هل تعلم أن نظام إدارة البطاريات (BMS) يحمي الخلايا من الظروف الخطرة التي قد تُسبب ارتفاعًا حراريًا واحتراقًا؟ هذه التقنية الحيوية تحمي مجموعات البطاريات الحديثة، خاصةً تلك التي تحتوي على خلايا أيونات الليثيوم. تتميز هذه الخلايا بأعلى كثافة طاقة، ولكنها تحتاج إلى مراقبة دقيقة.ليثيوم أيون
يتتبع نظام إدارة البطارية (BMS) الجهد والتيار ودرجة الحرارة لضمان تشغيل البطاريات بأمان. تستطيع هذه الأنظمة الذكية التعامل مع مجموعات بطاريات تتراوح جهدها بين أقل من 100 فولت و800 فولت، وتُعد تيارات التغذية بالغة الأهمية، إذ تبلغ 300 أمبير. لا يقتصر دور نظام إدارة البطارية على المراقبة البسيطة، بل يحمي من الشحن الزائد والتفريغ العميق، مع تحسين أداء البطارية.
يحتاج المهندسون العاملون على أنظمة إدارة بطاريات الليثيوم إلى فهمٍ جيدٍ لتوازن الخلايا. يحافظ نظام إدارة البطاريات (BMS) على توازن الشحن بين الخلايا الفردية من خلال أساليب فعالة وسلبية. هذا يُحسّن بشكلٍ كبيرٍ من عمر البطارية وكفاءتها. يمنع النظام المتوازن التدهور ويُحسّن سعة البطارية بأكملها.
في هذه المقالة، سنتعرف على كيفية عمل تقنية أنظمة إدارة البطاريات (BMS) مع أنظمة المركبات، مثل الإدارة الحرارية والبنية التحتية للشحن. علاوة على ذلك، سنتناول كيف تُحدث التحليلات التنبؤية والتعلم الآلي تغييرًا جذريًا في مشهد أنظمة إدارة البطاريات. تتيح هذه التطورات مراقبةً أكثر استباقية لصحة البطارية وأدائها.
فهم ما هو نظام إدارة البطارية (BMS)
مصدر الصورة: ResearchGate
يُعد نظام إدارة البطاريات (BMS) بمثابة العقل الإلكتروني للبطاريات الحديثة القابلة لإعادة الشحن. فهو يراقب ويتحكم في الوظائف الحيوية التي تُحسّن الأداء والسلامة. ولا يقتصر نظام إدارة البطاريات (BMS) على وحدات دوائر الحماية البسيطة (PCMs)، بل يوفر إمكانيات إدارة شاملة تُساعد على إطالة عمر البطاريات ومنع الأعطال الخطيرة.
تعريف نظام إدارة البطاريات والوظائف الأساسية
نظام إدارة البطاريات هو نظام إلكتروني يُعنى بالبطاريات القابلة لإعادة الشحن. يتتبع هذا النظام كيفية عملها، ويحسب حالتها، ويُبلغ عن البيانات، ويتحكم ببيئتها، ويساعدها على العمل بأمان طوال عمرها الافتراضي. وقد عبّر ديتر زيتشه، الرئيس التنفيذي لشركة مرسيدس، عن ذلك بقوله: "لا يكمن ذكاء البطارية في الخلية، بل في نظامها المعقد".
تتضمن الوظائف الأساسية لنظام إدارة البطاريات ما يلي:
- المراقبة والحماية - يتتبع نظام إدارة البطارية الجهد والتيار ودرجة الحرارة على مستوى الخلية والحزمة. تمنع هذه المراقبة المستمرة البطاريات من العمل خارج الحدود الآمنة، وهي خط الدفاع الأول ضد التلف أو العطل.
- تقدير حالة البطارية - يحسب النظام مقاييس البطارية الحيوية، مثل حالة الشحن (SoC) وحالة الصحة (SoH) والسعة المتبقية. تعمل حالة الصحة (SoC) كمقياس للوقود، بينما تُظهر حالة الصحة (SoH) أداء البطارية مقارنةً بحالتها الأصلية.
- موازنة الخلايا - تُنتج خلايا حزمة البطارية مستويات شحن مختلفة بمرور الوقت. يحافظ نظام إدارة البطارية (BMS) على ثبات الشحن والتفريغ، إما بتبديد الطاقة من الخلايا المشحونة بالكامل أو بنقلها بين الخلايا.
- الإدارة الحرارية - يتحكم نظام إدارة البطاريات (BMS) في أنظمة التدفئة أو التبريد للحفاظ على درجات حرارة مثالية للبطاريات. هذا مهم لأن درجات الحرارة القصوى تؤثر على أداء البطاريات ومدة عمرها.
- التواصل - تُشارك أنظمة إدارة البطاريات الحديثة بيانات التشغيل المهمة مع الأجهزة الأخرى، مما يُتيح التشخيص وتكامل النظام.
يحمي نظام إدارة البطاريات (BMS) حزمة البطاريات ويحسّنها. بدونه، قد تتعطل البطاريات القابلة لإعادة الشحن، وخاصةً بطاريات أيونات الليثيوم، مبكرًا وقد تصبح خطرة.
أهمية نظام إدارة البطاريات (BMS) في بطاريات الليثيوم أيون
تُعد بطاريات الليثيوم أيون رائدة في سوق تطبيقات الطاقة العالية بفضل كثافتها العالية من الطاقة. إلا أن هذه المزايا تنطوي على مخاطر تتطلب إدارةً دقيقةً. إن نظام إدارة البطاريات (BMS) المُصمم جيدًا ليس مفيدًا فحسب، بل هو أساسيٌّ لتشغيل بطاريات الليثيوم أيون.
