تحليل حالة التوازن وخوارزمية التوازن

في حزمة البطارية المثالية، تتمتع جميع الخلايا الفردية بنفس السعة وتكون دائمًا في نفس شركة نفط الجنوب، وهي أيضًا شركة نفط الجنوب لحزمة البطارية؛ عندما تكون SOC لحزمة البطارية 100%، تكون SOC لجميع الخلايا أيضًا 100%، مما يحد من المزيد من الشحن. عندما تكون SOC لحزمة البطارية 50%، فإن جميع الخلايا الفردية تكون أيضًا 50% SoC عندما تكون حزمة البطارية عند 0% SoC، تكون جميع الخلايا أيضًا عند 0% SOC، وكلها تحد من المزيد من التفريغ. حتى لو كانت جميع الخلايا لها نفس السعة، وإذا كانت الأمور في SOC مختلفة، فإن حزمة البطارية غير متوازنة؛

حزمة بطارية تتكون من ست خلايا بطارية متصلة على التوالي. يمثل كل مستطيل خلية بطارية، ويمثل ارتفاعه قدرتها، ويمثل موضعه الرأسي شريحة SoC الخاصة بها. (أ) نفس القدرة، متوازنة، (ب) نفس القدرة، غير متوازنة، (ج) قدرات مختلفة، أعلى متوازنة، (د) قدرات مختلفة، متوسطة متوازنة. عندما تكون الخلية 2 عند نسبة 100% SoC، فإنها تقيد أي شحن إضافي. ولذلك، فإن حزمة البطارية هي 100% SoC؛ لا يزال هناك مساحة أكبر للبطاريات الأخرى، لكن لا يمكن شحنها مرة أخرى لأن القيام بذلك سيؤدي إلى زيادة شحن البطارية الثانية. عندما تكون حزمة البطارية بنسبة 50% SoC، فإن نطاق SoC لكل خلية يتراوح تقريبًا من 30% إلى 70%. عندما تكون البطارية رقم 4 عند مستوى 0% SoC، فإنها تحد من أي تفريغ إضافي. ولذلك، فإن شركة نفط الجنوب لحزمة البطارية هي 0%؛ لا يزال هناك المزيد من الشحن في البطاريات الأخرى، لكن لا يمكن تفريغها لأن القيام بذلك سيؤدي إلى تفريغ البطارية رقم 4 بشكل زائد. لاحظ أن شبكتين خلويتين مختلفتين تحدان من سعة حزمة البطارية، مع رقم 2 في الأعلى ورقم 4 في الأسفل.

في لحظة معينة، تكون حالة عدم التوازن (SoI) لحزمة البطارية هي الفرق بين خلية SoC الأكثر شحنًا وخلية SoC الأقل شحنًا في حزمة البطارية. على سبيل المثال، إذا كانت نسبة SoC للبطارية الأكثر شحنًا هي 75% وكانت نسبة SoC للبطارية الأقل شحنًا هي 70%، فإن SoC للسلسلة هي 5%. بالنسبة لحزم البطاريات التي تحتوي على نفس SoC للخلايا الفردية، تكون SoI 0%.

حالة التوازن (SoB) لحزمة البطارية هي 100% ناقص SoI. إذا كانت SoI لحزمة البطارية 5%، فإن SoB الخاص بها هو 95%. في المناقشة أعلاه، تم استخدام المربعات لتمثيل نطاق شركة نفط الجنوب لكل خلية على حدة. إذا لم يكن هذا التمثيل جيدًا جدًا، فإن الرسم البياني التالي لجهد البطارية ومستوى SoC مع حزمة البطارية SoC يمكن أن ينقل هذا المفهوم بشكل أكثر وضوحًا.

