ما هو نظام إدارة البطارية (BMS)؟

نظام إدارة البطارية (BMS) عبارة عن تقنية مصممة خصيصًا للإشراف على حزم البطاريات، وهي مكونات خلايا البطارية التي يتم تنظيمها كهربائيًا في تكوين مصفوفة صف وعمود لتوفير نطاق مستهدف من الجهد والتيار لظروف الحمل المتوقعة على مدار فترة زمنية. .

يتضمن الإشراف الذي تقدمه BMS عادةً ما يلي:

• مراقبة البطارية

• توفير حماية للبطارية

• تقدير حالة عمل البطارية

• التحسين المستمر لأداء البطارية

• الإبلاغ عن حالة التشغيل للأجهزة الخارجية

وهنا مصطلح "بطارية' يعني مجموعة البطارية بأكملها؛ ومع ذلك، يتم تطبيق وظائف المراقبة والتحكم بشكل خاص على البطاريات الفردية أو مجموعات البطاريات المشار إليها على أنها وحدات داخل مجموعة حزمة البطارية بأكملها. تتمتع بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن بأعلى كثافة للطاقة وهي الاختيار القياسي للعديد من حزم البطاريات الاستهلاكية، بدءًا من أجهزة الكمبيوتر المحمولة وحتى السيارات الكهربائية. على الرغم من أنها تؤدي أداءً جيدًا، إلا أنها يمكن أن تكون قاسية جدًا إذا تم تشغيلها خارج منطقة التشغيل الآمنة (SOA)، وتتراوح النتائج من إتلاف أداء البطارية إلى عواقب خطيرة تمامًا. لا شك أن الوصف الوظيفي لنظام إدارة المباني يمثل تحديًا، حيث أن التعقيد العام ونطاق الإشراف عليه قد يشمل تخصصات متعددة مثل الكهرباء والرقمية والتحكم والحرارة والهيدروليكية.

كيف يعمل نظام إدارة البطارية؟

لا يوجد معيار ثابت أو فريد يجب اعتماده لأنظمة إدارة البطارية. ويرتبط نطاق التصميم الفني وخصائص التنفيذ عادة بما يلي:

• تكلفة وتعقيد وحجم حزم البطارية

• استخدام البطاريات وأي مشكلات تتعلق بالسلامة والعمر والضمان

• متطلبات الاعتماد الخاصة باللوائح الحكومية المختلفة، إذا لم يتم تطبيق تدابير السلامة الوظيفية، فإن التكلفة والعقوبات أمر بالغ الأهمية

لدى BMS العديد من وظائف التصميم، وتعد إدارة حماية حزمة البطارية وإدارة السعة وظيفتين أساسيتين. سنناقش هنا كيفية عمل هاتين الوظيفتين. هناك مجالان رئيسيان لإدارة حماية حزمة البطارية: الحماية الكهربائية، مما يعني أنه لا يسمح بتلف البطاريات عند استخدامها خارج SOA؛ الحماية الحرارية، والتي تتضمن التحكم السلبي و/أو النشط في درجة الحرارة للحفاظ على حزمة البطارية أو إدخالها في SOA.

حماية الإدارة الكهربائية: التيار

تعد مراقبة تيار حزمة البطارية وجهد البطارية أو الوحدة طريقة لتحقيق الحماية الكهربائية. إن SOA الكهربائية لأي خلية بطارية مقيدة بالتيار والجهد. يوضح الشكل 1 بطارية ليثيوم أيون نموذجية SOA، حيث يقوم نظام إدارة المباني (BMS) المصمم جيدًا بحماية حزمة البطارية عن طريق منعها من العمل خارج تصنيف بطارية الشركة المصنعة. في كثير من الحالات، يمكن تطبيق مزيد من التخفيض داخل منطقة أمان SOA لإطالة عمر البطارية.

