1 ما هو BMS التوازن النشط
إن التوازن النشط لـ BMS هو وسيلة لنقل الطاقة من الخلايا الفردية ذات السعة العالية إلى الخلايا الفردية ذات السعة المنخفضة من خلال نقل الطاقة، وبالتالي تحقيق الاتساق في حزمة البطارية وتحسين أداء نظام تخزين الطاقة.
يختلف التوازن النشط لـ BMS عن التوازن السلبي. يقوم التوازن السلبي عمومًا بتفريغ طاقة البطاريات ذات الجهد العالي من خلال المقاومات للحفاظ على حالة متساوية مع قوة البطاريات ذات الجهد المنخفض. هذه الطريقة لها عيوب مثل انخفاض كفاءة استخدام الطاقة، وتبديد الحرارة، وانخفاض تيار التوازن، وبطء الفعالية. ومن ناحية أخرى، فإن التوازن النشط هو عملية نقل الطاقة من البطاريات عالية الطاقة إلى البطاريات منخفضة الطاقة، تمامًا مثل قطع نقاط القوة والضعف في لوح خشبي.
في الوقت الحاضر، هناك العديد من حلول الموازنة النشطة، باستثناء حل Fit capacitor الذي لم يصبح سائدًا نظرًا لانخفاض عدد السلاسل المطبقة والقيود في النقل، هناك أيضًا حلول محولات وشرائح تحويل DCDC خاصة بالبطارية مصممة من قبل الشركات المصنعة لأشباه الموصلات التي تم طرحها في السوق. فوائد التوازن النشط واضحة، مع الكفاءة العالية، ونقل الطاقة، وفقدان ملف المحولات فقط، وهو ما يمثل نسبة صغيرة؛ يمكن تصميم التيار المتوازن ليكون كبيرًا، حيث يصل إلى عدة أمبيرات أو حتى مستوى 10 أمبير، ويكون تأثير التوازن سريعًا.
ومع ذلك، فإن التوازن النشط يجلب أيضًا مشاكل جديدة. أولاً، الهيكل معقد، خاصة في مخططات المحولات حيث يمثل التصميم والتحكم في مصفوفات المحولات والمحركات تحديًا. ولهذا السبب أيضًا لا يمكن دمج وظيفة التوازن النشط بشكل كامل في الدوائر المتكاملة المخصصة. ثانيا، هناك مسألة التكلفة. تؤدي الهياكل المعقدة حتماً إلى دوائر معقدة، كما أن الزيادة في التكلفة ومعدل الفشل أمر لا مفر منه، مما يحد أيضًا من تعزيز نظام إدارة المباني المتوازن النشط.
بالنسبة لنظام إدارة المباني، بالإضافة إلى وظيفة التوازن، تعد استراتيجية التوازن الأساسية أكثر أهمية. عندما يكون اختلاف اتساق خلايا البطارية ضمن نطاق معين، فإن سعة البطارية والجهد يرتبطان بشكل إيجابي؛ ولكن عندما يكون اتساق البطارية بعيدًا عن أن يكون جيدًا، أي عندما تكون البطارية في حالة تالفة، فإن الارتباط بين الطاقة والجهد ليس قويًا جدًا، ولا يمكن الحكم على أساس التوازن بناءً على بيانات الجهد فقط. إذا لم تكن البطارية على علم بالضرر الذي يقل عن الحالة الحرجة وما زالت تحافظ على توازن الجهد، فيمكن أن تتسبب في تلف البطارية، خاصة في التوازن النشط، حيث يكون الضرر الناتج عن التيار العالي أكبر منه في التوازن السلبي.
يعد التوازن النشط مناسبًا لتطبيقات حزمة بطاريات الليثيوم من نوع الطاقة ذات السعة العالية وعدد السلاسل الكبيرة، في حين أن التوازن السلبي مناسب لتطبيقات حزم بطاريات الليثيوم ذات السعة الصغيرة وعدد السلاسل المنخفضة. إن اتساق بطارية Tesla جيد جدًا، والتوازن السلبي كافٍ. ومع ذلك، في الصين، لا يزال هناك مجال لتحسين المواد الخام للبطارية وعمليات الإنتاج، كما أن درجة التشتت في اتساق البطارية كبيرة نسبيًا. سيكون التوازن النشط أكثر ملاءمة لتطبيق حزم بطاريات الليثيوم من نوع الطاقة.
