تُشبه بطاريات الليثيوم المحركات التي لا تحتاج إلى صيانة؛نظام إدارة المبانيبدون وظيفة موازنة، يصبح النظام مجرد جامع بيانات ولا يمكن اعتباره نظام إدارة. تهدف كل من الموازنة النشطة والموازنة السلبية إلى القضاء على التناقضات داخل حزمة البطارية، لكن مبادئ تنفيذهما تختلف اختلافًا جوهريًا.
للتوضيح، تُعرّف هذه المقالة عملية الموازنة التي يبدأها نظام إدارة البطارية (BMS) عبر الخوارزميات بأنها موازنة فعّالة، بينما تُسمى الموازنة التي تستخدم المقاومات لتبديد الطاقة بالموازنة السلبية. تتضمن الموازنة الفعّالة نقل الطاقة، بينما تتضمن الموازنة السلبية تبديدها.
مبادئ تصميم حزمة البطاريات الأساسية
- يجب إيقاف الشحن عند اكتمال شحن الخلية الأولى.
- يجب أن يتوقف التفريغ عند استنفاد أول خلية.
- تشيخ الخلايا الأضعف أسرع من الخلايا الأقوى.
- - الخلية ذات الشحنة الأضعف ستحد في النهاية من سعة البطارية'السعة القابلة للاستخدام (الحلقة الأضعف).
- يؤدي تدرج درجة حرارة النظام داخل حزمة البطارية إلى جعل الخلايا التي تعمل في درجات حرارة متوسطة أعلى أضعف.
- بدون موازنة، يزداد فرق الجهد بين أضعف وأقوى الخلايا مع كل دورة شحن وتفريغ. في النهاية، ستقترب إحدى الخلايا من أقصى جهد بينما تقترب الأخرى من أدنى جهد، مما يعيق قدرة البطارية على الشحن والتفريغ.
نظراً لعدم تطابق الخلايا بمرور الوقت واختلاف ظروف درجة الحرارة منذ التركيب، فإن موازنة الخلايا أمر ضروري.
تواجه بطاريات الليثيوم أيون نوعين رئيسيين من عدم التوافق: عدم توافق الشحن وعدم توافق السعة. يحدث عدم توافق الشحن عندما تختلف خلايا ذات سعة متماثلة تدريجيًا في مستوى الشحن. أما عدم توافق السعة فيحدث عند استخدام خلايا ذات سعات ابتدائية مختلفة معًا. على الرغم من أن الخلايا تكون متوافقة بشكل عام إذا تم إنتاجها في نفس الفترة الزمنية وباستخدام عمليات تصنيع متشابهة، إلا أن حالات عدم التوافق قد تنشأ من خلايا ذات مصادر غير معروفة أو اختلافات كبيرة في عمليات التصنيع.
الموازنة النشطة مقابل الموازنة السلبية
1. الغرض
تتكون حزم البطاريات من خلايا عديدة موصولة على التوالي، والتي من غير المرجح أن تكون متطابقة. يضمن التوازن بقاء انحرافات جهد الخلايا ضمن النطاقات المتوقعة، مما يحافظ على سهولة الاستخدام والتحكم بشكل عام، وبالتالي يمنع التلف ويطيل عمر البطارية.
2. مقارنة التصميم
- الموازنة السلبية: عادةً ما تُستخدم المقاومات لتفريغ الخلايا ذات الجهد العالي، وتحويل الطاقة الزائدة إلى حرارة. تُطيل هذه الطريقة وقت شحن الخلايا الأخرى، ولكنها أقل كفاءة.
- الموازنة النشطة: تقنية معقدة تعيد توزيع الشحنة داخل الخلايا أثناء دورات الشحن والتفريغ، مما يقلل وقت الشحن ويطيل مدة التفريغ. وتعتمد هذه التقنية عمومًا على استراتيجيات موازنة الجزء السفلي أثناء التفريغ واستراتيجيات موازنة الجزء العلوي أثناء الشحن.
- مقارنة بين الإيجابيات والسلبيات: الموازنة السلبية أبسط وأرخص ولكنها أقل كفاءة، لأنها تهدر الطاقة على شكل حرارة ولها تأثيرات موازنة أبطأ. يُعدّ التوازن النشط أكثر كفاءة، إذ ينقل الطاقة بين الخلايا، مما يُحسّن كفاءة الاستخدام الإجمالية ويُحقق التوازن بسرعة أكبر. مع ذلك، يتطلب هذا الأسلوب هياكل معقدة وتكاليف أعلى، بالإضافة إلى تحديات في دمج هذه الأنظمة في الدوائر المتكاملة المخصصة.
خاتمة
طُوّر مفهوم أنظمة إدارة البطاريات (BMS) في البداية في الخارج، حيث ركزت التصاميم المبكرة للدوائر المتكاملة على كشف الجهد ودرجة الحرارة. ثم أُدخل مفهوم الموازنة لاحقًا، باستخدام طرق التفريغ المقاوم المدمجة في الدوائر المتكاملة. أصبح هذا النهج شائعًا الآن، حيث تُنتج شركات مثل TI وMAXIM وLINEAR هذه الرقائق، ويُدمج بعضها مشغلات المفاتيح في الرقائق.
انطلاقًا من مبادئ ومخططات الموازنة السلبية، إذا ما قورنت حزمة البطاريات ببرميل، فإن خلاياها تُشبه ألواح البرميل. فالخلايا ذات الطاقة الأعلى تُمثل ألواحًا طويلة، بينما تُمثل الخلايا ذات الطاقة الأقل ألواحًا قصيرة. لا تُؤدي الموازنة السلبية إلا إلى "تقصير" الألواح الطويلة، مما يُسبب هدرًا للطاقة وانخفاضًا في الكفاءة. لهذه الطريقة قيود، منها تبديد الحرارة بشكل كبير وبطء عملية الموازنة في الحزم ذات السعة الكبيرة.
على النقيض من ذلك، تعمل تقنية الموازنة النشطة على "ملء الفراغات"، حيث تنقل الطاقة من الخلايا ذات الطاقة الأعلى إلى الخلايا ذات الطاقة الأقل، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى وتحقيق توازن أسرع. ومع ذلك، فإنها تُضيف تعقيدات وتكاليف، مع وجود تحديات في تصميم مصفوفات التبديل والتحكم في المحركات.
بالنظر إلى المفاضلات، قد يكون التوازن السلبي مناسبًا للخلايا ذات الاتساق الجيد، بينما يفضل التوازن النشط للخلايا ذات التباينات الأكبر.
تاريخ النشر: 27 أغسطس 2024
