وضع مستشعر درجة الحرارة في حزم بطاريات الليثيوم: تجنب النقاط العمياء في مراقبة درجة الحرارة

تُعدّ مستشعرات درجة الحرارة مدخلاً أساسياً لنظام إدارة البطارية، لكنّ عددها وحده لا يضمن الحماية. فقد تحتوي البطارية على عدة مقاومات حرارية، ومع ذلك قد لا تكتشف وصلة ساخنة، أو خلية داخلية ضعيفة التبريد، أو مستشعراً ارتبط حرارياً بالهيكل الخارجي بدلاً من الخلية. يبدأ التوزيع الأمثل للمستشعرات برسم خريطة للمخاطر الحرارية، وينتهي بالتحقق من صحة التوزيع في ظل الظروف الكهربائية والميكانيكية والبيئية الفعلية للبطارية.

جواب سريع: ضع مجسات الحرارة في المواقع التي تُسبب فيها الأعطال المحتملة والتشغيل العادي أعلى درجة حرارة أو أسرع ارتفاع في درجة الحرارة. غطِّ الخلايا التمثيلية، والوصلات الحاملة للتيار، والمناطق ذات الأداء الحراري الضعيف، وظروف مدخل ومخرج سائل التبريد، ودرجة حرارة المحيط أو الغلاف عند الاقتضاء. حدد العدد النهائي وعتبات الإنذار من خلال المحاكاة، ورسم الخرائط الحرارية، وتحليل التفاوتات، واختبار الأعطال، بدلاً من الاعتماد على قاعدة ثابتة لعدد الخلايا لكل مجس.

الوجبات السريعة الرئيسية

• قم برسم خريطة لتوليد الحرارة وطردها قبل تحديد مواقع أجهزة الاستشعار.

• قم بمراقبة كل من درجة حرارة الخلية والنقاط الساخنة غير الخلوية مثل وصلات قضبان التوصيل، والموصلات، والصمامات، وموصلات التيار العالي.

• اختر مواقع ساخنة وباردة تمثيلية بدلاً من توزيع أجهزة الاستشعار بشكل متساوٍ.

• ضع في اعتبارك وقت استجابة المستشعر، وضغط التركيب، والمادة اللاصقة، والعزل، وأعطال الأسلاك، وتفاوتات التصنيع.

• التحقق من صحة سلسلة الاستشعار الكاملة، بما في ذلك المستشعر، والأسلاك، والواجهة الأمامية التناظرية، وبرنامج إدارة المباني، والعتبات، واستجابة الإيقاف.

الجزء الأول: إنشاء خريطة المخاطر الحرارية أولاً

1.1 من أين تأتي الحرارة

تُنتج الخلايا الحرارة من خلال الفقد الأومي، والاستقطاب الكهروكيميائي، والتأثيرات الإنتروبية العكسية. ويتغير العامل الرئيسي المُساهم بتغير التيار، وحالة الشحن، ودرجة الحرارة، والتركيب الكيميائي، وعمر الخلية. وتُنتج مكونات حزمة الخلايا حرارة إضافية: مقاومة التلامس عند الوصلات الملحومة أو المثبتة بمسامير، ومقاومة الموصل في قضبان التوصيل، وفقد التبديل في ترانزستورات MOSFET والموصلات، والفقد في الصمامات والموصلات والكابلات.

نظرًا لأن توليد الحرارة يتناسب طرديًا مع التيار، فإن الأحداث عالية الطاقة قد تكشف عن مشاكل تبقى خفية أثناء اختبار معملي منخفض المعدل. قد تبقى وصلة ذات مقاومة طفيفة باردة عند 0.2 درجة مئوية، ثم ترتفع درجة حرارتها بشكل مفرط أثناء حمل نبضي. لذا، يجب أن يعكس موضع المستشعر أسوأ نمط حمل محتمل، وليس فقط التشغيل الاسمي.

1.2 أماكن تراكم الحرارة

ليست الخلية الأكثر سخونة بالضرورة هي تلك التي تتميز بأعلى كثافة تيار عند طرفها. ففي وحدة التبريد الهوائي، قد تكون الخلايا الداخلية أو الخلايا الواقعة في اتجاه التيار هي الأكثر سخونة. أما في وحدة التبريد السائل، فقد تكون المنطقة الأكثر سخونة بالقرب من مخرج سائل التبريد أو في موضع ذي تلامس ضعيف مع لوحة التبريد. وفي وحدة التبريد المغلقة، يمكن أن تُسبب الأضلاع الهيكلية والرغوة والحشوات والفراغات الهوائية الضيقة اختناقات حرارية موضعية.

