تعتبر مجموعات بطاريات الليثيوم مثل المحركات التي تفتقر إلى الصيانة؛نظام إدارة البطارياتبدون دالة موازنة، يُعدّ النظام مجرد مُجمّع بيانات، ولا يُمكن اعتباره نظام إدارة. يهدف كلٌّ من الموازنة النشطة والسلبية إلى إزالة التناقضات داخل حزمة البطارية، ولكن مبادئ تطبيقهما تختلف اختلافًا جوهريًا.
للتوضيح، تُعرّف هذه المقالة الموازنة التي يبدأها نظام إدارة البطارية (BMS) عبر خوارزميات بأنها موازنة نشطة، بينما تُسمى الموازنة التي تستخدم المقاومات لتبديد الطاقة بالموازنة السلبية. تتضمن الموازنة النشطة نقل الطاقة، بينما تتضمن الموازنة السلبية تبديدها.
مبادئ تصميم حزمة البطارية الأساسية
- يجب أن تتوقف عملية الشحن عند شحن الخلية الأولى بالكامل.
- يجب أن تنتهي عملية التفريغ عند استنفاد الخلية الأولى.
- تتقدم الخلايا الأضعف في السن أسرع من الخلايا الأقوى.
- - الخلية ذات الشحنة الأضعف ستحد في النهاية من حزمة البطارية'القدرة القابلة للاستخدام (الحلقة الأضعف).
- يؤدي تدرج درجة حرارة النظام داخل مجموعة البطارية إلى إضعاف الخلايا التي تعمل في درجات حرارة متوسطة أعلى.
- بدون موازنة، يزداد فرق الجهد بين أضعف الخلايا وأقوىها مع كل دورة شحن وتفريغ. في النهاية، تقترب إحدى الخلايا من أقصى جهد لها بينما تقترب أخرى من أدنى جهد لها، مما يعيق قدرة البطارية على الشحن والتفريغ.
بسبب عدم تطابق الخلايا مع مرور الوقت وظروف درجة الحرارة المتغيرة من التثبيت، فإن موازنة الخلايا أمر ضروري.
تواجه بطاريات أيون الليثيوم بشكل رئيسي نوعين من عدم التوافق: عدم توافق الشحن وعدم توافق السعة. يحدث عدم توافق الشحن عندما تختلف شحنات الخلايا المتماثلة السعة تدريجيًا. ويحدث عدم توافق السعة عند استخدام خلايا بسعات ابتدائية مختلفة معًا. على الرغم من أن الخلايا تكون متوافقة بشكل عام إذا تم إنتاجها في نفس الوقت تقريبًا وبعمليات تصنيع متشابهة، إلا أن عدم التوافق قد ينشأ من خلايا مجهولة المصدر أو ذات اختلافات تصنيعية كبيرة.
التوازن النشط مقابل التوازن السلبي
1. الغرض
تتكون مجموعات البطاريات من العديد من الخلايا المتصلة على التوالي، والتي من غير المرجح أن تكون متطابقة. تضمن الموازنة بقاء انحرافات جهد الخلايا ضمن النطاقات المتوقعة، مما يحافظ على قابلية الاستخدام والتحكم بشكل عام، وبالتالي منع التلف وإطالة عمر البطارية.
2. مقارنة التصميم
- الموازنة السلبية: عادةً ما تُفرِّغ خلايا الجهد العالي باستخدام المقاومات، محولةً الطاقة الزائدة إلى حرارة. تُطيل هذه الطريقة مدة شحن الخلايا الأخرى، لكن كفاءتها أقل.
- الموازنة النشطة: تقنية معقدة تُعيد توزيع الشحنة داخل الخلايا خلال دورات الشحن والتفريغ، مما يُقلل وقت الشحن ويُطيل مدة التفريغ. وتستخدم هذه التقنية عادةً استراتيجيات موازنة الشحنة السفلية أثناء التفريغ، واستراتيجيات موازنة الشحنة العلوية أثناء الشحن.
- مقارنة الإيجابيات والسلبيات: إن الموازنة السلبية أبسط وأرخص ولكنها أقل كفاءة، حيث أنها 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. إلا أنه ينطوي على هياكل مُعقّدة وتكاليف أعلى، بالإضافة إلى تحديات في دمج هذه الأنظمة في دوائر متكاملة مُخصّصة.
خاتمة
طُوِّر مفهوم نظام إدارة البطاريات (BMS) في البداية في الخارج، حيث ركزت تصاميم الدوائر المتكاملة (IC) المبكرة على كشف الجهد ودرجة الحرارة. ثم طُرِح مفهوم الموازنة لاحقًا، باستخدام أساليب التفريغ المقاوم المدمجة في الدوائر المتكاملة. وينتشر هذا النهج الآن على نطاق واسع، حيث تُنتج شركات مثل TI وMAXIM وLINEAR مثل هذه الرقائق، وبعضها يُدمج برامج تشغيل التبديل فيها.
بناءً على مبادئ ومخططات الموازنة السلبية، إذا قارنّا حزمة بطارية بالبرميل، فإن الخلايا تشبه القضبان. الخلايا ذات الطاقة الأعلى تكون ألواحًا طويلة، وتلك ذات الطاقة المنخفضة تكون ألواحًا قصيرة. الموازنة السلبية تُقصّر الألواح الطويلة فقط، مما يؤدي إلى هدر الطاقة وانخفاض الكفاءة. لهذه الطريقة قيود، منها تبديد الحرارة بشكل كبير وبطء تأثيرات الموازنة في الحزم ذات السعة الكبيرة.
على النقيض من ذلك، تُكمل الموازنة النشطة "الألواح القصيرة"، ناقلةً الطاقة من الخلايا عالية الطاقة إلى خلايا منخفضة الطاقة، مما يُؤدي إلى كفاءة أعلى وتحقيق توازن أسرع. إلا أنها تُسبب مشاكل في التعقيد والتكلفة، مع تحديات في تصميم مصفوفات المفاتيح والتحكم في المحركات.
نظرًا للتناقضات، قد يكون التوازن السلبي مناسبًا للخلايا ذات الاتساق الجيد، في حين أن التوازن النشط هو الأفضل للخلايا ذات التباينات الأكبر.
وقت النشر: ٢٧ أغسطس ٢٠٢٤