السلامة هي الدافع وراء الحاجة إلى نظام إدارة البطارية (BMS) في بطاريات أيونات الليثيوم. هذه البطاريات لا تتحمل الظروف خارج نطاقها الآمن جيدًا. فهي قد تشتعل أو تنفجر في حال الشحن الزائد أو التفريغ الزائد أو التعرض لتيارات عالية أو استخدامها في درجات حرارة عالية. يُسمى هذا التسرب الحراري. يُضيف نظام إدارة البطارية (BMS) طبقات حماية إضافية من خلال مراقبة القياسات الرئيسية وإيقاف تشغيل البطارية في حال تجاوز الحدود المسموح بها.
يُساعد نظام إدارة البطارية (BMS) أيضًا على إطالة عمر البطاريات. فهو يُوازن الخلايا بحيث لا تُؤثر الخلايا الأضعف على أداء البطارية أو تتلف بشكل أسرع. ومن خلال منع التفريغ العميق والشحن الزائد، يحمي النظام من الأسباب الشائعة لفقدان السعة بشكل دائم.
تتطلب بطاريات أيون الليثيوم تحكمًا دقيقًا. تعمل معظم خلايا الليثيوم بجهد يتراوح بين 10.5 و14.8 فولت. لا يمكن شحنها بأقل من 0 درجة مئوية أو أعلى من 55 درجة مئوية، وتعمل بكفاءة فقط بين -20 و60 درجة مئوية. يفرض نظام إدارة البطارية (BMS) هذه الحدود بدقة لضمان سلامة جميع الأجهزة.
قياس الطاقة المتبقية في البطاريات ليس ببساطة فحص خزان الوقود. يستخدم نظام إدارة البطاريات (BMS) خوارزميات متقدمة لتحديد حالة الشحن (SoC) وحالة السعة (SoH). ولا يزال ابتكار تقنيات قياس دقيقة يمثل تحديًا في هذا المجال.
تتطور أنظمة إدارة البطاريات بوتيرة متسارعة. ومع تطور تكنولوجيا البطاريات وظهور مواد وكيمياء جديدة، لا بد من نمو قدرات أنظمة إدارة البطاريات. فهي بحاجة إلى مواجهة تحديات جديدة مع التحكم الدقيق في أنظمة البطاريات المعقدة.
المكونات الرئيسية لنظام إدارة البطارية
مصدر الصورة: موسوعة.pub
يحتاج نظام إدارة البطاريات (BMS) الجيد إلى مكونات مادية تعمل معًا لمراقبة أداء البطارية وحمايته وتحسينه. تعمل هذه المكونات بمثابة عيون وآذان للنظام، حيث تجمع بيانات حيوية تساعد في اتخاذ قرارات ذكية بشأن سلامة البطارية وطول عمرها.
دوائر مراقبة الجهد
تتتبع دوائر مراقبة الجهد فرق الجهد بين الخلايا الفردية في حزمة البطارية. تقيس هذه الدوائر فرق الجهد حتى يتمكن نظام إدارة البطارية (BMS) من الحفاظ على المستويات المناسبة لضمان السلامة والكفاءة. تُظهر تجربتي أن المراقبة الدقيقة للجهد تُمكّن نظام إدارة البطارية من تحقيق موازنة أساسية للخلايا، مما يضمن توزيعًا متساويًا للشحنات في جميع الخلايا.الجهد مع دقة عالية
تحسب أجهزة المراقبة هذه حالة الشحن (SOC) وتحمي من الشحن الزائد الضار أو ظروف التفريغ العميق. تستخدم معظم دوائر مراقبة الجهد محولات تناظرية إلى رقمية متخصصة يمكنها قياس جهد عدة خلايا في آن واحد بدقة عالية.
غالبًا ما تقيس مُضخِّمات التشغيل التفاضلية جهد كل خلية على حدة. تُقارن هذه المُضخِّمات الجهد بين طرفين - عاكس وغير عاكس - وتُضخِّم الفرق. يستخدم نظام إدارة البطارية (BMS) هذه القراءات الدقيقة للجهد لاتخاذ قرارات التحكم.
وحدات استشعار التيار
تقيس وحدات استشعار التيار الكهربائي المتدفق داخل وخارج حزمة البطارية. وتعمل مع المصهر الرئيسي لحماية الحزمة بأكملها من التيار الزائد. تساعد مراقبة التيار على:
- حساب حالة الشحنة من خلال العد الكولومبي
- اكتشاف مشاكل مثل التيار الزائد أو الدوائر القصيرة
- التحقق من صحة البطارية والسعة المتبقية
- الحفاظ على العمليات ضمن حدود الأمان للبطارية
تستخدم أنظمة إدارة البطاريات الحديثة بشكل أساسي تقنيتين لاستشعار التيار:
تتراوح مقاومات التحويل بين 25 و100 ميكرو أوم في تطبيقات السيارات الكهربائية، وتوفر دقةً واتساقًا ممتازين. تتحمل هذه الأجزاء منخفضة المقاومة التيارات العالية مع الحفاظ على أدنى حد من فقدان الطاقة. أما مستشعرات تأثير هول، فتُقدم نهجًا مختلفًا، حيث تعزل دائرة الاستشعار عن مسار التيار، وتقيس التيارين المتردد والمستمر دون توصيل كهربائي مباشر.
تحتاج المركبات الكهربائية إلى مستويات تيار مختلفة للشحن والتفريغ. تتراوح تيارات الشحن عادةً بين 0 و100 أمبير، بينما قد تصل تيارات التفريغ إلى 2,000 أمبير. وتتعامل وحدة استشعار التيار مع هذا النطاق الواسع بدقة.
أجهزة استشعار درجة الحرارة ووحدات الإدارة الحرارية
تُكمّل مستشعرات درجة الحرارة المكونات الأساسية في نظام إدارة البطارية (BMS) الكامل، وذلك بمراقبة الظروف الحرارية في جميع أنحاء حزمة البطارية. تُولّد البطاريات حرارة أثناء التشغيل، وتؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على كفاءتها. وهذا يجعل المراقبة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أفضل أداء.
