المعرفة والوظيفة لنظام إدارة البطارية BMS، مقدمة

الاسم الكامل لـ BMS هو نظام إدارة البطارية.هو جهاز يراقب حالة بطاريات تخزين الطاقة.يتم استخدامه بشكل أساسي للإدارة الذكية وصيانة خلايا البطارية الفردية، ومنع الشحن الزائد والتفريغ الزائد للبطاريات، وإطالة عمر البطارية، ومراقبة حالة البطارية.بشكل عام، يتم تمثيل BMS على شكل لوحة دوائر أو صندوق أجهزة.

 

يعد BMS أحد الأنظمة الفرعية الأساسية لنظام تخزين طاقة البطارية، وهو المسؤول عن مراقبة حالة تشغيل كل بطارية في وحدة تخزين طاقة البطارية وضمان التشغيل الآمن والموثوق لوحدة تخزين الطاقة.يمكن لنظام إدارة المباني مراقبة وجمع معلمات الحالة لبطارية تخزين الطاقة في الوقت الفعلي (بما في ذلك، على سبيل المثال لا الحصر، جهد الخلية المفردة، ودرجة حرارة عمود البطارية، وتيار حلقة البطارية، والجهد الطرفي لحزمة البطارية، ومقاومة عزل نظام البطارية، وما إلى ذلك)، و إجراء التحليل والحساب اللازم على معلمات الحالة ذات الصلة للحصول على المزيد من معلمات تقييم حالة النظام.ويمكنه أيضًا تحقيق التحكم الفعال في بطارية تخزين الطاقة نفسها وفقًا لاستراتيجيات التحكم في الحماية المحددة لضمان التشغيل الآمن والموثوق لوحدة تخزين طاقة البطارية بأكملها.في الوقت نفسه، يمكن لنظام إدارة المباني التفاعل مع الأجهزة الخارجية الأخرى (PCS، EMS، نظام الحماية من الحرائق، وما إلى ذلك) من خلال واجهة الاتصال الخاصة به وواجهة الإدخال التناظرية/الرقمية لتشكيل تحكم ربط لمختلف الأنظمة الفرعية في طاقة تخزين الطاقة بأكملها المحطة، مما يضمن التشغيل الآمن والموثوق والفعال لمحطة الطاقة.

2) الهندسة المعمارية

من وجهة نظر الهندسة المعمارية الطوبولوجية، ينقسم نظام إدارة المباني إلى فئتين: مركزي وموزع وفقًا لمتطلبات المشروع المختلفة.

 

نظام إدارة المباني المركزي

ببساطة، يستخدم نظام إدارة المباني المركزي جهازًا واحدًا لنظام إدارة المباني لجمع كل الخلايا، وهو مناسب للسيناريوهات التي تحتوي على عدد قليل من الخلايا.

يتميز نظام إدارة المباني المركزي بمزايا التكلفة المنخفضة، والهيكل المدمج، والموثوقية العالية، ويستخدم بشكل شائع في السيناريوهات ذات السعة المنخفضة، والضغط الإجمالي المنخفض، وحجم نظام البطارية الصغير، مثل أدوات الطاقة، والروبوتات (روبوتات المناولة، والروبوتات المساعدة)، المنازل الذكية لإنترنت الأشياء (الروبوتات الكاسحة، والمكانس الكهربائية)، والرافعات الشوكية الكهربائية، والمركبات الكهربائية منخفضة السرعة (الدراجات الكهربائية، والدراجات النارية الكهربائية، وسيارات مشاهدة المعالم الكهربائية، وسيارات الدوريات الكهربائية، وعربات الغولف الكهربائية، وما إلى ذلك)، والمركبات الهجينة الخفيفة.

يمكن تقسيم أجهزة BMS المركزية إلى مناطق عالية الجهد ومنخفضة الجهد.منطقة الجهد العالي مسؤولة عن جمع جهد الخلية المفردة، والجهد الإجمالي للنظام، ومراقبة مقاومة العزل.تشتمل منطقة الجهد المنخفض على دوائر إمداد الطاقة، ودوائر وحدة المعالجة المركزية، ودوائر اتصالات CAN، ودوائر التحكم، وما إلى ذلك.

مع استمرار تطور نظام بطاريات الطاقة في سيارات الركاب نحو السعة العالية والضغط الإجمالي العالي والحجم الكبير، تُستخدم بنيات BMS الموزعة بشكل أساسي في نماذج المركبات الكهربائية الهجينة والنقية.

نظام إدارة المباني الموزع

في الوقت الحاضر، هناك مصطلحات مختلفة لأنظمة إدارة المباني الموزعة في الصناعة، والشركات المختلفة لها أسماء مختلفة.تحتوي بطارية الطاقة BMS في الغالب على بنية ذات مستويين رئيسي وعبد:

 

عادةً ما يكون نظام إدارة المباني لتخزين الطاقة عبارة عن بنية ثلاثية المستويات نظرًا للحجم الكبير لحزمة البطارية، مع طبقة تحكم رئيسية فوق الطبقات التابعة وطبقات التحكم الرئيسية.

تمامًا كما تشكل البطاريات مجموعات بطاريات، والتي بدورها تشكل مكدسات، فإن نظام إدارة المباني ثلاثي الطبقات يتبع أيضًا نفس القاعدة التصاعدية:

من عنصر التحكم: وحدة إدارة البطارية (BMU)، التي تقوم بجمع المعلومات من البطاريات الفردية.

مراقبة الجهد ودرجة حرارة خلية البطارية

معادلة البطارية في الحزمة

تحميل المعلومات

الإدارة الحرارية

إنذار غير طبيعي

التحكم الرئيسي: وحدة إدارة مجموعة البطارية: BCU (وحدة مجموعة البطارية، المعروفة أيضًا باسم وحدة إدارة الجهد العالي HVU، BCMU، وما إلى ذلك)، المسؤولة عن جمع معلومات BMU وجمع معلومات مجموعة البطارية.

