تُستخدم البطاريات على نطاق واسع في العديد من التطبيقات ، مثل المركبات الكهربائية بفئات مختلفة (المركبات الكهربائية للبطارية ، والمركبات الهجينة ، والمركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود) ، بالإضافة إلى تخزين الطاقة لأغراض مختلفة ، مثل استقرار الشبكة ، وحلاقة الذروة ، والتغيير الزمني للطاقة المتجددة . في هذه التطبيقات ، يتم استخدام بطاريات حمض الرصاص وهيدريد معدن النيكل (NiMH) وبطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) بشكل شائع. تعد الإدارة السليمة لحزم البطاريات هذه مهمة بالغة الأهمية تتطلب مكونات أجهزة وبرامج. يتم تنفيذ هذه المهمة عادةً عن طريق نظام إدارة البطارية (BMS) ، والذي يعرفه معيار IEEE رقم 1491 بأنه “نظام مثبت بشكل دائم لقياس وتخزين والإبلاغ عن تشغيل البطارية.”
تقترح هذه المقالة نظرة عامة عالمية على الكيميائيات المختلفة المستخدمة في بطاريات الطاقة والغرض الرئيسي من تنفيذ أنظمة إدارة المباني.
مبدأ وأنواع بطاريات الطاقة
أول تمييز يمكن إجراؤه بين البطاريات هو أن هناك بطاريات أولية وثانوية. البطاريات الأساسية غير قابلة للشحن ، بينما البطاريات الثانوية قابلة لإعادة الشحن. يتميز كل نظام بطارية بتركيبته الكيميائية ، وهناك العديد من أنواع بطاريات الطاقة في السوق. نظرًا لأن تركيز هذه المقالة ينصب بشكل أساسي على البطاريات الثانوية ، فقد تم تلخيص أهم خصائص الخلايا الأكثر استخدامًا في الجدول 1.
| بطارية Ni-Cd | بطارية Ni-MH | بطارية ليثيوم أيون | |
| متوسط جهد التشغيل (V) | 1.2 | 1.2 | 3.6 |
| كثافة الطاقة الجماعية (Wh / kg) | 50-80 | 70-95 | 118-250 |
| كثافة الطاقة الحجمية (Wh / L) | 50-150 | 140 – 300 | 250 – 693 |
| كثافة القدرة الجماعية (W / kg) | 200 | 200 – 300 | 200-430 |
| كثافة القدرة الحجمية (W / L) | 200 | 300 | 800 |
| التفريغ الذاتي (شهر) @ 20 درجة مئوية | 10٪ | 20٪ | <5٪ |
| درجة حرارة التشغيل (درجة مئوية) | −20 ~ 50 | −20 ~ 60 | −20 ~ 60 |
| دورة الحياة | > 800 | > 800 | > 1،000 |
| تأثير بيئي | التلوث الثقيل بالكادميوم | التلوث بالمعادن الثقيلة | منخفضة نسبيًا |
| أمان | جيد | جيد | واسطة |
| تكلفة الانتاج | أدنى | قليل | عالي |
تم تطوير بطاريات النيكل والكادميوم (NiCd) لأكثر من قرن. تشتهر بكونها رخيصة وقوية نسبيًا وقد تم تبنيها على نطاق واسع لقدرتها العالية وسهولة صيانتها وتكلفتها المنخفضة. يبلغ متوسط جهد الخلية حوالي 1.2 فولت. هذه الخصائص تجعل بطاريات NiCd شائعة جدًا للأدوات الكهربائية. كثافة الطاقة والطاقة النوعية منخفضة نسبيًا ، وهي عيوب لبطاريات NiCd. بالإضافة إلى ذلك ، تعاني بطاريات NiCd مما يسمى “تأثير الذاكرة”. أخيرًا ، يؤدي استخدام الكادميوم إلى مشاكل بيئية خطيرة.
على عكس بطاريات NiCd ، تتمتع بطاريات NiMH ، التي تم طرحها في عام 1990 ، بكثافة طاقة أعلى وطاقة محددة. تُستخدم بطاريات NiMH على نطاق واسع في تطبيقات مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة وماكينات الحلاقة. كما أنها تجلب تحسينات عندما يتعلق الأمر بتأثير الذاكرة والتلوث المعدني. عندما يتعلق الأمر بالعيوب مقارنة ببطاريات NiCd ، فإن NiM تعاني من معدل تفريغ ذاتي أعلى ، وهي أقل قوة في الشحن الزائد ولديها عملية شحن أكثر تعقيدًا.
