ما هو نظام إدارة البطارية؟

تعريف

نظام إدارة البطارية (BMS) عبارة عن تقنية مخصصة للإشراف على حزمة البطارية، وهي عبارة عن مجموعة من خلايا البطارية، منظمة كهربائيًا في تكوين مصفوفة صف × عمود لتمكين توصيل النطاق المستهدف من الجهد والتيار لمدة زمنية مقابل سيناريوهات التحميل المتوقعةتتضمن المراقبة التي يوفرها نظام إدارة المباني عادةً ما يلي:

• مراقبة البطارية
• توفير حماية البطارية
• تقدير الحالة التشغيلية للبطارية
• التحسين المستمر لأداء البطارية
• الإبلاغ عن حالة التشغيل للأجهزة الخارجية

هنا، يشير مصطلح "البطارية" إلى المجموعة بأكملها؛ومع ذلك، يتم تطبيق وظائف المراقبة والتحكم بشكل خاص على الخلايا الفردية، أو مجموعات من الخلايا تسمى الوحدات النمطية في مجموعة حزمة البطارية الشاملة.تتمتع خلايا الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن بأعلى كثافة للطاقة وهي الخيار القياسي لحزم البطاريات للعديد من المنتجات الاستهلاكية، بدءًا من أجهزة الكمبيوتر المحمولة وحتى السيارات الكهربائية.على الرغم من أنها تؤدي أداءً رائعًا، إلا أنها يمكن أن تكون غير متسامحة إلى حد ما إذا تم تشغيلها خارج منطقة تشغيل آمنة ضيقة بشكل عام (SOA)، مع نتائج تتراوح بين المساس بأداء البطارية إلى عواقب خطيرة تمامًا.من المؤكد أن نظام إدارة المباني لديه وصف وظيفي صعب، وقد يشمل تعقيده العام ونطاق إشرافه العديد من التخصصات مثل الكهرباء والرقمية والتحكم والحرارة والهيدروليكية.

كيف تعمل أنظمة إدارة البطارية؟

لا تحتوي أنظمة إدارة البطارية على مجموعة ثابتة أو فريدة من المعايير التي يجب اعتمادها.يرتبط نطاق تصميم التكنولوجيا والميزات المنفذة عمومًا بما يلي:

• تكاليف وتعقيد وحجم حزمة البطارية
• استخدام البطارية وأي مخاوف تتعلق بالسلامة والعمر والضمان
• متطلبات الاعتماد من مختلف اللوائح الحكومية حيث تكون التكاليف والعقوبات ذات أهمية قصوى في حالة عدم كفاية تدابير السلامة الوظيفية

هناك العديد من ميزات تصميم BMS، حيث تعتبر إدارة حماية حزمة البطارية وإدارة السعة ميزتين أساسيتين.سنناقش كيفية عمل هاتين الميزتين هنا.تشتمل إدارة حماية حزمة البطارية على مجالين رئيسيين: الحماية الكهربائية، مما يعني عدم السماح للبطارية بالتلف عن طريق الاستخدام خارج SOA، والحماية الحرارية، والتي تتضمن التحكم السلبي و/أو النشط في درجة الحرارة للحفاظ على الحزمة أو إدخالها إلى SOA الخاصة بها.

حماية الإدارة الكهربائية: الحالي

إن مراقبة تيار حزمة البطارية وجهد الخلية أو الوحدة هو الطريق إلى الحماية الكهربائية.ترتبط SOA الكهربائية لأي خلية بطارية بالتيار والجهد.يوضح الشكل 1 بنية SOA النموذجية لخلية أيون الليثيوم، وسيحمي نظام إدارة المباني (BMS) المصمم جيدًا العبوة عن طريق منع التشغيل خارج تصنيفات الخلايا الخاصة بالشركة المصنعة.في العديد من الحالات، قد يتم تطبيق مزيد من التخفيض للإقامة داخل المنطقة الآمنة الخاصة بـ SOA لصالح تعزيز عمر البطارية الإضافي.