قد تُسبب الحرارة الزائدة هروبًا حراريًا، وهو وضع خطير قد يؤدي إلى تلف البطارية أو نشوب حرائق. لمنع ذلك، تُثبَّت أجهزة قياس الحرارة (الثرموكوبل) أو الثرمستورات ذات معامل درجة الحرارة السالب (NTC) في نقاط رئيسية من حزمة البطارية.
غالبًا ما تستخدم تصميمات أنظمة إدارة البطاريات (BMS) الثرمستورات NTC نظرًا لحساسيتها ودقتها وفعاليتها من حيث التكلفة وكفاءتها في مختلف البيئات الفيزيائية. تُظهر هذه الأجزاء نمطًا غير خطي متناقصًا أسيًا للمقاومة/درجة الحرارة، يقيسه نظام إدارة البطاريات (BMS) عبر شبكات مقسم الجهد.
تحتاج البطاريات الكبيرة إلى مستشعرات حرارة متعددة لأن الحرارة لا تنتشر بالتساوي. تساعد بيانات المستشعر نظام إدارة البطارية (BMS) على اتخاذ إجراءات، مثل تشغيل أنظمة التبريد أو تعديل معدلات الشحن والتفريغ، للحفاظ على درجات حرارة آمنة.
تعمل بطاريات أيون الليثيوم بشكل أفضل بين ١٥ و٣٥ درجة مئوية. ويعمل نظام إدارة البطارية (BMS) جاهدًا للحفاظ على البطارية ضمن هذا النطاق مهما كانت درجة الحرارة الخارجية.
شرح هياكل نظام إدارة البطارية
تُحدد بنية نظام إدارة البطاريات كيفية اتصال مكوناته وتفاعلها معًا في حزمة البطارية. تؤثر خيارات التصميم على موثوقية النظام وقابليته للتوسع وقدراته على الأداء. مع ازدياد تعقيد أنظمة البطاريات، أصبح اختيار البنية أمرًا بالغ الأهمية لضمان التشغيل الآمن والأمثل.
تصميم نظام إدارة المباني المركزي
يستخدم نظام إدارة البطاريات المركزي وحدة تحكم واحدة لمراقبة جميع خلايا حزمة البطارية. تتصل وحدة التحكم الرئيسية مباشرةً بكل خلية أو وحدة بطارية عبر أسلاك توصيل مخصصة. تتولى هذه الوحدة المركزية مهام مراقبة الجهد، واستشعار درجة الحرارة، والموازنة، والحماية.
تتميز التصاميم المركزية بالبساطة وتوفير التكاليف. فاستخدام وحدة تحكم واحدة يجعلها مدمجة الحجم وأقل تكلفة من التكوينات الأخرى. تستخدم العديد من أنظمة البطاريات الأصغر حجمًا ذات الخلايا القليلة أنظمة إدارة بطاريات مركزية. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك الدراجات الكهربائية والسكوتر والمركبات الكهربائية الخفيفة.
تأتي هذه التصميمات مع العديد من القيود:
- تحتاج مجموعات البطاريات الكبيرة إلى توصيلات معقدة لكل خلية
- إن زيادة المنافذ والاتصالات تجعل الصيانة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها أكثر صعوبة
- لا يمكن زيادة سعة البطارية بسهولة
- يصبح المتحكم المركزي نقطة فشل واحدة - ويؤثر عطله على النظام بأكمله
لا تزال التصاميم المركزية شائعة حيثما تكون إدارة البطارية البسيطة والاقتصادية هي الأمثل. تستخدم سيارة تيسلا موديل S نظام إدارة بطاريات مركزيًا. تعالج وحدة تحكم واحدة بيانات خلية البطارية لإدارة دورات الشحن والتفريغ بكفاءة.
طوبولوجيات BMS المعيارية والموزعة
تُقسّم البنى المعيارية والموزعة وظائف المراقبة والتحكم بين وحدات متعددة. وتختلف هذه الأساليب في تنفيذها وقدراتها.
تنقسم أنظمة إدارة البطاريات المعيارية إلى عدة وحدات متشابهة. تراقب كل وحدة خلايا البطاريات المخصصة لها عبر أسلاك مخصصة. غالبًا ما تنسق وحدة تحكم رئيسية أنشطة هذه الوحدات. يُسهّل ذلك اكتشاف الأعطال وإصلاحها في النظام وصيانته. يمكن زيادة حجم حزم البطاريات بسهولة. هذه المرونة أعلى تكلفة من التصاميم المركزية.
تُعزز هياكل أنظمة إدارة البطاريات الموزعة اللامركزية. تُثبّت لوحات التحكم مباشرةً على الخلايا أو الوحدات المُراقَبة. يتطلب هذا الإعداد الحد الأدنى من أسلاك الاستشعار والاتصال بين الوحدات. يستمر النظام في العمل حتى في حال تعطل أحد المكونات، لأن كل جزء يعمل بشكل مستقل. تستخدم سيارة BMW i3 بنية نظام إدارة بطاريات معيارية. تحتوي حزمة بطارياتها على وحدات منفصلة مع وحدات إدارة بطاريات مستقلة، يمكن للفنيين صيانتها بشكل منفصل.
يعمل كلا التصميمين بكفاءة عندما تحتاج الأنظمة إلى التوسع أو الحفاظ على موثوقيتها. تتألق الأنظمة الموزعة في تطبيقات الجهد العالي. تحتاج أنظمة تخزين طاقة الشبكة، وتطبيقات الفضاء الجوي، والمركبات الكهربائية إلى هذا التسامح مع الأعطال.
أنظمة إدارة البطاريات الأساسية/الثانوية
تجمع بنية نظام إدارة المباني الأساسي/التابع (وتُسمى أيضًا الرئيسي/التابع) بين عناصر تصميم مركزية ووحداتية. تعمل وحدة التحكم الأساسية مع وحدات فرعية متعددة.
