ما هو نظام إدارة البطارية (BMS)

غالبًا ما يُشار إليه باسم 'مربية البطارية' أو 'مدبرة المنزل'، فإن نظام إدارة البطارية (BMS) عبارة عن تقنية مصممة خصيصًا لمراقبة حالة حزمة البطارية.يتم استخدامه بشكل أساسي للإدارة والصيانة الذكية لكل وحدة بطارية، ومنع الشحن والتفريغ، وإطالة عمر خدمة البطارية، ومراقبة حالة البطارية.

تشمل المكونات الرئيسية لنظام إدارة البطارية BMS خطوط الاتصال والمحركات وأجهزة التحكم ومجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار.لضمان امتثال سيارات الطاقة الجديدة لجميع اللوائح والمعايير المعمول بها أثناء القيادة بأمان، يجب على نظام إدارة البطارية BMS مراقبة حزمة البطارية وتنفيذ المهام التالية.

BMS مطلوب ليس فقط من أجل بطاريات الليثيوم ولكن أيضًا للمستقبل بطاريات الحالة الصلبة و بطاريات أيون الصوديوم.

وظائف نظام إدارة البطارية

التعرف على معلمات البطارية

راقب بيانات تشغيل البطارية، بما في ذلك حالة الخلية ومعلومات التوازن لكل خلية والتيار والجهد ودرجة الحرارة وتدفق سائل التبريد (للبطاريات المبردة بالسوائل).يشمل الجهد الإجمالي والتيار الإجمالي واكتشاف درجة الحرارة (من الأفضل وجود مستشعرات لدرجة الحرارة على كل سلسلة بطارية وفي وصلات الكابلات الرئيسية لمنع الشحن الزائد والتفريغ الزائد وحتى ظاهرة القطب العكسي)، واكتشاف الدخان (الذي يراقب تسرب الإلكتروليت)، الخ)، والكشف عن العزل.

تقدير حالة البطارية

حساب حالة تشغيل البطارية، الحد الأقصى والحد الأدنى من الجهد، عدد الدورات، عمق التفريغ (DOD)، حالة السلامة (SOS)، الحالة الصحية (SoH)، الحد الأقصى لتيار الشحن (CCL)، حد تيار التفريغ (DCL)، الداخلي مقاومة البطارية، وإجمالي وقت التشغيل، وتكلفة الكهرباء [آه]، والتسليم أو التخزين، والكشف عن درجة الحرارة، وما إذا كان يتم تبريد البطارية عن طريق السائل أو الهواء.

استكشاف الأخطاء وإصلاحها عبر الإنترنت

يشمل موقع الخطأ، ومخرجات معلومات الخطأ، وتقييم نوع الخطأ، واكتشاف الخطأ.ويشار إلى الإنذار المبكر ومنهجية التشخيص باكتشاف الأخطاء.قد يكون سبب فشل حزمة البطارية هو المستشعر، أو المشغل (مثل الموصل، أو المروحة، أو المضخة، أو السخان، وما إلى ذلك)، أو دائرة البطارية ذات الجهد العالي، أو النظام الفرعي لإدارة الحرارة، أو الشبكة، أو مجموعة متنوعة من أجهزة التحكم وقضايا البرامج وما إلى ذلك.

يعتبر الجهد الزائد (الشحن الزائد)، والجهد المنخفض (التفريغ الزائد)، والتيار الزائد، ودرجة الحرارة المرتفعة جدًا، وعطل الدائرة القصيرة الداخلية، والمفاصل السائبة، وتسرب إلكتروليت البطارية، وتقليل العزل، وغيرها من المشكلات جميعها أخطاء في حزمة البطارية نفسها .

مراقبة السلامة والإنذار للبطاريات

بما في ذلك التحكم في السلامة الكهربائية ذات الجهد العالي وإدارة النظام الحراري.من أجل منع درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة، والشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والتيار الزائد، والتسرب، وغيرها من الأضرار التي تلحق بالبطارية والأشخاص، سيقوم نظام إدارة البطارية BMS بتشخيص المشكلة، وإخطار وحدة التحكم في السيارة من خلال الشبكة، ويطلب من وحدة التحكم في السيارة القيام بذلك تتم معالجتها بشكل فعال.بعد حد معين، يتمتع نظام إدارة البطارية BMS بالقدرة على قطع طاقة الدائرة الرئيسية.

