تحديات تصميم أجهزة بطارية BMS

في لحظة التطور السريع لتكنولوجيا البطاريات، يعد نظام إدارة البطاريات (BMS) عنصرًا رئيسيًا لضمان التشغيل الآمن والفعال للبطاريات.و تصميم الأجهزة يواجه العديد من التحدياتفيما يلي بعض التحديات الرئيسية واتجاهات الصناعة في تصميم أجهزة BMS.

1تحدي الدقة

• يتطلب نظام BMS قياس دقيق لمعلمات الجهد والتيار ودرجة الحرارة للبطارية لتقدير حالة شحن البطارية بدقة.حالة الصحة (SOH) وحالة الطاقة (SOP)الخصائص الكيميائية للبطاريات معقدة وتتأثر بعوامل مختلفة مثل درجة الحرارة والشيخوخة. البطاريات المختلفة لها خصائص شحن وتفريغ مختلفة.مثلاً، بطاريات الليثيوم الفوسفات الحديدي (LFP) لديها كثافة طاقة منخفضة ولكن تكلفة منخفضة ، وعمر دورة طويلة ومستقرة ، في حين أن بطاريات الليثيوم النيكل الكوبالت-المانغنيز (NMC) لديها كثافة طاقة عالية ولكن تكلفة عالية.
• القياس الدقيق لجهد البطارية هو أحد التحديات الرئيسية، والتي تتأثر بعوامل مثل التفريغ الذاتي وتغيرات الحمل في البطارية.التغيرات في درجة الحرارة سوف تؤثر أيضا بشكل كبير على أداء البطارية ودقة القياسعلى سبيل المثال، فإن درجات الحرارة العالية ستسرع شيخوخة البطارية وتقلل من سعة البطارية وأدائها.

2التحديات الأمنية

• إحدى المهام الأساسية لـ BMS هي ضمان أن البطارية تعمل ضمن نطاق آمن ومنع الحالات غير الطبيعية مثل الإفراط في الشحن والإفراط في التفريغ والتيار الزائد وارتفاع درجة الحرارة.,الشحن الزائد سيجعل التفاعلات الكيميائية داخل البطارية تفقد التوازن، وتنتج الغاز، وزيادة الضغط داخل البطارية، وحتى يسبب حالات خطيرة مثل الانتفاخ،حريق أو انفجاريمكن أن يسبب الإفراط في التفريغ تغييرات كيميائية لا رجعة فيها في مواد الأقطاب الكهربائية داخل البطارية ، مما يقلل من أداء البطارية وعمرها.
• الإدارة الحرارية للبطاريات هي أيضًا قضية سلامة مهمة في تصميم أجهزة BMS. عادة ما تستخدم بطاريات الليثيوم الكهربائيات القابلة للاشتعال.الالكتروليت سيتحلل ويطلق الحرارةحتى لو لم يتم الوصول إلى الهروب الحراري ، فإن درجات حرارة العمل العالية يمكن أن تسرع شيخوخة البطارية.

3تحديات إدارة الحرارة

• يتطلب نظام BMS قياس دقيق لمعلمات الجهد والتيار ودرجة الحرارة للبطارية لتقدير حالة شحن البطارية بدقة.حالة الصحة (SOH) وحالة الطاقة (SOP)الخصائص الكيميائية للبطاريات معقدة وتتأثر بعوامل مختلفة مثل درجة الحرارة والشيخوخة. البطاريات المختلفة لها خصائص شحن وتفريغ مختلفة.مثلاً، بطاريات الليثيوم الفوسفات الحديدي (LFP) لديها كثافة طاقة منخفضة ولكن تكلفة منخفضة ، عمر دورة طويلة ومستقرة ،بينما بطاريات الليثيوم النيكل الكوبالت المانغنيز (NMC) لديها كثافة طاقة عالية ولكن تكلفة عالية PDF.
• القياس الدقيق لجهد البطارية هو أحد التحديات الرئيسية، والتي تتأثر بعوامل مثل التفريغ الذاتي وتغيرات الحمل في البطارية.التغيرات في درجة الحرارة سوف تؤثر أيضا بشكل كبير على أداء البطارية ودقة القياسعلى سبيل المثال، فإن درجات الحرارة العالية ستسرع شيخوخة البطارية وتقلل من سعة البطارية وأدائها.

4تحدي التكلفة

• يجب على تصميم أجهزة BMS تحقيق توازن بين التكلفة والأداء. غالبًا ما تتطلب BMS عالية الأداء استخدام مكونات إلكترونية متقدمة ودوائر معقدة.مما يزيد من تكلفة النظامعلى سبيل المثال، استخدام أجهزة استشعار عالية الدقة ومحولات التناظرية إلى الرقمية يمكن أن يحسن دقة القياس، ولكن أيضا يعني ارتفاع التكاليف.
• بالنسبة لأنظمة البطاريات على نطاق واسع مثل المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة، فإن تكلفة BMS تمثل نسبة كبيرة من تكلفة النظام الإجمالي،والتي قد تعيق استخدامها على نطاق واسع في بعض التطبيقات الحساسة للتكلفةولذلك، كيفية الحد من التكاليف مع ضمان وظائف BMS والأداء هو تحد مهم يواجه تصميم الأجهزة.