تتميز بطاريات الليثيوم أيون بحدود مختلفة لتيار الشحن وحدود تيار التفريغ، ويمكن لكلا الوضعين التعامل مع تيارات الذروة الأعلى، على الرغم من أن الوقت قصير. عادةً ما تحدد الشركات المصنعة للبطاريات الحد الأقصى لحدود تيار الشحن والتفريغ المستمر، بالإضافة إلى حدود جهد الشحن والتفريغ القصوى. إن نظام إدارة المباني (BMS) الذي يوفر الحماية الحالية سوف يطبق بالتأكيد أقصى تيار مستمر. ومع ذلك، يمكن أخذ التغيرات المفاجئة في ظروف التحميل بعين الاعتبار قبل ذلك؛ على سبيل المثال، التسارع المفاجئ للسيارات الكهربائية. يمكن لـ BMS الجمع بين مراقبة الذروة الحالية من خلال دمج التيار واتخاذ قرار بتقليل التيار المتاح أو مقاطعة تيار المجموعة تمامًا بعد مرور الوقت. يتيح ذلك لـ BMS أن يكون لديه حساسية فورية تقريبًا لذروات التيار القصوى، مثل حالات الدائرة القصيرة التي لا تجذب أي انتباه للصمامات المقيمة، ولكنها يمكنها أيضًا تحمل متطلبات الذروة العالية طالما أنها ليست مفرطة لفترة طويلة جدًا.

حماية الإدارة الكهربائية: الجهد

يوضح الشكل 2 أن بطاريات الليثيوم أيون يجب أن تعمل ضمن نطاق جهد معين. سيتم تحديد حدود SOA هذه في النهاية من خلال الخواص الكيميائية المتأصلة لبطارية الليثيوم أيون المحددة ودرجة حرارة البطارية في أي وقت. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للكمية الكبيرة من دورات التيار، والتفريغ الناتج عن طلب الحمل، والشحن من مصادر الطاقة المختلفة التي تخضع لها أي حزمة بطارية، غالبًا ما يتم تقييد قيود جهد SOA هذه بشكل أكبر لتحسين عمر البطارية. يجب أن يعرف نظام إدارة المباني (BMS) ما هي هذه القيود ويتخذ القرارات بناءً على مدى قرب هذه العتبات. على سبيل المثال، عند الاقتراب من حد الجهد العالي، يمكن أن يطلب نظام إدارة المباني (BMS) انخفاضًا تدريجيًا في تيار الشحن، أو إذا تم الوصول إلى الحد الأقصى، فيمكنه طلب الإنهاء الكامل لتيار الشحن. ومع ذلك، غالبًا ما يكون هذا القيد مصحوبًا باعتبارات إضافية متأصلة في تباطؤ الجهد لمنع تذبذبات التحكم فيما يتعلق بعتبة إيقاف التشغيل. من ناحية أخرى، عند الاقتراب من حد الجهد المنخفض، ستطلب BMS أحمالًا نشطة حرجة غير متوافقة لتقليل الطلب الحالي. وفي حالة السيارات الكهربائية، يمكن تحقيق ذلك عن طريق تقليل عزم الدوران المسموح به لمحرك الجر. وبطبيعة الحال، يجب على BMS إعطاء الأولوية لسلامة السائق وحماية البطارية من التلف الدائم.

حماية الإدارة الحرارية: درجة الحرارة

على السطح، تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بنطاق واسع من درجات حرارة التشغيل، ولكن بسبب معدلات التفاعل الكيميائي البطيئة بشكل كبير، تنخفض السعة الإجمالية للبطارية عند درجات حرارة منخفضة. من حيث القدرة على درجات الحرارة المنخفضة، فإن أدائها أفضل بكثير من بطاريات الرصاص الحمضية أو بطاريات NiMh؛ ومع ذلك، تعد إدارة درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية نظرًا لأن الشحن أقل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) يمثل مشكلة مادية. أثناء الشحن تحت التجميد، قد تحدث ظاهرة الطلاء الكهربائي للليثيوم المعدني على القطب الموجب. وهذا ضرر دائم لا يؤدي فقط إلى انخفاض السعة، بل يزيد أيضًا من احتمالية تعطل البطارية في حالة تعرضها للاهتزاز أو ظروف الضغط الأخرى. يمكن لـ BMS التحكم في درجة حرارة حزمة البطارية من خلال التسخين والتبريد.