2 دور BMS الموازنة النشطة في أنظمة تخزين الطاقة
(1) تحسين الأداء العام لحزمة البطارية
1. تخفيف اختلال توازن الطاقة الناتج عن عدم تناسق الخلايا الفردية في حزمة البطارية، وتحسين السعة الإجمالية وأداء الطاقة لحزمة البطارية.
في أنظمة تخزين الطاقة، نظرًا للاختلافات في المواد وعمليات التصنيع، فضلاً عن الاختلافات في بيئات الاستخدام ومستويات الشيخوخة، هناك اختلافات معينة في الخصائص الكيميائية والكهربائية بين الخلايا الفردية، والتي تتجلى في عدم الاتساق في السعة، والمقاومة الداخلية للتيار المستمر، والمقاومة الداخلية المفتوحة، جهد الدائرة وحالة الشحن (SOC) والجوانب الأخرى. يمكن أن يؤدي عدم الاتساق هذا إلى سعة بطارية غير متساوية بين الخلايا الفردية في مجموعة البطارية، مما يؤثر على السعة الإجمالية وأداء الطاقة لحزمة البطارية. يعمل نظام إدارة المباني (BMS) على موازنة نقل الطاقة من الخلايا الفردية ذات السعة العالية إلى الخلايا الفردية ذات السعة المنخفضة من خلال نقل الطاقة، وبالتالي التخفيف من ظاهرة اختلال توازن الطاقة وتحسين السعة الإجمالية وأداء الطاقة لحزمة البطارية.
على سبيل المثال، تُستخدم المحولات على نطاق واسع في الموازنة النشطة لموازنة توزيع الطاقة داخل حزمة البطارية من خلال استراتيجيات الموازنة السفلية والعلوية. هناك أيضًا طرق موازنة تعتمد على مكونات تخزين الطاقة مثل المكثفات والمحاثات، أو تعتمد على محولات DC-DC. تقوم طرق الموازنة التي لا تستهلك الطاقة هذه بشكل أساسي بنقل الطاقة بين الخلايا الفردية أو بين الخلايا الفردية ومجموعة البطارية بأكملها من خلال المكثفات أو المحاثات أو محولات DC-DC. بالمقارنة مع هياكل موازنة استهلاك الطاقة، فهي أكثر تعقيدًا، ولكنها تتمتع بكفاءة أعلى في استخدام الطاقة، ونقل مرن للطاقة، ويمكنها تحسين الأداء العام لحزمة البطارية بشكل فعال.
2. من خلال الكشف عن حالة كل خلية على حدة في مجموعة البطارية، استخدم طرق الموازنة للحفاظ على الجهد أو حالة الشحن بين الخلايا الفردية ضمن نطاق معين.
يقوم نظام الموازنة النشط BMS بتقييم حالة عمل البطارية من خلال المراقبة المستمرة للمعايير الرئيسية مثل الجهد والتيار ودرجة الحرارة لكل خلية بطارية. عند اكتشاف اختلاف في الجهد أو حالة الشحن بين البطاريات الفردية، يتم تنشيط طريقة الموازنة. على سبيل المثال، باستخدام محول DC-DC للأمام ثنائي الاتجاه كدائرة موازنة رئيسية، عندما يتم نقل الطاقة من جانب الجهد العالي إلى جانب الجهد المنخفض، تعمل ترانزستورات التحويل الأربعة وفقًا لتوقيت توصيل إشارة القيادة المحدد لتحقيق نقل الطاقة ثنائي الاتجاه من من جانب الجهد المنخفض U1 للوحدة إلى جانب الجهد العالي U2 ومن جانب الجهد العالي U2 إلى جانب الجهد المنخفض U1 للوحدة، وبالتالي الحفاظ على الجهد أو حالة الشحن بين بطاريات الوحدة ضمن نطاق معين.