اكتساب تيار مجموعة البطارية، اكتساب الجهد الإجمالي، كشف التسرب

حماية انقطاع التيار الكهربائي عندما تكون حالة البطارية غير طبيعية

تحت إدارة BMS، يمكن إكمال معايرة السعة ومعايرة SOC بشكل منفصل كأساس لإدارة الشحن والتفريغ اللاحقة

وحدة إدارة مجموعة البطاريات (BAU) مسؤولة عن الإدارة المركزية للبطاريات في مجموعة بطاريات تخزين الطاقة بأكملها.وهو يتصل بوحدات إدارة مجموعة البطاريات المختلفة ويتبادل المعلومات مع الأجهزة الأخرى لتقديم تعليقات حول حالة تشغيل مجموعة البطارية.

إدارة الشحن والتفريغ لمجموعة البطارية

نظام BMS للفحص الذاتي وإنذار تشخيص الأخطاء

إنذار تشخيص خطأ حزمة البطارية

حماية السلامة لمختلف التشوهات والأخطاء في مجموعة البطارية

التواصل مع الأجهزة الأخرى مثل PCS وEMS

تخزين البيانات ونقلها ومعالجتها

طبقة إدارة البطارية: مسؤولة عن جمع المعلومات المختلفة (الجهد ودرجة الحرارة) للبطاريات الفردية، وحساب وتحليل SOC وSOH للبطاريات، وتحقيق المعادلة النشطة للبطاريات الفردية، وتحميل معلومات غير طبيعية للبطاريات الفردية إلى طبقة وحدة حزمة البطارية BCMU.ومن خلال الاتصال الخارجي لـ CAN، يتم ربطها ببعضها البعض من خلال سلسلة ديزي.

طبقة إدارة البطارية: مسؤولة عن جمع معلومات مختلفة من البطاريات الفردية التي يتم تحميلها بواسطة وحدة BMU، وجمع معلومات مختلفة حول حزمة البطارية (جهد العبوة، ودرجة حرارة العبوة)، وشحن حزمة البطارية وتيارات تفريغها، وحساب وتحليل SOC وSOH لحزمة البطارية. وتحميل جميع المعلومات إلى طبقة وحدة مجموعة البطارية BAMS.ومن خلال الاتصال الخارجي لـ CAN، يتم ربطها ببعضها البعض من خلال سلسلة ديزي.

طبقة إدارة مجموعة البطارية: مسؤولة عن جمع معلومات البطارية المختلفة التي تم تحميلها بواسطة BCMU وتحميل جميع المعلومات إلى نظام EMS لمراقبة تخزين الطاقة من خلال واجهة RJ45؛التواصل مع أجهزة الكمبيوتر لإرسال المعلومات غير الطبيعية ذات الصلة بالبطارية إلى أجهزة الكمبيوتر (واجهة CAN أو RS485)، ومجهزة بعقد جافة للأجهزة للتواصل مع أجهزة الكمبيوتر.بالإضافة إلى ذلك، فإنه يقوم بتقييم نظام البطارية (تقدير حالة البطارية)، والكشف عن حالة النظام الكهربائي، وإدارة الموصلات، والإدارة الحرارية، وإدارة التشغيل، وإدارة الشحن، وإدارة التشخيص، وتنفيذ إدارة شبكة الاتصالات الداخلية والخارجية.التواصل مع المرؤوسين من خلال CAN.

3) ماذا يفعل نظام إدارة المباني؟

إن وظائف نظام إدارة المباني عديدة، ولكن جوهرها وما يهمنا أكثر هو ثلاثة جوانب:

أحدهما هو الاستشعار (إدارة الحالة)، وهي الوظيفة الأساسية لنظام إدارة المباني.فهو يقيس الجهد والمقاومة ودرجة الحرارة ويستشعر في النهاية حالة البطارية.نريد أن نعرف ما هي حالة البطارية، ومقدار الطاقة والسعة التي تتمتع بها، ومدى صحتها، ومقدار الطاقة التي تنتجها، ومدى أمانها.هذا استشعار.

والثاني هو الإدارة (إدارة التوازن).يقول بعض الناس أن BMS هي مربية البطارية.إذن يجب على هذه المربية أن تدير الأمر.ما لإدارة؟إنه جعل البطارية جيدة قدر الإمكان.أبسطها هو إدارة التوازن والإدارة الحرارية.

والثالث هو الحماية (إدارة السلامة).المربية لديها أيضا وظيفة للقيام بها.إذا كانت البطارية في حالة ما، فيجب حمايتها ويجب إطلاق إنذار.

بالطبع، هناك أيضًا مكون لإدارة الاتصالات ينقل البيانات داخل النظام أو خارجه من خلال بروتوكولات معينة.

لدى BMS العديد من الوظائف الأخرى، مثل التحكم في التشغيل، ومراقبة العزل، والإدارة الحرارية، وما إلى ذلك، والتي لم تتم مناقشتها هنا.

 

3.1 الإدراك – القياس والتقدير

وتتمثل الوظيفة الأساسية لنظام إدارة المباني في قياس وتقدير معلمات البطارية، بما في ذلك المعلمات الأساسية مثل الجهد والتيار ودرجة الحرارة والحالة، بالإضافة إلى حسابات بيانات حالة البطارية مثل SOC وSOH.يتضمن مجال بطاريات الطاقة أيضًا حسابات SOP (حالة الطاقة) وSOE (حالة الطاقة)، ​​والتي لم تتم مناقشتها هنا.وسوف نركز على أول اثنتين من البيانات الأكثر استخدامًا على نطاق واسع.

