مراقبة العزل في حزم بطاريات الليثيوم عالية الجهد: الكشف عن التسرب قبل حدوث عطل في السلامة

تساعد مراقبة العزل على اكتشاف تدهور العزل الكهربائي بين دائرة بطارية عالية الجهد وغلافها أو هيكلها الموصل. في نظام التيار المستمر العائم، يُقدّر جهاز المراقبة مقاومة العزل بدلاً من مجرد قياس التيار في سلك التأريض. وتعتمد فائدته على طريقة القياس، والمعدات المتصلة، واستراتيجية الاستجابة للأعطال المعتمدة.

يمكن أن تؤدي الرطوبة والتلوث الموصل للكهرباء والكابلات التالفة والموصلات المعيبة إلى تقليل مقاومة العزل. يوفر جهاز إنذار العزل دليلاً على وجود مشكلة تستدعي التقييم، ولكنه لا يكشف عن جميع عيوب الخلايا الداخلية ولا يضمن الإنذار المسبق بحدوث انهيار حراري.

جواب سريع

بالنسبة لحزمة بطاريات الليثيوم عالية الجهد، اختر جهاز مراقبة عزل متوافقًا مع أقصى جهد تشغيل، ونظام التأريض، وسعة التسريب، وحالات التشغيل. تحقق من أعطال القطب الواحد والأعطال المتناظرة، وقم بتوصيل معلومات الحالة الموثوقة بنظام إدارة البطارية، وحدد التحذيرات، وإجراءات منع بدء التشغيل، وإجراءات الإيقاف من خلال تحليل سلامة النظام.

الوجبات السريعة الرئيسية

• ميز بين مراقبة مقاومة العزل واستشعار التيار المتبقي، ومراقبة جهد الخلية، والكشف عن قصر الدائرة الداخلية.

• حدد العتبات بناءً على متطلبات المعدات المعمول بها وطوبولوجيا الدائرة الفعلية؛ 500 أوم لكل فولت ليست قاعدة عامة لكل حزمة بطارية.

• تحقق من الحدود المراقبة مع فتح وإغلاق الموصلات، أثناء الشحن المسبق وأثناء الشحن.

• تحقق من دقة القياس ووقت الاستجابة باستخدام سعة ناقل البيانات الفعلية، وضوضاء التبديل، والأحمال المتصلة.

• تعامل مع فقدان المقاومة المرتبط بالرطوبة على أنه عطل حقيقي محتمل، حتى لو تحسنت القراءة بعد التجفيف.

الجزء الأول: ما الذي يكشفه نظام مراقبة العزل

1.1 تحديد الحدود الكهربائية

ابدأ بتحديد خط الجهد العالي الموجب، وخط الجهد العالي السالب، والعلبة، ووصلات الهيكل، ووصلات التأريض الوقائي. لا يحتوي النظام العائم أو غير المؤرض على وصلة مقاومة منخفضة مقصودة بين موصلاته الحية والأرض. يقوم جهاز مراقبة العزل (IMD) بتقييم المقاومة بين هذه الموصلات والهيكل المرجعي أو الأرض.

لا يُعدّ رصد العزل مرادفًا للعزل الجلفاني لواجهة الاتصال. يمكن لجهاز إرسال واستقبال CAN المعزول حماية حدود الاتصال ذات الجهد المنخفض، ولكنه لا يقيس المقاومة بين ناقل الجر أو ناقل المعدات والهيكل.

ارسم الدائرة الكهربائية الفعلية وحدد المكونات المتصلة كهربائيًا بجهاز المراقبة في كل حالة تشغيل. قد يقوم جهاز مراقبة التداخل (IMD) الموجود على جانب البطارية في حالة فتح الموصلات بتقييم حالة البطارية، ولكنه قد لا يتمكن بالضرورة من تقييم حالة العاكس أو الكابل أو الشاحن المفصول. في المقابل، قد يفقد جهاز المراقبة الموجود على جانب الحمل إمكانية الوصول إلى البطارية عند فتح هذه الموصلات.

1.2 أعطال العزل وحدودها

تشمل الأسباب الشائعة تآكل الكابلات، والتلوث حول موصلات الجهد العالي، وتشققات دعامات العزل، ودخول سائل التبريد أو الماء، وبقايا موصلة بالقرب من الأطراف. قد يؤثر تسرب إلكتروليت الخلية أيضًا على العزل إذا ما شكّل مسارًا إلى الغلاف، ولكن يعتمد هذا التأثير على التصميم المادي ومسار السائل.