في الوقت نفسه، تتحكم دائرة التحكم في المتحكم الدقيق، باعتبارها جوهر نظام التوازن بأكمله، في وحدة اكتساب الجهد من خلال ناقل CAN لجمع جهد كل خلية فردية في وحدة البطارية. يتم تلخيص معلومات البطارية واستخدامها لوضع خطة موازنة. يتم استخدام مصفوفة التبديل لتحديد الخلايا التي تحتاج إلى التوازن، ثم يتم إرسال أمر الموازنة إلى دائرة التحكم في الموازنة للتأكد من أن حالة كل خلية على حدة في حزمة البطارية تقع ضمن نطاق معقول.
(2) تمديد عمر البطارية
1. منع حدوث التناسق بين خلايا البطارية وتقليل تأثير تشتت البطارية على عمر حزمة البطارية.
سوف يتراكم عدم التناسق بين خلايا البطارية تدريجيًا مع زيادة وقت الاستخدام، مما يشكل خللًا في كمية الكهرباء بين خلايا البطارية، الأمر الذي لا يؤثر فقط على السعة الإجمالية وأداء الطاقة لحزمة البطارية، ولكنه يحد أيضًا من عمر البطارية. علية. يعمل نظام BMS على موازنة نقل الطاقة من الخلايا الفردية ذات السعة العالية إلى الخلايا الفردية ذات السعة المنخفضة من خلال نقل الطاقة، وبالتالي منع حدوث الاتساق بين الخلايا.
على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي اعتماد تقنية التوازن النشط إلى تجنب الشيخوخة المبكرة لبعض البطاريات الناتجة عن عدم تناسق الخلايا الفردية. يمكن لمنتجات BMS التي طورتها شركة Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd. مع وظائف التكنولوجيا الأساسية المتمثلة في "التوازن النشط والنقل اللاسلكي" مراقبة طاقة كل بطارية على حدة بدقة وتحقيق نقل فعال للطاقة بين البطاريات الفردية، وتحقيق هدف توازن الطاقة بين البطاريات. البطاريات الفردية، مما يحسن أداء البطارية بشكل كبير، ويمنع حدوث الاتساق بين خلايا البطارية، ويقلل من تأثير تشتت البطارية على عمر حزمة البطارية.
2. يمكنه زيادة السعة المتاحة لنظام البطارية وتحسين عمر الدورة بشكل ملحوظ.
تعمل تقنية التوازن النشط BMS على التخلص بشكل فعال من مشكلة عدم توازن السعة بين خلايا البطارية من خلال نقل الطاقة، مما يحسن أداء مجموعة البطارية بأكملها. من خلال اعتماد شريحة التوازن النشطة DC-DC ثنائية الاتجاه التي تم تطويرها بشكل مستقل من Kelie، مقارنةً برقائق التوازن التقليدية، تعوض الخوارزمية الذكية المتقدمة المدمجة والمبتكرة بسرعة وفعالية الاختلافات الناتجة عن حزمة البطارية من خلال نقل الطاقة، مما يضمن اتساق البطارية، وإطالة عمر الخدمة. ومتوسط الوقت بين فشل مجموعة البطارية، وتحسين الفوائد الاقتصادية لدورة حياة المنتج بأكملها بشكل فعال. تظهر بيانات الاختبار الدوري طويلة المدى أن تقنية التوازن النشط هذه يمكنها زيادة السعة المتاحة لنظام البطارية بأكثر من 10%، وتحسين عمر الدورة بأكثر من 20%، وكلما زاد عدد السلاسل المتصلة، زاد تأثير التحسين.
3 مبدأ عمل التوازن النشط BMS
(1) تكوين نظام التوازن
يتكون نظام الموازنة النشط BMS بشكل أساسي من وحدة بطارية متسلسلة، وحزمة بطارية 12 فولت، ومجموعة مفاتيح، ودائرة موازنة رئيسية، ودائرة اكتساب الجهد، ودائرة تحكم لوحدة التحكم الدقيقة.