يبدو هذا التصميم كطوبولوجيا معيارية، ولكنه يعمل بشكل مختلف. ترسل الوحدات الفرعية بيانات القياس إلى الوحدة الرئيسية، ولا تُجري الكثير من العمليات الحسابية أو التحكم. تتولى وحدة التحكم الرئيسية الحسابات المعقدة، وقرارات التحكم، والاتصالات الخارجية. أما الوحدات الفرعية الأبسط، فتُكلف أقل وتتطلب تكاليف تشغيلية أقل.
يوازن تصميم النظام بين البساطة المركزية والمرونة المعيارية. فهو أقل تكلفة من الأنظمة المعيارية بالكامل، لأن الوحدات الفرعية تؤدي عملاً أقل. ولا يزال النظام قادرًا على التوسع بشكل معقول مع الحفاظ على بساطة مكوناته الفردية.
بعض التطبيقات تعمل بشكل أفضل مع هذا النهج المتوازن. فهو يُحسّن الأداء من الأنظمة المركزية دون التكلفة الكاملة للبنية الموزعة. تُظهر سيارة نيسان ليف كيفية عمل طوبولوجيا نظام إدارة البطاريات الموزع. تُدير وحدات تحكم فردية كل وحدة بطارية، مما يُحسّن كفاءة النظام وسلامته من خلال إدارة دقيقة على مستوى الوحدة.
يختار المهندسون بنية نظام إدارة البطاريات (BMS) بناءً على احتياجات تطبيقاتهم، وحجم البطارية، ومتطلبات التكرار، والميزانية. يقدم كل تصميم مزايا وحلولاً فريدة تتوافق مع متطلبات النظام.
المواد والطرق لتطوير BMS
يتطلب نظام إدارة البطاريات الفعال مكونات برمجية وأجهزة متخصصة مختارة بعناية. تُشكل وحدات التحكم الدقيقة عالية الأداء، وبروتوكولات الاتصال الموثوقة، وعناصر التبديل المرنة أسس حلول أنظمة إدارة البطاريات الفعالة.
وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) والدوائر المتكاملة (ICs)
يحتوي كل نظام إدارة بطاريات على وحدة تحكم دقيقة تعمل بمثابة العقل الحاسوبي. تدير هذه المعالجات المتخصصة وظائف نظام إدارة البطاريات الأساسية، مثل مراقبة الخلايا، وخوارزميات الموازنة، وآليات حماية السلامة. يعتمد اختيار وحدة التحكم الدقيقة على احتياجات التطبيق المحددة.
تستخدم تطبيقات السيارات والتطبيقات الصناعية التي تتطلب أداءً متقدمًا وامتثالًا للسلامة وحدات تحكم دقيقة مثل MPC5775B وMPC5775E من NXP. توفر هذه الوحدات ميزات أساسية تشمل وحدات أمان الأجهزة ودرجات حرارة تتراوح بين -40 درجة مئوية و125 درجة مئوية، مما يجعلها مثالية للبيئات القاسية.دعم ASIL D مع ذاكرة فلاش سعة 4 ميجا بايت وسرعات تشغيل تتراوح بين 220 و264 ميجا هرتز
تختلف متطلبات MCU وفقًا لتعقيد نظام البطارية:
- أنظمة منخفضة التعقيد: تستخدم أنظمة إدارة البطاريات الصغيرة وحدات تحكم دقيقة مُحسّنة التكلفة واستهلاكًا منخفضًا للطاقة. تجمع هذه الأنظمة بين وظائف متعددة لخفض التكلفة الإجمالية للنظام.
- الأنظمة متوسطة التعقيد: تعمل الأنظمة التي تحتوي على 1-6 خلايا بشكل أفضل مع وحدات التحكم الدقيقة التي تدعم واجهات الاتصال الكاملة بما في ذلك I2C وSPI وUART
- الأنظمة عالية التعقيد: تحتاج تطبيقات الخلايا المكونة من 6 إلى 23 خلية (الأدوات الكهربائية، والتنقل الإلكتروني) إلى وحدات تحكم دقيقة ذات أداء عالٍ وأجهزة محيطية أفضل
تعمل دوائر إدارة البطاريات المتكاملة (ICs) جنبًا إلى جنب مع وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) من خلال توفير وظائف متخصصة. على سبيل المثال، انظر دوائر إدارة البطاريات المتكاملة من Infineon التي تراقب وتوازن ما يصل إلى 12 خلية في مجموعات بطاريات أيون الليثيوم. تقيس هذه الدوائر جهد الخلية ودرجة حرارتها، وتتيح اتصالًا معزولًا بوحدة التحكم الرئيسية. تعمل هذه الدوائر المتكاملة بكفاءة في تطبيقات السلامة حتى ASIL-D، وهي متوافقة مع معايير ISO 26262.
بروتوكولات اتصال ناقل CAN
يُعدّ ناقل CAN بروتوكول الاتصال الأكثر شيوعًا لأنظمة إدارة البطاريات، خاصةً في تطبيقات السيارات. يعمل هذا البروتوكول بسرعات بيانات تتراوح بين 250 و500 كيلوبت في الثانية، ويستخدم مُعرّفات إطارات موسعة لضمان تدفق بيانات موثوق بين مكونات نظام إدارة البطاريات.
يتبع بروتوكول CAN Bus في تطبيقات BMS تنفيذات محددة:
- يستخدم معرفات 29 بت في تنسيق الإطار الموسع
- تم تحديد أولويات هياكل الرسائل مع عناوين المصدر والوجهة المحددة
- يدعم الاتصالات متعددة الأسياد حيث يمكن للعقد المختلفة الإرسال على نفس الناقل
- يتضمن آليات واسعة النطاق للكشف عن الأخطاء وتصحيحها
يُلغي تصميم البروتوكول متعدد المراكز الحاجة إلى عقدة رئيسية مخصصة. وهذا يُنشئ نظامًا أكثر استقرارًا ومقاومةً للأخطاء، ويستمر في العمل حتى في حال تعطل إحدى العقد. هذه الميزة تجعل ناقل CAN مثاليًا للتطبيقات ذات الأهمية الأمنية القصوى حيث تكون موثوقية الاتصالات بالغة الأهمية.