تتمتع خلايا أيون الليثيوم بحدود تيار مختلفة للشحن مقارنةً بالتفريغ، ويمكن لكلا الوضعين التعامل مع تيارات الذروة الأعلى، وإن كان ذلك لفترات زمنية قصيرة.عادةً ما تحدد الشركات المصنعة لخلايا البطارية الحد الأقصى لحدود تيار الشحن والتفريغ المستمر، إلى جانب حدود تيار الشحن والتفريغ القصوى.من المؤكد أن نظام إدارة المباني الذي يوفر الحماية الحالية سوف يطبق أقصى تيار مستمر.ومع ذلك، قد يتم ذلك مسبقًا لمراعاة التغيير المفاجئ في ظروف التحميل؛على سبيل المثال، التسارع المفاجئ للسيارة الكهربائية.قد يتضمن نظام إدارة المباني مراقبة ذروة التيار من خلال دمج التيار وبعد وقت الدلتا، واتخاذ قرار إما بتقليل التيار المتاح أو مقاطعة تيار الحزمة تمامًا.يسمح هذا لنظام إدارة المباني (BMS) بامتلاك حساسية فورية تقريبًا لذروات التيار القصوى، مثل حالة الدائرة القصيرة التي لم تلفت انتباه أي صمامات مقيمة، ولكنها أيضًا تتسامح مع متطلبات الذروة العالية، طالما أنها ليست مفرطة أيضًا طويل.

حماية الإدارة الكهربائية: الجهد

يوضح الشكل 2 أن خلية أيون الليثيوم يجب أن تعمل ضمن نطاق جهد معين.سيتم تحديد حدود SOA هذه في النهاية من خلال الكيمياء الجوهرية لخلية أيون الليثيوم المحددة ودرجة حرارة الخلايا في أي وقت.علاوة على ذلك، نظرًا لأن أي حزمة بطارية تواجه قدرًا كبيرًا من دورة التيار، والتفريغ بسبب متطلبات الحمل والشحن من مجموعة متنوعة من مصادر الطاقة، فإن حدود جهد SOA هذه عادةً ما تكون مقيدة بشكل أكبر لتحسين عمر البطارية.يجب أن يعرف نظام إدارة المباني ما هي هذه الحدود وسيتخذ قرارات بناءً على القرب من هذه العتبات.على سبيل المثال، عند الاقتراب من حد الجهد العالي، قد يطلب نظام إدارة المباني تخفيضًا تدريجيًا لتيار الشحن، أو قد يطلب إنهاء تيار الشحن تمامًا إذا تم الوصول إلى الحد.ومع ذلك، عادة ما يكون هذا الحد مصحوبًا باعتبارات إضافية لتباطؤ الجهد الداخلي لمنع ثرثرة التحكم حول عتبة إيقاف التشغيل.من ناحية أخرى، عند الاقتراب من حد الجهد المنخفض، سيطلب نظام إدارة المباني (BMS) أن تقلل الأحمال المخالفة النشطة الرئيسية من متطلباتها الحالية.وفي حالة السيارة الكهربائية، يمكن تنفيذ ذلك عن طريق تقليل عزم الدوران المسموح به لمحرك الجر.وبطبيعة الحال، يجب على نظام إدارة المباني أن يجعل اعتبارات السلامة للسائق هي الأولوية القصوى مع حماية حزمة البطارية لمنع حدوث ضرر دائم.

حماية الإدارة الحرارية: درجة الحرارة

في ظاهر الأمر، قد يبدو أن خلايا أيون الليثيوم لديها نطاق تشغيل واسع لدرجة الحرارة، لكن سعة البطارية الإجمالية تتضاءل عند درجات حرارة منخفضة لأن معدلات التفاعل الكيميائي تتباطأ بشكل ملحوظ.فيما يتعلق بالقدرة على درجات الحرارة المنخفضة، فإنها تؤدي أداءً أفضل بكثير من بطاريات الرصاص الحمضية أو بطاريات NiMh؛ومع ذلك، فإن إدارة درجة الحرارة أمر ضروري بحكمة لأن الشحن أقل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) يمثل مشكلة جسدية.يمكن أن تحدث ظاهرة طلاء الليثيوم المعدني على الأنود أثناء الشحن تحت التجميد.وهذا ضرر دائم ولا يؤدي فقط إلى انخفاض القدرة، ولكن الخلايا تكون أكثر عرضة للفشل إذا تعرضت للاهتزاز أو غيرها من الظروف المجهدة.يمكن لنظام إدارة المباني (BMS) التحكم في درجة حرارة حزمة البطارية من خلال التسخين والتبريد.