قد يُنتج العطل الأول في نظام عائم تيارًا ثابتًا ضئيلاً نظرًا لمحدودية مسار العودة، لكن هذا لا يجعله غير ضار. فقد يُؤدي عطل ثانٍ على السكة المقابلة، أو تلامس الأفراد، أو تغيير في وصلة التأريض، إلى اكتمال دائرة كهربائية خطيرة. ولا يُمكن التنبؤ بتطور العطل بالاعتماد على المقاومة وحدها.

لا يمكن لرصد العزل اكتشاف عيب في الفاصل أو قصر داخلي في الخلية بشكل موثوق إذا لم يُنشئ مسارًا إلى الهيكل. تبقى وظائف التشخيص الأخرى، مثل درجة الحرارة والجهد والتيار، وظائف حماية منفصلة. لا تصف جهاز مراقبة العزل بأنه جهاز تنبؤ بالهروب الحراري.

الجزء الثاني: المقاومة، والعتبات، وجودة القياس

2.1 تفسير المقاومة دون تبسيط التسرب بشكل مفرط

بالنسبة لمسار مقاوم معروف، يربط قانون أوم الجهد الكهربائي عبر هذا المسار بتياره. أما في نظام الجهد العالي العائم، فإن الجهد الكهربائي من كل سكة إلى الهيكل يعتمد على مسارات العزل وعناصر الدائرة الأخرى. لذا، فإن قسمة جهد البطارية الكلي على مقاومة واحدة مُبلغ عنها لا يُعطي تلقائيًا تيار التلامس الفعلي أو تيار التسريب في كل حالة.

استخدم تعريفات موحدة للمقاومة الموجبة للهيكل، والمقاومة السالبة للهيكل، وأي مقاومة مُجمّعة يُبلغ عنها جهاز IMD. تأكد مما إذا كان الجهاز يُبلغ عن قيمة مكافئة متوازية أو تقديرات منفصلة للسكك الحديدية. وإلا، فقد يُفسر نفس الرقم بشكل مختلف من قِبل جهاز المراقبة، ونظام إدارة البطارية، وفريق الصيانة.

تُنتج سعة النظام وتبديل المحول تيارات إزاحة. وتختلف هذه التيارات عن مسار التسريب المقاوم المستمر. يجب على جهاز المراقبة التمييز بينها ضمن نطاق التشغيل المحدد؛ فالمرشحات وحدها لا تجعل دائرة القياس غير المناسبة موثوقة.

2.2 تحديد العتبات الخاصة بالتطبيق

IEC 61557-8 يتناول هذا المعيار أجهزة مراقبة العزل للأنظمة غير المؤرضة. وهو معيار خاص بالمراقبة، وليس جدولًا عالميًا لضبط فصل بطاريات الطاقة. اختر المعدات المناسبة ومتطلبات السوق بشكل منفصل.

بالنسبة لتطبيقات المركبات، لائحة الأمم المتحدة رقم 100 يُفرّق هذا النظام بين ناقلات التيار المستمر والتيار المتردد المنفصلة، ​​بالإضافة إلى ترتيبات التوصيل الجلفاني. تنتمي القيم المألوفة 100 أوم/فولت و500 أوم/فولت إلى تكوينات محددة، مع شروط واستثناءات إضافية. يُرجى التأكد من سلسلة التعديلات ومتطلبات الموافقة المعمول بها بدلاً من نسخ قيمة واحدة في التصاميم الصناعية أو تصاميم تخزين البيانات الثابتة.

إذا كانت متطلبات التصميم 500 أوم/فولت، وكان جهد التشغيل 800 فولت، فإن الحساب يعطي 400 كيلو أوم. هذا حساب توضيحي، وليس نقطة فصل عالمية موصى بها. استخدم تعريف الجهد المطلوب بموجب البند ذي الصلة، وليس الجهد الاسمي افتراضيًا.