1. تبديل المصفوفة:
تتكون مجموعة المفاتيح من مفاتيح بوابة خلايا البطارية ومفاتيح بوابة قطبية البطارية، والتي يمكنها تحقيق بوابة الخلايا التي تحتاج إلى التوازن. على سبيل المثال، بالنسبة لمجموعة البطاريات المتصلة بسلسلة الخلايا 7-، توجد مجموعات مفاتيح محددة لتحديد بطاريات مختلفة. بأخذ اختيار البطارية 1 والبطارية 2 كمثال، عند تحديد البطارية 1، يتم تشغيل المفاتيح K1 وK2 وKP3 وKP4، ويتم إيقاف تشغيل المفاتيح الأخرى، مما يشكل دائرة شحن وتفريغ محددة؛ عند اختيار البطارية 2، يتم تشغيل المفاتيح K2 وK3 وKP1 وKP2، ويتم إيقاف تشغيل المفاتيح الأخرى، مما يشكل دائرة شحن وتفريغ مقابلة. يمكن أن يشير بوابة الخلية الفردية إلى مجموعة مفاتيح البوابة للبطارية 1، وحتى بوابة الخلية يمكن أن تشير إلى مجموعة مفاتيح البوابة للبطارية 2.
2. الدائرة الرئيسية المتوازنة:
اعتماد محول DC-DC للأمام ثنائي الاتجاه لتحقيق نقل الطاقة ثنائي الاتجاه. تشتمل هذه الهيكلية بشكل أساسي على محول T، ومقاومتين لأخذ العينات R1 وR2، ومكثفي ترشيح C1 وC2، ومكثف تثبيت C3، ومحث ترشيح L، وأربعة ترانزستورات تحويل من Q1 إلى Q4.
(2) وضع العمل
1. يتم نقل الطاقة من جانب الضغط المنخفض لوحدة واحدة إلى جانب الضغط العالي.
2. يتم نقل الطاقة من جانب الجهد العالي إلى جانب الجهد المنخفض لوحدة واحدة، والتي تنقسم إلى أربع مراحل. يتم تحقيق نقل وإطلاق الطاقة من خلال توصيل وفصل أنبوب التبديل:
المرحلة 1: من الوقت t1 إلى t2، يتم تشغيل أنابيب التبديل Q2 وQ3. في هذا الوقت، يتدفق تيار الإدخال I1 إلى نفس الطرف من الملف الجانبي ذو الجهد العالي للمحول، ويتدفق تيار الخرج I2 من نفس الطرف من الملف الجانبي ذو الجهد المنخفض للمحول. يقوم جانب الجهد العالي U2 بنقل الطاقة في نفس الوقت إلى جانب الجهد المنخفض U1 والمحث L.
المرحلة 2: من الوقت t2 إلى t3، يتم إيقاف تشغيل المفاتيح Q2 وQ3، ويستمر I2 بواسطة ثنائيات الجسم للمفاتيح Q1 وQ2، ويتناقص IT2 تدريجيًا، ويزيد IQ1 تدريجيًا، وتخزن الطاقة في المحث L والطاقة المغناطيسية المتبقية يتم إطلاق ملف الجهد المنخفض إلى الجانب ذو الجهد المنخفض.
المرحلة 3: من الوقت t3 إلى t4، يتم تشغيل المفتاح Q1، ويستمر I2 بواسطة المفتاح Q1، ويتم إطلاق الطاقة المخزنة في المحث L إلى الجانب المنخفض الجهد U1.
المرحلة 4: من الوقت t4 إلى t5، يتم إيقاف تشغيل المفتاح Q1، ويستمر I2 بواسطة الصمام الثنائي لجسم المفتاح Q1، ويستمر إطلاق الطاقة المخزنة في المحث L إلى الجانب المنخفض الجهد U1. من بينها، المرحلة الثانية والمرحلة الرابعة كلاهما مرحلتي منطقة ميتة، من أجل منع Q1 من قصر دائرة ملف الجهد المنخفض عندما يتم توصيل Q2 و Q3. يتم توصيل المفتاح Q4 على التوالي مع مكثف التثبيت C3، ويتم توصيله بالتوازي عند طرفي المفتاح Q3 من أجل التثبيت النشط وإعادة الضبط المغناطيسي للمحول.
4 حالة التطبيق الحالية للموازنة النشطة لأنظمة إدارة المباني في أنظمة تخزين الطاقة
(1) الشركات المشاركة في السوق
يوجد حاليًا ثلاثة أنواع رئيسية من المشاركين في السوق في تحقيق التوازن النشط لأنظمة إدارة المباني في أنظمة تخزين الطاقة: الشركات المصنعة للمركبات، والشركات المصنعة لبطاريات الليثيوم للطاقة، والشركات المصنعة المستقلة لأنظمة إدارة المباني.