في ظل الظروف المثالية ذات السعة والتوازن المتساويين، تتمتع جميع الخلايا في سلسلة البطاريات المتصلة بنفس السعة، وفي أي وقت محدد، تكون شركة نفط الجنوب هي نفسها (الشكل {{0}}). عندما يتم شحن حزمة البطارية أو تفريغها، تظل جميع الفولتية الخلوية ثابتة. إن SoC لكل خلية هو نفسه الموجود في حزمة البطارية (على سبيل المثال، عندما تكون SoC لحزمة البطارية 50%، تكون SoC لكل خلية أيضًا 50%). قد تدرك أن المنحنى أعلاه مخصص فقط لبطاريات الليثيوم أيون OCV وNMC الخاصة بشركة نفط الجنوب. تتبع جميع خلايا البطارية الثلاث هذا المنحنى. يمثل المنحنى السفلي SoC لخلية البطارية وSoC لحزمة البطارية، وفي هذه الحالة، فهو خط مستقيم من 0% إلى 100% بنسبة 1:1-a. الرسم التخطيطي لثلاث خلايا بطارية متصلة على التوالي على شريحة SoC بنسبة 50% يتوافق مع الخط العمودي في منتصف الشكلين. عندما تكون مجموعة البطارية ممتلئة، تكون جميع الخلايا في حالة SoC بنسبة 100%؛ لا يوجد حد أقصى لشحن خلية بطارية واحدة، حيث يتم شحنها جميعًا في نفس الوقت. وبالمثل، عندما تكون حزمة البطارية فارغة، تكون قيمة SoC لجميع الخلايا 0%؛ لا يمكن لبطارية واحدة أن تحد من التفريغ - فكلها تحد من التفريغ في نفس الوقت. سعة حزمة البطارية هي نفس سعة كل خلية بطارية (10 ساعات في هذا المثال). وهذا يعني أن السعة الكاملة لكل خلية متاحة. ولذلك، فإن حالة توازن مجموعة البطارية هي 100% (تشير إلى التوازن الكامل لحزمة البطارية)، وحالة عدم التوازن هي 0% (تشير إلى عدم وجود خلل).

إذا كانت السعة هي نفسها، ولكن شركة SoC في البداية مختلفة (كما هو موضح في الشكل {{0}})، فإن إحدى البطاريات تحد من الشحن (البطارية 1 في هذا المثال) وتحد البطارية الأخرى من التفريغ ( البطارية 3 في هذا المثال). ولذلك، انخفضت قدرة مجموعة البطارية. يوضح المنحنى أعلاه العلاقة بين الجهد والشحن لثلاثة أنواع من بطاريات الليثيوم أيون. لاحظ أن شكل المنحنى هو نفسه. إنهم يتحركون فقط إلى اليسار (الوحدة رقم 1 بها SoC أعلى) أو إلى اليمين (الوحدة رقم 3 بها SoC أقل). المنحنى السفلي هو "SoC وحزمة البطارية SoC" المكونة من ثلاث خلايا (وليس 1:1 في هذه الحالة). يرجى ملاحظة أن الميل هو نفسه لأن الخلايا الثلاث لها نفس السعة. إنهم يتحركون فقط إلى اليسار أو اليمين عندما تكون السلسلة عند 0% SoC (الطرف الأيسر من المخطط)، تكون الخلية رقم 3 فارغة ويتم تعطيل التفريغ. لا تزال البطاريتان الأخريان تتمتعان بجهد عالي (3.38 فولت للبطارية 2 و3.6 فولت للبطارية 1) وشحن (20% SoC للبطارية 2 و40% SoC للبطارية 1). ومع ذلك، فإن هذا الشحن غير متاح لأنه لا يمكنه تفريغ الخلية رقم 3. عندما تكون نسبة SoC لحزمة البطارية 50% (الخط الرأسي في منتصف الرسم البياني)، تكون نسبة SoC للخلية 1 70%، وتكون نسبة SoC للخلية 2 هي 50%، وSoC للخلية 3 هي 30%.

عندما تكون مجموعة البطارية عند 100% SoC (في الطرف الأيمن من الشكل)، تكون الخلية رقم 1 ممتلئة ويتم تعطيل الشحن؛ جهد البطاريتين الأخريين أقل (3.87 فولت للبطارية 2 و3.75 فولت للبطارية 3)، ولا يزال بإمكانهما قبول المزيد من الشحن (80% SoC للبطارية 2 و60% SoC للبطارية 3). ومع ذلك، هذه المساحة غير متوفرة لأنه لا يمكن شحنها إلا إذا تم شحن البطارية رقم 1 بشكل زائد. تعمل كل بطارية ضمن نطاق SoC محدود: • تحدد شريحة SoC للبطارية رقم 1 الشحن، حيث يتراوح من 40% إلى 100%؛ يتراوح نطاق SoC للوحدة 2 من 20% إلى 80%؛ SoC للبطارية 3، تفريغ محدود، يتراوح من 0% إلى 60%. تبلغ الدلتا ضمن نطاق SoC لجميع البطاريات 60% عبر النطاق بأكمله. وهذا يعني أن 60% فقط من سعة الوحدة متاحة للسلاسل، و40% غير متاحة بسبب عدم التوازن - حالة توازن حزمة البطارية هي 60%، وحالة عدم توازنها هي 40%. تبلغ سعة كل خلية بطارية 10 ساعات، لكن سعة حزمة البطارية تبلغ 6 ساعات فقط (60% من 10 ساعات).