قياس الخلية

1) قياس المعلومات الأساسية: إن الوظيفة الأساسية لنظام إدارة البطارية هي قياس الجهد والتيار ودرجة الحرارة لخلايا البطارية الفردية، وهو الأساس لجميع الحسابات عالية المستوى ومنطق التحكم في نظام إدارة البطارية.

2) اختبار مقاومة العزل: اختبار العزل مطلوب لنظام البطارية بأكمله ونظام الجهد العالي داخل نظام إدارة البطارية.

3) كشف التعشيق عالي الجهد (HVIL): يستخدم لتأكيد سلامة نظام الجهد العالي بأكمله وبدء تدابير السلامة عند تعرض سلامة حلقة نظام الجهد العالي للخطر.

حساب شركة نفط الجنوب

يشير SOC إلى حالة الشحن، وهي السعة المتبقية للبطارية.ببساطة، هو مقدار الطاقة المتبقية في البطارية.

SOC هي المعلمة الأكثر أهمية في BMS، حيث أن كل شيء آخر يعتمد عليها.ولذلك، فإن دقتها وقوتها (المعروفة أيضًا بقدرة تصحيح الأخطاء) تعتبر في غاية الأهمية.بدون SOC دقيق، لا يمكن لأي قدر من وظيفة الحماية أن يجعل BMS يعمل بشكل صحيح، حيث أن البطارية غالبًا ما تكون في حالة محمية، مما يجعل من المستحيل إطالة عمر البطارية.

في الوقت الحاضر، تتضمن طرق تقدير SOC السائدة طريقة جهد الدائرة المفتوحة، وطريقة التكامل الحالي، وطريقة مرشح كالمان، وطريقة الشبكة العصبية.يتم استخدام الطريقتين الأولين بشكل شائع.تتضمن الطريقتان الأخيرتان معرفة متقدمة مثل نماذج التكامل والذكاء الاصطناعي، والتي لم يتم تفصيلها هنا.

في التطبيقات العملية، غالبًا ما يتم استخدام خوارزميات متعددة معًا، مع اعتماد خوارزميات مختلفة اعتمادًا على حالة شحن البطارية وتفريغها.

طريقة جهد الدائرة المفتوحة

مبدأ طريقة جهد الدائرة المفتوحة هو استخدام العلاقة الوظيفية الثابتة نسبيًا بين جهد الدائرة المفتوحة وSOC في حالة الوضع الثابت طويل المدى للبطارية، وبالتالي تقدير SOC بناءً على جهد الدائرة المفتوحة.تستخدم الدراجة الكهربائية التي تعمل ببطارية الرصاص الحمضية والتي كانت شائعة الاستخدام سابقًا هذه الطريقة لتقدير SOC.طريقة جهد الدائرة المفتوحة بسيطة ومريحة، ولكن هناك أيضًا العديد من العيوب:

1. يجب ترك البطارية واقفة لفترة طويلة، وإلا سيكون من الصعب تثبيت جهد الدائرة المفتوحة في فترة قصيرة من الزمن؛

2. هناك هضبة جهد في البطاريات، وخاصة بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد، حيث يكون الجهد الطرفي ومنحنى SOC خطيًا تقريبًا خلال نطاق SOC30%-80%؛

3. تكون البطارية في درجات حرارة مختلفة أو مراحل عمر مختلفة، وعلى الرغم من أن جهد الدائرة المفتوحة هو نفسه، إلا أن فرق SOC الفعلي قد يكون كبيرًا؛

كما هو موضح في الشكل أدناه، عندما نستخدم هذه الدراجة الكهربائية، إذا تم عرض SOC الحالي بنسبة 100%، فإن الجهد ينخفض ​​عند التسارع، وقد يتم عرض الطاقة بنسبة 80%.عندما نتوقف عن التسارع، يرتفع الجهد، وتعود الطاقة إلى 100%.لذا فإن عرض الطاقة الخاص بالسكوتر الكهربائي ليس دقيقًا.عندما نتوقف، تكون لديه الطاقة، ولكن عندما نبدأ، تنفد الطاقة.قد لا تكون هذه مشكلة في البطارية، ولكن قد يكون ذلك بسبب أن خوارزمية SoC الخاصة بنظام إدارة المباني بسيطة للغاية.

طريقة آن شي المتكاملة

تقوم طريقة التكامل Anshicontinious بحساب قيمة SOC مباشرة في الوقت الفعلي من خلال تعريف SOC.

نظرًا لقيمة SOC الأولية، طالما يمكن قياس تيار البطارية (حيث يكون تيار التفريغ موجبًا)، يمكن حساب التغير في سعة البطارية بدقة من خلال التكامل الحالي، مما يؤدي إلى SOC المتبقي.

تتمتع هذه الطريقة بنتائج تقدير موثوقة نسبيًا في فترة زمنية قصيرة، ولكن نظرًا لأخطاء القياس الخاصة بجهاز الاستشعار الحالي والتدهور التدريجي لسعة البطارية، فإن التكامل الحالي على المدى الطويل سوف يؤدي إلى انحرافات معينة.لذلك، يتم استخدامه بشكل عام جنبًا إلى جنب مع طريقة جهد الدائرة المفتوحة لتقدير القيمة الأولية لتقدير SOC بمتطلبات دقة منخفضة، ويمكن استخدامه أيضًا جنبًا إلى جنب مع طريقة ترشيح كالمان للتنبؤ بـ SOC على المدى القصير.