تعتمد الإدارة الحرارية المحققة بشكل كامل على حجم وتكلفة حزمة البطارية وأهداف الأداء، ومعايير تصميم نظام إدارة المباني، ووحدة المنتج، والتي قد تشمل النظر في المنطقة الجغرافية المستهدفة (مثل ألاسكا مقابل هاواي).بغض النظر عن نوع المدفأة، فمن الأكثر فعالية عمومًا سحب الطاقة من مصدر طاقة تيار متردد خارجي، أو بطارية مقيمة بديلة مخصصة لتشغيل المدفأة عند الحاجة.ومع ذلك، إذا كان للسخان الكهربائي سحب تيار متواضع، فيمكن سحب الطاقة من البطارية الأساسية لتسخين نفسه.إذا تم تطبيق نظام هيدروليكي حراري، فسيتم استخدام سخان كهربائي لتسخين سائل التبريد الذي يتم ضخه وتوزيعه في جميع أنحاء مجموعة العبوة.

لا شك أن مهندسي تصميم BMS لديهم حيل في تجارة التصميم الخاصة بهم لتدفق الطاقة الحرارية إلى العبوة.على سبيل المثال، يمكن تشغيل إلكترونيات الطاقة المختلفة داخل نظام إدارة المباني المخصصة لإدارة القدرات.على الرغم من أنها ليست بنفس كفاءة التسخين المباشر، إلا أنه يمكن الاستفادة منها بغض النظر.يعد التبريد أمرًا حيويًا بشكل خاص لتقليل فقدان أداء مجموعة بطارية الليثيوم أيون.على سبيل المثال، ربما تعمل بطارية معينة بشكل مثالي عند درجة حرارة 20 درجة مئوية؛إذا زادت درجة حرارة العبوة إلى 30 درجة مئوية، فقد تنخفض كفاءة أدائها بنسبة تصل إلى 20%.إذا تم شحن العبوة وإعادة شحنها بشكل مستمر عند درجة حرارة 45 درجة مئوية (113 درجة فهرنهايت)، فقد يرتفع فقدان الأداء إلى نسبة كبيرة تصل إلى 50%.يمكن أن يعاني عمر البطارية أيضًا من الشيخوخة المبكرة والتدهور إذا تعرضت باستمرار لتوليد حرارة زائدة، خاصة أثناء دورات الشحن والتفريغ السريع.يتم تحقيق التبريد عادة بطريقتين، سلبي أو نشط، ويمكن استخدام كلا الأسلوبين.يعتمد التبريد السلبي على حركة تدفق الهواء لتبريد البطارية.وفي حالة السيارة الكهربائية، فهذا يعني أنها تتحرك ببساطة على الطريق.ومع ذلك، قد يكون الأمر أكثر تعقيدًا مما يبدو، حيث يمكن دمج أجهزة استشعار سرعة الهواء لضبط سدود الهواء المنحرفة بشكل استراتيجي لتحقيق أقصى قدر من تدفق الهواء.يمكن أن يساعد استخدام مروحة نشطة يمكن التحكم في درجة حرارتها عند السرعات المنخفضة أو عند توقف السيارة، ولكن كل ما يمكن أن يفعله هذا هو مجرد معادلة العبوة مع درجة الحرارة المحيطة.في حالة وجود يوم حار حار، قد يؤدي ذلك إلى زيادة درجة حرارة العبوة الأولية.يمكن تصميم التبريد النشط الهيدروليكي الحراري كنظام تكميلي، وعادةً ما يستخدم سائل تبريد الإيثيلين-جليكول مع نسبة خليط محددة، يتم توزيعه عبر مضخة تعمل بمحرك كهربائي من خلال الأنابيب/الخراطيم، ومشعبات التوزيع، ومبادل حراري ذو تدفق متقاطع (المبرد) ، ولوحة التبريد مقيمة مقابل مجموعة البطارية.يقوم نظام BMS بمراقبة درجات الحرارة عبر العبوة، ويفتح ويغلق الصمامات المختلفة للحفاظ على درجة حرارة البطارية الإجمالية ضمن نطاق درجة حرارة ضيق لضمان الأداء الأمثل للبطارية.

