الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2024-10-25 المنشأ:محرر الموقع
في تكنولوجيا البطاريات الحديثة، كثيرًا ما نواجه مصطلح 'موازنة البطارية'. ولكن ماذا يعني ذلك؟ ويكمن السبب الجذري في عملية التصنيع والمواد المستخدمة في البطاريات، مما يؤدي إلى اختلافات بين الخلايا الفردية داخل حزمة البطارية. وتتأثر هذه الاختلافات أيضًا بالبيئة التي تعمل فيها البطاريات، مثل درجة الحرارة والرطوبة. تظهر هذه الاختلافات عادةً على شكل اختلافات في جهد البطارية. بالإضافة إلى ذلك، تتعرض البطاريات بشكل طبيعي للتفريغ الذاتي بسبب انفصال المادة النشطة عن الأقطاب الكهربائية وفرق الجهد بين الألواح. يمكن أن تختلف معدلات التفريغ الذاتي بين البطاريات بسبب الاختلافات في عمليات التصنيع.
دعونا نوضح ذلك بمثال: لنفترض أن إحدى الخلايا في حزمة بطارية لديها حالة شحن أعلى (SOC) من الخلايا الأخرى. أثناء عملية الشحن، ستصل هذه الخلية إلى الشحن الكامل أولاً، مما يتسبب في توقف بقية الخلايا التي لم يتم شحنها بالكامل بعد عن الشحن قبل الأوان. على العكس من ذلك، إذا كانت إحدى الخلايا تحتوي على SOC أقل، فسوف تصل إلى جهد قطع التفريغ الخاص بها أولاً أثناء التفريغ، مما يمنع الخلايا الأخرى من إطلاق طاقتها المخزنة بالكامل.
وهذا يوضح أنه لا يمكن تجاهل الاختلافات بين خلايا البطارية. وبناء على هذا الفهم، تنشأ الحاجة إلى موازنة البطارية. تهدف تقنية موازنة البطارية إلى تقليل الاختلافات بين الخلايا الفردية أو إزالتها من خلال التدخلات التقنية لتحسين الأداء العام لحزمة البطارية وإطالة عمرها الافتراضي. لا يؤدي موازنة البطارية إلى تحسين الكفاءة الإجمالية لحزمة البطارية فحسب، بل يعمل أيضًا على إطالة عمر خدمة البطارية بشكل كبير. ولذلك، فإن فهم جوهر وأهمية موازنة البطارية أمر بالغ الأهمية لتحسين استخدام الطاقة.
تعريف: يشير موازنة البطارية إلى استخدام تقنيات وأساليب محددة للتأكد من أن كل خلية على حدة في حزمة البطارية تحافظ على الجهد والسعة وظروف التشغيل المتسقة. تهدف هذه العملية إلى تحسين أداء البطارية وزيادة عمرها الافتراضي إلى أقصى حد من خلال التدخل الفني.
أهمية: أولاً، يمكن أن يؤدي موازنة البطارية إلى تحسين أداء مجموعة البطارية بأكملها بشكل كبير. ومن خلال تحقيق التوازن، يمكن تجنب تدهور الأداء الناجم عن تدهور الخلايا الفردية. ثانيًا، يساعد التوازن على إطالة عمر مجموعة البطارية عن طريق تقليل اختلافات الجهد والسعة بين الخلايا وخفض المقاومة الداخلية، مما يطيل عمر البطارية بشكل فعال. أخيرًا، من منظور السلامة، يمكن أن يؤدي تنفيذ موازنة البطارية إلى منع الشحن الزائد أو الإفراط في تفريغ الخلايا الفردية، مما يقلل من مخاطر السلامة المحتملة مثل الهروب الحراري.
تصميم البطارية: لمعالجة عدم تناسق الأداء بين الخلايا الفردية، تقوم شركات تصنيع البطاريات الكبرى باستمرار بالابتكار والتحسين في مجالات مثل تصميم البطارية، والتجميع، واختيار المواد، والتحكم في عملية الإنتاج، والصيانة. وتشمل هذه الجهود تحسين تصميم الخلايا، وتحسين تصميم العبوات، وتعزيز التحكم في العمليات، والاختيار الدقيق للمواد الخام، وتعزيز مراقبة الإنتاج، وتحسين ظروف التخزين.
BMS (نظام مراقبة البطارية) وظيفة التوازن: من خلال ضبط توزيع الطاقة بين الخلايا الفردية، يقلل BMS من عدم الاتساق ويزيد من السعة القابلة للاستخدام وعمر البطارية. هناك طريقتان رئيسيتان لتحقيق التوازن في BMS: التوازن السلبي والتوازن النشط.
