ما المقصود بموازنة الخلايا في البطاريات؟

الموازنة النشطة والموازنة السلبية هما تقنيتان للموازنة

تستخدم المركبات الكهربائية حاليًا بطاريات الليثيوم أيون بشكل عام. وتختلف سعة وجهد خلاياها الفردية اختلافًا كبيرًا، مما يجعلها عرضة لعدم الاستقرار أثناء الشحن والتفريغ، الأمر الذي يؤدي إلى تقصير مدى قيادة المركبات الكهربائية ويؤثر على عمر البطارية. بطارية الطاقة تُعد بطارية فوسفات الحديد الليثيوم شائعة الاستخدام في المركبات الكهربائية.

مما يؤدي إلى تقصير مدى قيادة المركبات الكهربائية

بما أن بطارية فوسفات الحديد الليثيوم هي بطارية ثانوية، فسيحدث تباين في الأداء أثناء عمليتي الشحن والتفريغ. ويعود ذلك إلى اختلاف المقاومة الداخلية والمقاومة النوعية لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم. ولحل هذه المشكلة، من الضروري موازنة الخلايا الفردية لتقليل التباين الداخلي إلى أدنى حد ممكن.شريكle. حاليًا، هناك طريقتان شائعتان لتحقيق التوازن: التوازن النشط والتوازن السلبي.

من الضروري تحقيق التوازن بين الخلايا المفردة.

يشير مصطلح الموازنة النشطة إلى الموازنة باستخدام بنية دارة تتكون من دارة كهربائية وشريحة تحكم. وعلى عكس الموازنة السلبية، لا تتطلب الموازنة النشطة تغيير حالة أي جهاز أو مكون آخر، وتتميز بسهولة التنفيذ، وانخفاض التكلفة، وعدم تأثيرها على البطارية.

بسيط، منخفض التكلفة، ولا يؤثر على البطارية.

مع ذلك، ونظرًا للاختلافات الكبيرة في المقاومة والسعة بين الخلايا الفردية، تحتاج دائرة الموازنة النشطة إلى تحويل جهد كل خلية إلى قيمة جهد موحدة عبر محول، مما يستلزم إضافة مجموعة من أجهزة تبديل الطاقة بين أنبوب التبديل والمحول وشريحة التحكم. إضافةً إلى ذلك، ولأن كل خلية تحتاج إلى أخذ عينات منها والتحكم بها بشكل متزامن، فإن بنية الدائرة تصبح أكثر تعقيدًا وترتفع تكلفتها.

يتطلب هذا إضافة مجموعة من أجهزة تبديل الطاقة بين أنبوب التبديل والمحول وشريحة التحكم.

يشير التوازن السلبي إلى تحويل جهد كل خلية دون تغيير حالة البطارية، ثم مقارنة قيم الجهد المحولة. وتتحقق هذه الطريقة بشكل أساسي من خلال الكشف عن الفرق بين جهود كل خلية.

 

مقارنة قيم الجهد المحول

بالمقارنة مع الموازنة النشطة، تتطلب الموازنة السلبية تغيير حالة أجهزة أو مكونات أخرى، مما يزيد من تعقيد الدائرة وتكلفتها. إضافةً إلى ذلك، ولأن تحقيق التوازن يتطلب رصد فرق الجهد بين كل خلية، يلزم وجود نظام جمع بيانات إضافي؛ وإذا لزم رصد المقاومة الداخلية والمقاومة النوعية للخلية، يلزم أيضًا وجود وحدة جمع بيانات الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا للحاجة إلى اكتشاف فرق الجهد بين كل خلية لتحقيق التوازن، يلزم وجود نظام اكتساب بيانات إضافي.

بما أنه يجب قياس الجهد والمقاومة الداخلية لكل خلية، فإن نظام التحكم مطلوب أيضًا.