5تحديات التوسع

• تصميم بنية BMS التي يمكن أن تتكيف مع أحجام البطارية المختلفة والكيمياء والتكوينات هو تحديجب أن تكون BMS قادرة على التكيف مع الاحتياجات المستقبلية بمرونة دون تعديلات واسعة النطاق أو الاستبدال.
• على سبيل المثال ، في المركبات الكهربائية ، قد تختلف سعة وتكوين مجموعة البطاريات اعتمادًا على النموذج ،ويجب أن يكون نظام BMS قادرًا على التوسع بسهولة وتعديله لتلبية احتياجات نماذج مختلفةفي الوقت نفسه، لاستخدام ثانوي للبطاريات المتعاقدة من السيارات الكهربائية،كما يتطلب أن يكون لدى BMS قابلية جيدة للتوسع لتلبية احتياجات الأداء والسلامة لهذه البطاريات القديمة.

6تحدي الموثوقية

• يجب أن تعمل أجهزة BMS بشكل مستقر في ظل ظروف تشغيل وبيئات مختلفة لضمان موثوقية وسلامة نظام البطارية.قد تفشل مكونات الأجهزة أو تتدهور الأداء بسبب عوامل مثل التداخل الكهرومغناطيسيالاهتزاز والرطوبة
• على سبيل المثال، أثناء قيادة السيارة الكهربائية، يخضع نظام BMS للتداخلات الكهرومغناطيسية الناجمة عن المحركات والأجهزة الإلكترونية الأخرى.التي قد تؤثر على الاتصال العادي ونقل البيانات من نظام BMSوبالإضافة إلى ذلك ، فإن بطارية البطارية سوف تتعرض لاهتزازات وصدمات أثناء قيادة السيارة ، والتي قد تسبب أيضا تلف مكونات الأجهزة من BMS.

7التحديات المتعلقة بتطبيق الشهادات

• يجب أن يتوافق تصميم BMS مع معايير السلامة والأداء المختلفة ، مثل ISO 26262 لتطبيقات السيارات و UL 1973 للبطاريات الثابتة.تلبية متطلبات التصديق هذه يزيد من تعقيد التصميم والتطوير.
• تتفاوت متطلبات شهادة BMS في مجالات التطبيق والمناطق المختلفة. يحتاج مصممو BMS إلى مراعاة هذه المتطلبات بشكل كامل في كل مرحلة من مراحل التصميم.من اختيار المكونات إلى اختبار ضمان الجودة وإعداد التصنيع لضمان قدرة المنتج على اجتياز الشهادة ووضعها في السوق بنجاح.

8تحديات التواصل

• في أنظمة البطاريات الكبيرة ، غالباً ما يتم توزيع أجهزة الرصد والتحكم الإلكترونية على عدة مكونات للوحات الدائرة المطبوعة بدلاً من جهاز كمبيوتر BMS مركزي واحد.بيانات القياس الحرجة، يجب أن يتم مزامنة بيانات السلامة وبيانات حالة البطارية بشكل مستمر بين عقدة متعددة من وحدات التحكم الدقيقة. فشل الاتصال بين أي عقدة يمكن أن يشل نظام BMS،منع التقييم الصحيح لجهد خلايا البطارية وإطلاق استجابة حماية عند حدوث حالة خارج النطاق.
• على سبيل المثال ، في المركبات الكهربائية ، هناك حاجة إلى اتصال فعال وموثوق به بين BMS وأنظمة أخرى مثل الشواحن الداخلية ، والمحولات ، وما إلى ذلك.لتحقيق إدارة دقيقة والتحكم في البطاريةقد تؤدي أخطاء الاتصالات إلى سوء إدارة البطارية، مما يؤثر على أداء السيارة وسلامتها.

9الاتجاهات المستقبلية

• الإنترنت المتكامل للأشياء (IoT):دمج BMS مع إنترنت الأشياء لتمكين المراقبة والتحكم عن بعد وتحسين كفاءة التشغيل. من خلال نقل البيانات في الوقت الحقيقي وتحليلها،يمكن لـ BMS تحديد مشاكل البطارية المحتملة مسبقاً وتحذيرها لضمان تشغيل النظام بشكل مستقر.
• تكنولوجيا البطارية الصلبة:وقد جذبت بطاريات الحالة الصلبة الكثير من الاهتمام بسبب كثافة الطاقة العالية والسلامة الجيدة، ولكن خصائصها تتطلب إدارة دقيقة والتحكم من قبل BMS.يجب تحسين BMS لخصائص بطاريات الحالة الصلبة لاستغلال مزاياها بالكامل ومواجهة التحديات الجديدة.
• طلب الاستخدام الثانوي:استخدام بطاريات السيارات الكهربائية المتقاعدة في سيناريوهات الاستخدام الثانوي مثل أنظمة تخزين الطاقة يضع متطلبات أعلى لـ BMS.تقييم أدائهم وحالتهم الصحية بدقة، وضمان السلامة والكفاءة.