إدارة القدرات

يمكن القول إن زيادة سعة حزمة البطارية إلى أقصى حد هي إحدى ميزات أداء البطارية الأكثر أهمية التي يوفرها نظام إدارة المباني.إذا لم يتم إجراء هذه الصيانة، فقد تصبح حزمة البطارية نفسها عديمة الفائدة في النهاية.أصل المشكلة هو أن حزمة البطارية "المكدسة" (مجموعة متسلسلة من الخلايا) ليست متساوية تمامًا ولها في جوهرها معدلات تسرب أو تفريغ ذاتي مختلفة قليلاً.لا يعد التسرب عيبًا في الشركة المصنعة ولكنه خاصية كيميائية للبطارية، على الرغم من أنه قد يتأثر إحصائيًا بالاختلافات الدقيقة في عملية التصنيع.في البداية، قد تحتوي حزمة البطارية على خلايا متطابقة جيدًا، ولكن مع مرور الوقت، يتدهور التشابه من خلية إلى أخرى، ليس فقط بسبب التفريغ الذاتي، ولكن أيضًا يتأثر بدورة الشحن/التفريغ، ودرجة الحرارة المرتفعة، وتقادم التقويم العام.بعد فهم ذلك، تذكر المناقشة السابقة التي مفادها أن خلايا أيون الليثيوم تعمل بشكل رائع، ولكنها يمكن أن تكون غير متسامحة إلى حد ما إذا تم تشغيلها خارج نطاق SOA المحكم.لقد تعلمنا سابقًا عن الحماية الكهربائية المطلوبة لأن خلايا أيون الليثيوم لا تتعامل بشكل جيد مع الشحن الزائد.بمجرد شحنها بالكامل، لا يمكنها قبول أي تيار آخر، وأي طاقة إضافية يتم دفعها إليها تتحول إلى حرارة، مع احتمال ارتفاع الجهد الكهربائي بسرعة، وربما إلى مستويات خطيرة.وهذا ليس وضعًا صحيًا للخلية ويمكن أن يسبب ضررًا دائمًا وظروف تشغيل غير آمنة إذا استمر.

مجموعة خلايا سلسلة حزمة البطارية هي ما يحدد الجهد الإجمالي للحزمة، وعدم التطابق بين الخلايا المتجاورة يخلق معضلة عند محاولة شحن أي مكدس.ويبين الشكل 3 سبب ذلك.إذا كان لدى المرء مجموعة متوازنة تمامًا من الخلايا، فكل شيء على ما يرام حيث سيتم شحن كل منها بطريقة متساوية، ويمكن قطع تيار الشحن عند الوصول إلى عتبة قطع الجهد العلوي 4.0.ومع ذلك، في السيناريو غير المتوازن، ستصل الخلية العلوية إلى حد الشحن الخاص بها مبكرًا، ويجب إنهاء تيار الشحن للساق قبل شحن الخلايا الأساسية الأخرى إلى طاقتها الكاملة.