استخدم المحاكاة الحرارية والنماذج الأولية المجهزة بأجهزة قياس لتحديد المواقع ذات أعلى درجة حرارة مطلقة، وأكبر تدرج حراري بين الخلايا، وأسرع معدل ارتفاع. قد تحدث هذه الشروط الثلاثة في نقاط مختلفة، وقد تتطلب أجهزة استشعار أو عتبات مختلفة.

الجزء الثاني: نقاط الضعف الشائعة في المراقبة الحرارية

2.1 الوصلات البينية والمكونات عالية التيار

قد لا يكتشف مستشعر سطح الخلية طرفًا مفكوكًا، أو لحامًا متصدعًا، أو موصلًا متآكلًا، أو موصلًا متدهورًا بالسرعة الكافية. تُسبب هذه الأعطال ارتفاعًا موضعيًا في درجة الحرارة نتيجة المقاومة، بينما تبقى الخلايا المجاورة ضمن نطاق درجة حرارتها الطبيعي. يجب أن تتضمن الحزم ذات التيار المستمر العالي، أو النبضات المتكررة، أو الاهتزازات، أو الوصلات التي يمكن صيانتها ميدانيًا، مراقبة مباشرة أو مترابطة بشكل وثيق عند أهم الوصلات.

تشمل المواقع المحتملة أطراف التوصيل الرئيسية الموجبة والسالبة، وموصلات قضبان التوزيع، وعناصر المصهرات، والموصلات، وموصلات الشحن والتفريغ، والوصلات التي يتم تحديدها من خلال تحليل انخفاض الجهد أو المقاومة. كما يمكن دمج بيانات درجة الحرارة مع اتجاهات انخفاض الجهد في التيار والموصلات لتحسين تمييز الأعطال.

2.2 الخلايا ذات الأداء الحراري الضعيف

قد يؤدي التوزيع المتساوي للمستشعرات إلى إهمال مراقبة أسوأ المواقع. قد تكون الخلية الأكثر تضررًا حراريًا في مركز الوحدة، أو نهاية مسار تدفق الهواء، أو مخرج سائل التبريد، أو زاوية الغلاف، أو بجوار عنصر عازل. ويمكن لمستشعر موضوع على خلية خارجية مناسبة أن يُقلل من قراءة درجة حرارة الخلية الداخلية بشكل ملحوظ.

يؤدي تركيب مستشعر على لوحة طرفية أو لوحة تبريد أو إطار وحدة إلى قياس درجة حرارة تلك البنية ما لم يتم تحديد خصائص المسار الحراري إلى الخلية المستهدفة. وتؤدي مقاومة التلامس والكتلة الحرارية إلى تأخير وتوهين في الإشارة. لذلك، قد يسجل نظام إدارة البطارية قيمة آمنة بينما تسخن الخلية بسرعة.

2.3 أعطال الحساسات والأسلاك

يُعاني نظام المراقبة من نقاط ضعف عند رفع المستشعر عن السطح، أو انزلاق المادة اللاصقة، أو انقطاع السلك، أو تلف الموصل، أو تشويش الإشارة بسبب الضوضاء الكهربائية. لذا، صمم نظام تشخيص للدوائر المفتوحة، والدوائر القصيرة، ودرجات الحرارة غير المنطقية، ومعدلات التغير المفرطة، والاختلافات بين القنوات المتجاورة. ولا ينبغي السماح أبدًا بأن تبدو قيمة بديلة ثابتة كقراءة صحيحة دون وجود مؤشر عطل.

الجزء 3: التوزيع حسب شكل الخلية وبنية التبريد

3.1 الخلايا الأسطوانية والمنشورية والأكياس

لا توجد قاعدة عامة تنص على ضرورة وجود مستشعر واحد لكل ثلاث خلايا. يعتمد الحد الأدنى لعدد القنوات على التوصيل الحراري، وهندسة الخلية، وتصميم التبريد، وملف تعريف التيار، واستراتيجية احتواء الأعطال، والتغطية التشخيصية المطلوبة، ودقة أي نموذج تقدير. لا ينبغي تطبيق قاعدة مستمدة لسلسلة واحدة من الخلايا الأسطوانية تلقائيًا على وحدة موشورية أو كيسية.

3.2 تغطية على مستوى العبوة

على مستوى المجموعة، يتم تخصيص قنوات لمناطق الخلايا التمثيلية، والأجهزة التي تحمل التيار، وحدود نظام التبريد، والظروف المحيطة. قد تحتاج المجموعات ذات الوحدات المتوازية إلى تغطية متقاربة في كل فرع حتى لا يتم إخفاء أي عطل محلي في التبريد أو الاتصال بواسطة متوسط ​​طبيعي في مكان آخر.