يجب على فرق تطوير أنظمة إدارة المباني (BMS) مراجعة متطلبات السرعة، والمسافة المادية بين المكونات، ودعم التوصيلات المتعددة، والتكلفة، واستهلاك الطاقة عند اختيار بروتوكول اتصال. عادةً ما يكون ناقل CAN الخيار الأمثل للمشاريع التي تتطلب موثوقية عالية في البيئات الصاخبة كهرومغناطيسيًا.
MOSFETs للطاقة للتبديل والحماية
تتحكم ترانزستورات MOSFET للطاقة في مسارات الشحن والتفريغ في أنظمة إدارة البطاريات، مع توفير الحماية من حالات الأعطال. تتصل هذه الأجهزة شبه الموصلة على التوالي بين حزمة البطارية وحمل الخرج، بواسطة دوائر متكاملة (ICs) مخصصة تتحكم في تشغيلها.
تستخدم تطبيقات BMS نوعين رئيسيين من MOSFET:
- MOSFETs ذات القناة N: تعمل هذه الأجهزة بكفاءة أكبر بسبب مقاومتها المنخفضة للتشغيل (RDS(on)) ولكنها تحتاج إلى دوائر قيادة أكثر تعقيدًا
- MOSFETs ذات القناة P: لديها متطلبات تشغيل أبسط ولكن كفاءتها أقل من البدائل ذات القناة N بسبب مقاومة التشغيل الأعلى
يتطلب تطبيق نظام إدارة البطاريات (BMS) اختيارًا دقيقًا لترانزستورات MOSFET بناءً على معايير رئيسية. يجب أن يتحمل تصنيف الجهد ظروف الجهد الأقصى، بينما يجب أن يتجاوز تصنيف التيار أعلى تيار متوقع لضمان التشغيل الآمن. تساعد قيم المقاومة المنخفضة على تقليل فقد الطاقة وتعزيز الكفاءة أثناء التشغيل.
يعتمد اختيار ترانزستورات MOSFET بشكل كبير على الإدارة الحرارية. يجب أن تبقى ترانزستورات MOSFET في تطبيقات أنظمة إدارة المباني (BMS) أقل من 65 درجة مئوية في البيئات العادية. يمكن أن يُساعد تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) على زيادة مساحة النحاس وإضافة فتحات تبديد الحرارة بالقرب من نقاط تركيب ترانزستورات MOSFET لتحسين تبديد الحرارة.
آليات حماية البطارية في أنظمة بطاريات BMS
مصدر الصورة: ملخص الدائرة
السلامة هي الأولوية القصوى في تطبيقات بطاريات الليثيوم أيون. تُعدّ آليات الحماية ضماناتٍ حيويةً ضد المخاطر المحتملة. يستخدم نظام إدارة البطاريات المُصمّم جيدًا طبقات حماية متعددة لضمان تشغيل البطاريات بأمان في جميع الظروف.
حماية من الجهد الزائد والجهد المنخفض
تراقب دوائر حماية الجهد في نظام إدارة البطارية جهد العبوة وجهد الخلايا الفردية باستمرار. وتُظهر تجربتي أن تحديد عتبات الجهد بدقة أمر بالغ الأهمية للحفاظ على صحة البطارية وسلامتها.
يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) الجهد كل مللي ثانية للحماية من الجهد الزائد. يفصل النظام دائرة الشحن أو يُخفّض تيار الشحن فورًا عند اكتشاف جهد زائد. تُعدّ هذه الحماية مهمةً نظرًا لدخول جهد زائد إلى القطب السالب، مما قد يُشوّه بنية القطب الموجب ويُسبّب نموًا شجيريًا خطيرًا.قد يؤدي الشحن الزائد إلى هجرة أيونات الليثيوم
تعمل حماية انخفاض الجهد كحماية احتياطية تمنع تفريغ البطاريات دون الحدود القصوى - عادةً ٢.٥ فولت أو ٣.٢ فولت، وذلك بناءً على كيمياء الخلية. تمنع هذه الحماية حالات التفريغ العميق التي تُسبب تلفًا دائمًا وفقدانًا للسعة. يقطع نظام إدارة البطارية (BMS) الحمل لمنع أي تفريغ إضافي عند انخفاض الجهد عن الحد الأقصى المُحدد مسبقًا.
حماية من التيار الزائد والدائرة القصيرة
يوفر نظام إدارة البطاريات (BMS) نوعين متصلين من الحماية من التيار: الحماية من التيار الزائد والحماية من قصر الدائرة. تساعد المراقبة الفورية للتيار النظام على اكتشاف المشاكل قبل أن تتحول إلى مواقف خطيرة.
يراقب نظام حماية التيار الزائد تدفق التيار ويُفعّل إجراءات وقائية عند تجاوزه الحدود المسموح بها. تفصل معظم الأنظمة ترانزستورات تأثير الحقل (FETs) التفريغية عبر الأجهزة بدلاً من البرامج عند اكتشاف تيار زائد. استجابات البرامج ليست سريعة بما يكفي لمنع التلف.
تتطلب الحماية من قصر الدائرة أزمنة استجابة فائقة السرعة تتراوح بين ٢٥٠ و٥٠٠ ميكروثانية. تُنشئ دوائر القصر مسارًا مباشرًا بمقاومة ضئيلة، مما يُسبب ارتفاعات مفاجئة في التيار. يجب على نظام إدارة البطارية (BMS) فصل البطارية فورًا لمنع الأعطال الكارثية. يجب تحديد عدد ترانزستورات MOSFET بدقة بناءً على تيار قصر الدائرة المحتمل. قد يتعطل زوج واحد من ترانزستورات FET، لكن أربعة أزواج منها كفيلة بإيقاف تدفق التيار الخطير بفعالية.