يعتمد تنفيذ الإدارة الحرارية كليًا على حجم وتكلفة حزمة البطارية، وأهداف الأداء، ومعايير تصميم نظام إدارة المباني، ووحدات المنتج، والتي قد تتضمن اعتبارات للمنطقة الجغرافية المستهدفة. بغض النظر عن نوع المدفأة، عادةً ما يكون استخراج الطاقة من مصدر طاقة تيار متردد خارجي أو من البطاريات المقيمة البديلة المستخدمة لتشغيل المدفأة أكثر كفاءة عادةً. ومع ذلك، إذا كان للسخان الكهربائي استهلاك تيار معتدل، فيمكن سحب الطاقة من البطارية الرئيسية لتسخين نفسه. في حالة استخدام نظام هيدروليكي ساخن، يتم استخدام سخان كهربائي لتسخين سائل التبريد الذي يتم ضخه وتوزيعه في جميع أنحاء المكون بأكمله.

مما لا شك فيه أن مهندسي تصميم BMS لديهم بعض المهارات في صناعة التصميم لتقطير الطاقة الحرارية في حزم البطاريات. على سبيل المثال، يمكن تشغيل العديد من أجهزة الطاقة الإلكترونية المخصصة لإدارة القدرات داخل نظام إدارة المباني. على الرغم من أنها ليست بنفس كفاءة التسخين المباشر، إلا أنه لا يزال من الممكن استخدامها مهما كان الأمر. يعد التبريد مهمًا بشكل خاص لتقليل فقدان أداء مجموعات بطاريات الليثيوم أيون. على سبيل المثال، ربما تعمل بطارية معينة بشكل أفضل عند درجة حرارة 20 درجة مئوية؛ إذا زادت درجة حرارة العبوة إلى 30 درجة مئوية، فقد تنخفض كفاءة أدائها بنسبة 20%. إذا تم شحن مجموعة البطارية وإعادة شحنها باستمرار عند درجة حرارة 45 درجة مئوية (113 درجة فهرنهايت)، فقد يصل فقدان الأداء إلى 50%. في حالة التعرض المستمر لبيئات شديدة الحرارة، خاصة أثناء دورات الشحن والتفريغ السريعة، قد يتقادم عمر البطارية أيضًا ويتدهور قبل الأوان. يتم التبريد عادةً من خلال طريقتين، سلبي أو نشط، ويمكن استخدام كلا التقنيتين. يعتمد التبريد السلبي على حركة تدفق الهواء لتبريد البطارية. أما بالنسبة للسيارات الكهربائية، فهذا يعني أنها تسير على الطريق فقط. ومع ذلك، قد يكون الأمر أكثر تعقيدًا مما يبدو، حيث يمكن دمج مستشعر سرعة الهواء معًا لضبط سد الهواء الانحراف بشكل استراتيجي تلقائيًا لزيادة تدفق الهواء إلى أقصى حد. قد يكون استخدام المراوح النشطة التي يتم التحكم في درجة حرارتها مفيدًا عند السرعات المنخفضة أو عند توقف السيارة، ولكن كل هذا يهدف فقط إلى الحفاظ على مجموعة البطارية في نفس درجة حرارة البيئة المحيطة. إذا كان الطقس حارًا، فقد يؤدي ذلك إلى زيادة درجة الحرارة الأولية للعبوة. يمكن تصميم التبريد النشط الهيدروليكي الساخن كنظام تكميلي، عادةً ما يستخدم سائل تبريد جلايكول الإيثيلين مع نسبة خلط محددة، ويدور عبر الأنابيب/الخراطيم، ومشعبات التوزيع، والمبادلات الحرارية ذات التدفق المتقاطع (المشعاعات)، وألواح التبريد ضد مكونات حزمة البطارية باستخدام محول كهربائي. مضخة. يقوم BMS بمراقبة درجة حرارة حزمة البطارية بأكملها ويفتح ويغلق الصمامات المختلفة للحفاظ على درجة حرارة البطارية بأكملها ضمن نطاق درجة حرارة ضيق لضمان الأداء الأمثل للبطارية.

