تشبه حزم بطاريات الليثيوم المحركات التي تفتقر إلى الصيانة؛ أخدمات إدارة المبانيبدون وظيفة موازنة هو مجرد جامع بيانات ولا يمكن اعتباره نظام إدارة. يهدف كل من التوازن النشط والسلبي إلى إزالة التناقضات داخل حزمة البطارية، ولكن مبادئ تنفيذها مختلفة بشكل أساسي.
من أجل الوضوح، تحدد هذه المقالة التوازن الذي بدأه BMS من خلال الخوارزميات على أنه توازن نشط، في حين أن التوازن الذي يستخدم المقاومات لتبديد الطاقة يسمى التوازن السلبي. يتضمن التوازن النشط نقل الطاقة، في حين يتضمن التوازن السلبي تبديد الطاقة.
المبادئ الأساسية لتصميم حزمة البطارية
- يجب أن يتوقف الشحن عندما يتم شحن الخلية الأولى بالكامل.
- يجب أن ينتهي التفريغ عند نفاد الخلية الأولى.
- الخلايا الأضعف تشيخ بشكل أسرع من الخلايا الأقوى.
- -الخلية ذات الشحن الأضعف ستؤدي في النهاية إلى تقييد حزمة البطارية'القدرة القابلة للاستخدام (الحلقة الأضعف).
- يؤدي تدرج درجة حرارة النظام داخل حزمة البطارية إلى جعل الخلايا التي تعمل عند متوسط درجات حرارة أعلى أضعف.
- وبدون التوازن، فإن فرق الجهد بين الخلايا الأضعف والأقوى يزداد مع كل دورة شحن وتفريغ. في نهاية المطاف، ستقترب خلية واحدة من الجهد الأقصى بينما تقترب خلية أخرى من الحد الأدنى من الجهد، مما يعيق قدرات الشحن والتفريغ الخاصة بالحزمة.
نظرًا لعدم تطابق الخلايا مع مرور الوقت واختلاف ظروف درجات الحرارة عند التثبيت، فإن موازنة الخلايا أمر ضروري.
تواجه بطاريات الليثيوم أيون في المقام الأول نوعين من عدم التطابق: عدم تطابق الشحن وعدم تطابق السعة. يحدث عدم تطابق الشحن عندما تختلف الخلايا ذات السعة نفسها تدريجيًا في الشحن. يحدث عدم تطابق السعة عند استخدام الخلايا ذات السعات الأولية المختلفة معًا. على الرغم من أن الخلايا تكون متطابقة بشكل جيد بشكل عام إذا تم إنتاجها في نفس الوقت تقريبًا باستخدام عمليات تصنيع مماثلة، إلا أن عدم التطابق يمكن أن ينشأ من خلايا ذات مصادر غير معروفة أو اختلافات تصنيعية كبيرة.
التوازن النشط مقابل التوازن السلبي
1. الغرض
تتكون حزم البطاريات من العديد من الخلايا المتسلسلة، والتي من غير المرجح أن تكون متطابقة. يضمن التوازن الحفاظ على انحرافات جهد الخلية ضمن النطاقات المتوقعة، مما يحافظ على سهولة الاستخدام والتحكم بشكل عام، وبالتالي منع الضرر وإطالة عمر البطارية.
2. مقارنة التصميم
- التوازن السلبي: عادةً ما يتم تفريغ خلايا الجهد العالي باستخدام المقاومات، وتحويل الطاقة الزائدة إلى حرارة. تعمل هذه الطريقة على إطالة وقت الشحن للخلايا الأخرى ولكن بكفاءة أقل.
- التوازن النشط: تقنية معقدة تعمل على إعادة توزيع الشحنة داخل الخلايا أثناء دورات الشحن والتفريغ، مما يقلل وقت الشحن ويطيل مدة التفريغ. يستخدم بشكل عام استراتيجيات الموازنة السفلية أثناء التفريغ واستراتيجيات الموازنة العليا أثناء الشحن.
- مقارنة إيجابيات وسلبيات: يعد التوازن السلبي أبسط وأرخص ولكنه أقل كفاءة، لأنه يهدر الطاقة على شكل حرارة وله تأثيرات موازنة أبطأ. يعد التوازن النشط أكثر كفاءة، حيث ينقل الطاقة بين الخلايا، مما يحسن كفاءة الاستخدام بشكل عام ويحقق التوازن بسرعة أكبر. ومع ذلك، فهو ينطوي على هياكل معقدة وتكاليف أعلى، مع وجود تحديات في دمج هذه الأنظمة في دوائر متكاملة مخصصة.
خاتمة
تم تطوير مفهوم BMS في البداية في الخارج، مع تركيز تصميمات IC المبكرة على اكتشاف الجهد ودرجة الحرارة. تم تقديم مفهوم التوازن لاحقًا، في البداية باستخدام طرق التفريغ المقاوم المدمجة في الدوائر المتكاملة. أصبح هذا النهج منتشرًا الآن على نطاق واسع، حيث تقوم شركات مثل TI وMAXIM وLINEAR بإنتاج مثل هذه الرقائق، ويقوم بعضها بدمج برامج تشغيل المحولات في الرقائق.
من مبادئ ورسومات التوازن السلبي، إذا تمت مقارنة حزمة البطارية بالبرميل، فإن الخلايا تشبه العصي. الخلايا ذات الطاقة الأعلى عبارة عن ألواح طويلة، والخلايا ذات الطاقة المنخفضة عبارة عن ألواح قصيرة. يؤدي التوازن السلبي إلى "تقصير" الألواح الطويلة فقط، مما يؤدي إلى إهدار الطاقة وعدم الكفاءة. هذه الطريقة لها حدود، بما في ذلك تبديد الحرارة بشكل كبير وتأثيرات التوازن البطيئة في الحزم ذات السعة الكبيرة.
وعلى النقيض من ذلك، فإن التوازن النشط "يملأ الألواح القصيرة"، وينقل الطاقة من الخلايا ذات الطاقة العالية إلى الخلايا ذات الطاقة المنخفضة، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى وتحقيق التوازن بشكل أسرع. ومع ذلك، فإنه يقدم مشكلات تتعلق بالتعقيد والتكلفة، مع وجود تحديات في تصميم مصفوفات التبديل والتحكم في محركات الأقراص.
نظرا للمقايضات، قد يكون التوازن السلبي مناسبا للخلايا ذات الاتساق الجيد، في حين أن التوازن النشط هو الأفضل للخلايا ذات التناقضات الأكبر.
وقت النشر: 27 أغسطس 2024