تمثل القدرة المركبة لنظام إدارة المباني التي تنتجها شركات تصنيع المركبات حوالي 21.3% من الإجمالي، وتمثل القدرة المركبة لنظام إدارة المباني التي تنتجها مصانع بطاريات الليثيوم حوالي 45.4%، وتمثل الشركات المصنعة لنظام إدارة المباني المحترفة حوالي 33.3% من الحصة. على الرغم من أن مصنعي المركبات ومصنعي البطاريات لا يزالون يشغلون مناصب مهمة، مع اتجاه التقدم التكنولوجي والتقسيم المتخصص للعمل، فإن الشركات المصنعة لنظام إدارة المباني المحترفة ترتفع بقوة وأصبحت مهيمنة في مجال المركبات التجارية، ومن المتوقع أن يكون لها تأثير كبير في مجال الطاقة. مجال التخزين.
على سبيل المثال، تمتلك شركتا CATL وBYD حصصًا سوقية كبيرة في مجال بطاريات الليثيوم للطاقة، مع وجود بعض التأثير أيضًا في سوق أنظمة إدارة المباني لتخزين الطاقة. تشارك كل من جنرال موتورز، وتسلا، وبي واي دي، وهواتنغ باور وغيرها من شركات تصنيع السيارات، بالإضافة إلى شركات تصنيع البطاريات مثل بي واي دي، وسامسونج، وCATL، وشينوانغدا، وديساي باتيري، وتوبانغ المحدودة، وبكين بلايد، بنشاط في تخزين الطاقة. سوق بي إم إس. بالإضافة إلى ذلك، فإن الشركات المصنعة المحترفة لنظام إدارة المباني مثل Hangzhou Gaote Electronics وXieneng Technology وSci Tech Electronics تستكشف أيضًا باستمرار مجال تخزين الطاقة BMS.
(2) القضايا القائمة
1. بدأ نظام إدارة المباني لتخزين الطاقة في الصين في وقت متأخر نسبيًا، مع عدم اكتمال المعايير وعدم وجود استراتيجية تحكم موحدة. على الرغم من وجود معايير إطارية معمول بها، إلا أن كل شركة لديها متطلبات مختلفة لصناديق الجهد العالي وأحزمة أسلاك تخزين الطاقة، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التركيب والتشغيل، وأخطاء متعددة، وصعوبة تشغيل وصيانة أنظمة تخزين الطاقة. وتقوم الإدارات ذات الصلة في البلاد بصياغة معايير متعلقة بالصناعة، والتي من المتوقع أن تزيد من تنظيم صناعة أنظمة إدارة المباني، وتضمن سلامة البطاريات ومدة خدمتها، وتقلل من تكلفة أنظمة تخزين الطاقة من خلال التوحيد القياسي والقياس.
2. لا تزال موثوقية تكنولوجيا الموازنة النشطة بحاجة إلى مزيد من التحسين، كما تحتاج التكلفة إلى مزيد من التخفيض. في الوقت الحاضر، هيكل التوازن النشط معقد والتكلفة أعلى بكثير من التوازن السلبي. على سبيل المثال، الطريقة الشائعة للموازنة النشطة باستخدام المحولات للشحن والتفريغ DC-DC معقدة في الهيكل، كما أن تصميم والتحكم في مصفوفات المحولات والمحركات أمر صعب، مما يحد أيضًا من التكامل الكامل لوظيفة الموازنة النشطة في دوائر متكاملة مخصصة. علاوة على ذلك، فإن الهياكل المعقدة تؤدي حتماً إلى دوائر معقدة، كما أن الزيادة في التكلفة ومعدل الفشل أمر لا مفر منه، مما يحد أيضًا من تعزيز نظام إدارة المباني المتوازن النشط.