إدارة القدرات

يمكن اعتبار تعظيم سعة حزمة البطارية أحد أهم خصائص أداء البطارية التي توفرها BMS. إذا لم يتم إجراء هذه الصيانة، فقد تصبح مجموعة البطارية عديمة الفائدة في النهاية. يكمن جذر المشكلة في حقيقة أن "تكديس" حزم البطاريات (مصفوفات سلسلة البطاريات) ليس متساويًا تمامًا وله بشكل أساسي معدلات تسرب أو تفريغ ذاتي مختلفة قليلاً. التسرب ليس عيبًا في الشركة المصنعة، بل هو في الخواص الكيميائية للبطارية، على الرغم من أنه قد يتأثر إحصائيًا بالتغييرات البسيطة في عملية التصنيع. في البداية، قد تحتوي حزم البطاريات على بطاريات متطابقة بشكل جيد، ولكن مع مرور الوقت، يتناقص التشابه بين البطاريات بشكل أكبر، ليس فقط بسبب التفريغ الذاتي ولكن أيضًا بسبب دورات الشحن/التفريغ، وارتفاع درجة الحرارة، وتقادم التقويم العام. مع أخذ هذا في الاعتبار، وتذكر المناقشة السابقة، فإن بطاريات الليثيوم أيون تعمل بشكل جيد، ولكنها قد تكون قاسية جدًا إذا تم تشغيلها خارج نطاق SOA الصارم. وتعرفنا سابقاً على الحماية الكهربائية المطلوبة، حيث أن بطاريات الليثيوم أيون لا يمكنها التعامل مع الشحن الزائد بشكل جيد. بمجرد شحنها بالكامل، لا يمكنها قبول المزيد من التيار، وسيتم تحويل أي طاقة إضافية إلى حرارة، وقد يرتفع الجهد الكهربائي بسرعة، مما قد يصل إلى مستويات خطيرة. هذه ليست حالة صحية للخلايا، وإذا استمرت، فإنها قد تسبب ضررا دائما وظروف تشغيل غير آمنة.

يحدد التوصيل المتسلسل لمصفوفات البطارية الجهد الكهربي لحزمة البطارية بأكملها، وقد يؤدي عدم التطابق بين البطاريات المتجاورة إلى حدوث صعوبات عند محاولة شحن أي حزمة بطارية. ويبين الشكل 3 سبب حدوث ذلك. إذا كان لدى الشخص مجموعة بطاريات متوازنة تمامًا، فكل شيء على ما يرام لأن كل بطارية سيتم شحنها بطريقة متساوية، ويمكن قطع تيار الشحن عند الوصول إلى الحد الأعلى للجهد 4.0. ومع ذلك، في حالة عدم التوازن، ستصل البطارية العلوية إلى حد الشحن الخاص بها قبل الموعد المحدد، ويجب إنهاء تيار الشحن الخاص بالفرع قبل شحن البطاريات السفلية الأخرى بكامل طاقتها.