تشير تقنية التوازن إلى ضبط فرق الجهد بين الخلايا لضبط الجهد غير المتناسق والسعة والمقاومة والمعلمات الأخرى التي تولدها البطارية أثناء عملية الشحن والتفريغ من كبير إلى صغير للحفاظ على عمل البطارية في أفضل حالة وتقليل المشاكل مثل تقصير عمر البطارية الناتج عن الاختلافات في أداء الخلايا.

الجهد، والسعة، والمقاومة، وغيرها من المعايير

نظراً لبنية تقنية الموازنة السلبية التقليدية البسيطة وتكلفتها المنخفضة، فإنها تعتبر حالياً الطريقة الرئيسية لموازنة بطارية الطاقة في المركبات الكهربائية.

هيكل بسيط وتكلفة منخفضة

تعمل تقنية الموازنة النشطة على شحن أو تفريغ الخلايا بحيث يصل فرق الجهد بين كل خلية إلى القيمة المحددة أو يحافظ عليه ضمن نطاق معين، وذلك لتحقيق أقصى أداء لبطاريات الليثيوم أيون. وتُعد تقنية التوصيل على التوالي والتوازي من أكثر تقنيات الموازنة النشطة شيوعًا.

يجب أن يصل فرق الجهد لكل خلية على حدة إلى القيمة المحددة أو أن يبقى ضمن نطاق معين لتحقيق أقصى أداء لبطاريات الليثيوم أيون.

في الدائرة المتسلسلة، تعمل كل خلية على حدة، ولكن عندما تُشحن بطارية الليثيوم أيون بالكامل، تبقى حزمة البطاريات في حالة مستقرة، وهي ما يُسمى "فترة الراحة". خلال هذه الفترة، لا يتغير الجهد الكهربائي في حزمة البطاريات ويبقى ثابتًا.

ومع ذلك، عندما يتم شحن بطارية الليثيوم أيون بالكامل، ستبقى حزمة البطارية الواحدة في حالة مستقرة.

عندما تنخفض سعة خلية واحدة في حزمة البطارية إلى قيمة معينة، سيؤدي ذلك إلى انخفاض جهد الخلايا الأخرى أو حتى دخولها في حالة "شحن عائم". وعندما تكون جميع الخلايا في هذه "الفترة السكونية"، يبقى جهد حزمة البطارية ثابتًا.

سعة البطارية

تعتمد تقنية الموازنة السلبية على الحرارة المتولدة من بطاريات الليثيوم أيون أثناء الشحن والتفريغ لتحقيق التوازن. ولا تتطلب هذه التقنية أي مدخلات طاقة عند استخدامها، إذ تحقق التوازن من خلال مراقبة تغيرات درجة الحرارة داخل بطارية الليثيوم أيون.

التسخين لتحقيق التوازن

عندما تولد بطاريات الطاقة الليثيوم أيون حرارة أثناء التشغيل، يمكن لتقنية الموازنة النشطة تبريدها بطريقة فعالة وفي الوقت المناسب.

يمكن لتقنية الموازنة النشطة تبريدها في الوقت المناسب وبفعالية.

تستطيع تقنية الموازنة السلبية الحفاظ على استقرار عمل حزمة البطارية في أي وقت. فعندما تتعطل خلية واحدة في حزمة البطارية، يمكن للخلايا الأخرى أن تستمر في العمل بشكل طبيعي؛

عند تعطل خلية واحدة في حزمة البطارية، لن تتأثر الخلايا الأخرى. تتطلب تقنية الموازنة النشطة توصيل جميع الخلايا في حزمة البطارية بالدائرة الكهربائية لعمليات الشحن والتفريغ.

لن تتأثر الخلية المفردة الأخرى

تتمثل مزايا تقنية الموازنة النشطة في هيكلها البسيط، وتكلفتها المنخفضة، وكفاءة الشحن والتفريغ العالية، واستخدام الطاقة العالي؛ أما عيبها فهو أن عمر حزمة البطارية يتأثر بشكل كبير بالخلايا المتعددة.