إدارة الشحن

تنظم وحدة إدارة الشحن في نظام إدارة البطارية (BMS) الشاحن لشحن بطارية LiFePO4 بأمان بناءً على مستوى طاقة الشاحن ودرجة الحرارة وخصائص البطارية.

توازن البطارية

قدرة علبة بطاريات أقل من سعة أصغر مونومر في المجموعة بسبب عدم الاتساق.تستخدم معادلة البطارية إجراءات توازن نشطة أو سلبية أو مشتتة أو غير تبديدية بناءً على معلومات البطارية الفردية في محاولة لجعل سعة حزمة البطارية أقرب ما يمكن إلى الحد الأدنى من السعة الفردية.

حافظ على التحسينات المستمرة في أداء البطارية وقم بإدارة فروق كل بطارية بشكل فعال.

السيطرة على الحرارة

يتم ضبط قوة التسخين النشط وتبديد الحرارة بناءً على بيانات توزيع درجة الحرارة في حزمة البطارية بالإضافة إلى متطلبات الشحن والتفريغ.وهذا يسمح للبطارية بالعمل عند درجة الحرارة المثالية وتحقيق أقصى قدر من الأداء.

التفاعل عبر الإنترنت

يتطلب نظام إدارة البطارية (BMS) الاتصال بعقد الشبكة، مثل وحدة التحكم في السيارة، من أجل الإبلاغ عن حالة التشغيل إلى الأجهزة الأخرى عبر بروتوكول الاتصال CAN؛وفي هذه الأثناء، يصعب تفكيك نظام إدارة المباني (BMS) على السيارة ويتضمن المعايرة عبر الإنترنت، والمراقبة، وإنشاء التعليمات البرمجية تلقائيًا، وتنزيلات البرامج عبر الإنترنت (يتم تحديثها دون إزالة المنتج).

مخزن المعلومات

لحفظ المعلومات المهمة في التخزين، بما في ذلك رموز الأخطاء والاتساق والشحن التراكمي والتفريغ ورقم Ah وSOC وSOH وSOF وSOE.يمكن أن يحتوي نظام إدارة المباني الفعلي للسيارة فقط على جزء من الأجهزة والبرامج المذكورة أعلاه.يجب تركيب مستشعر واحد لدرجة الحرارة ومستشعر جهد البطارية على الأقل في كل خلية بطارية.يمكن استخدام وحدة تحكم BMS واحدة لأنظمة البطاريات التي تحتوي على عشرات البطاريات، أو يمكن دمج وظيفة BMS في وحدة التحكم الأساسية للمركبة.يمكن إدارة وحدة بطارية واحدة بواسطة وحدة تحكم رئيسية والعديد من وحدات التحكم الثانوية في أنظمة البطاريات التي تحتوي على مئات من خلايا البطارية.يمكن أن يكون هناك بعض موصلات الدائرة ووحدات الموازنة لكل وحدة بطارية مع عشرات من خلايا البطارية.تُستخدم هذه الوحدات لإدارة وحدة البطارية من وحدة التحكم، والتي تعمل كمقياس للجهد والتيار، وتشغيل الموصلات، وموازنة خلية البطارية، والواجهة مع وحدة التحكم الرئيسية.ستقوم وحدة التحكم الرئيسية بتقدير حالة البطارية وتشخيص الأعطال وتنظيم درجة الحرارة والوظائف الأخرى بناءً على البيانات المقدمة.

مطابقة الكهرومغناطيسية

تتمتع السيارات الكهربائية ببيئة تشغيل صعبة، لذلك يجب أن يتمتع نظام إدارة المباني بقدرات قوية ضد التداخل الكهرومغناطيسي بالإضافة إلى انخفاض الإشعاع الخارجي.