لإثبات مبدأ عملها، يجب شرح تعريف رئيسي. تتناسب حالة الشحن (SOC) للبطارية أو الوحدة في وقت معين بشكل مباشر مع الطاقة المتاحة بالنسبة إلى الطاقة الإجمالية عند الشحن الكامل. ولذلك، فإن البطارية بنسبة 50% SOC تعني أنها مشحونة بنسبة 50%، وهو ما يشبه عامل الجودة لمقياس الطاقة. تهدف إدارة سعة BMS إلى موازنة تغييرات SOC لكل حزمة في حزمة البطارية. وبما أن SOC ليست كمية قابلة للقياس مباشرة، فإنه يمكن تقديرها من خلال تقنيات مختلفة، وعادة ما ينقسم مخطط الموازنة نفسه إلى فئتين: سلبي وإيجابي. هناك العديد من الاختلافات في المواضيع، ولكل منها مزاياه وعيوبه. يقرر مهندس تصميم BMS أيهما أكثر ملاءمة لحزمة البطارية المحددة وتطبيقها. التوازن السلبي هو الأسهل في تحقيقه ويمكنه أيضًا شرح المفهوم العام للتوازن. تسمح الطرق السلبية لكل بطارية في حزمة البطارية بأن تتمتع بنفس سعة الشحن التي تتمتع بها البطارية الأضعف. ويستخدم تيارًا منخفضًا نسبيًا لنقل كمية صغيرة من الطاقة من بطاريات SOC عالية أثناء دورة الشحن، بحيث يمكن شحن جميع البطاريات إلى الحد الأقصى لـ SOC. يوضح الشكل 4 كيف يحقق BMS ذلك. فهو يراقب كل بطارية ويستخدم مفاتيح الترانزستور ومقاومات التفريغ ذات الحجم المناسب بالتوازي مع كل بطارية. عندما يكتشف نظام إدارة المباني (BMS) أن بطارية معينة تقترب من الحد الأقصى للشحن، فإنه سيوجه التيار الزائد حولها بطريقة من أعلى إلى أسفل إلى البطارية التالية أدناه.

تظهر نقاط النهاية لعملية الموازنة قبل وبعد في الشكل 5. باختصار، يسمح BMS للبطاريات أو الوحدات الموجودة في حزمة البطارية برؤية تيارات الشحن التي تختلف عن تيار حزمة البطارية لموازنة حزمة البطارية من خلال أحد الإجراءات التالية طُرق:

توفر إزالة الشحن من البطارية الأكثر شحنًا مساحة رأسية لتيار شحن إضافي لمنع الشحن الزائد وتسمح للبطاريات الأقل شحنًا باستقبال المزيد من تيار الشحن

إعادة وضع بعض أو كل تيار الشحن تقريبًا حول البطارية الأكثر شحنًا، مما يسمح للبطاريات الأقل شحنًا باستقبال تيار الشحن لفترة أطول من الوقت

أنواع أنظمة إدارة البطارية

يمكن لنظام إدارة البطارية اعتماد تقنيات مختلفة من البسيطة إلى المعقدة لتحقيق تعليماته الرئيسية المتمثلة في "العناية بالبطارية". ومع ذلك، يمكن تصنيف هذه الأنظمة بناءً على طوبولوجيتها، والتي تتعلق بتركيبها وتشغيلها على البطاريات أو وحدات حزمة البطارية بأكملها.

بنية BMS المركزية

يوجد نظام BMS مركزي في مجموعة البطارية. جميع حزم البطاريات متصلة مباشرة بنظام إدارة المباني المركزي. يظهر الشكل 6 هيكل نظام إدارة المباني المركزي. يتمتع نظام إدارة المباني المركزي ببعض المزايا. إنه أكثر إحكاما وغالبا ما يكون الأكثر اقتصادا لأنه لا يوجد سوى نظام إدارة المباني واحد. ومع ذلك، فإن نظام إدارة المباني المركزي له عيوبه أيضًا. نظرًا لأن جميع البطاريات متصلة مباشرة بنظام إدارة المباني، فإن نظام إدارة المباني يتطلب العديد من المنافذ لتوصيل جميع حزم البطاريات. وهذا يعني وجود عدد كبير من الأسلاك والكابلات والموصلات وما إلى ذلك في مجموعات البطاريات الكبيرة، مما يجعل استكشاف الأخطاء وإصلاحها والصيانة أمرًا معقدًا.