هيكل بسيط، تكلفة منخفضة، كفاءة عالية في الشحن والتفريغ، استخدام عالي للطاقة

يمكن لتقنية الموازنة السلبية توصيل جميع الخلايا الفردية في حزمة البطارية بالدائرة لعمليات الشحن أو التفريغ في أي وقت، لذلك يمكن تحقيق الموازنة أيضًا عندما يكون هناك خلايا متعددة غير متناسقة في حزمة البطارية.

تتميز تقنية الموازنة النشطة ببنية معقدة وتكلفة عالية، بينما تتميز تقنية الموازنة السلبية ببنية بسيطة وتكلفة منخفضة. وتُعد إدارة حزم البطاريات باستخدام تقنية الموازنة النشطة أكثر تعقيدًا بكثير من إدارتها باستخدام تقنية الموازنة السلبية.

بنية تقنية بسيطة وتكلفة منخفضة

تحتاج تقنية الموازنة النشطة إلى جمع معلومات مثل الجهد والتيار ودرجة الحرارة وما إلى ذلك لكل خلية؛ بينما تحتاج تقنية الموازنة السلبية فقط إلى جمع معلومات عن خلية في حزمة البطارية لتحقيق التوازن.

الجهد والتيار ودرجة الحرارة وما إلى ذلك.

ï¼›

يُمكن لدمج تقنيتي الموازنة النشطة والموازنة السلبية في بطاريات الطاقة للسيارات الكهربائية أن يحل بفعالية مشكلة عدم التناسق بين الخلايا، مما يُطيل عمر البطارية. تستخدم هذه الورقة البحثية تقنية الموازنة النشطة لموازنة خلايا بطاريات الليثيوم أيون.

يمكنها حل مشكلة عدم الاتساق بين الخلايا بشكل فعال

تتألف دائرة التحكم في الموازنة النشطة من وحدة تحكم رئيسية، ودائرة موازنة سلبية، ووحدة استقبال الإشارات. وتُعد وحدة التحكم الرئيسية جوهر النظام بأكمله، حيث تتمثل وظيفتها في التحكم في حالة عمل دائرة الموازنة السلبية، وجمع ومعالجة معلومات جهد البطارية وسعتها، واتخاذ القرارات والتحكم.

وحدة التحكم الرئيسية، دائرة الموازنة السلبية، وحدة اكتساب الإشارة

تتكون دائرة الموازنة السلبية من مفتاح موازنة، ومحرك IGBT ثنائي الاتجاه، وما إلى ذلك. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في تشغيل وعزل الخلايا في حزمة البطارية من خلال IGBT أحادي الاتجاه لتحقيق نقل الطاقة ثنائي الاتجاه، بحيث يكون جهد وسعة الخلايا في حزمة البطارية متقاربين قدر الإمكان.

مفتاح التوازن، مشغل IGBT ثنائي الاتجاه، إلخ.

تحتوي كل خلية في حزمة البطارية على قيمة حالة شحن أولية (SOC). أثناء الاستخدام، تتعرض هذه الخلايا للتلف والتقادم إلى حد ما، مما يؤدي إلى تغير قيمة حالة الشحن. وبناءً على هذا التغير، يمكن تصنيف حزمة البطارية إلى أربع فئات: عادية، سليمة، متقادمة، وغير سليمة.

تسبب تغييرات في قيمة SOC

نظراً لاختلاف قيمة حالة الشحن (SOC) لكل نوع من أنواع البطاريات، يُمكن استخدام تقنية الموازنة النشطة للتحكم في كل خلية على حدة في حزمة البطاريات. في الموازنة النشطة، وبما أن دائرة الموازنة السلبية تعمل في اتجاه واحد، يُمكن تقسيم حزمة البطاريات إلى مجموعتين أو أكثر للتحكم بها.