تنتمي SOC (حالة الشحن) إلى خوارزمية التحكم الأساسية لنظام إدارة المباني، والتي تمثل حالة السعة المتبقية الحالية.يتم تحقيق ذلك بشكل أساسي من خلال طريقة تكامل أمبير ساعة وخوارزمية EKF (مرشح كالمان الممتد)، جنبًا إلى جنب مع استراتيجيات التصحيح (مثل تصحيح جهد الدائرة المفتوحة، وتصحيح الشحن الكامل، وتصحيح نهاية الشحن، وتصحيح السعة تحت درجات حرارة مختلفة وSOH، إلخ.).تعتبر طريقة تكامل ساعة الأمبير موثوقة نسبيًا بشرط ضمان دقة الحصول على التيار، ولكنها ليست قوية.ونظرًا لتراكم الأخطاء، يجب دمجها مع استراتيجيات التصحيح.تعتبر طريقة EKF قوية ولكن الخوارزمية معقدة نسبيًا ويصعب تنفيذها.يمكن للمصنعين الرئيسيين المحليين تحقيق دقة أقل من 6% في درجة حرارة الغرفة، ولكن من الصعب تقديرها في درجات الحرارة العالية والمنخفضة وتوهين البطارية.

تصحيح شركة نفط الجنوب

ونظرًا للتقلبات الحالية، قد تكون شركة نفط الجنوب المقدرة غير دقيقة، ويجب دمج استراتيجيات التصحيح المختلفة في عملية التقدير.

 

حساب سوه

يشير SOH إلى الحالة الصحية، التي تشير إلى الحالة الصحية الحالية للبطارية (أو درجة تدهور البطارية).يتم تمثيلها عادةً كقيمة تتراوح بين 0 و100%، مع القيم الأقل من 80% والتي تعتبر بشكل عام إشارة إلى أن البطارية لم تعد قابلة للاستخدام.يمكن تمثيله بالتغيرات في سعة البطارية أو المقاومة الداخلية.عند استخدام السعة، يتم تقدير السعة الفعلية للبطارية الحالية بناءً على بيانات من عملية تشغيل البطارية، ونسبة ذلك إلى السعة المقدرة هي SOH.سيؤدي SOH الدقيق إلى تحسين دقة التقدير للوحدات الأخرى عندما تتدهور البطارية.

هناك تعريفان مختلفان لـ SOH في الصناعة:

تعريف SOH يعتمد على قدرة الخبو

أثناء استخدام بطاريات الليثيوم أيون، تتناقص المادة النشطة داخل البطارية تدريجيًا، وتزداد المقاومة الداخلية، وتضعف السعة.لذلك، يمكن تقدير SOH من خلال سعة البطارية.يتم التعبير عن الحالة الصحية للبطارية كنسبة من السعة الحالية إلى السعة الأولية، ويتم تعريف SOH الخاص بها على النحو التالي:

SOH=(C_standard-C_fade)/C_standard ×100%

حيث: C_fade هي السعة المفقودة للبطارية؛C_standard هي السعة الاسمية.

ينص معيار IEEE 1188-1996 على أنه عندما تنخفض سعة بطارية الطاقة إلى 80%، يجب استبدال البطارية.ولذلك فإننا عادة نعتبر أن بطارية SOH غير متوفرة عندما تكون أقل من 80%.

تعريف SOH يعتمد على توهين الطاقة (Power Fade)

سيؤدي تقادم جميع أنواع البطاريات تقريبًا إلى زيادة المقاومة الداخلية للبطارية.كلما زادت المقاومة الداخلية للبطارية، انخفضت الطاقة المتاحة.ولذلك، يمكن تقدير SOH باستخدام توهين القدرة.

3.2 الإدارة - التكنولوجيا المتوازنة

كل بطارية لها "شخصيتها" الخاصة

للحديث عن التوازن، علينا أن نبدأ بالبطاريات.حتى البطاريات التي يتم إنتاجها في نفس الدفعة من قبل نفس الشركة المصنعة لها دورات حياة و"شخصيات" خاصة بها - لا يمكن أن تكون سعة كل بطارية هي نفسها تمامًا.هناك سببان لهذا التناقض:

الأول هو عدم تناسق إنتاج الخلايا

الأول هو عدم تناسق التفاعلات الكهروكيميائية.

عدم تناسق الإنتاج

من السهل فهم تناقضات الإنتاج.على سبيل المثال، أثناء عملية الإنتاج، يمكن أن تؤدي حالات عدم تناسق الحجاب الحاجز وعدم تناسق مادة الكاثود والأنود إلى عدم تناسق سعة البطارية الإجمالية.قد تصبح البطارية القياسية 50AH 49AH أو 51AH.

التناقض الكهروكيميائي

التناقض في الكيمياء الكهربائية هو أنه في عملية شحن وتفريغ البطارية، حتى لو كان إنتاج ومعالجة الخليتين متطابقتين، لا يمكن للبيئة الحرارية أن تكون متسقة أبدًا في عملية التفاعل الكهروكيميائي.على سبيل المثال، عند صنع وحدات البطارية، يجب أن تكون درجة حرارة الحلقة المحيطة أقل من درجة حرارة الوسط.وينتج عن ذلك عدم اتساق طويل المدى بين كميات الشحن والتفريغ، مما يؤدي بدوره إلى عدم تناسق سعة خلايا البطارية؛عندما تكون تيارات الشحن والتفريغ لفيلم SEI على خلية البطارية غير متسقة لفترة طويلة، فإن تقادم فيلم SEI سيكون أيضًا غير متناسق.