نظام إدارة المباني هو ما يتدخل ويحفظ اليوم، أو حزمة البطارية في هذه الحالة.لإظهار كيفية عمل ذلك، يجب شرح تعريف رئيسي.تتناسب حالة الشحن (SOC) للخلية أو الوحدة النمطية في وقت معين مع الشحنة المتاحة مقارنة بالشحنة الإجمالية عند الشحن الكامل.وبالتالي، فإن البطارية التي تبلغ نسبة شحنها 50% SOC تعني أنها مشحونة بنسبة 50%، وهو ما يشبه رقم الجدارة في مقياس الوقود.تدور إدارة سعة BMS حول موازنة تنوع SOC عبر كل حزمة في مجموعة الحزمة.وبما أن SOC ليست كمية قابلة للقياس بشكل مباشر، فإنه يمكن تقديرها من خلال تقنيات مختلفة، وينقسم مخطط الموازنة نفسه بشكل عام إلى فئتين رئيسيتين، سلبية وإيجابية.هناك العديد من الاختلافات في المواضيع، ولكل نوع إيجابيات وسلبيات.الأمر متروك لمهندس تصميم BMS لتحديد الخيار الأمثل لحزمة البطارية المحددة وتطبيقها.الموازنة السلبية هي الأسهل في التنفيذ، بالإضافة إلى شرح مفهوم الموازنة العام.تسمح الطريقة السلبية لكل خلية في المكدس بأن يكون لها نفس السعة المشحونة مثل الخلية الأضعف.باستخدام تيار منخفض نسبيًا، فإنه ينقل كمية صغيرة من الطاقة من خلايا SOC عالية أثناء دورة الشحن بحيث يتم شحن جميع الخلايا إلى الحد الأقصى لـ SOC.ويوضح الشكل 4 كيف يتم تحقيق ذلك بواسطة نظام إدارة المباني.فهو يراقب كل خلية ويستفيد من مفتاح الترانزستور ومقاوم التفريغ ذو الحجم المناسب بالتوازي مع كل خلية.عندما يستشعر نظام إدارة المباني أن خلية معينة تقترب من حد الشحن الخاص بها، فإنه سيوجه التيار الزائد حولها إلى الخلية التالية أدناه بطريقة من أعلى إلى أسفل.

تظهر نقاط نهاية عملية الموازنة، قبل وبعد، في الشكل 5. باختصار، يقوم نظام إدارة المباني بموازنة مجموعة البطاريات من خلال السماح لخلية أو وحدة نمطية في المكدس برؤية تيار شحن مختلف عن تيار الحزمة بإحدى الطرق التالية:

• إزالة الشحن من الخلايا الأكثر شحنًا، مما يمنح مساحة رأسية لتيار شحن إضافي لمنع الشحن الزائد، ويسمح للخلايا الأقل شحنًا باستقبال المزيد من تيار الشحن
• إعادة توجيه بعض أو كل تيار الشحن تقريبًا حول الخلايا الأكثر شحنًا، مما يسمح للخلايا الأقل شحنًا باستقبال تيار الشحن لفترة أطول من الوقت

أنواع أنظمة إدارة البطارية

تتراوح أنظمة إدارة البطارية من البسيطة إلى المعقدة ويمكن أن تشمل مجموعة واسعة من التقنيات المختلفة لتحقيق توجيهها الأساسي المتمثل في "العناية بالبطارية".ومع ذلك، يمكن تصنيف هذه الأنظمة بناءً على طوبولوجيتها، والتي تتعلق بكيفية تثبيتها وتشغيلها على الخلايا أو الوحدات عبر حزمة البطارية.

معمارية BMS المركزية

يحتوي على نظام BMS مركزي واحد في مجموعة البطارية.جميع مجموعات البطاريات متصلة بنظام إدارة المباني المركزي مباشرة.يظهر الشكل 6 هيكل نظام إدارة المباني المركزي. يتمتع نظام إدارة المباني المركزي ببعض المزايا.إنه أكثر إحكاما، ويميل إلى أن يكون الأكثر اقتصادا نظرا لوجود نظام إدارة المباني واحد فقط.ومع ذلك، هناك عيوب لنظام إدارة المباني المركزي.نظرًا لأن جميع البطاريات متصلة بنظام إدارة المباني (BMS) مباشرةً، فإن نظام إدارة المباني (BMS) يحتاج إلى الكثير من المنافذ للاتصال بجميع حزم البطاريات.ويترجم هذا إلى وجود الكثير من الأسلاك والكابلات والموصلات وما إلى ذلك في مجموعات البطاريات الكبيرة، مما يؤدي إلى تعقيد عملية استكشاف الأخطاء وإصلاحها والصيانة.

طوبولوجيا BMS المعيارية

على غرار التنفيذ المركزي، ينقسم نظام إدارة المباني إلى عدة وحدات مكررة، تحتوي كل منها على حزمة مخصصة من الأسلاك والوصلات إلى جزء مخصص مجاور من حزمة البطارية.انظر الشكل 7. في بعض الحالات، قد تكون وحدات BMS الفرعية هذه خاضعة للإشراف الأساسي لوحدة BMS والتي تتمثل مهمتها في مراقبة حالة الوحدات الفرعية والتواصل مع المعدات الطرفية.بفضل الوحدات النمطية المكررة، أصبح استكشاف الأخطاء وإصلاحها والصيانة أسهل، كما أصبح التوسع في حزم البطاريات الأكبر أمرًا سهلاً.الجانب السلبي هو أن التكاليف الإجمالية أعلى قليلاً، وقد تكون هناك وظائف مكررة غير مستخدمة اعتمادًا على التطبيق.