استراتيجيات منع الانفلات الحراري
يُعدّ الانفلات الحراري أحد أخطر أسباب فشل أنظمة أيونات الليثيوم. يتطلب هذا التفاعل المتسلسل من الأحداث المُولِّدة للحرارة مراقبة دقيقة من خلال أجهزة استشعار درجة الحرارة الموضوعة بعناية.
تعتمد استراتيجيتي لمنع الهروب الحراري على طبقات حماية متعددة:
- المراقبة النشطة: يتتبع نظام إدارة المباني (BMS) بيانات درجة الحرارة على مستوى الخلية باستخدام الثرمستورات NTC بين الخلايا، وعلى مكونات الطاقة، ولوحة نظام إدارة المباني (BMS)
- الكشف المبكر: يوفر مراقبة الغاز المنبعث تحذيرات مبكرة من خلال اكتشاف انبعاث الغاز قبل حدوث الأحداث الحرارية
- الفصل الوقائي: يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) بفصل قاطع الدائرة المضمنة عند اكتشاف ارتفاعات خطيرة في درجة الحرارة
يضمن النهج التفصيلي الذي يجمع بين تقنيات المراقبة الدقيقة وأنظمة التحذير ودوائر الحماية الآلية التشغيل الآمن لأنظمة بطاريات الليثيوم في جميع الظروف.
إدارة القدرة وتقنيات موازنة الخلايا
مصدر الصورة: هاكاترونيك
غالبًا ما تواجه مجموعات البطاريات مشاكل في توازن الخلايا، حيث تُظهر كل خلية مستويات شحن مختلفة بمرور الوقت. تُسبب اختلافات التصنيع، ومعدلات التفريغ الذاتي، وظروف التشغيل هذه الاختلافات. يمكن أن يختلف الفرق بين الخلايا بناءً على الاستخدام والعمر. يُساعد توازن الخلايا على إدارة السعة وتحسين أداء البطارية وعمرها الافتراضي.3٪ إلى٪ 6
الموازنة السلبية باستخدام المقاومات التحويلية
يُحقق التوازن السلبي توازنًا بين الخلايا بتحويل الطاقة الزائدة من الخلايا ذات الشحنة الأعلى إلى حرارة عبر المقاومات. يستخدم المهندسون نهجين رئيسيين: مقاومات تحويلية ثابتة ومقاومات تحويلية مُبدّلة. تستخدم أنظمة التحويل التحويلي ترانزستورات تتحكم في وقت عمل المقاومات. بعد ذلك، يُمكن لنظام إدارة البطارية (BMS) تفريغ خلايا مُحددة بجهد أعلى حتى تتوازن جميع الخلايا.
لا تزال الموازنة السلبية شائعةً لبساطتها وسعرها المناسب. تصميم الدائرة الأساسية أقل تكلفةً من البدائل المعقدة. مع ذلك، لهذه الطريقة عيوبٌ واضحة. فالخلايا ذات الشحن العالي تُبدد كل طاقتها الزائدة على شكل حرارة، مما يُقلل من الكفاءة. كما يحتاج النظام إلى ميزات تبريد إضافية، خاصةً للاستخدامات عالية الطاقة.
التوازن النشط مع إعادة توزيع الطاقة
تختلف عملية الموازنة النشطة عن الطرق السلبية، إذ تنقل الطاقة بين الخلايا بدلاً من إهدارها. تنقل هذه الطريقة الشحنة من الخلايا الأعلى شحناً إلى الخلايا الأقل شحناً. ويحسّن هذا النظام وقت تشغيله لأنه يستخدم كامل سعة البطارية.
يأتي التوازن النشط في عدة أشكال:
- الموازنة السعوية: تقوم المكثفات بتخزين الطاقة ونقلها بين الخلايا
- الموازنة الاستقرائية: تحرك المحاثات الطاقة بينما تدير المفاتيح المتحكمة التدفق
- يعتمد على المحولات: تقوم المحولات بنقل الطاقة بين الخلايا بشكل أسرع باستخدام عدد أقل من المفاتيح
يوفر التوازن النشط حوالي 4.15% من الطاقة في كل دورة شحن/تفريغ لحزمة البطارية. يساعد النظام الخلايا الأضعف أثناء التفريغ، مما يزيد من مدة تشغيل الحزمة وسعتها القابلة للاستخدام.
تقدير حالة الشحن (SOC) وحالة الصحة (SOH)
تتطلب إدارة السعة بشكل صحيح قياسات دقيقة لحالة الشحن (SOC) وحالة الشحن (SOH). يُظهر مؤشر حالة الشحن (SOC) السعة المتبقية كنسبة مئوية تتراوح بين ٠٪ و١٠٠٪. بينما يُشير مؤشر حالة الشحن (SOH) إلى مدى كفاءة البطارية مقارنةً بحالتها الأصلية.
تحدد خوارزمية عد كولومب (CC) الأساسية قيمة SOC بجمع قياسات التيار مع مرور الوقت. تعتمد دقتها على دقة المستشعرات. يمكن للطرق الحديثة، مثل ترشيح كالمان والذكاء الاصطناعي، تقدير متوسط الخطأ المطلق بنسبة مئوية أقل من 2.05%.
يجمع تقدير حالة البطارية (SOH) بين عدة تقنيات قياس، إذ لا تُعطي أي طريقة واحدة نتائج مثالية. تفقد البطاريات سعتها وتكتسب مقاومة داخلية مع مرور الوقت. قد تفقد البطارية 20% من سعتها بينما تنمو مقاومتها الداخلية إلى 160% من قيمتها الأصلية. تُحذر تقديرات حالة البطارية الجيدة من تآكلها وتُخبرك بموعد استبدالها.