*فيلم SEI: "واجهة الإلكتروليت الصلبة" (واجهة الإلكتروليت الصلبة).أثناء عملية تفريغ الشحنة الأولى لبطارية الليثيوم أيون السائلة، تتفاعل مادة الإلكترود مع الإلكتروليت على واجهة الطور الصلب والسائل لتشكيل طبقة تخميل تغطي سطح مادة الإلكترود.يعتبر فيلم SEI عازلًا إلكترونيًا ولكنه موصل ممتاز لأيونات الليثيوم، والذي لا يحمي القطب الكهربائي فحسب، بل لا يؤثر أيضًا على وظيفة البطارية.إن تقادم فيلم SEI له تأثير كبير على صحة البطارية.

ولذلك، فإن عدم انتظام (أو انفصال) حزم البطاريات هو مظهر لا مفر منه لتشغيل البطارية.

لماذا هناك حاجة إلى التوازن

البطاريات مختلفة، فلماذا لا نحاول أن نجعلها متماثلة؟لأن عدم الاتساق سيؤثر على أداء حزمة البطارية.

تتبع حزمة البطارية المتسلسلة تأثير الماسورة القصيرة: في نظام حزمة البطارية المتسلسلة، يتم تحديد سعة نظام حزمة البطارية بالكامل بواسطة أصغر وحدة مفردة.

لنفترض أن لدينا حزمة بطارية تتكون من ثلاث بطاريات:

نحن نعلم أن الشحن الزائد والتفريغ الزائد يمكن أن يؤدي إلى تلف البطاريات بشكل خطير.لذلك، عندما تكون البطارية B مشحونة بالكامل أثناء الشحن أو عندما تكون شريحة SoC للبطارية B منخفضة جدًا أثناء التفريغ، فمن الضروري إيقاف الشحن والتفريغ لحماية البطارية B. ونتيجة لذلك، لا يمكن توفير طاقة البطاريات A وC بالكامل المستخدمة.

وهذا يؤدي إلى:

انخفضت السعة الفعلية القابلة للاستخدام لمجموعة البطارية: البطارية A وC، التي كان من الممكن أن تستخدم السعة المتاحة، غير قادرة الآن على القيام بذلك من أجل استيعاب البطارية B. إنها مثل شخصين على ثلاثة أرجل مربوطين معًا، مع الشخص طويل القامة غير قادر على اتخاذ خطوات كبيرة.

عمر بطارية أقل: يتطلب طول الخطوة الأصغر خطوات أكثر ويجعل الساقين أكثر تعبًا.ومع انخفاض السعة، يزداد عدد دورات الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى زيادة تدهور البطارية.على سبيل المثال، يمكن للخلية الواحدة أن تحقق 4000 دورة بنسبة 100% DoD، لكنها في الاستخدام الفعلي لا يمكن أن تصل إلى 100% وبالتأكيد لن يصل عدد الدورات إلى 4000.

*DoD، عمق التفريغ، يمثل النسبة المئوية لقدرة تفريغ البطارية إلى السعة المقدرة للبطارية.

يؤدي عدم تناسق البطاريات إلى انخفاض أداء مجموعة البطارية.عندما يكون حجم وحدة البطارية كبيرًا، يتم توصيل سلاسل متعددة من البطاريات على التوالي، وسيؤدي فرق الجهد المفرد الكبير إلى انخفاض سعة الصندوق بأكمله.كلما زاد عدد البطاريات المتصلة على التوالي، زادت قدرتها على فقدانها.ومع ذلك، في تطبيقاتنا، وخاصة في تطبيقات أنظمة تخزين الطاقة، هناك متطلبان مهمان:

الأول هو البطارية ذات العمر الطويل، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل والصيانة.يتمتع نظام تخزين الطاقة بمتطلبات عالية لعمر مجموعة البطارية.تم تصميم معظم الأجهزة المحلية لمدة 15 عامًا.إذا افترضنا أن 300 دورة في السنة، فإن 15 سنة هي 4500 دورة، وهو رقم لا يزال مرتفعًا جدًا.نحن بحاجة إلى تعظيم عمر كل بطارية حتى يصل إجمالي عمر حزمة البطارية بأكملها إلى العمر التصميمي قدر الإمكان، وتقليل تأثير تشتت البطارية على عمر حزمة البطارية.

الدورة العميقة الثانية، خاصة في سيناريو تطبيق ذروة الحلاقة، فإن إطلاق كيلوواط ساعة إضافي من الكهرباء سيجلب نقطة إضافية من الإيرادات.وهذا يعني أننا سنفعل 80% من DoD أو 90% من DoD.عند استخدام الدورة العميقة في نظام تخزين الطاقة، سيظهر تشتت البطارية أثناء تفريغ الذيل.لذلك، من أجل ضمان الإطلاق الكامل لسعة كل خلية مفردة في حالة الشحن العميق والتفريغ العميق، من الضروري مطالبة نظام إدارة المباني (BMS) لتخزين الطاقة بقدرات قوية على إدارة المعادلة وقمع حدوث الاتساق بين خلايا البطارية .

يتعارض هذان المطلبان تمامًا مع عدم تناسق البطارية.لتحقيق تطبيقات أكثر كفاءة لحزمة البطاريات، يجب أن يكون لدينا تقنية موازنة أكثر فعالية لتقليل تأثير عدم تناسق البطارية.

تكنولوجيا التوازن

تقنية معادلة البطارية هي طريقة لجعل البطاريات ذات السعات المختلفة متماثلة.هناك طريقتان شائعتان للمعادلة: معادلة تبديد الطاقة أحادية الاتجاه (المعادلة السلبية) ومعادلة نقل الطاقة ثنائية الاتجاه (المعادلة النشطة).