عندما تكون الخلايا الموجودة في حزمة البطارية ذات سعات مختلفة (وهذا هو الحال بالفعل)، لا يمكن موازنة حزمة البطارية إلا على مستوى SoC لخلية واحدة. وفي أماكن أخرى، تحتوي البطاريات على مستويات مختلفة من SoC. عندما يتم شحن حزمة البطارية أو تفريغها من هذه النقطة، تتباعد شريحة SoC الخاصة بالبطارية. بعد ذلك، عندما تعود حزمة البطارية إلى مستوى SoC الأصلي، يتم إعادة تجميع SoCs لجميع الخلايا. في الشكل 3-13، يوضح المنحنى العلوي العلاقة بين الجهد والشحن لثلاث خلايا بطارية. يرجى ملاحظة أن هذه المنحنيات لها نفس الشكل العام. فقط عرضهم سوف يتغير. إذا كانت السعة عالية (الخلية 1)، فسيكون المنحنى أوسع؛ إذا كانت السعة منخفضة، يكون المنحنى ضيقًا (الخلية رقم 3). يمثل المنحنى السفلي شركة نفط الجنوب لثلاث خلايا بطارية وشركة نفط الجنوب لحزمة البطارية. يرجى ملاحظة أن المنحدرات مختلفة لأن هذه الخلايا الثلاث لها سعات مختلفة: نظرًا للتيار المتدفق داخل أو خارج حزمة البطارية، تتغير شريحة SoC الخاصة بالبطارية ذات السعة المنخفضة بشكل أسرع من تلك الخاصة بالبطارية ذات السعة العالية.

في هذا المثال:

عندما تكون مجموعة البطارية عند 0% SoC (الطرف الأيسر من الرسم البياني)، تكون الخلية رقم 3 فارغة ولا يمكن تفريغها؛ لا تزال الخليتان الأخريان بشحنة (الخلية 1 عند 40% SoC، الخلية رقم 2 عند 20% SoC)، الخلية 1 عند 3.5 فولت، الخلية 2 عند 3.38 فولت، والفرق في SoC بين الخليتين رقم 1 و رقم 3 هو 40%، مما يعني أن الحالة غير المتوازنة لحزمة البطارية هي 40%.

عندما تكون حزمة البطارية عند 50% SoC (الخط الرأسي في منتصف الرسم البياني)، فإن SoC للبطاريات الثلاث تكون 50%، وبالتالي فإن الجهد هو نفسه عند 3.65 فولت.

SoB هي 100%، SoI هي 0%.

عندما تكون حزمة البطارية عند 100% SoC (الطرف الأيمن من الرسم التخطيطي)، تكون الخلية رقم 3 ممتلئة ولا يمكن شحنها؛ لا يزال بإمكان الخليتين الأخريين قبول المزيد من الشحن (الخلية 1 عند 60% SoC والخلية 2 عند 80% SoC)، مع الخلية 1 عند 3.82 فولت والخلية 2 عند 3.9 فولت. الفرق في SoC بين البطاريات رقم 1 ورقم 3 هو 40%، مما يعني أن حالة عدم توازن حزمة البطارية تبلغ 40%.