أوضاع الفشل والقيود المفروضة على أنظمة إدارة البطاريات
تتميز أنظمة إدارة البطاريات الحديثة بتصميمات متطورة، ومع ذلك، لا تزال هذه المكونات الحيوية معرضة للفشل وتؤثر سلبًا على السلامة والأداء.تحدث أعطال BMS بشكل متكرر
سيناريوهات الفشل الشائعة في أنظمة إدارة البطاريات
تتعطل أنظمة إدارة البطارية (BMS) غالبًا بسبب مشاكل في كشف الجهد، مما قد يُسبب ظروف شحن زائد خطيرة. تُظهر الأبحاث أن بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم تُصدر دخانًا عند شحنها أكثر من 5 فولت. قد تنفجر البطاريات الثلاثية في ظروف مماثلة. تحدث المشكلة الأكبر عندما تتوقف مستشعرات هول عن العمل بشكل صحيح، مما يمنع دقة قياس التيار وحساب حالة الشحن (SOC). كما تُسبب أعطال كشف درجة الحرارة مواقف خطيرة بنفس القدر، حيث ينخفض عمر البطارية عند 45 درجة مئوية إلى نصف عمره عند 25 درجة مئوية.
قد تؤدي مشكلات التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) إلى انقطاع الاتصال بين مكونات نظام إدارة البطاريات (BMS) وتسبب أعطالًا في النظام. تواجه أنظمة البطاريات التي تعاني من تشوه أو تسرب أعطالًا في مراقبة العزل، مما قد يؤدي إلى مخاطر التعرض لصدمات كهربائية.
تأثير فشل المستشعر على سلامة البطارية
تُشكّل إشارات الجهد والتيار ودرجة الحرارة أساس وظائف نظام إدارة البطارية (BMS)، مثل تقدير الحالة وتشخيص الأعطال. يؤدي تعطل المستشعرات إلى تشغيل النظام ببيانات خاطئة أو ناقصة. تستطيع الأنظمة اكتشاف أعطال مستشعرات الجهد وتحديد حجمها، لكنها تواجه صعوبة في تحديد طبيعتها بدقة.
تختلف طريقة تشخيص الأعطال باختلاف طريقة عملها. تستطيع مرشحات كالمان عديمة الرائحة اكتشاف الأعطال وعزلها، لكنها لا تستطيع تحديد حجمها وشكلها. أما طرق رصد واصف PD القائمة على المراقب فتعالج عددًا أكبر من أعطال المستشعرات، بما في ذلك مشاكل الترددات العالية والمنخفضة.
القيود في تطبيقات الجهد العالي
تحتاج أنظمة إدارة البطاريات (BMS) عالية الجهد إلى آليات حماية إضافية لحل مشاكل السلامة. وتشمل هذه الآليات الحماية من الجهد الزائد، والجهد المنخفض، والتيار الزائد، وأعطال العزل. قد تُسبب بطاريات الجهد العالي الصعق الكهربائي، والحرائق، والتسرب الحراري إذا لم تُدار بشكل صحيح.
قد لا تُنذر القياسات الحالية في نظام إدارة البطاريات (BMS) بالأعطال المُحتملة بالسرعة الكافية. كما أن مؤشرات درجة الحرارة والجهد لا تُواكب متطلبات السلامة الفعلية. وتظهر علامات التحذير أحيانًا فقط عندما تكون البطاريات على وشك الاشتعال أو في طور الاحتراق.
الاتجاهات الناشئة في أنظمة إدارة بطاريات الليثيوم
مصدر الصورة: MDPI
تتغير أنظمة إدارة البطاريات بشكل أسرع من أي وقت مضى، وهناك ثلاثة تغييرات تكنولوجية رئيسية على وشك إعادة تشكيل كيفية عمل هذه الأنظمة الحيوية وتواصلها مع محيطها.
الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي للصيانة التنبؤية
يُضيف الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي قدرات جديدة إلى أنظمة إدارة البطاريات (BMS) من خلال التحليلات التنبؤية المتقدمة. تفحص هذه التقنيات البيانات المباشرة من البطاريات، ويمكنها تقدير معايير مهمة مثل حالة الشحن (SOC) وحالة الصحة (SOH). لا تقتصر خوارزميات الذكاء الاصطناعي على المراقبة فحسب، بل يمكنها التنبؤ بأداء البطارية في ظروف مختلفة من خلال دراسة أنماط الاستخدام والعوامل البيئية.معدلات الخطأ أقل من 2.05٪
تُحلل الأنظمة المُدعّمة بالذكاء الاصطناعي البيانات باستمرار لتحديد أفضل بروتوكولات الشحن. وتأخذ هذه الأنظمة في الاعتبار عمر البطارية ودرجة حرارتها وكيفية استخدامها لتقليل إجهاد الخلية وإطالة عمرها. ويُمثّل هذا تحوّلاً من إصلاح المشاكل بعد حدوثها إلى إيقافها قبل ظهورها.
هندسة أنظمة إدارة المباني اللاسلكية
تُغني أنظمة إدارة البطاريات اللاسلكية (wBMS) عن التوصيلات الكهربائية المعقدة بين وحدات البطاريات. ويُقدم هذا النهج الجديد مزايا عديدة: وزن أخف، وحجم أصغر، وسهولة في الصيانة، ومزامنة أفضل لقياسات المستشعرات.
تُنشئ تقنية SmartMesh في نظام wBMS شبكاتٍ قادرة على إصلاح نفسها بمسارات وترددات مختلفة. تتخطى الرسائل العوائق وتتعامل مع التداخل بكفاءة. يُزامن النظام وقت كل عقدة في غضون ميكروثانية، مما يعني إمكانية مقارنة القياسات من نقاط مختلفة بدقة. يُعدّ هذا التوقيت الدقيق أمرًا بالغ الأهمية، إذ يُحسّن حسابات SOC وSOH بشكل كبير.