(1) التوازن السلبي

مبدأ المعادلة السلبية هو موازاة مقاومة التفريغ القابلة للتحويل على كل سلسلة من البطاريات.يتحكم نظام BMS في مقاومة التفريغ لتفريغ خلايا الجهد العالي، وتبديد الطاقة الكهربائية على شكل حرارة.على سبيل المثال، عندما تكون البطارية B مشحونة بالكامل تقريبًا، يتم فتح المفتاح للسماح للمقاوم الموجود في البطارية B بتبديد الطاقة الكهربائية الزائدة على شكل حرارة.ثم يستمر الشحن حتى يتم أيضًا شحن البطاريات A وC بالكامل.

يمكن لهذه الطريقة تفريغ الخلايا ذات الجهد العالي فقط، ولا يمكنها إعادة شحن الخلايا ذات السعة المنخفضة.نظرًا لمحدودية طاقة مقاومة التفريغ، يكون تيار المعادلة صغيرًا بشكل عام (أقل من 1 أمبير).

مزايا المعادلة السلبية هي التكلفة المنخفضة وتصميم الدوائر البسيط؛وتتمثل عيوبه في أنه يعتمد على أقل سعة بطارية متبقية للتعادل، والتي لا يمكن أن تزيد من سعة البطاريات ذات السعة المتبقية المنخفضة، وأن 100٪ من الطاقة المعادلة تضيع في شكل حرارة.

(2) التوازن النشط

من خلال الخوارزميات، تقوم سلاسل متعددة من البطاريات بنقل طاقة الخلايا ذات الجهد العالي إلى الخلايا ذات الجهد المنخفض باستخدام مكونات تخزين الطاقة، وتفريغ البطاريات ذات الجهد العالي واستخدام الطاقة المنطلقة لشحن الخلايا ذات الجهد المنخفض.يتم نقل الطاقة بشكل أساسي بدلاً من تبديدها.

بهذه الطريقة، أثناء الشحن، البطارية B، التي تصل جهدها إلى 100% أولاً، يتم تفريغها إلى A وC، ويتم شحن البطاريات الثلاث معًا بالكامل.أثناء التفريغ، عندما تكون الشحنة المتبقية للبطارية B منخفضة جدًا، تقوم A وC "بشحن" B، بحيث لا تصل الخلية B إلى عتبة SOC لوقف التفريغ بهذه السرعة.

الملامح الرئيسية لتكنولوجيا التوازن النشط

(1) موازنة الجهد العالي والمنخفض لتحسين كفاءة حزمة البطارية: أثناء الشحن والتفريغ وأثناء الراحة، يمكن تفريغ البطاريات ذات الجهد العالي ويمكن شحن البطاريات ذات الجهد المنخفض؛

(2) نقل الطاقة منخفض الخسارة: يتم نقل الطاقة بشكل أساسي بدلاً من فقدانها ببساطة، مما يحسن كفاءة استخدام الطاقة؛

(3) تيار توازن كبير: بشكل عام، تيار التوازن بين 1 و10A، والتوازن أسرع؛

تتطلب المعادلة النشطة تكوين الدوائر المقابلة وأجهزة تخزين الطاقة، مما يؤدي إلى حجم كبير وزيادة التكلفة.يحدد هذان الشرطان معًا أنه ليس من السهل تعزيز وتطبيق المعادلة النشطة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن عملية الشحن والتفريغ النشطة للمعادلة تزيد ضمنيًا من عمر دورة البطارية.بالنسبة للخلايا التي تتطلب الشحن والتفريغ لتحقيق التوازن، قد يؤدي عبء العمل الإضافي إلى تجاوز عمر الخلايا العادية، مما يؤدي إلى فجوة أكبر في الأداء مع الخلايا الأخرى.

يعتقد بعض الخبراء أن التعبيرين أعلاه يجب أن يتوافقا مع التوازن التبددي والتوازن غير التبددي.ما إذا كان نشطًا أم سلبيًا يجب أن يعتمد على الحدث الذي يطلق عملية التوازن.إذا وصل النظام إلى حالة حيث يجب أن يكون سلبيا، فهو سلبي.إذا تم وضعه من قبل البشر، فإن تحديد برنامج التوازن عندما لا يكون من الضروري أن يكون متوازنًا يسمى التوازن النشط.

على سبيل المثال، عندما يكون التفريغ في النهاية، تكون خلية الجهد الأدنى قد وصلت إلى جهد قطع التفريغ، بينما لا تزال الخلايا الأخرى تتمتع بالطاقة.في هذا الوقت، ومن أجل تفريغ أكبر قدر ممكن من الكهرباء، يقوم النظام بنقل كهرباء الخلايا عالية الطاقة إلى خلايا منخفضة الطاقة، مما يسمح باستمرار عملية التفريغ حتى يتم تفريغ كل الطاقة.هذه عملية معادلة سلبية.إذا توقع النظام أنه سيكون هناك خلل في التوازن في نهاية التفريغ عندما لا يزال هناك 40% من الطاقة المتبقية، فسوف يبدأ عملية معادلة نشطة.

تنقسم المعادلة النشطة إلى طرق مركزية ولا مركزية.تحصل طريقة المعادلة المركزية على الطاقة من مجموعة البطارية بأكملها، ثم تستخدم جهاز تحويل الطاقة لتكملة الطاقة للبطاريات بطاقة أقل.تتضمن المعادلة اللامركزية وصلة تخزين الطاقة بين البطاريات المتجاورة، والتي يمكن أن تكون محثًا أو مكثفًا، مما يسمح بتدفق الطاقة بين البطاريات المتجاورة.

في استراتيجية التحكم في التوازن الحالية، هناك من يأخذ جهد الخلية كمعلمة هدف التحكم، وهناك أيضًا من يقترح استخدام SOC كمعلمة هدف التحكم في التوازن.أخذ جهد الخلية كمثال.