استخدم بنية BMS و PCM يجب أن يدعم نطاق القياس المطلوب، ودقة القناة، والترشيح، والتشخيص، ووقت الاستجابة. في حال استخدام قنوات متعددة الإرسال، تأكد من أن فترة أخذ العينات سريعة بما يكفي لرصد أسرع حدث حراري موثوق.

الجزء 4: اختيار وتركيب الحساس

4.1 مقاييس درجة الحرارة السالبة، ومقاييس درجة الحرارة المقاومة، والمزدوجات الحرارية

تُعدّ الثرمستورات ذات معامل درجة الحرارة السالب (NTC) شائعة الاستخدام في حزم البطاريات الإنتاجية نظرًا لصغر حجمها واستجابتها السريعة وتكلفتها الاقتصادية. توفر أجهزة قياس درجة الحرارة المقاومة (RTDs) استقرارًا وخطية جيدين، ولكنها تتطلب عادةً معالجةً أكبر للإشارة. تغطي المزدوجات الحرارية نطاقًا واسعًا وتُعدّ مفيدةً أثناء اختبارات التطوير، على الرغم من أن تعويض الوصلة الباردة ومعالجة الإشارات منخفضة المستوى تجعلها أقل شيوعًا في المراقبة الروتينية للخلايا المدمجة.

اختر التقنية المناسبة من بين نطاق درجة الحرارة المطلوب، والدقة، وزمن الاستجابة، والانحراف طويل الأمد، والعزل، والتغليف، وطول الأسلاك، وتصميم مدخلات نظام إدارة البطارية. إن دقة المستشعر المعلنة ليست سوى جزء من هامش الخطأ؛ إذ يمكن أن يتسبب التركيب والتأخر الحراري في خطأ أكبر من خطأ عنصر المستشعر نفسه.

4.2 التركيب والوصل الحراري

يجب أن يحافظ المستشعر على اتصال متكرر دون إتلاف عازل الخلية أو إنشاء مسار موصل. حدد المادة اللاصقة، والشريط اللاصق، والمشبك، وطبقة العزل، وضغط التلامس، وعملية المعالجة، وتفاوتات الوضع المسموح بها. اختبر قوة الالتصاق بعد دورات التبريد والتسخين، والرطوبة، والاهتزاز، وتغير أبعاد الخلية.

قد يؤدي استخدام طبقة سميكة من مادة لاصقة أو رغوة إلى إبطاء الاستجابة. وقد يُبلغ المستشعر الذي يلامس خلية ساخنة وعنصرًا هيكليًا باردًا عن درجة حرارة مختلطة. تحقق من زمن الاستجابة في التجميع النهائي، وليس فقط في الهواء الطلق. بالنسبة للوحدات القابلة للصيانة، اجعل إجراءات الاستبدال وتوجيه المستشعر واضحة لا لبس فيها.

4.3 سلامة الأسلاك والإشارة

وجّه أسلاك المستشعرات منخفضة المستوى بعيدًا عن الموصلات عالية التيار، ونقاط التبديل، وخطوط الاتصال ذات التشويش. استخدم التوجيه الزوجي المناسب، والترشيح، والحماية، وتخفيف الإجهاد، والعزل. تأكد من القراءات أثناء أقصى تيار للشحن والتفريغ، وتبديل الموصل، وتشغيل الشاحن، واختبار المناعة الكهرومغناطيسية.

بالنسبة للأسلاك الطويلة، يجب تضمين مقاومة الأسلاك ومقاومة الموصلات في تحليل خطأ القياس. ينبغي لنظام إدارة المباني (BMS) التمييز بين حدث حراري حقيقي وعطل في الأسلاك، ونقل النظام إلى حالة آمنة محددة عندما تكون معلومات درجة الحرارة غير موثوقة.

الجزء الخامس: التحقق من صحة منطق التموضع والحماية

5.1 المحاكاة واختبار النماذج الأولية المجهزة بأجهزة قياس

استخدم المحاكاة لتحديد التدرجات المحتملة، ثم تحقق منها باستخدام نموذج أولي مُجهز بأجهزة قياس دقيقة. يمكن أن تشمل أجهزة القياس المستخدمة في التطوير عددًا أكبر من المزدوجات الحرارية مقارنةً بتصميم الإنتاج، والتصوير الحراري حيثما يكون خط الرؤية متاحًا، وقياسات سائل التبريد، وقياسات انخفاض الجهد عبر الوصلات الحرجة.

اختبر التشغيل الطبيعي والأعطال المحتملة عند حدود حالة الشحن، ودرجة الحرارة المحيطة، والتيار، وتدفق الهواء أو سائل التبريد، وتفاوتات التصنيع، والتقادم. يشمل ذلك انسداد تدفق الهواء، وانخفاض أداء المضخة، وضعف التوصيل الحراري، والوصلات المقاومة، وتعطل الحساسات، وانقطاع الأسلاك حيثما تشكل هذه العوامل مخاطر محتملة.