طوبولوجيا BMS المعيارية

على غرار التنفيذ المركزي، ينقسم نظام إدارة المباني إلى عدة وحدات متكررة، تحتوي كل منها على حزمة مخصصة من الأسلاك ومتصلة بأجزاء معينة مجاورة من حزمة البطارية. انظر الشكل 7. في بعض الحالات، قد تكون وحدات BMS الفرعية هذه تحت إشراف وحدة BMS الرئيسية، والتي تتمثل وظيفتها في مراقبة حالة الوحدات الفرعية والتواصل مع الأجهزة الطرفية. ونظرًا للوحدات النمطية المتكررة، أصبح استكشاف الأخطاء وإصلاحها والصيانة أسهل، كما أنه من السهل أيضًا التوسع في مجموعات البطاريات الأكبر حجمًا. العيب هو أن التكلفة الإجمالية أعلى قليلاً، وقد تكون هناك ميزات مكررة غير مستخدمة اعتمادًا على التطبيق.

نظام إدارة المباني الابتدائي/الثانوي

ومع ذلك، تشبه من الناحية النظرية الطوبولوجيا المعيارية، في هذه الحالة، تقتصر الأجهزة التابعة على نقل معلومات القياس فقط، في حين أن الأجهزة الرئيسية مخصصة للحساب والتحكم بالإضافة إلى الاتصال الخارجي. لذلك، على الرغم من تشابهها مع الأنواع المعيارية، إلا أن التكلفة قد تكون أقل لأن وظائف الجهاز غالبًا ما تكون أبسط، وقد تكون النفقات العامة أقل، وقد يكون هناك عدد أقل من الميزات غير المستخدمة.

بنية BMS الموزعة

على عكس الهياكل الأخرى، في الهياكل الأخرى، يتم تغليف الأجهزة والبرامج الإلكترونية في وحدات، والتي يتم توصيلها بالبطارية من خلال أحزمة الأسلاك. يقوم نظام إدارة المباني الموزع بدمج جميع الأجهزة الإلكترونية في لوحة تحكم موضوعة مباشرة على البطارية أو الوحدة الخاضعة للمراقبة. وهذا يقلل من الأسلاك واسعة النطاق لعدد قليل من أسلاك الاستشعار وأسلاك الاتصال بين وحدات BMS المجاورة. ولذلك، فإن كل نظام إدارة المباني يكون أكثر استقلالية ويتعامل مع الحساب والاتصالات حسب الحاجة. ومع ذلك، على الرغم من هذه البساطة الواضحة، فإن هذا النموذج المتكامل يجعل استكشاف الأخطاء وإصلاحها والصيانة مشكلة محتملة لأنه يقع عميقًا داخل مكونات الوحدة المحمية. غالبًا ما تكون التكلفة أعلى نظرًا لوجود عدد أكبر من أنظمة إدارة المباني في هيكل حزمة البطارية بالكامل.

أهمية نظام إدارة البطارية

في BMS، السلامة الوظيفية هي الأكثر أهمية. من الضروري منع الجهد والتيار ودرجة الحرارة لأي بطارية أو وحدة تحت الإشراف والتحكم من تجاوز حدود SOA المحددة أثناء عمليات الشحن والتفريغ. إذا تم تجاوز الحد لفترة من الوقت، فلن تتأثر حزم البطاريات التي يحتمل أن تكون باهظة الثمن فحسب، بل قد تكون هناك أيضًا حالات انفلات حراري خطيرة. بالإضافة إلى ذلك، من أجل حماية بطاريات الليثيوم أيون وضمان السلامة الوظيفية، يلزم أيضًا مراقبة صارمة لحدود عتبة الجهد المنخفض. إذا تم الاحتفاظ ببطاريات الليثيوم أيون في حالة الجهد المنخفض هذه، فقد تنمو التشعبات النحاسية في النهاية على الأنود، مما قد يؤدي إلى زيادة معدل التفريغ الذاتي ومشاكل محتملة تتعلق بالسلامة. تكلفة كثافة الطاقة العالية في أنظمة طاقة الليثيوم أيون هي أنه لا يوجد مجال تقريبًا لأخطاء إدارة البطارية. بفضل التحسينات في نظام إدارة المباني وبطاريات الليثيوم أيون، تعد هذه واحدة من أكثر المواد الكيميائية المتوفرة للبطاريات نجاحًا وأمانًا المتوفرة اليوم.