باعتباره مركزًا لمراقبة حزمة البطاريات لمركبات الطاقة الجديدة، يجب على نظام إدارة BMS مراقبة درجة حرارة البطارية والجهد وتيار الشحن والتفريغ والمعلمات الأخرى ذات الصلة للمراقبة الديناميكية في الوقت الفعلي.عند الضرورة، يمكنه أيضًا اتخاذ إجراء طارئ لحماية بطارية المونومر ومنع مشكلات السلامة المتعلقة بحزمة البطارية من الشحن الزائد أو الحرارة المفرطة أو التعرض لدائرة كهربائية قصيرة.

استعادة الطاقة

قد تقوم أنظمة السيارات الكهربائية باستعادة الطاقة لشحن البطارية.

تتم تغطية كل من حزمة البطارية الشاملة وكل خلية فردية داخل حزمة البطارية من خلال قدرات المراقبة والتحكم الخاصة بنظام إدارة المباني.في الوقت الحالي، تعد بطاريات الليثيوم أيون أكثر أنواع البطاريات كثافة في استخدام الطاقة وهي الخيار المفضل لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك أنظمة تخزين الطاقة الضخمة والسيارات الكهربائية والأدوات الإلكترونية الصغيرة.على الرغم من الأداء الاستثنائي لبطاريات الليثيوم، إلا أن هناك إرشادات صارمة لاستخدامها، ولها منطقة تشغيل آمنة مخصصة (SOA).

ما الذي يجعل أنظمة إدارة البطارية حاسمة؟

تكون البطارية عرضة لنتائج خطيرة وأضرار دائمة في غياب مراقبة وإدارة نظام إدارة المباني.ونتيجة لذلك، فإن تصميم نظام إدارة المباني (BMS) معقد للغاية أيضًا.تتأكد ميزة المراقبة من أن المعلمات الكهربائية والتحكم ودرجة الحرارة وغيرها من المعلمات الخاصة ببطارية الليثيوم آمنة.للحفاظ على الجهد والتيار ودرجة الحرارة لأي بطارية أو وحدة يراقبها نظام إدارة المباني (BMS) من تجاوز منطقة التشغيل الآمنة (SOA)، يجب العمل ضمن نطاق البيانات.

كيف يتم تشغيل نظام إدارة البطاريات؟

حلول إدارة البطارية ليس لديها معيار محدد.غالبًا ما ترتبط المتغيرات التالية بتنفيذ الوظائف الفنية والتصميم:

تعقيد البطارية والسعر والأبعاد

فترات الدورة، ومخاوف السلامة المتعلقة بتطبيقات البطارية، ومتطلبات الضمان

القواعد التي تحكم العقوبات في حالة عدم الامتثال لمعايير السلامة، ومتطلبات إصدار الشهادات الحكومية الوطنية

أهم الميزات الأساسية لتصميم BMS هي إدارة السعة وإدارة حماية البطارية.ومن بينها إدارة سلامة البطارية، والتي تمكن البطارية من العمل ضمن نطاق الجهد والتيار الآمن المحدد مسبقًا.كما أنه ينظم درجة الحرارة بشكل فعال ويتضمن ميزة منع ارتفاع درجة الحرارة للحفاظ على البطارية في حالة تشغيل صحية.

الدفاع في الوقت الحاضر

نظرًا لأن التيار والجهد لهما تأثير على سلامة البطارية، فإن مراقبة تيار وجهد حزمة البطارية يعد جزءًا أساسيًا من حماية البطارية.من أجل الحفاظ على البطارية، غالبًا ما يقوم المصنعون بضبط نظام إدارة المباني على نطاق العمل القياسي للجهد والتيار.يؤدي هذا إلى إطالة عمر البطارية ويمنعها من العمل بشكل يتجاوز قيمتها المقدرة.

غالبًا ما تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على قيود تيار لحظية، ونطاق الذروة الحالي، وأوقات استخدام الشحن والتفريغ، وآليات الحماية الأخرى لحدود الشحن والتفريغ الحالية.على سبيل المثال، من الممكن التنبؤ بالتيار المستمر الأقصى اللحظي في محطات توليد الطاقة وتخزين الطاقة والسيارات الكهربائية.سوف يتسبب نظام BMS في انخفاض التيار أو توقفه تمامًا إذا كان خارج نطاق الحماية المتوقع.