أولاً، قم بتعيين زوج من قيم العتبة لبدء المعادلة وإنهائها: على سبيل المثال، في مجموعة من البطاريات، عندما يصل الفرق بين الجهد الأقصى لخلية واحدة ومتوسط ​​جهد المجموعة إلى 50 مللي فولت، تبدأ المعادلة، وعندما يصل إلى 5mV، وتنتهي المعادلة.

يقوم BMS بجمع جهد كل خلية وفقًا لدورة اكتساب ثابتة، ويحسب متوسط ​​القيمة، ثم يحسب الفرق بين جهد كل خلية ومتوسط ​​القيمة؛

إذا وصل الحد الأقصى للفرق إلى 50 مللي فولت، يحتاج نظام إدارة المباني إلى بدء عملية المعادلة؛

استمر في الخطوة 2 أثناء عملية المعادلة حتى تصبح جميع قيم الفرق أقل من 5 مللي فولت، ثم قم بإنهاء المعادلة.

تجدر الإشارة إلى أنه ليس كل أنظمة إدارة المباني تتطلب هذه الخطوة، وقد تختلف الاستراتيجيات اللاحقة اعتمادًا على طريقة التوازن.

ترتبط تقنية التوازن أيضًا بنوع البطارية.من المعتقد بشكل عام أن LFP أكثر ملاءمة للتوازن النشط، في حين أن البطاريات الثلاثية مناسبة للتوازن السلبي.

يتم دعم مرحلة المنافسة الشديدة في BMS في الغالب بالتكلفة والموثوقية.حاليًا، لم يتم بعد التحقق التجريبي من التوازن النشط.ومن المتوقع أن يتحرك مستوى السلامة الوظيفية نحو ASIL-C وASIL-D، ولكن التكلفة مرتفعة جدًا.ولذلك، فإن الشركات الكبيرة الحالية تتوخى الحذر بشأن أبحاث التوازن النشطة.حتى أن بعض المصانع الكبيرة ترغب في إلغاء وحدة الموازنة وإجراء جميع عمليات الموازنة خارجيًا، على غرار صيانة مركبات الوقود.في كل مرة تسافر فيها السيارة مسافة معينة، ستذهب إلى متجر 4S للموازنة الخارجية.سيؤدي هذا إلى تقليل تكلفة نظام إدارة المباني (BMS) للمركبة بالكامل وسيفيد أيضًا متجر 4S المقابل.إنه وضع مربح لجميع الأطراف.لذلك، أنا شخصياً أفهم أن هذا قد يصبح اتجاهاً!

3.3 الحماية – تشخيص الأخطاء والإنذار

تتم مطابقة مراقبة BMS مع أجهزة النظام الكهربائي، ويتم تقسيمها إلى مستويات فشل مختلفة (فشل بسيط، فشل خطير، فشل فادح) وفقًا لظروف الأداء المختلفة للبطارية.يتم اتخاذ تدابير معالجة مختلفة في مستويات فشل مختلفة: التحذير أو تقييد الطاقة أو القطع المباشر للجهد العالي.تشمل حالات الفشل فشل الحصول على البيانات والفشل العقلاني، والفشل الكهربائي (أجهزة الاستشعار والمحركات)، وفشل الاتصالات، وفشل حالة البطارية.

أحد الأمثلة الشائعة هو أنه عندما ترتفع درجة حرارة البطارية، يحدد نظام إدارة المباني (BMS) أن البطارية ترتفع درجة حرارتها بناءً على درجة حرارة البطارية المجمعة، ثم يتحكم في دائرة هذه البطارية لفصلها، وينفذ الحماية من الحرارة الزائدة، ويرسل تنبيهًا إلى أنظمة الإدارة مثل EMS.

3.4 التواصل

لا يمكن فصل التشغيل العادي لنظام إدارة المباني عن وظيفة الاتصال الخاصة به.سواء كان الأمر يتعلق بالتحكم في البطارية أثناء إدارة البطارية، أو نقل حالة البطارية إلى العالم الخارجي، أو تلقي تعليمات التحكم، فإن الاتصال المستقر مطلوب.

في نظام بطارية الطاقة، يتم توصيل أحد طرفي نظام إدارة المباني (BMS) بالبطارية، ويتم توصيل الطرف الآخر بأنظمة التحكم والأنظمة الإلكترونية للمركبة بأكملها.تستخدم البيئة العامة بروتوكول CAN، ولكن هناك فرق بين استخدام CAN الداخلي بين المكونات الداخلية لحزمة البطارية واستخدام CAN الخاص بالمركبة بين حزمة البطارية والمركبة بأكملها.

في المقابل، يستخدم نظام إدارة المباني (BMS) لتخزين الطاقة والاتصالات الداخلية بشكل أساسي بروتوكول CAN، لكن اتصاله الخارجي (يشير الخارجي بشكل أساسي إلى نظام إرسال محطة الطاقة لتخزين الطاقة PCS) غالبًا ما يستخدم تنسيقات بروتوكول الإنترنت وبروتوكول TCP/IP وبروتوكول modbus.

4) تخزين الطاقة BMS

تطورت الشركات المصنعة لنظام إدارة المباني لتخزين الطاقة عمومًا من نظام إدارة المباني لبطارية الطاقة، لذا فإن العديد من التصميمات والمصطلحات لها أصول تاريخية

على سبيل المثال، تنقسم بطارية الطاقة بشكل عام إلى BMU (وحدة مراقبة البطارية) وBCU (وحدة التحكم في البطارية)، حيث تقوم الأولى بجمع البيانات والأخيرة تتحكم فيها.