يعد أداء حزمة البطارية ثاني أهم وظيفة في نظام إدارة المباني، والتي تتضمن الإدارة الكهربائية والحرارية. من أجل تحسين السعة الإجمالية للبطارية كهربائيًا، يجب أن تكون جميع البطاريات الموجودة في حزمة البطارية متوازنة، مما يعني أن SOC للبطاريات المجاورة في المكون بأكمله متساوية تقريبًا. يعد هذا أمرًا مهمًا للغاية لأنه لا يحقق سعة البطارية المثالية فحسب، بل يساعد أيضًا في منع التدهور واسع النطاق وتقليل نقاط الاتصال المحتملة للشحن الزائد للبطاريات الضعيفة. يجب أن تتجنب بطاريات الليثيوم أيون تفريغها أقل من حد الجهد المنخفض، لأن ذلك قد يؤدي إلى تأثيرات على الذاكرة وفقدان كبير في السعة. العمليات الكهروكيميائية حساسة للغاية لدرجة الحرارة، والبطاريات ليست استثناءً. عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة، ستنخفض سعة البطارية وطاقتها المتاحة بشكل ملحوظ. لذلك، يمكن لـ BMS توصيل سخانات خارجية موجودة على أنظمة التبريد السائلة مثل مجموعات بطاريات السيارات الكهربائية، أو تشغيل لوحات التدفئة المثبتة تحت وحدات حزم البطاريات في طائرات الهليكوبتر أو الطائرات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن شحن بطاريات الليثيوم أيون ذات درجة الحرارة المنخفضة لا يساعد على أداء عمر البطارية، فمن المهم أولاً زيادة درجة حرارة البطارية بالكامل. لا يمكن شحن معظم بطاريات الليثيوم أيون بسرعة أقل من 5 درجات مئوية ويجب ألا يتم شحنها على الإطلاق أقل من 0 درجة مئوية. من أجل تحقيق الأداء الأمثل أثناء الاستخدام التشغيلي النموذجي، تضمن الإدارة الحرارية BMS عادةً أن تعمل البطارية في حدود منطقة تشغيل معتدلة ضيقة (على سبيل المثال 30-35 درجة مئوية). يمكن أن يؤدي ذلك إلى حماية الأداء وإطالة العمر الافتراضي وإنشاء حزم بطاريات صحية وموثوقة.

فوائد نظام إدارة البطارية

يمكن تجميع نظام تخزين طاقة البطارية الكامل، المعروف باسم BESS، بشكل استراتيجي من العشرات أو المئات أو حتى الآلاف من بطاريات الليثيوم أيون، اعتمادًا على التطبيق. قد يكون الجهد المقنن لهذه الأنظمة أقل من 100 فولت، ولكنه قد يصل إلى 800 فولت، مع نطاق تيار إمداد طاقة حزمة البطارية يصل إلى 300 أمبير أو أكثر. أي إدارة سيئة لحزم البطاريات ذات الجهد العالي يمكن أن تؤدي إلى كوارث كارثية تعرض حياة الناس للخطر. ولذلك، يعد نظام إدارة المباني أمرًا بالغ الأهمية لضمان التشغيل الآمن. ويمكن تلخيص فوائد BMS على النحو التالي.

السلامة الوظيفية.وغني عن القول أنه بالنسبة لحزم بطاريات الليثيوم أيون كبيرة الحجم، يعد هذا أمرًا حذرًا وضروريًا بشكل خاص. ولكن كما هو معروف، حتى التنسيقات الأصغر حجمًا المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة يمكن أن تشتعل فيها النيران وتسبب أضرارًا كبيرة. إن السلامة الشخصية لمستخدمي المنتجات التي تحتوي على أنظمة طاقة أيونات الليثيوم لا تترك مجالًا كبيرًا لأخطاء إدارة البطارية.

