 4)، فستظهر علامات تبويب القياس اعتمادًا على عدد اللوحات التي أدخلها المستخدم.

• تعرض علامة التبويب (علامات التبويب) BMS، كما هو موضح في الشكل 5، القياسات التي تمت معالجتها بواسطة ESCU لكل AFE متصل. تحتوي علامة (علامات) تبويب BMS على جهد الخلية وGPIO وقراءات الحالة والخطأ بواسطة لوحة AFE. يتم أيضًا تمثيل قياس جهد الخلية بيانيًا ورسمه في الوقت الفعلي.

• علامة التبويب المرجعية: تتضمن واجهة المستخدم الرسومية علامة تبويب مرجعية تمثل مخططًا تخطيطيًا عالي المستوى للوحة والرسومات.

تعد المخططات وملفات Gerber بالإضافة إلى البرامج الثابتة للتقييم وواجهة المستخدم الرسومية ودليل المستخدم مفتوحة المصدر ويتم توفيرها بواسطة ADI.

في سوق الطاقة سريع التطور، هناك حاجة ملحة لأنظمة BESS. إن الطلب ملح للحصول على حل كامل جاهز للنشر. هناك حاجة أيضًا إلى الدعم لتسريع وقت الوصول إلى السوق وعدم إضافة تأخيرات غير معروفة. ADI على استعداد لتلبية هذا الطلب بالكامل من خلال ESCU الخاصة بها. توفر هذه اللوحة الميزات الأساسية المطلوبة لـ BESSes وتوفر أساسًا كاملاً مع المرونة لمزيد من التطوير.

مع حل وحدة التحكم BMS من ADI، سيتمكن المستخدمون من:

• قم بتقييم العديد من AFEs في وقت واحد، حيث يستهدف هذا الحل بنيات قابلة للتكديس وقابلة للتطوير. ليست هناك حاجة إلى لوحة إرسال واستقبال ISOSPI إضافية.
• قم بتصحيح أخطاء نظام إدارة المباني (BMS) بسلاسة بفضل JTAG الموجودة على اللوحة ومصابيح LED الخاصة بالحالة والموصلات والواجهات المختلفة.
• يمكنك تقليل الوقت اللازم للتسويق من خلال الاستفادة من الأجهزة والبرامج مفتوحة المصدر.

مراجع

“حلول تخزين طاقة بطاريات الليثيوم أيون.” شركة الأجهزة التناظرية، 2022.

“حلول تخزين الطاقة.” الأجهزة التناظرية، وشركة

أمينة بحري. “AN-2093: حل الوحدة التابعة ADBMS1818.” شركة الأجهزة التناظرية، 2021.

أنظمة تخزين الطاقة: كيفية إدارة حزمة البطارية بسهولة وأمان ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.