نظام إدارة المباني الأساسي/الثانوي

تشبه الطوبولوجيا المعيارية من الناحية النظرية، ومع ذلك، في هذه الحالة، يقتصر العبيد على مجرد نقل معلومات القياس، ويكون السيد مخصصًا للحساب والتحكم، بالإضافة إلى الاتصال الخارجي.لذلك، على الرغم من أنها مثل الأنواع المعيارية، إلا أن التكاليف قد تكون أقل نظرًا لأن وظائف العبيد تميل إلى أن تكون أبسط، مع احتمالية تحمل تكاليف أقل وعدد أقل من الميزات غير المستخدمة.

بنية BMS الموزعة

تختلف إلى حد كبير عن الهياكل الأخرى، حيث يتم تغليف الأجهزة والبرامج الإلكترونية في وحدات تتفاعل مع الخلايا عبر حزم من الأسلاك المتصلة.يشتمل نظام إدارة المباني الموزع على جميع الأجهزة الإلكترونية الموجودة على لوحة التحكم الموضوعة مباشرة على الخلية أو الوحدة التي تتم مراقبتها.يؤدي هذا إلى تخفيف الجزء الأكبر من الكابلات إلى عدد قليل من أسلاك الاستشعار وأسلاك الاتصال بين وحدات BMS المجاورة.وبالتالي، فإن كل نظام إدارة المباني يكون أكثر استقلالية، ويتعامل مع الحسابات والاتصالات كما هو مطلوب.ومع ذلك، على الرغم من هذه البساطة الواضحة، فإن هذا النموذج المتكامل يجعل استكشاف الأخطاء وإصلاحها والصيانة أمرًا محتملاً، لأنه يتواجد عميقًا داخل مجموعة وحدة الدرع.تميل التكاليف أيضًا إلى الارتفاع نظرًا لوجود عدد أكبر من أنظمة إدارة المباني في الهيكل الإجمالي لحزمة البطارية.

أهمية أنظمة إدارة البطارية

تعتبر السلامة الوظيفية ذات أهمية قصوى في نظام إدارة المباني.من الضروري أثناء عملية الشحن والتفريغ، منع الجهد والتيار ودرجة الحرارة لأي خلية أو وحدة تحت التحكم الإشرافي من تجاوز حدود SOA المحددة.إذا تم تجاوز الحدود لفترة طويلة من الوقت، فلن تتعرض حزمة البطارية التي يحتمل أن تكون باهظة الثمن للخطر فحسب، بل قد تنشأ ظروف حرارية خطيرة.علاوة على ذلك، يتم أيضًا مراقبة حدود عتبة الجهد المنخفض بشكل صارم لحماية خلايا أيون الليثيوم والسلامة الوظيفية.إذا ظلت بطارية Li-ion في حالة الجهد المنخفض هذه، فقد تنمو التشعبات النحاسية في النهاية على الأنود، مما قد يؤدي إلى ارتفاع معدلات التفريغ الذاتي وإثارة مخاوف محتملة تتعلق بالسلامة.تأتي كثافة الطاقة العالية للأنظمة التي تعمل بالليثيوم أيون بسعر لا يترك مجالًا كبيرًا للخطأ في إدارة البطارية.بفضل أنظمة إدارة المباني (BMSs) وتحسينات الليثيوم أيون، تعد هذه واحدة من أكثر كيمياء البطاريات نجاحًا وأمانًا المتاحة اليوم.