العمر والموثوقية.إدارة حماية حزمة البطارية، الكهربائية والحرارية، مما يضمن استخدام جميع البطاريات ضمن متطلبات SOA المعلنة. يضمن هذا الإشراف الدقيق الاستخدام الآمن ودورات الشحن والتفريغ السريعة للبطارية، ويولد حتماً نظامًا مستقرًا قد يوفر سنوات من الخدمة الموثوقة.

الأداء والنطاق.إدارة سعة حزمة بطارية BMS، والتي تستخدم الموازنة بين البطاريات لموازنة SOC للبطاريات المجاورة على مكونات حزمة البطارية، مما يسمح بسعة البطارية المثالية. بدون وظيفة BMS هذه التي تأخذ في الاعتبار التغيرات في التفريغ الذاتي، ودورات الشحن/التفريغ، وتأثيرات درجة الحرارة، والشيخوخة العامة، قد تصبح حزمة البطارية عديمة الفائدة في النهاية.

التشخيص وجمع البيانات والتواصل الخارجي.تتضمن مهمة الإشراف المراقبة المستمرة لجميع خلايا البطارية، حيث يمكن استخدام تسجيل البيانات نفسه للتشخيص، ولكنه يستخدم عادةً للمهام الحسابية للتنبؤ بـ SOC لجميع البطاريات في المكون. يتم استخدام هذه المعلومات لموازنة الخوارزميات، ولكن يمكن مشاركتها مع الأجهزة الخارجية وشاشات العرض للإشارة إلى الطاقة المقيمة المتاحة، وتقدير النطاق المتوقع أو النطاق/العمر بناءً على الاستخدام الحالي، وتوفير الحالة الصحية لحزمة البطارية.

تقليل التكاليف والضمان.يؤدي إدخال نظام إدارة المباني في BESS إلى زيادة التكاليف، كما أن حزمة البطارية باهظة الثمن ومن المحتمل أن تكون خطرة. كلما كان النظام أكثر تعقيدًا، زادت متطلبات الأمان، وبالتالي يتطلب المزيد من الإشراف على نظام إدارة المباني. ومع ذلك، فإن حماية BMS والصيانة الوقائية من حيث السلامة الوظيفية والعمر والموثوقية والأداء والنطاق والتشخيص وما إلى ذلك تضمن أنها ستخفض التكاليف الإجمالية، بما في ذلك التكاليف المتعلقة بالضمان.

خاتمة

تعد المحاكاة حليفًا قيمًا في تصميم أنظمة إدارة المباني، خاصة عند تطبيقها لاستكشاف وحل تحديات التصميم في تطوير الأجهزة والنماذج الأولية والاختبار. من خلال نموذج دقيق لبطارية ليثيوم أيون، يتم التعرف على نموذج محاكاة بنية BMS كمواصفات قابلة للتنفيذ للنماذج الأولية الافتراضية. بالإضافة إلى ذلك، تسمح المحاكاة بإجراء تحقيق غير مؤلم في متغيرات وظائف مراقبة نظام إدارة المباني لسيناريوهات التشغيل المختلفة للبطاريات والبيئة. يمكن تحديد مشكلات التنفيذ والتحقيق فيها في وقت مبكر، مما يسمح بالتحقق من صحة الأداء وتحسينات السلامة الوظيفية قبل التنفيذ على نماذج الأجهزة الفعلية. وهذا يقلل من وقت التطوير ويساعد على ضمان قوة النموذج الأولي للأجهزة. بالإضافة إلى ذلك، عند إجرائها في تطبيقات النظام المضمنة، يمكن إجراء العديد من اختبارات المصادقة على نظام إدارة المباني وحزم البطاريات، بما في ذلك السيناريوهات الأسوأ.