5.2 العتبات، ومعدل الارتفاع، واستجابة النظام

قد لا تُجدي حدود درجة الحرارة القصوى وحدها نفعًا. لذا، ينبغي مراعاة حدود معدل ارتفاع درجة الحرارة، وفروقات درجات الحرارة بين الخلايا أو الوحدات المتشابهة، والاختلاف بين مستشعر أحد المكونات ومستشعرات الخلايا المجاورة. يجب أن تراعي العتبات عدم دقة القياس والتأخر الحراري مع تجنب حالات الفصل غير المرغوب فيها.

تحقق من الاستجابة الكاملة: التحذير، وخفض التيار، وقطع الشحن أو التفريغ، وفتح الموصل، وإرسال الإنذار، وتسجيل الأحداث، وسلوك الاستعادة. يجب اختيار معايير السلامة الوظيفية ومعايير المنتج بما يتناسب مع التطبيق الفعلي. بالنسبة للمنتجات الطبية، والروبوتات، والأمن، والبنية التحتية، والمنتجات الصناعية، يجب أن تربط دراسة السلامة كل عطل حراري محتمل باستجابة تحكم أو حماية مُثبتة.

خاتمة

يُعدّ رصد درجة الحرارة بدقة مهمة تصميم نظام، وليس مجرد عملية عدّ للمقاومات الحرارية. يجب تحديد أماكن توليد الحرارة وتراكمها وكيفية حدوث الأعطال؛ ثم وضع أجهزة الاستشعار في مواقع تمثيلية وحساسة للسلامة. يجب التحقق من صحة التركيب الميكانيكي، وسلسلة الإشارات، والتشخيص، والعتبات، واستجابة نظام إدارة البطارية في حزمة البطارية الكاملة. Large Power يمكن أن تدعم حلول بطارية الليثيوم المخصصة مع متطلبات الاستشعار الحراري الخاصة بالتطبيق، وتصميم نظام إدارة المباني، وتكامل الحاوية، والتحقق من الصحة.

الأسئلة الشائعة

أين ينبغي وضع مستشعر درجة الحرارة على خلية بطارية الليثيوم؟

ضعها في الموقع السطحي الموضح في الخريطة الحرارية لتمثيل درجة حرارة الخلية الأكثر عرضة للخطر. اعتمادًا على شكل الخلية ونظام التبريد، قد يكون هذا الموقع بالقرب من طرف توصيل، أو على سطح عريض، أو على سطح داخلي للخلية، أو بالقرب من مخرج سائل التبريد. لا تعتمد موقعًا واحدًا على جميع التصاميم.

كم عدد مستشعرات درجة الحرارة التي تحتاجها وحدة البطارية؟

لا توجد نسبة موحدة لعدد الخلايا لكل مستشعر. يتم تحديد العدد بناءً على التدرجات الحرارية، وبنية التبريد، وشكل الخلية، وملف تعريف التيار، وتغطية الأعطال، وقدرة قناة نظام إدارة البطارية، ونتائج التحقق.

هل ينبغي أن تحتوي قضبان التوصيل والموصلات على أجهزة استشعار مخصصة؟

استخدم أنظمة مراقبة مخصصة أو متصلة بشكل وثيق عندما يشكل ارتفاع درجة حرارة الوصلات خطرًا حقيقيًا ولا تستطيع أجهزة استشعار الخلايا القريبة اكتشافه بالسرعة الكافية. وتستحق الوصلات ذات التيار العالي أو الاهتزاز العالي أو الوصلات القابلة للصيانة عناية خاصة.

هل يمكن لجهاز استشعار مثبت على لوحة طرفية أن يمثل درجة حرارة الخلية؟

لا يُشترط ذلك إلا إذا أظهرت الاختبارات أن قراءة اللوحة تتبع الخلية المستهدفة بدقة مقبولة وزمن استجابة مناسب عبر نطاق التشغيل الكامل. يمكن لمقاومة التوصيل الحراري أن تؤخر وتقلل من ارتفاع درجة الحرارة المقاسة.

كيف ينبغي لنظام إدارة المباني (BMS) أن يكتشف عطل مستشعر درجة الحرارة؟

راقب الدوائر المفتوحة والقصيرة، والقيم غير المنطقية، ومعدل التغير غير الواقعي، والاختلاف مع القنوات ذات الصلة. حدد استجابة آمنة في حالة فقدان بيانات درجة الحرارة أو عدم موثوقيتها.