يعد أداء حزمة البطارية الميزة التالية الأكثر أهمية في نظام إدارة المباني، وهذا يتضمن الإدارة الكهربائية والحرارية.لتحسين السعة الإجمالية للبطارية كهربائيًا، يجب أن تكون جميع الخلايا الموجودة في العبوة متوازنة، مما يعني أن SOC للخلايا المجاورة في جميع أنحاء التجميع متكافئة تقريبًا.يعد هذا أمرًا مهمًا للغاية لأنه لا يمكن فقط تحقيق سعة البطارية المثالية، ولكنه يساعد على منع التدهور العام ويقلل من النقاط الساخنة المحتملة من الشحن الزائد للخلايا الضعيفة.يجب أن تتجنب بطاريات الليثيوم أيون تفريغها أقل من حدود الجهد المنخفض، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى تأثيرات على الذاكرة وفقدان كبير للسعة.العمليات الكهروكيميائية شديدة التأثر بدرجة الحرارة، والبطاريات ليست استثناءً.عندما تنخفض درجة الحرارة البيئية، تنخفض سعة البطارية وطاقتها المتاحة بشكل ملحوظ.وبالتالي، قد يقوم نظام إدارة المباني بتشغيل سخان خارجي موجود على سبيل المثال، نظام التبريد السائل لحزمة بطارية السيارة الكهربائية، أو تشغيل لوحات التسخين المقيمة المثبتة أسفل وحدات الحزمة المدمجة داخل طائرة هليكوبتر أو غيرها الطائرات.بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن شحن خلايا الليثيوم أيون المتجمدة يضر بأداء عمر البطارية، فمن المهم أولاً رفع درجة حرارة البطارية بدرجة كافية.لا يمكن شحن معظم خلايا أيونات الليثيوم بسرعة عندما تكون درجة حرارتها أقل من 5 درجات مئوية، ولا ينبغي شحنها على الإطلاق عندما تكون درجة حرارتها أقل من 0 درجة مئوية.للحصول على الأداء الأمثل أثناء الاستخدام التشغيلي النموذجي، غالبًا ما تضمن الإدارة الحرارية لـ BMS أن تعمل البطارية ضمن منطقة تشغيل ضيقة (على سبيل المثال 30 - 35 درجة مئوية).ويؤدي هذا إلى حماية الأداء وتعزيز العمر الأطول وتعزيز حزمة بطارية صحية وموثوقة.

فوائد أنظمة إدارة البطارية

يمكن أن يتكون نظام تخزين طاقة البطارية بالكامل، والذي يشار إليه غالبًا باسم BESS، من عشرات أو مئات أو حتى آلاف خلايا أيونات الليثيوم المجمعة معًا بشكل استراتيجي، اعتمادًا على التطبيق.قد يكون لهذه الأنظمة معدل جهد أقل من 100 فولت، ولكن يمكن أن يصل إلى 800 فولت، مع تيارات إمداد حزمة تتراوح حتى 300 أمبير أو أكثر.أي سوء إدارة لحزمة الجهد العالي يمكن أن يؤدي إلى كارثة كارثية تهدد الحياة.وبالتالي، تعتبر أنظمة إدارة المباني بالغة الأهمية لضمان التشغيل الآمن.ويمكن تلخيص فوائد أنظمة إدارة المباني على النحو التالي.