التكامل مع الشبكات الذكية وأجهزة إنترنت الأشياء
تتوافق إمكانيات إنترنت الأشياء مع أنظمة إدارة البطاريات لإنشاء تدفقات بيانات مستمرة من البطاريات في كل مكان. هذا يمنحنا صورة واضحة عن أدائها واستهلاكها. يتيح هذا الاتصال مشاهدة القياسات المهمة والتنبؤ بما قد يحدث لاحقًا.
يمكن لتطبيقات الشبكة الذكية مع أنظمة إدارة المباني (BMS) خفض استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 10% و30% في المباني التجارية. تتيح هذه الأنظمة المدمجة التواصل بين شركات تخزين الطاقة ومشغلي الشبكة من خلال بروتوكولات قياسية مثل IEC 61850 وDNP3. وقد انتقلت المباني من مجرد استخدام الطاقة إلى المساهمة في إدارة الشبكة بفعالية.
الخاتمة
تُعدّ أنظمة إدارة البطاريات الركيزة الأساسية لتقنيات البطاريات الحديثة، خاصةً عندما يتعلق الأمر بكيمياء أيونات الليثيوم التي تحتاج فقط إلى مراقبة مستمرة لضمان السلامة. في هذه المقالة، تناولنا كيفية حماية تقنية أنظمة إدارة البطاريات (BMS) للبطاريات من الظروف الخطرة مع تحسين أدائها وإطالة عمرها الافتراضي.
تطورت هياكل أنظمة إدارة البطاريات (BMS) من أنظمة مركزية إلى أنظمة موزعة، مما يُظهر كيف تتكيف هذه التقنية مع احتياجات تخزين الطاقة المعقدة. تُنشئ ميزات السلامة، مثل الحماية من الجهد الزائد والمنخفض والحرارة الزائدة، طبقات دفاعية متعددة لمنع تعطل البطاريات. تُطيل تقنيات موازنة الخلايا السلبية والنشطة عمر البطارية بشكل ملحوظ من خلال الحفاظ على توزيع منتظم للشحنات.
يشير مستقبل تطوير أنظمة إدارة البطاريات (BMS) إلى تطورات رائدة في مجالات الذكاء الاصطناعي، والبنى اللاسلكية، وتكامل الشبكات الذكية. ستُحدث هذه التقنيات نقلة نوعية في إدارة البطاريات، من دوائر حماية أساسية إلى أنظمة تنبؤية تُحدد الأعطال قبل وقوعها. ويُعد دور تخزين البطاريات المتنامي في أنظمة الطاقة المتجددة، والمركبات الكهربائية، والإلكترونيات الاستهلاكية، أمرًا بالغ الأهمية.
يجب أن يتوافق اختيار نظام إدارة البطاريات (BMS) مع متطلبات الجهد الكهربي، وسعة معالجة التيار، واحتياجات الإدارة الحرارية لتطبيقك. فريقنا في Large Power يمكننا مساعدتك في إيجاد حلول بطاريات مخصصة تناسب مواصفاتك. المبادئ الأساسية التي نغطيها هنا هي أساس اتخاذ قرارات ذكية بشأن تصميم نظام البطارية الخاص بك.
يعمل نظام إدارة البطاريات كحارس ومُحسِّن في آنٍ واحد. فهو يحمي أصول البطاريات القيّمة مع تعزيز أدائها إلى أقصى حد. ومع تطور البطاريات بكثافة طاقة أعلى وقدرات شحن أسرع، يجب على أنظمة الإدارة مواكبة هذا التطور لضمان بقاء السلامة والموثوقية والأداء الأمثل على رأس أولوياتها.
الأسئلة الشائعة
س1. ما هي الوظائف الرئيسية لنظام إدارة البطارية (BMS)؟ يقوم نظام إدارة البطارية بمراقبة الجهد والتيار ودرجة حرارة خلايا البطارية، ويحسب حالة الشحن والصحة، ويقوم بموازنة الخلايا، ويدير الظروف الحرارية، ويوفر الحماية ضد ظروف التشغيل غير الآمنة.
س2. كيف يحمي نظام إدارة البطارية (BMS) البطاريات من الشحن الزائد والتفريغ العميق؟ يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) جهد الخلايا باستمرار، ويفصل دائرة الشحن أو يُخفّض تيار الشحن إذا تجاوز الجهد الحدود الآمنة. وللحماية من التفريغ العميق، يفصل النظام الحمل عندما ينخفض الجهد عن حدٍّ مُحدّد مسبقًا لمنع التلف الدائم.
س3. ما هي مزايا بنية BMS الموزعة؟ توفر بنى أنظمة إدارة البطاريات الموزعة تكرارًا مُحسَّنًا، وأسلاكًا مُبسَّطة، واستكشافًا أسهل للأخطاء وإصلاحها، وقابليةً أفضل للتوسع لمجموعات البطاريات الكبيرة. كما أنها تسمح للوحدات بالعمل بشكل مستقل حتى في حال تعطل أحد مكوناتها.
س4. كيف يُحسّن توازن الخلايا أداء البطارية؟ يُوازن توازن الخلايا مستويات الشحن بين الخلايا الفردية، مما يمنع الخلايا الأضعف من التأثير سلبًا على الأداء العام للبطارية. هذا يُطيل عمر البطارية، ويزيد من سعتها القابلة للاستخدام، ويُحسّن كفاءتها الإجمالية.
س5. ما هي التقنيات الناشئة التي تعمل على تحويل أنظمة إدارة البطاريات؟ يُمكّن الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي من إجراء صيانة تنبؤية أكثر دقة. وتُقلل بنى أنظمة إدارة المباني اللاسلكية من التعقيد والوزن. كما يُتيح التكامل مع الشبكات الذكية وأجهزة إنترنت الأشياء إدارة طاقة أكثر ديناميكية ومشاركةً في الشبكة.