من أجل تحقيق التوازن في حزمة البطارية، يقوم BMS بفحص جهد البطارية لتحديد البطاريات غير المتوازنة. ومع ذلك، نظرًا لحقيقة أن منحنيات OCV وSoC ليست خطًا مستقيمًا، فإن فرق الجهد بين البطاريتين لا يتناسب بشكل مباشر مع فرق الشحن. في حالة عدم توازن معين، يعتمد فرق الجهد بين بطاريتين متصلتين على التوالي على عوامل متعددة: درجة عدم التوازن: كلما زادت درجة عدم التوازن، زاد فرق الجهد؛ SoC لحزمة البطارية: نظرًا لشكل منحنيات OCV وSoC، يكون فرق الجهد أكثر وضوحًا عند مستويات SoC المنخفضة والعالية؛ كيمياء البطارية: بالنسبة لبطاريات LFP، في SOC، بغض النظر عن SoI، يكون جهد البطارية هو نفسه تقريبًا؛ يصبح فرق الجهد مهمًا فقط عندما تكون شركة نفط الجنوب عند مستويات منخفضة وعالية. توضح هذه الرسوم البيانية فرق الجهد بين بطاريتين وسلسلة SoC، مع كميات متفاوتة من عدم توازن SoC بينهما. على سبيل المثال، يتم استخدام منحنى 10% عندما تكون شركة نفط الجنوب لوحدة واحدة أعلى بنسبة 10% من وحدة أخرى. بالنسبة لوحدات NMC، من الصعب اكتشاف خلل بنسبة 1%، باستثناء SoCs أقل من 5% (الشكل 3.18 (أ))؛ يمكن اكتشاف عدم التوازن بنسبة 10% بسهولة، باستثناء ما يقرب من 35% SoC. بالنسبة لوحدات LFP، من السهل اكتشاف خلل بنسبة 1% عندما تكون شركة نفط الجنوب أقل من 10% وأكثر من 95% (الشكل 3.18 (ب)). وفي أماكن أخرى، يكاد يكون غير محسوس؛ عندما تكون نسبة SoC 50%، يمكن اكتشاف 30% فقط من الخلل الشديد في التوازن. لذلك، على الرغم من أن بطاريات LFP مناسبة جدًا لتطبيقات الطاقة، إلا أن البطاريات العازلة المزودة ببطاريات LFP من المستحيل في الواقع تحقيق التوازن المتوسط. إن محاولة موازنة حزمة البطارية في منطقة يكون فيها جهد دلتا منخفضًا جدًا لا معنى لها فحسب، بل من المحتمل أيضًا أن تؤدي إلى نتائج عكسية، حيث يمكن أن تؤثر عوامل أخرى على الفرق في جهد طرف البطارية أكثر من عدم التوازن.

الفرق في تيار التفريغ الذاتي هو السبب المباشر لعدم توازن البطارية. تتناقص شريحة SoC للبطاريات ذات التفريغ الذاتي العالي بشكل أسرع من البطاريات ذات التفريغ الذاتي المنخفض. مع مرور الوقت، تختلف مستويات SoC لكل خلية بطارية وتزداد حالة عدم التوازن. على الرغم من أن جميع البطاريات تفرغ ذاتيًا بأقل معدل، إلا أن بعضها أسرع من غيرها، خاصة عند درجات الحرارة المختلفة (الشكل {{0}} (أ)). يحدث السيناريو الأسوأ عندما تكون بعض البطاريات في درجة حرارة الغرفة بينما تكون البطاريات الأخرى في حالة ساخنة (على سبيل المثال، لأنها مثبتة بجوار الشاحن). تيار التفريغ الذاتي للبطارية الأكثر برودة هو 0.000023C، في حين أن تيار التفريغ الذاتي للبطارية الأكثر سخونة هو 0.00017C،

الفرق 0.00015 درجة مئوية. وبسبب هذا الاختلاف، ستصبح السلسلة غير متوازنة أكثر بنسبة 11% كل شهر. من أجل التعويض عن الاختلاف في تيار التفريغ الذاتي بين البطاريات، تحصل BMS على تيار متوازن من البطارية بأقل تيار تفريغ ذاتي. تيار التوازن هذا يساوي تمامًا الفرق في تيار التفريغ الذاتي بين هذه البطارية والبطارية ذات أعلى تفريغ ذاتي. في المثال الموضح في الشكل، يرجى ملاحظة كيف يضمن BMS تفريغ كل خلية بنفس التيار البالغ 150 ميكرو أمبير من خلال توفير تيار تفريغ إضافي للخلايا ذات تيار التفريغ الذاتي المنخفض. وبدلاً من ذلك، يمكن لـ BMS شحن البطارية بأعلى تيار تفريغ ذاتي لتعويض الفرق.

تعتمد خوارزمية الموازنة على موازنة الجهد: فقط عندما تكون البطارية عند قيمة ضبط التوازن، تتم موازنتها بناءً على قراءة جهد البطارية؛ بناءً على SoC (التنبؤ): يمكن موازنته في أي وقت، بناءً على مستويات SoC المقدرة للبطارية