بالمقارنة مع البطاريات القائمة على النيكل ، تدعم بطاريات Li-ion معدل C أعلى وكثافة طاقة أعلى وعمر أطول للدورة. بالإضافة إلى ذلك ، توفر خلايا Li-ion ميزة متوسط جهد تشغيل عالٍ يبلغ 3.6 فولت. كما تتمتع بطاريات Li-ion بمعدلات تفريغ ذاتي أقل بكثير من البطاريات القائمة على النيكل. كما أنها لا تعاني من تأثير الذاكرة وتكون أقل قدرة على توصيل تيارات كبيرة ، معبرًا عنها بمعدل C ، من البطاريات القائمة على النيكل. يؤدي الإفراط في تفريغ بطاريات Li-ion إلى انخفاض دورة الحياة. بدون مزيد من الاحتياطات ، يؤدي الشحن الزائد لبطاريات Li-ion إلى مواقف خطيرة وقد يتسبب في نشوب حريق أو انفجار في البطارية. وبالتالي ، يمكن القول بشكل عام أن الشحن الزائد والتفريغ الزائد لبطاريات Li-ion غير مسموح به.
بناءً على الكاثود المستخدم ، LiFePO4، LiMn2ا4بطاريات NCM و Li-ion لها أصناف تقترح مستويات أداء مختلفة عندما يتعلق الأمر بمعدل الشحن والسلامة والتكلفة والشحن والتفريغ والتأثير البيئي. تشمل التطبيقات أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة وبطاريات السيارات الكهربائية.
يعد أداء بطاريات الطاقة أمرًا ضروريًا لقبول السوق. على سبيل المثال ، عندما يتعلق الأمر بالمركبات الكهربائية ، فإن كثافة الطاقة هي عامل رئيسي. تتميز بطاريات Li-ion بكثافة طاقة أعلى وكثافة طاقة وعمر أعلى وهي واعدة أكثر للمستقبل مقارنة بالبطاريات القائمة على النيكل. هناك بحث مستمر لتحسين الجوانب المختلفة للبطاريات ، وبالتحديد التكلفة ومعدل الشحن والسلامة.
هناك العديد من الجوانب الأخرى التي يجب مراعاتها عند اختيار البطارية ، ومن الأفضل أن يتم إرشادك من قبل FAE أو خبير. يمكنك دائمًا التواصل مع BMS المحلي وخبير البطارية في Arrow Electronics لمساعدتك.
المخاطر الواجب الحماية منها
تم تصميم أنظمة BMS لتنظيم ومراقبة شحن وتفريغ البطاريات. هناك العديد من الخصائص التي يجب مراقبتها ، بما في ذلك درجة الحرارة والتيار والجهد ونوع البطارية والعزل في أنظمة الجهد العالي وحالة الشحن (SOC) والحالة الصحية (SOH) وتدفق التيار العالي الشديد. كل هذه القيم المراقبة ضرورية لمهام BMS. من حيث المبدأ ، يعد نظام إدارة المباني مناسبًا لتعظيم SOC وتحسين SOH وحماية البطارية من التفريغ العميق والجهد الزائد عن طريق الحفاظ على القيم داخل النافذة المحددة ، كما هو موضح في الشكل 1.
حماية من الجهد الزائد والجهد المنخفض (موازنة الخلايا)
في بطارية متعددة الخلايا ، تحدد الخلية الأقل شحنة سعة النظام بأكمله. كما هو مبين في الشكل 1 ، ستعاني البطارية من تلف لا يمكن إصلاحه إذا انخفض الجهد الكهربائي إلى ما دون أو ارتفع أعلى من عتبة الجهد التي تم تصميم البطارية من أجلها. في حالة انخفاض الجهد ، يذوب القطب الموجب النحاسي. في حالة الجهد العالي ، سيحدث طلاء الليثيوم ، وإذا ارتفع الجهد أكثر ، ستبدأ الخلية في إطلاق الغازات والاشتعال.
