لماذا نحتاج إلى تحقيق التوازن؟
نظراً لاختلاف عمليات استخدام البطاريات وموادها، فضلاً عن اختلاف درجات الحرارة والرطوبة وغيرها من العوامل البيئية أثناء الاستخدام الفعلي، توجد اختلافات في حالة شحن الخلايا الفردية في حزمة البطاريات. وينعكس هذا الاختلاف في حالة الشحن بشكل واضح في اختلاف جهد البطاريات.
بافتراض أن حالة الشحن (SOC) لبطارية في حزمة البطاريات أعلى من حالة الشحن للخلايا الأخرى، فسيتم شحن هذه البطارية بالكامل أولاً أثناء عملية الشحن، مما يتسبب في توقف شحن الخلايا الأخرى قبل الوصول إلى السعة المقدرة؛ وبالمثل، بافتراض أن حالة الشحن (SOC) لبطارية أقل من حالة الشحن للخلايا الأخرى، فإنها ستصل إلى جهد قطع التفريغ أولاً أثناء عملية التفريغ، مما يتسبب في وجود سعة متبقية في الخلايا الأخرى لا يمكن تحريرها؛;
لذلك، يمكننا أن نستنتج أن البطاريات مختلفة.
1. تعريف وأهمية موازنة البطارية
التعريف: يشير موازنة البطارية إلى استخدام تقنيات وأساليب محددة لجعل كل خلية بطارية في حزمة البطارية تصل إلى حالة متسقة نسبيًا من حيث الجهد والسعة والحالة، مما يؤدي إلى تحسين أداء وعمر حزمة البطارية بأكملها.
الأهمية: تحسين أداء حزمة البطارية: من خلال الموازنة، يمكن تجنب تدهور أداء حزمة البطارية بأكملها الناتج عن تدهور أداء البطارية الفردية.
إطالة عمر البطارية: يمكن أن يؤدي التوازن إلى تقليل اختلافات الجهد والسعة بين خلايا البطارية، وتقليل المقاومة الداخلية للبطارية، وبالتالي إطالة عمر البطارية.
تحسين السلامة: يمكن أن تمنع عملية الموازنة الشحن الزائد أو التفريغ الزائد لخلايا البطارية وتقلل من خطر المخاطر المتعلقة بالسلامة مثل الهروب الحراري.
2. طريقة موازنة البطارية
يُقدّم هذا المقال وظيفة موازنة نظام إدارة البطارية (BMS). تُسهم هذه الوظيفة في تقليل التباين بين خلايا البطارية وزيادة السعة المتاحة لمجموعة البطاريات. وتشمل طرق الموازنة الرئيسية المستخدمة حاليًا الموازنة السلبية (موازنة تبديد الطاقة) والموازنة النشطة (موازنة نقل الطاقة، موازنة عدم تبديد الطاقة).
هناك طريقتان رئيسيتان لموازنة البطارية: الموازنة النشطة والموازنة السلبية.
الموازنة النشطة: هي تقنية تُحقق توازن الجهد بين خلايا البطارية عن طريق نقل الطاقة. وتُحقق هذه التقنية توازناً أكثر دقة من خلال نقل الطاقة من خلية ذات سعة أعلى إلى خلية ذات سعة أقل.
يمكن تحقيق هذا النقل باستخدام تقنيات مثل المكثفات والمحولات. أثناء عملية الشحن، إذا وصلت خلية واحدة إلى الحد الأعلى لجهد التشغيل أولاً، فسيحدد نظام إدارة البطارية الخلية ذات السعة الأقل وينقل الطاقة من البطارية ذات الجهد العالي إلى البطارية ذات الجهد المنخفض عبر دائرة الموازنة.
المزايا: استخدام عالي للطاقة، وسرعة موازنة سريعة، ويمكن أن يحسن الأداء العام لحزمة البطارية.
العيوب: خوارزمية تحكم معقدة وتكلفة إنتاج عالية.
التوازن السلبي:
المبدأ: من خلال استهلاك الطاقة، يتم تبديد الطاقة الزائدة في خلايا البطارية ذات الجهد العالي أو السعة العالية على شكل طاقة حرارية، مما يقلل من جهدها وسعتها ويحقق التوازن بين خلايا البطارية.
يتم تحقيق التوازن السلبي (توازن تبديد الطاقة) عن طريق توصيل المقاومة المتوازية للبطارية المفردة على التوازي. تُستهلك طاقة البطارية ذات حالة الشحن الأعلى في مجموعة البطاريات عبر المقاومة المتوازية لتحقيق التوازن مع البطاريات الأخرى في المجموعة.
تُنفذ عملية الموازنة السلبية النموذجية على النحو التالي: يُقاس جهد كل بطارية على حدة عند الحد الأعلى أو الأدنى لحالة الشحن. عندما يتجاوز جهد بعض البطاريات الفردية متوسط جهد مجموعة البطاريات، يُحسب وقت الموازنة المُقدّر بناءً على فرق الجهد أو فرق حالة الشحن لكل بطارية على حدة، ثم تُفعّل المقاومة المتوازية لهذه البطاريات عالية الطاقة، بحيث يُستهلك جزء من طاقتها على هذه المقاومة، وبذلك تتحقق موازنة مجموعة البطاريات بأكملها.
المزايا: سهولة التنفيذ وانخفاض التكلفة.
العيوب: فقدان كبير للطاقة، وبطء سرعة الموازنة، واحتمالية توليد حرارة تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة حزمة البطارية.
3. عملية موازنة البطارية
تتضمن عملية موازنة البطارية عادةً الخطوات التالية:
الكشف: الكشف عن الجهد والتيار ودرجة الحرارة وغيرها من المعلمات لكل خلية بطارية في حزمة البطارية من خلال نظام إدارة البطارية (BMS).
الحكم: تحديد ما إذا كانت هناك اختلافات بين خلايا البطارية ودرجة الاختلاف بناءً على نتائج الكشف.
إجراء الموازنة: اختر طريقة الموازنة المناسبة بناءً على نتائج التقييم، ثم نفّذ عملية الموازنة. في حالة الموازنة النشطة، قد يكون من الضروري حساب كمية الطاقة المنقولة بدقة عبر خوارزمية التحكم؛ أما في حالة الموازنة السلبية، فقد يكون من الضروري التحكم في مدة تشغيل وإيقاف المفتاح لاستهلاك الطاقة الزائدة.
المراقبة: مراقبة تغيرات معلمات خلايا البطارية باستمرار أثناء عملية الموازنة لضمان فعالية وسلامة عملية الموازنة.
إنهاء عملية الموازنة: عندما يصل الفرق بين خلايا البطارية إلى الحد المحدد، تنتهي عملية الموازنة.
4. احتياطات موازنة البطارية
اختر طريقة الموازنة المناسبة: اختر طريقة الموازنة المناسبة وفقًا للوضع الفعلي ومتطلبات أداء حزمة البطارية.
التحكم في سرعة ودرجة الموازنة: تجنب تلف خلايا البطارية أو تدهور الأداء بسبب سرعة الموازنة المفرطة أو الدرجة المفرطة.
مراقبة معلمات البطارية: مراقبة التغيرات في المعلمات مثل الجهد والتيار ودرجة حرارة خلايا البطارية باستمرار أثناء عملية الموازنة لضمان سلامة وفعالية عملية الموازنة.
منع تراكم الحرارة: بالنسبة لطرق الموازنة السلبية، يجب اتخاذ تدابير لمنع تراكم الحرارة الذي قد يتسبب في ارتفاع درجة حرارة حزمة البطارية