من أجل إدارة كل خلية على حدة في حزمة البطارية بشكل أفضل

عندما تكون مجموعة من الخلايا المفردة في حالة صحية (قيمة SOC قريبة من 1)، يتم عزل البطارية عن حزمة البطارية؛ وعندما تكون مجموعة من الخلايا المفردة في حالة غير صحية (قيمة SOC أقل من 1)، يتم عزل البطارية عن حزمة البطارية.

(قيمة SOC قريبة من 1)

(قيمة SOC أقل من 1)

استنادًا إلى مبدأ العمل الأساسي لتقنية الموازنة النشطة والاستخدام الحالي لبطاريات الطاقة في المركبات الكهربائية، يمكن استخدام الطرق التالية لتحقيق تحكم متوازن في الخلايا الفردية في حزمة البطارية:

تقنية التوازن النشط

(1) طريقة نقل التيار. تعتمد هذه الطريقة على توزيع جهد الخلايا الفردية وفقًا لتغير جهد نظام بطارية الطاقة والانحراف بين جهود الخلايا الفردية المختلفة.

تغير الجهد

تتيح طريقة نقل التيار عزل البطاريات غير السليمة، مما يمنع تركز قيم حالة الشحن (SOC) بشكل مفرط على خلية معينة ويؤثر على قيم الجهد للخلايا الأخرى. تتطلب هذه الطريقة دائرة إضافية لتحقيق وظيفة نقل التيار.

قيمة SOC أقل من 1

تتحكم هذه الطريقة في جهد بطارية الطاقة الفردية داخل حزمة البطاريات عن طريق تحويل جهد الخلية المعيبة إلى مستوى جهد محدد. تتطلب هذه الطريقة دائرة تحويل إضافية، تُستخدم عادةً في حزم البطاريات المتصلة على التوالي.

دائرة تحويل

(2) طريقة التحكم في الطاقة. تتحكم هذه الطريقة في جهد حزمة البطاريات الفردية المعطوبة عن طريق التحكم في طاقة الخلايا السليمة المعزولة عنها. ويمكن لهذه الطريقة استخدام دائرة تحكم لإتمام التحكم في جهد جميع حزم البطاريات الفردية في حزمة البطاريات.

يمكن لدائرة التحكم أن تُكمل عملية التحكم في جهد جميع حزم بطاريات الطاقة الفردية في حزمة البطاريات.

(3) طريقة مفتاح الموازنة. تتحكم هذه الطريقة في جهد كل بطارية على حدة في حزمة بطاريات الطاقة وفقًا لانحراف الجهد بين البطاريات الفردية، بحيث يصل إلى قيمة ثابتة، مما يضمن أن يكون جهد كل بطارية على حدة في كل حزمة بطاريات طاقة على نفس المستوى في ظل ظروف عدم التوازن.

قيمة ثابتة

تتحكم هذه الطريقة في جهد حزم بطاريات الطاقة الفردية غير الصحية وغير الصحية وفقًا لخصائص عمل أنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم أيون.

من وجهة نظر هيكلية، تتمثل الموازنة السلبية في توصيل خلايا بطارية الطاقة غير المتناسقة على التوالي لتحقيق توازن في جهد البطارية وسعتها؛ بينما تتمثل الموازنة النشطة في توصيل خلايا بطارية الطاقة غير المتناسقة على التوالي لتحقيق توازن في السعة والجهد.

توصيل متسلسل

إن هيكل الموازنة النشط بسيط وتكلفته منخفضة، ولكنه يتطلب مصدر طاقة خارجي، مما يزيد من التكلفة والحجم، وبسبب الجهد غير المتناسق في حزمة البطارية، فمن السهل أن تتسبب حزمة البطارية في عدم التوازن؛

التكلفة منخفضة،

هيكل الموازنة السلبي بسيط وتكلفته عالية، لكن فقد الطاقة فيه ضئيل، وحجمه صغير، ولا يوجد فقد ميكانيكي، وتأثيره على أداء البطارية نفسها ضئيل.

إن فقد الطاقة ضئيل، والحجم صغير، ولا يوجد فقد ميكانيكي، والتأثير على أداء البطارية نفسها ضئيل.