3. بدأت خوارزمية BMS لتخزين الطاقة للتو، ولا يزال هناك مجال للتحسين في تقدير التقدم وتقارب الخوارزميات والمتانة. تعتبر خوارزمية التحذير من البطارية مهمة جدًا في أنظمة تخزين الطاقة، لكنها لا تزال شبه فارغة في الصناعة في الصين. بشكل عام، تتمتع صناعة BMS في مجال تخزين الطاقة بمستوى إجمالي منخفض، مع وجود مجموعة متنوعة من شركات إنتاج BMS وجودة منتج غير متساوية. بعض الشركات ليس لديها فهم كافٍ لأنظمة تخزين الطاقة. يؤدي هذا إلى تصنيف BMS دائمًا في مرتبة عالية في تصنيف فشل المكونات لنظام تخزين الطاقة بأكمله.
5 اتجاه تطوير التوازن النشط لأنظمة إدارة المباني في أنظمة تخزين الطاقة
(1) أصبحت تقنية التوازن النشط اتجاهًا مستقبليًا
مع التحسين المستمر لمتطلبات الأداء لأنظمة تخزين الطاقة، أصبحت مزايا تقنية الموازنة النشطة بارزة بشكل متزايد. يمكنه تحسين اتساق حزمة البطارية بشكل فعال، وبالتالي تعزيز الأداء العام لنظام تخزين الطاقة. في التطبيقات العملية، يمكن لتقنية التوازن النشط نقل الطاقة من البطاريات عالية الطاقة إلى البطاريات منخفضة الطاقة، مما يحقق توازن الطاقة في حزمة البطارية، تمامًا مثل قطع نقاط القوة والضعف في الألواح الخشبية. لا تتمتع هذه التقنية بالكفاءة العالية والخسائر المنخفضة فحسب، بل تتمتع أيضًا بتيار متوازن كبير ونتائج سريعة. لذلك، سيتم تطبيق تقنية التوازن النشط على نطاق واسع في أنظمة إدارة بطاريات تخزين الطاقة وستصبح اتجاهًا للتنمية المستقبلية.
(2) توطين المكونات الرئيسية
يحتاج تطوير صناعة أنظمة إدارة المباني المحلية إلى التركيز على توطين المكونات الرئيسية. في الوقت الحاضر، بدأ نظام إدارة المباني لتخزين الطاقة في الصين في وقت متأخر نسبيًا، وتعتمد المكونات الرئيسية على الواردات، الأمر الذي لا يزيد التكاليف فحسب، بل قد يواجه أيضًا خطر العرض غير المستقر. يعد تحسين قدرات البحث والتطوير المستقلة وتحقيق توطين المكونات الرئيسية أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز القدرة التنافسية لصناعة أنظمة إدارة المباني في الصين. على سبيل المثال، أشار تقرير بحثي صادر عن شركة الصين الدولية لرأس المال (CICC) إلى أن هناك مجالًا كبيرًا لتحسين معدل توطين رقائق إدارة البطاريات، وأن المصنعين المحليين يواجهون فرصًا تجارية كبيرة. ومع نمو مساحة السوق المحلية للصناعات النهائية وزيادة حصة الشركات المصنعة المحلية للصناعات النهائية، من المتوقع أن يفتح مصنعو شرائح إدارة البطاريات المحلية فرصًا جديدة.
(3) تحسين تكامل المنتج
في المستقبل، سيصبح الجمع بين خوارزميات حالة البطارية والبيانات الضخمة المستندة إلى السحابة هو الاتجاه السائد، كما سيتم تطبيق خوارزميات الذكاء الاصطناعي على نطاق واسع في نظام إدارة المباني. سيؤدي ذلك إلى تحسين موثوقية وأمن النظام. على سبيل المثال، تعمل براءة الاختراع الخاصة بـ "محول تخزين الطاقة ونظام تخزين الطاقة" التي تقدمت بها شركة Xi'an Xingyuan Borui New Energy Technology Co., Ltd. على تبسيط التصميم، وتقليل تعقيد النظام وعدد مكوناته، وتقليل التصميم بشكل كبير التكلفة وصعوبة التكامل. وفي الوقت نفسه، يتيح تصميم وحدة التحكم للجهاز تخصيص الطاقة بذكاء، مما يحسن الكفاءة التشغيلية لنظام تخزين الطاقة. مع التقدم التكنولوجي المستمر، سيستمر تكامل منتجات BMS في التحسن، مما يوفر دعمًا أقوى لتطوير أنظمة تخزين الطاقة.