يتم إجراء موازنة الخلية عادةً بواسطة دائرة متكاملة (IC) مع محولات تناظرية إلى رقمية عالية الدقة. الأنواع الرئيسية لموازنة الخلايا هي الموازنة النشطة والسلبية. في الموازنة النشطة ، يمكن نقل شحنة أعلى لخلية واحدة إلى خلية مفردة أخرى ، بينما في الموازنة السلبية ، يتم تبديد الشحنة بمساعدة المقاوم. يمكن لوحدات التحكم في الخلايا الفردية أداء وظائف التدبير المنزلي الخاصة الموفرة للطاقة ، مثل القياسات الدورية للخلايا وتحليل الحالة الضروري للسلامة الوظيفية ، بغض النظر عن وحدة تحكم BMS الرئيسية. يتم تشغيل وظائف الأمان للإشارة إلى الجهد الزائد أو المنخفض بشكل مستقل.
الحماية من التفريغ الزائد / قطع الجهد المنخفض
تعد الحماية من التفريغ الزائد ، والمعروفة أيضًا باسم قطع الجهد المنخفض ، ميزة أمان مهمة يتمتع بها العديد من حزم بطاريات Li-ion ، وعادةً ما تكون جميعها. يُقصد به حماية ضد انخفاض الجهد إلى ما دون مستوى معين.
تتنوع عواقب البطارية المفرغة بشدة ، ولكنها في جميع الحالات تقريبًا تؤدي إلى تلف لا يمكن إصلاحه. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي انخفاض أداء دورة الحياة أو حتى الانفلات الحراري إلى نشوب حريق.
ومن ثم ، فإن كيمياء الخلايا المختلفة لها مناطق تشغيل أمان مختلفة. بشكل عام ، نستخدم IC لتحديد نطاق التشغيل الآمن وتوفير الحماية اللازمة للخلية / الحزمة في التطبيق.
حماية ماس كهربائى
يلزم حماية التيار الزائد عند حدوث ماس كهربائي بالبطارية. هذا يؤدي إلى سلوك التفريغ المفرط ؛ وبالتالي ، هناك تدفق عالي التيار ، تسخن البطارية بسرعة ويحدث حدث هروب حراري.
هناك ثلاث طرق لحماية البطارية: القطع الحراري ، والصمامات الحرارية ، وقاطع الدائرة. يمكن لمصنعي BMS استخدام ميزة واحدة أو جميع الميزات في نظام واحد ، اعتمادًا على مستوى الأمان المطلوب.
يبدأ القطع الحراري عندما تصل حزمة البطارية إلى مستوى درجة حرارة معين. في أنظمة الجهد العالي مثل EVs ، يتم تنشيط هذه الميزة عادةً بواسطة معالج رقمي ، بينما في التطبيقات ذات الجهد المنخفض ، من الممكن تنفيذ هذه الحماية ليتم تشغيلها بنفسها بناءً على عتبة محددة مسبقًا.
في البيئات التي يمكن أن يتضرر فيها البشر ، تكون الحماية من الحرائق والانفجارات مهمة بشكل خاص. لذلك ، يتم تشغيل فتيل pyro المشغل رقميًا. يتم توصيل المصهر بمسار الجهد العالي سواء كان سالب أو موجبًا أو كلاهما. يتم تشغيل المصهر كخط دفاع أخير لمنع حدوث تلف كبير للبطارية.
في البيئات الخاصة مثل الشاحنات ، حيث تكون استمرارية الخدمة مهمة ، نميل إلى استخدام حلول أكثر تفصيلاً وتكلفة. يعد قاطع الدائرة الذي يعتمد على SiC MOSFETs المتتالية أحد الطرق الممكنة لحماية نظام حزمة البطارية من التلف في حالة حدوث ماس كهربائي. عيب هذا الحل هو السعر والحجم. الوظيفة هي نفس الصمامات الحرارية ، ولكن يمكن تشغيلها بعد الحدث.