حدد مستوى التحذير، ومستوى الإجراء الوقائي، والتخلف، وأقصى زمن استجابة مسموح به. أضف عدم اليقين في القياس، والتغيرات البيئية، وتفاوت النظام. إن تحديد قيمة ثابتة لمقاومة الحزمة تبلغ 1.5 ميجا أوم، دون مراعاة هذه الشروط، لا يُعدّ مواصفات كاملة.

2.3 فصل المراقبة عبر الإنترنت عن الاختبارات غير المتصلة بالإنترنت

يعمل جهاز اختبار العزل الكهربائي المتصل بالإنترنت مع نظام الجهد العالي المُثبَّت والإلكترونيات المتصلة به. بينما يطبق جهاز اختبار مقاومة العزل الكهربائي غير المتصل بالإنترنت جهد اختبار محددًا وفقًا لإجراء اختبار مُحكم. ويُقيِّم اختبار تحمل العزل الكهربائي خاصية مختلفة. لا ينبغي اعتبار هذه الوظائف قابلة للتبادل.

لا تدّعِ أن مراقبة البطارية عبر الإنترنت تُدخل عادةً إشارة اختبار بقوة 500 فولت. فجهد الاختبار وسعة الإشارة المُدخلة وطريقة التوصيل تعتمد على التصميم. قبل إجراء الاختبار خارج الإنترنت، اتبع إجراءات العزل والتوصيل المعتمدة لضمان عدم تعريض دوائر نظام إدارة البطارية ومكونات الحماية من زيادة التيار والمرشحات لجهد اختبار غير مناسب.

الجزء الثالث: اختيار طريقة المراقبة

3.1 طرق القياس النشط وطرق المقاومة المبدلة

تُطبّق المراقبة النشطة إشارة قياس مُتحكّم بها، وتقيّم استجابة الدائرة. أما أساليب جسر المقاومة المُبدّلة، فتقارن القراءات في حالات الدائرة المختلفة المعروفة. اختر الطريقة بناءً على جهد ناقل البيانات المتاح، وتغطية الأعطال المطلوبة، وتأثير القياس المقبول، ووقت الاستجابة.

للحصول على مثال عملي ملموس، انظر إلى شركة TI التصميم المرجعي TIDA-010232 يصف هذا التصميم واجهة أمامية تناظرية لمراقبة العزل، مُخصصة لشحن المركبات الكهربائية عالية الجهد وتطبيقات الطاقة الشمسية. يوفر التصميم المرجعي نقطة انطلاق، ولا يُعدّ أداؤه المُثبت دليلاً على كفاءة نظام البطارية بالكامل.

راجع تصنيفات جهد التشغيل للمقاومات، وتبديد الطاقة، والتفاوت المسموح به، وتصنيفات أجهزة التبديل، ومداخل محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية، والحماية، وعزل القياس. تحقق من نطاق القياس الكامل، بما في ذلك منطقة المقاومة العالية والقيم القريبة من كل عتبة قرار. استفسر عن سلوك الدائرة عند انخفاض جهد ناقل البيانات أو انعدامه.

3.2 الأعطال المتناظرة وقيود الطريقة السلبية

تعتمد طريقة عدم توازن الجهد على رصد التغيرات في الجهد بين السكة والهيكل. قد تشير هذه الطريقة إلى وجود عطل غير متماثل، ولكن انخفاضات المقاومة المتشابهة على كلا السكة قد لا تُحدث تغييرًا يُذكر في توازن الجهد. لذا، فإن قراءة الجهد المتوازن لا تُثبت بالضرورة سلامة العزل.

ينبغي التحقق من تغطية الأعطال المتناظرة وغير المتناظرة في حالة وجود خلل في نظام إدارة الأعطال (IMD). بندر شرح فني لرصد العزل يناقش هذا المقال سبب ضرورة توافق مبدأ القياس مع النظام. لا تفترض أن مستشعر جهد السكة أو مستشعر التيار المتبقي يوفران نفس التغطية.

عند توصيل أجهزة مراقبة متعددة أثناء الشحن أو تغيير الموصلات، يجب تقييم التداخل المحتمل بين إشارات القياس الخاصة بها. حدد الجهاز النشط، وكيفية انتقال التحكم، وكيف يتحقق النظام من عدم وجود أي فترة زمنية مطلوبة دون مراقبة.

