نظام إدارة البطارية (BMS) هو نظام إلكتروني مصمم لمراقبة وإدارة وحماية حزم البطارية. توازن الخلايا هو أحد الوظائف الرئيسية لـ BMS ،يلعب دورا حاسما في تمديد عمر البطاريةأدناه مقدمة مفصلة:

فهم عدم التوازن الخلوي

في بطاريات تتكون من خلايا متعددة، والاختلافات في عائق الخلية، درجة الحرارة، خصائص التفريغ الذاتي،والعوامل الأخرى يمكن أن تؤدي إلى اختلافات في الجهد وحالة الشحن (SOC) بين الخلايامع مرور الوقت، يؤدي ذلك إلى عدم توازن الخلية. على سبيل المثال، أثناء الشحن، قد تصبح بعض الخلايا مشحونة بالكامل بينما تظل الخلايا الأخرى تحت الشحن.قد تكون بعض الخلايا مفرطة في حين أن البعض الآخر لا يزال لديه شحنة متبقيةعدم توازن الخلية يمكن أن يسبب بعض الخلايا لتجربة زيادة في الشحن أو الإفراط في التفريغ ، مما يسرع تدهورها ويقلل من السعة الكلية ومدة عمر بطارية.

طرق ومبادئ توازن الخلايا

• التوازن السلبي:تستخدم هذه الطريقة عادة المقاومات الموازنة لتبديد الطاقة الزائدة من الخلايا المفرطة الشحنة كحرارة ، وبالتالي تساوي الجهد عبر جميع الخلايا. تكمن ميزتها في البساطة والتكلفة المنخفضة ،وسهولة التنفيذومع ذلك، فإنه يستهلك الطاقة خلال عملية التوازن، مما يقلل من كفاءة استخدام الطاقة.وهو ينطبق بشكل أساسي أثناء الشحن وقد لا يكون مناسبًا لسيناريوهات الشحن السريع بسبب أوقات التوازن الأطولعلى سبيل المثال، في نظام الموازنة السلبية من بطارية ليثيوم أيون، عندما BMS يكتشف خلية مع ارتفاع الجهد، فإنه ينشط مقاومة الموازنة متصلة بهذه الخلية،يسمح بالتخلص من الجهد الزائد كحرارة حتى يتم تحديد الجهد مع الخلايا الأخرى

• التوازن النشط:هذا النهج ينقل بنشاط الطاقة الزائدة من الخلايا ذات الشحنة العالية إلى الخلايا أو الأحمال الأقل شحنة ، مما يحقق إعادة توزيع الطاقة.تحسين كفاءة الشحن والأداء العام لحزمة البطاريةومع ذلك، فإن التوازن النشط يتطلب مكونات أجهزة أكثر تكلفة وتعقيدًا، مثل المحولات والمحولات والمحفزات. استراتيجية التحكم فيها أكثر تعقيدًا أيضًا. على سبيل المثال،في بعض أنظمة الموازنة النشطة، يتم نقل الطاقة من الخلايا المفرطة الشحنة إلى الخلايا المنخفضة الشحنة عن طريق محول DC-DC ، مما يتيح التوازن الديناميكي بين الخلايا.

دور التوازن الخلوي في تمديد عمر البطارية

بالإضافة إلى موازنة الخلايا ، يقوم نظام BMS بوظائف أخرى مثل حماية الإفراط في الشحن / الإفراط في التفريغ ، ومراقبة درجة الحرارة ، والإدارة الحرارية.هذه الوظائف تعمل بشكل متكامل لحماية حزم البطارية بشكل شاملفي ما يلي ملخص لبعض الوظائف ذات الصلة ودورها:

• منع زيادة شحن وتفريغ الخلايا الفردية: من خلال مراقبة الجهد و SOC لكل خلية في الوقت الحقيقي وتنفيذ تدابير التوازن ، يضمن نظام BMS أن الجهد و SOC لجميع الخلايا تبقى ضمن نطاق معقول.هذا يمنع الخلايا الفردية من زيادة الشحن أو تفريغ عميق، لتجنب تدهور السعة المتسارع الناجم عن ظروف الشحن / الفراغ المفرطة. وبالتالي فإنه يطيل عمر الخلية. على سبيل المثال في المركبات الكهربائية،يستخدم نظام BMS موازنة الخلايا لمنع الإفراط في شحن أو إفراط في تفريغ خلايا البطارية أثناء الشحن والتفريغ، تمديد عمر البطارية
• تحسين اتساق بطارية:يضمن موازنة الخلية مستويات متساوية من الجهد ومستويات SOC في جميع الخلايا ، مما يحسن من استمرارية مجموعة البطارية.مجموعة بطارية أكثر اتساقا يعمل بشكل أكثر استقرارا وكفاءة أثناء الشحن والفراغ، مما يقلل من الإجهاد الداخلي وتوزيع التيار غير المتساوي. وهذا يقلل من احتمال حدوث ردود فعل جانبية داخل الخلايا ، مما يبطئ تدهور القدرة ويمدد عمر البطارية.تشير الأبحاث إلى أن الموازنة الفعالة للخلايا يمكن أن تزيد من عمر بطارية بنسبة 30-40٪
• تحسين استخدام طاقة البطارية:توازن الخلايا يستفيد بالكامل من طاقة كل خلية، وتعظيم القدرة الكلية لحزمة البطارية.هذا يمنع إهدار الطاقة بسبب عدم توازن الخلية ويمنع استغلال سعة البطارية بشكل غير كافونتيجة لذلك، تعمل مجموعة البطارية بكفاءة أكبر، مما يقلل من تواتر دورات الشحن / التفريغ تحت نفس الطلب على الطاقة.بما أن تدهور سعة البطارية مرتبط ارتباطا وثيقا بعدد دورات الشحن / الفراغعلى سبيل المثال، في أنظمة تخزين الطاقة، يضمن التوازن الفعال للخلايا أن تعمل مجموعة البطارية أقرب إلى كامل طاقتها.تحسين استخدام الطاقة وتوسيع عمر البطارية
• تأخير بداية الهروب الحراريعدم توازن الخلية يمكن أن يؤدي إلى توليد حرارة غير متساوية أثناء الشحن والفراغ.الذي يسرع شيخوخة البطارية ويزيد من خطر الهروب الحرارييساعد توازن الخلية في الحفاظ على توزيع درجة حرارة ثابتة داخل حزمة البطارية من خلال موازنة فولتات الخلية والتيارات،الحد من الحرارة المفرطة المحلية والحد من احتمال الهروب الحراريهذا يعزز سلامة البطارية وطول عمرها. على سبيل المثال، في حزم بطاريات ليثيوم أيون، يعمل موازنة الخلية جنبا إلى جنب مع أنظمة الإدارة الحرارية للسيطرة على درجة حرارة الخلية بشكل فعال.تأخير بداية الهروب الحراري و تمديد عمر البطارية
• الحماية من الإفراط في الشحن / الإفراط في التفريغ: من خلال تنظيم دورات الشحن / التفريغ ومنع الإفراط في الشحن أو التفريغ العميق ، يتجنب نظام BMS الجهد المفرط والتيار على خلايا البطارية ،الحد من التفاعلات الكهروكيميائية غير القابلة للإصلاح وتدهور القدرةهذا يطيل عمر البطارية
• مراقبة درجة الحرارة والإدارة الحرارية:يراقب نظام BMS باستمرار درجة حرارة البطارية ويقوم بتشغيل آليات التبريد أو يعدل معدلات الشحن عند الضرورة لمنع ارتفاع درجة الحرارة أو درجات الحرارة المنخفضة للغايةهذا يقلل من الآثار السلبية لتقلبات درجة الحرارة على أداء البطارية ومدة عمرها ، مما يؤخر شيخوخة البطارية
• تقدير حالة الشحن (SOC) وحالة الصحة (SOH): يسمح التقدير الدقيق لSOC وSOH للمستخدمين بفهم حالة البطارية والقدرة المتبقية.تمكين الاستخدام المعقول للبطارية وتجنب الشحن الزائد أو الفراغ الزائدوفي الوقت نفسه، يسهل الكشف المبكر عن تدهور القدرة الصيانة في الوقت المناسب واستبدالها، مما يضمن أداء البطارية وطول العمر

مع التقدم المستمر في التكنولوجيا، BMS تتطور نحو دقة أعلى، ذكاء أكبر، وتحسين الكفاءة. على سبيل المثال،الاستفادة من خوارزميات التعلم الآلي لتحسين اختيار المقاومة الموازنة السلبية بناءً على معايير الوقت الحقيقي مثل درجة عدم التوازن الخلوي، وقت التوازن، ودرجة حرارة الشحن يمكن أن تحسن كفاءة التوازن واستخدام الطاقة. وهذا يزيد من مدة عمر البطارية.تطوير نظام BMS اللاسلكي (wBMS) يسهل تصميم النظام، يحسن من الموثوقية، ويوفر المزيد من المرونة والمزايا لموازنة الخلية وإدارة البطارية.