• السلامة الوظيفية.من المؤكد أن هذا أمر حكيم وضروري بشكل خاص بالنسبة لحزم بطاريات الليثيوم أيون كبيرة الحجم.ولكن حتى الأشكال الأصغر المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة، على سبيل المثال، من المعروف أنها تشتعل فيها النيران وتسبب أضرارًا جسيمة.السلامة الشخصية لمستخدمي المنتجات التي تشتمل على أنظمة تعمل ببطارية الليثيوم أيون لا تترك مجالًا كبيرًا لخطأ إدارة البطارية.
• مدى الحياة والموثوقية.تضمن إدارة حماية حزمة البطارية، الكهربائية والحرارية، استخدام جميع الخلايا ضمن متطلبات SOA المعلنة.تضمن هذه المراقبة الدقيقة العناية بالخلايا ضد الاستخدام العدواني ودورة الشحن والتفريغ السريعة، وتؤدي حتماً إلى نظام مستقر من شأنه أن يوفر سنوات عديدة من الخدمة الموثوقة.
• الأداء والمدى.تسمح إدارة سعة حزمة بطارية BMS، حيث يتم استخدام التوازن من خلية إلى أخرى لموازنة SOC للخلايا المجاورة عبر مجموعة العبوة، بتحقيق السعة المثلى للبطارية.بدون ميزة BMS هذه التي تأخذ في الاعتبار الاختلافات في التفريغ الذاتي، ودورة الشحن/التفريغ، وتأثيرات درجة الحرارة، والشيخوخة العامة، يمكن أن تصبح حزمة البطارية نفسها عديمة الفائدة في النهاية.
• التشخيص وجمع البيانات والاتصالات الخارجية.تتضمن مهام الإشراف المراقبة المستمرة لجميع خلايا البطارية، حيث يمكن استخدام تسجيل البيانات بمفرده للتشخيص، ولكن غالبًا ما يكون الغرض منه هو مهمة الحساب لتقدير SOC لجميع الخلايا في التجميع.يتم الاستفادة من هذه المعلومات لموازنة الخوارزميات، ولكن يمكن ترحيلها بشكل جماعي إلى الأجهزة الخارجية وشاشات العرض للإشارة إلى الطاقة المقيمة المتاحة، وتقدير النطاق المتوقع أو النطاق/العمر بناءً على الاستخدام الحالي، وتوفير الحالة الصحية لحزمة البطارية.
• تخفيض التكلفة والضمان.يؤدي إدخال نظام إدارة المباني إلى نظام BESS إلى زيادة التكاليف، كما أن حزم البطاريات باهظة الثمن ومن المحتمل أن تكون خطرة.كلما زاد تعقيد النظام، زادت متطلبات السلامة، مما أدى إلى الحاجة إلى مزيد من التواجد الإشرافي لنظام إدارة المباني.لكن الحماية والصيانة الوقائية لنظام إدارة المباني فيما يتعلق بالسلامة الوظيفية والعمر والموثوقية والأداء والمدى والتشخيص وما إلى ذلك تضمن أنها ستخفض التكاليف الإجمالية، بما في ذلك التكاليف المتعلقة بالضمان.

أنظمة إدارة البطارية والخلاصة

تعد المحاكاة حليفًا قيمًا لتصميم BMS، خاصة عند تطبيقها لاستكشاف ومعالجة تحديات التصميم في تطوير الأجهزة والنماذج الأولية والاختبار.مع وجود نموذج دقيق لخلية أيون الليثيوم، فإن نموذج محاكاة بنية BMS هو المواصفات القابلة للتنفيذ والتي يتم التعرف عليها كنموذج أولي افتراضي.بالإضافة إلى ذلك، تسمح المحاكاة بإجراء تحقيق غير مؤلم في متغيرات وظائف مراقبة نظام إدارة المباني مقابل سيناريوهات مختلفة للبطارية والتشغيل البيئي.يمكن اكتشاف مشكلات التنفيذ والتحقيق فيها في وقت مبكر جدًا، مما يسمح بالتحقق من تحسينات الأداء والسلامة الوظيفية قبل التنفيذ على النموذج الأولي للأجهزة الحقيقية.وهذا يقلل من وقت التطوير ويساعد على ضمان أن يكون النموذج الأولي للأجهزة قويًا.بالإضافة إلى ذلك، يمكن إجراء العديد من اختبارات المصادقة، بما في ذلك أسوأ السيناريوهات، لنظام إدارة المباني وحزمة البطارية عند ممارستها في تطبيقات النظام المدمجة الواقعية.

ملخص SabreRDتقدم مكتبات نماذج هيدروليكية كهربائية ورقمية وحرارية واسعة النطاق لتمكين المهندسين المهتمين بتصميم وتطوير أنظمة إدارة المباني وحزمة البطاريات.تتوفر الأدوات اللازمة لإنشاء نماذج بسرعة من مواصفات ورقة البيانات الأساسية ومنحنيات القياس للعديد من الأجهزة الإلكترونية وأنواع كيمياء البطاريات المختلفة.تسمح التحليلات الإحصائية وتحليلات الإجهاد والخطأ بالتحقق عبر أطياف منطقة التشغيل، بما في ذلك المناطق الحدودية، لضمان موثوقية نظام إدارة المباني بشكل عام.علاوة على ذلك، يتم تقديم العديد من أمثلة التصميم لتمكين المستخدمين من بدء المشروع والوصول بسرعة إلى الإجابات المطلوبة من المحاكاة.