التوازن السلبي، المعروف أيضًا باسم موازنة تبديد الطاقة، يعمل عن طريق إطلاق الطاقة الزائدة من الخلايا ذات الجهد أو السعة الأعلى على شكل حرارة، وبالتالي تقليل جهدها وقدرتها على مجاراة الخلايا الأخرى. تعتمد هذه العملية بشكل أساسي على مقاومات متوازية متصلة بالخلايا الفردية لتحويل الطاقة الزائدة.
عندما تكون شحنة الخلية أعلى من غيرها، تتبدد الطاقة الزائدة من خلال المقاومة الموازية، مما يحقق التوازن مع الخلايا الأخرى. نظرًا لبساطته وتكلفته المنخفضة، يُستخدم التوازن السلبي على نطاق واسع في أنظمة البطاريات المختلفة. ومع ذلك، فإن لها عيبًا يتمثل في فقدان كبير للطاقة، حيث تتبدد الطاقة كحرارة بدلاً من استخدامها بفعالية. عادةً ما يحد المهندسون من تيار الموازنة إلى مستوى منخفض (حوالي 100 مللي أمبير). لتبسيط الهيكل، تشترك عملية الموازنة في نفس مجموعة الأسلاك مع عملية التجميع، ويعمل الاثنان بالتناوب. وفي حين أن هذا التصميم يقلل من تعقيد النظام وتكلفته، فإنه يؤدي أيضًا إلى انخفاض كفاءة الموازنة ووقت أطول لتحقيق نتائج ملحوظة. هناك نوعان رئيسيان من التوازن السلبي: مقاومات التحويل الثابتة ومقاومات التحويل التبديلية. يقوم الأول بتوصيل تحويلة ثابتة لمنع الشحن الزائد، بينما يتحكم الأخير بدقة في التبديل لتبديد الطاقة الزائدة.
ومن ناحية أخرى، يعد التوازن النشط طريقة أكثر كفاءة لإدارة الطاقة. وبدلاً من تبديد الطاقة الزائدة، فإنه ينقل الطاقة من الخلايا ذات السعة الأعلى إلى الخلايا ذات السعة الأقل باستخدام دوائر مصممة خصيصًا تتضمن مكونات مثل المحاثات والمكثفات والمحولات. وهذا لا يوازن الجهد بين الخلايا فحسب، بل يزيد أيضًا من معدل استخدام الطاقة الإجمالي.
على سبيل المثال، أثناء الشحن، عندما تصل الخلية إلى الحد الأقصى للجهد، يقوم نظام إدارة المباني بتنشيط آلية التوازن النشطة. فهو يحدد الخلايا ذات السعة المنخفضة نسبيًا وينقل الطاقة من الخلية ذات الجهد العالي إلى الخلايا ذات الجهد المنخفض من خلال دائرة موازن مصممة بعناية. تتميز هذه العملية بالدقة والكفاءة، مما يؤدي إلى تحسين أداء مجموعة البطارية بشكل كبير.
يلعب كل من التوازن السلبي والنشط أدوارًا حاسمة في زيادة السعة القابلة للاستخدام لحزمة البطارية، وإطالة عمرها الافتراضي، وتحسين كفاءة النظام بشكل عام.
عند مقارنة تقنيات الموازنة السلبية والإيجابية، يصبح من الواضح أنها تختلف بشكل كبير في فلسفة التصميم والتنفيذ. يتضمن التوازن النشط عادةً خوارزميات معقدة لحساب الكمية الدقيقة من الطاقة المطلوب نقلها، بينما يعتمد التوازن السلبي بشكل أكبر على التحكم الدقيق في توقيت عمليات التبديل لتبديد الطاقة الزائدة.
طوال عملية الموازنة، يراقب النظام باستمرار التغييرات في معلمات كل خلية للتأكد من أن عمليات الموازنة ليست فعالة فحسب، بل آمنة أيضًا. بمجرد أن تقع الاختلافات بين الخلايا ضمن نطاق مقبول محدد مسبقًا، سينهي النظام عملية الموازنة.
من خلال اختيار طريقة الموازنة المناسبة بعناية، والتحكم الصارم في سرعة ودرجة الموازنة، والإدارة الفعالة للحرارة المتولدة أثناء عملية الموازنة، يمكن تحسين أداء وعمر مجموعة البطارية بشكل كبير.