حماية التيار الزائد
كما أوضحنا سابقًا ، تتوازن الخلايا بمساعدة التدفق الحالي. اعتمادًا على إمكانيات شحن البطارية ، يكون هذا التدفق الحالي في حدود 100 مللي أمبير و 500 مللي أمبير. حماية التيار الزائد هي حد حالي معين لا يجب أن يتجاوزه IC الموازن. في الغالب ، يمكن تعيين هذا الحد بشكل فردي ويساعد على حماية البطارية من التلف الذي لا يمكن إصلاحه أو الحريق أو الانفجار.
يعتمد الاستهلاك الحالي على درجة الحرارة المحيطة ، والتي يجب أخذها في الاعتبار عند تحديد العتبات. علاوة على ذلك ، من الضروري أن يتم تعيين حد المستوى الحالي أدنى من مستوى السحب الحالي للبطارية الحقيقية. عادة ، يتم شحن المستوى بعامل أمان إضافي من 2 إلى 3. في حالة التقلبات الحالية الصغيرة ، يمكن أن يحدث إطلاق خاطئ لحماية BMS من التيار الزائد. لمنع النظام من القيام بذلك ، تحتوي بعض أنظمة إدارة المباني على ميزة تسمى التباطؤ والمرشحات الرقمية.
الحماية من الهروب الحراري
يمكن أن تتحمل البطاريات درجات حرارة تصل إلى 60 درجة مئوية بناءً على الكيمياء المستخدمة. يمكن أن تنتشر درجة حرارة الخلية الساخنة إلى الخلايا المجاورة ويمكن أن تسخن حزمة البطارية بأكملها في أي وقت من الأوقات. تؤدي الحرارة إلى تفاعل متسلسل يمكن أن يشعل النار في حزمة البطارية بأكملها من خلال تفاعلات كيميائية مختلفة يمكن أن تطلق غازًا قابلًا للاشتعال.
يتم تشغيل الحماية من الانفلات الحراري عند استيفاء عتبة درجة الحرارة المحددة مسبقًا. يقوم بإيقاف تشغيل البطارية ويمنع البطارية من الدخول في الهروب الحراري.
يتمثل الدور الأساسي لنظام إدارة المباني في حماية حالة البطارية والإبلاغ عنها. تنوع المخاطر التي يجب الحماية منها ضخم. توضح منطقة التشغيل الآمنة باللون الأخضر (الشكل 1) الظروف المحدودة التي يمكن فيها استخدام البطارية. نحتاج إلى التأكد من عدم استخدام حزمة البطارية خارج نطاق تشغيل التصميم. الآليات المعقدة والآمنة ضرورية للحفاظ على البطارية في هذا المجال ولجعلها آمنة للبشر. يعد جزء البرنامج المستخدم في BMS جزءًا كبيرًا من التصميم ويجب مراعاته في مرحلة المشروع المبكرة. هناك تكلفة مرتبطة باختيار IC ، والهندسة المعمارية ، والبرمجيات ، وحزم البطاريات ، وبدون معرفة عميقة ، من الصعب اتخاذ الخيار “الأفضل”. لا تتردد في التواصل مع Arrow إذا كنت بحاجة إلى أي نصيحة أو دعم.
Ulrich Lentz هو مهندس تطبيق مجال التكنولوجيا في Arrow Electronics.
مراجع
1إنفينيون تكنولوجيز إيه جي. (29 ديسمبر 2022). “Batterieüberwachung und Zellen-Balancing.”
2شاه ، ج. (5 مايو 2022). “لماذا تشتعل بطاريات الليثيوم أيون بالنار؟ كيف نتجنب الحادثة؟ “
3Solarwirtschaft ، DB (نوفمبر 2014). SICHERHEITSLEITFADEN Li-Ionen Hausspeicher. Bundesverband Energiespeicher eV (BVES) ، Bundesverband Solarwirtschaft eV
4تريتك. (2022). “ما هو مجلس حماية BMS لبطارية الليثيوم؟”
5فيتر ، مارك ألماني (2022). Lade und Betriebsführungsstrategien. Basiswissen Batteriemanagementsysteme for stationäre und mobile Anwendungen. شتوتغارت: Verein Deutscher Ingenieure.
6Bergveld، HJ، Kruijt، WS، & Notten، PHL (2002.) “أنظمة إدارة البطارية”.
قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