3.3 السعة والتداخل الناتج عن التبديل

تشمل السعة الكهربائية من دائرة الجهد العالي إلى الهيكل العناصر الطفيلية للكابلات والمكونات، بالإضافة إلى مكثفات التوافق الكهرومغناطيسي. ويعتمد تأثيرها على طريقة القياس المختارة. قد تؤدي السعة الأكبر إلى زيادة زمن الاستقرار أو تغيير استجابة الإشارة؛ ولا توجد طريقة قياس محصنة تمامًا ضد هذه المشكلة، سواءً باستخدام حقن التيار المتردد أو غيره.

استخدم نطاق السعة المحدد للشاشة وظروف زمن الاستجابة كمعايير للاختيار. اختبر مع تشغيل العاكس، وتوصيل الشاحن، وتفعيل محول التيار المستمر/المستمر، وانتقال الشحن المسبق. قيّم دقة ووقت الكشف في أسوأ الحالات، وليس فقط القياسات في بيئة هادئة.

الجزء 4: تكامل نظام إدارة المباني والاستجابة للأعطال

4.1 البيانات والتشخيص والفحوصات الذاتية

استخدم BMS يجب أن يتلقى الجهاز معلومات عن حالة المقاومة أو العطل، بالإضافة إلى صلاحية القياس والطابع الزمني وبيانات التشخيص. لا يجوز أن تبقى قراءة سليمة قديمة صالحة دون تنبيه بعد توقف المستشعر عن الاتصال.

حدد السلوكيات المتبعة في حالات انقطاع توصيلات الهيكل، وفصل أسلاك الاستشعار، وفقدان الطاقة الإضافية، والقراءات غير المنطقية، وانقطاع الاتصال. يجب أن تتبع الاختبارات الذاتية والفحوصات الاحتياطية مفهوم السلامة الفعلي. لا يكفي وجود قناتين فقط لإثبات تصنيف ASIL، كما أن تصنيف السيارات لا ينطبق تلقائيًا على المعدات الصناعية.

يُشير إنذار العزل على مستوى النظام إلى وجود مشكلة في الدائرة المُراقبة، ولكنه لا يُحدد بالضرورة موقع الخلية أو الموصل المعطل. قد يتطلب تحديد موقع العطل عزلًا جزئيًا، أو قياسات خدمة معتمدة، أو معدات مُخصصة لتحديد موقع العطل. يجب أن تتوافق بيانات تحديد موقع العطل مع الأجهزة المُثبتة.

4.2 منع بدء التشغيل، والتحذيرات، والإيقاف المتحكم فيه

حدد الاستجابات اللازمة لبدء التشغيل، والتشغيل العادي، والشحن، والصيانة. قد تؤدي نتيجة غير مقبولة قبل بدء التشغيل إلى منع إغلاق الموصل. قد يتطلب حدوث عطل أثناء التشغيل إطلاق إنذار، أو فصل الحمل بشكل مُتحكم فيه، أو اتخاذ إجراء وقائي فوري، وذلك حسب تقييم المخاطر والمتطلبات المعمول بها.

لا يؤدي فتح الموصلات إلى إزالة الجهد داخل البطارية، لذا تأكد من فتح نقاط التلامس الملحومة أو تفريغ المكثفات المتصلة بها فورًا. تحقق من استجابة الموصل، وجهد وصلة التيار المستمر، وسلوك التفريغ. يجب أن يتم الوصول للصيانة وفقًا لإجراءات فصل الطاقة المعتمدة للجهاز.

قم بتنسيق جهاز الحماية من التيار الزائد مع التحكم المسبق بالشحن، وتشخيص الموصلات، وأجهزة التعشيق عالية الجهد، والحماية من التيار الزائد. لا يُعدّ خفض الطاقة حلاً عاماً لعطل في حاجز العزل. تأكد من أن الإجراء المُختار يحقق حالة الأمان المطلوبة، وأن إعادة الضبط غير الآمنة لا تُعيد التشغيل.

الجزء الخامس: التحقق من نظام البطارية الفعلي

5.1 بناء مصفوفة اختبار حقن الأعطال

استخدم جهازًا مضبوطًا ومكونات ذات تصنيف مناسب لمحاكاة الأعطال. سجّل المقاومة المطبقة، وجهد ناقل البيانات، والسعة، وحالة التشغيل، والقرار المتوقع. حدد حدودًا قبل الاختبار بحيث لا يمكن قبول النتيجة لمجرد ظهور إنذار في النهاية.