من حيث بنية الدائرة، فإن بنية دائرة الموازنة السلبية بسيطة، ويمكن استخدام نفس الشريحة للتحكم بشكل موحد في حزمة البطارية، مما يسهل صيانتها؛ أما بنية دائرة الموازنة النشطة فهي معقدة، لأنها تتطلب مصدر طاقة خارجي لنقل الطاقة والتحكم في توازن الإخراج، لذلك من السهل حدوث حالات غير طبيعية مثل الجهد الزائد أو المنخفض جدًا أثناء نقل الطاقة.

يمكن استخدام نفس الشريحة للتحكم بشكل موحد في حزمة البطارية

باعتبارها صناعة استراتيجية تركز بلادي على تطويرها، فإن مركبات الطاقة الجديدة تمثل قوة مهمة لبلادي لتحقيق أهداف "الذكرى المئوية الثانية" والحلم الصيني بالنهضة العظيمة للأمة الصينية، ولكنها تجلب معها أيضاً بعض المشاكل التي لا يمكن تجاهلها.

القوة المهمة لأهداف "الذكرى المئوية الثانية" والحلم الصيني بالنهضة العظيمة للأمة الصينية

فعلى سبيل المثال، يُعد استخدام بطاريات الطاقة في مركبات الطاقة الجديدة عرضةً لمشاكل عدم الاتساق، مما يؤثر بشكل كبير على عمرها الافتراضي. ولحل هذه المشكلة، يوجد اتجاهان بحثيان رئيسيان:

من جهة، من الضروري تطوير نظام جديد لموازنة البطاريات. من خلال تحليل مبدأ عمل النظام، وبنية الدائرة، واستراتيجية التحكم، وغيرها، يمكن تحديد العوامل المؤثرة على موازنة البطاريات وإيجاد حلول لها. في الوقت نفسه، يجب دراسة تأثير عدم اتساق البطاريات على عمرها الافتراضي، والعمل على تحسينه.

من خلال تحليل مبدأ عمل نظام موازنة البطارية، وبنية الدائرة، واستراتيجية التحكم، وما إلى ذلك، اكتشف العوامل المؤثرة على موازنة البطارية وقم بحلها

من خلال تحليل ومعالجة بيانات تشغيل المركبات الكهربائية، تتم إدارة بطارية الطاقة بذكاء. يتم شحن البطارية أو تفريغها وفقًا للظروف المختلفة لضمان عملها في الحالة المثلى. في الوقت نفسه، ومن خلال تحليل ومعالجة بيانات حزمة البطارية، تُستخدم خوارزمية حالة الشحن واستراتيجية الشحن والتفريغ لإجراء تحكم متوازن في الوقت الفعلي لحزمة البطارية.

تأكد من أن بطارية الطاقة تعمل في الحالة المثلى

يُعدّ كلٌّ من التوازن النشط والتوازن السلبي وسيلتين فعالتين لحل مشكلة عدم استقرار طاقة البطاريات. يتميز التوازن النشط بخصائص تشغيل أفضل، لكن تركيب الدائرة الكهربائية فيه معقد وتكلفته مرتفعة؛ أما التوازن السلبي، فتركيب الدائرة الكهربائية فيه بسيط، لكنه يتأثر بسهولة بعوامل أخرى ويفتقر إلى استقرار التشغيل.

إن بنية الدائرة معقدة وتكلفتها عالية؛ أما بنية دائرة الموازنة السلبية فهي بسيطة، لكنها تتأثر بسهولة بعوامل أخرى وتتمتع بثبات تشغيل ضعيف.

بالمقارنة مع أنظمة إدارة البطاريات القائمة على الموازنة السلبية، تتميز أنظمة إدارة البطاريات القائمة على الموازنة النشطة بميزة السعر. لذا، فإن تطبيق تقنية الموازنة النشطة في المركبات الكهربائية يحقق فوائد اقتصادية أفضل.