نظرًا لأن خلية البطارية عبارة عن عملية كهروكيميائية، فإن خلايا البطارية المتعددة تشكل بطارية.نظرًا لخصائص كل خلية بطارية، بغض النظر عن مدى دقة عملية التصنيع، ستكون هناك أخطاء وتناقضات في كل خلية بطارية بمرور الوقت واعتمادًا على البيئة.ولذلك، فإن نظام إدارة البطارية يهدف إلى تقييم الحالة الحالية للبطارية من خلال معلمات محدودة، وهو ما يشبه إلى حد ما قيام طبيب الطب الصيني التقليدي بتشخيص المريض من خلال مراقبة الأعراض بدلاً من الطب الغربي الذي يتطلب التحليل الفيزيائي والكيميائي.يشبه التحليل الفيزيائي والكيميائي لجسم الإنسان الخصائص الكهروكيميائية للبطارية، والتي يمكن قياسها بواسطة أدوات تجريبية واسعة النطاق.ومع ذلك، فإنه من الصعب على الأنظمة المدمجة تقييم بعض مؤشرات الكيمياء الكهربائية.لذلك، فإن BMS يشبه طبيب الطب الصيني القديم.

4.1 بنية ثلاثية الطبقات لنظام إدارة المباني لتخزين الطاقة

نظرًا للعدد الكبير من خلايا البطارية في أنظمة تخزين الطاقة، ومن أجل توفير التكاليف، يتم تنفيذ نظام إدارة المباني بشكل عام على طبقات، مع طبقتين أو ثلاث طبقات.حاليًا، التيار الرئيسي يتكون من ثلاث طبقات: التحكم الرئيسي/التحكم الرئيسي/التحكم التابع.

4.2 وصف تفصيلي لنظام إدارة المباني لتخزين الطاقة

5) الوضع الحالي والاتجاه المستقبلي

هناك عدة أنواع من الشركات المصنعة التي تنتج BMS:

الفئة الأولى هي المستخدم النهائي صاحب القوة المهيمنة في بطاريات الطاقة BMS – مصانع السيارات.في الواقع، أقوى قوة تصنيع BMS في الخارج هي أيضًا مصانع السيارات، مثل جنرال موتورز، وتيسلا، وما إلى ذلك. وفي الداخل، هناك BYD، وHuating Power، وما إلى ذلك.

الفئة الثانية هي مصانع البطاريات، بما في ذلك الشركات المصنعة للخلايا ومصنعي العبوات، مثل Samsung وNingde Times وXinwangda وDesay Battery وTopband Co., Ltd. وBeijing Purrad وما إلى ذلك؛

النوع الثالث من مصنعي أنظمة إدارة المباني هم أولئك الذين يتمتعون بسنوات عديدة من الخبرة في مجال تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة، ولديهم فرق بحث وتطوير ذات خلفيات جامعية أو مؤسسات ذات صلة، مثل Eternal Electronics، وHangzhou Gaote Electronics، وXie Neng Technology، وKegong Electronics.

على عكس نظام إدارة المباني لبطاريات الطاقة، والذي يهيمن عليه بشكل أساسي مصنعو المركبات الطرفية، يبدو أن المستخدمين النهائيين لبطاريات تخزين الطاقة ليس لديهم حاجة أو إجراءات محددة للمشاركة في البحث والتطوير وتصنيع نظام إدارة المباني.ومن غير المرجح أيضًا أن ينفقوا الكثير من المال والطاقة لتطوير أنظمة إدارة البطاريات على نطاق واسع.لذلك، يمكن اعتبار أن صناعة BMS لبطاريات تخزين الطاقة تفتقر إلى لاعب مهم يتمتع بمزايا مطلقة، مما يترك مساحة كبيرة للتطوير والخيال لمصنعي البطاريات والبائعين الذين يركزون على BMS لتخزين الطاقة.إذا تم إنشاء سوق تخزين الطاقة، فسوف يمنح مصنعي البطاريات ومصنعي أنظمة إدارة المباني المحترفين مساحة كبيرة للتطوير ومقاومة أقل تنافسية.

حاليًا، هناك عدد قليل نسبيًا من الشركات المصنعة المحترفة لنظام إدارة المباني التي تركز على تطوير نظام إدارة المباني لتخزين الطاقة، ويرجع ذلك أساسًا إلى حقيقة أن سوق تخزين الطاقة لا يزال في بداياته ولا تزال هناك شكوك كثيرة حول التطوير المستقبلي لتخزين الطاقة في السوق.لذلك، لم تقم معظم الشركات المصنعة بتطوير أنظمة إدارة المباني المتعلقة بتخزين الطاقة.في بيئة الأعمال الفعلية، هناك أيضًا شركات مصنعة تشتري BMS لبطاريات المركبات الكهربائية لاستخدامها كـ BMS لبطاريات تخزين الطاقة.من المعتقد أنه في المستقبل، من المرجح أيضًا أن يصبح مصنعو BMS المحترفون للسيارات الكهربائية جزءًا مهمًا من موردي BMS المستخدمين في مشاريع تخزين الطاقة واسعة النطاق.

في هذه المرحلة، هناك نقص في المعايير الموحدة لنظام إدارة المباني التي يقدمها مختلف موردي أنظمة تخزين الطاقة.لدى الشركات المصنعة المختلفة تصميمات وتعريفات مختلفة لنظام إدارة المباني، واعتمادًا على البطاريات المختلفة المتوافقة معها، قد تختلف أيضًا خوارزمية SOX وتقنية المعادلة ومحتوى بيانات الاتصال التي تم تحميلها.وفي التطبيق العملي لنظام إدارة المباني، ستؤدي هذه الاختلافات إلى زيادة تكاليف التطبيق وتضر بالتنمية الصناعية.ولذلك، فإن توحيد ونموذجية BMS سيكون أيضًا اتجاهًا مهمًا للتنمية في المستقبل.