5.2 الرطوبة والإجهاد الميكانيكي وقابلية الخدمة

تحقق من صحة المنتج بعد تعريضه للرطوبة والتكثيف والاهتزاز ودرجات الحرارة المناسبة، وذلك باستخدام ظروف التشغيل المخصصة له. افحص الموصلات، والأختام، ودعامات العزل، والمخلفات الموصلة. قارن النتائج قبل وأثناء وبعد التعرض للعوامل المذكورة، حيثما يسمح الإجراء بذلك.

يُعدّ انخفاض المقاومة الناتج عن الرطوبة تغييراً كهربائياً حقيقياً، حتى لو بقيت مادة العزل الجافة سليمة. لا تتجاهله باعتباره إنذاراً كاذباً لمجرد أن المقاومة تعود إلى وضعها الطبيعي بعد الجفاف. تحقق بشكل مستقل من دخول الرطوبة والتلوث وتداخل القياسات.

حافظ على تصفية البرامج ضمن وقت الكشف المسموح به. تحقق من الأعطال المتقطعة، والتدهور السريع، وحالات إعادة الضبط. يجب أن تحتفظ اختبارات الإنتاج والخدمة بمعرف الحزمة، ومراجعة الأجهزة، وإصدار البرامج الثابتة، وإعدادات الشاشة، وأدلة الاختبار ذات الصلة.

في عمل مجموعات بطاريات الليثيوم المخصصةاتفقوا على الدائرة الخاضعة للمراقبة، وواجهات IMD، وتوصيلات العلبة، وإجراءات الحماية في وقت مبكر من التطوير. اربطوا مواصفات الحزمة بخطة التحقق من صحة النظام؛ عملية الاختبار والاعتماد ينبغي أن يؤكد نطاق كل اختبار بدلاً من الإيحاء بأن مكونًا واحدًا يصادق على المعدات بأكملها.

الأسئلة الشائعة

هل يلزم وجود مقاومة 500 أوم لكل فولت لكل بطارية جهد عالي؟

لا. يعتمد هذا الشرط على التطبيق، ونظام التأريض، ودوائر التيار المتردد والتيار المستمر المتصلة، والمعيار المطبق. حدد أساس جهد التشغيل الصحيح وهامش الأمان قبل ضبط عتبات التحذير أو الإيقاف.

هل يمكن للشاشة اكتشاف عطل مع فتح كلا الموصلين؟

يعتمد ذلك على مكان توصيل جهاز المراقبة وكيفية تزويده بالطاقة. قد يقوم جهاز مراقبة جانب البطارية بتقييم البطارية مع استبعاد الأحمال غير الموصولة. تتطلب بعض الطرق حدًا أدنى لجهد ناقل البيانات. تحقق من التغطية المطلوبة في كل ولاية.

هل أجهزة الإنذار المتعلقة بالرطوبة غير ضارة؟

لا. يمكن للرطوبة أن تُشكّل مسارًا موصلًا للكهرباء وتُقلّل مقاومة العزل بشكلٍ فعلي. ولا يُعدّ التحسن المؤقت بعد الجفاف دليلًا على السلامة. يجب التحقق من السبب المادي والتأكد من القياس قبل إصلاح العطل.

هل يمكن لرصد العزل أن يتنبأ بالهروب الحراري؟

لا يمكن الاعتماد عليه بشكل كامل. فهو يكشف تدهور العزل ضمن نطاق مراقبته. وقد تحدث أعطال داخلية في الخلايا دون حدوث تغيير في العزل أو الهيكل. تتطلب مراقبة درجة الحرارة والجهد والتيار وأي غازات تحققًا منفصلاً، ولا ينبغي ضمان وقت إنذار موحد.

كيف ينبغي اختيار جهاز IMD لنظام 800 فولت؟

تحقق من أقصى جهد تشغيل وجهد عابر، وتكوين التأريض، ونطاق السعة، وتغطية الأعطال، والدقة، ووقت الاستجابة، وواجهات التشخيص. تأكد من السلوك مع توصيل الشواحن والمحولات، ثم تحقق من صحة جهاز المراقبة في النظام الفعلي.