الحماية ضد الجهد

يجب أن يعمل جهد بطارية الليثيوم أيضًا ضمن نطاق الجهد.يحدد التركيب الكيميائي الفريد والظروف التشغيلية لبطاريات الليثيوم نطاق الجهد الآمن الخاص بها.تتمتع بطاريات الليثيوم ذات الجهد المنخفض بالقدرة على تطوير التشعبات النحاسية على الأنود، مما قد يؤدي إلى رفع معدل التفريغ الذاتي للبطارية ويعرض السلامة للخطر.قد يؤدي استخدام الجهد المنخفض إلى تأثير الذاكرة حيث تفقد بطارية الليثيوم سعتها.

من أجل زيادة عمر البطارية إلى الحد الأقصى، غالبًا ما يتم تنظيم الجهد أثناء الشحن أو تشغيل أحمال تيار كبيرة.يجب أن تكون أي ظروف تقيد جهد البطارية معروفة لنظام إدارة المباني (BMS).عندما يصل الجهد إلى الحد الأقصى، فإنه قد يقلل أو يتوقف عن الشحن تمامًا؛عندما يقترب الجهد من الانخفاض، فإنه يخفض الحمل.على سبيل المثال، يعمل نظام إدارة المباني (BMS) للسيارة الكهربائية على خفض عزم الجر الناتج للمحرك لحماية البطارية عندما ينخفض ​​جهد البطارية أثناء تشغيل السيارة.

الحماية ضد التحكم في درجة الحرارة

يمكن التحكم في درجة حرارة حزمة البطارية بواسطة نظام إدارة المباني (BMS) عن طريق تسخينها أو تبريدها.من خلال إعداد نظام تبريد سائل وسخان لتنظيم درجة حرارة البطارية، على سبيل المثال من 30 إلى 35 درجة مئوية، قد يتم منع درجة حرارة البطارية من الارتفاع أو الانخفاض أكثر من اللازم.

ستنخفض قدرة بطاريات الليثيوم التي تعمل في درجات حرارة منخفضة بشكل كبير، على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون تتمتع بنطاق واسع من درجات حرارة التشغيل.ويرجع ذلك في الغالب إلى انخفاض النشاط الكيميائي في درجات الحرارة المنخفضة.أقل من 5 درجات مئوية، لا يمكن شحن معظم بطاريات الليثيوم بسرعة.لا يسمح بالشحن أقل من 0 درجة مئوية.يعد التحكم في درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية على الرغم من أن بطاريات الليثيوم تعمل بشكل أفضل في درجات الحرارة المنخفضة مقارنة ببطاريات الرصاص الحمضية.وذلك لأن طلاء الليثيوم المعدني يمكن أن يحدث من بطاريات أنود الشحن ذات درجة الحرارة المنخفضة، ويمكن أن يؤدي الاهتزاز والضغط إلى إتلاف الهيكل الداخلي للبطارية بشكل دائم.

إدارة القدرات

يعد تعزيز سعة البطارية عنصرًا حاسمًا في نظام إدارة المباني.ستصبح حزم البطاريات قديمة بسرعة إذا لم يتم إجراء صيانة إدارة السعة.إن حقيقة أن حالة كل بطارية تختلف بشكل غير منتظم هي السبب الرئيسي لهذه المشكلة.تتكون حزمة البطارية من بطاريات متصلة على التوازي والتسلسل.يمكن أن يكون للبطاريات اتساق متفاوت بشكل كبير.تتضمن أمثلة العوامل التي قد تؤدي إلى اختلافات في خلايا البطارية التفريغ الذاتي وتخفيف طاقة البطارية.

تتمتع BMS بالقدرة على تنظيم وموازنة السعة بمجرد ظهور عدم تناسق البطارية.لتجنب الشحن الزائد، على سبيل المثال، ستتوقف البطارية المفردة سريعة الشحن عن الشحن قبل أن تصل إلى سعتها الكاملة وستستمر بدلاً من ذلك في شحن البطارية البطيئة الشحن طوال عملية الشحن.بعد ذلك، سوف يحافظ BMS على الشحن والتفريغ غير المتساوي، ويمنع الشحن الزائد أو التفريغ الزائد لبعض البطاريات، ويسوي حالة الشحن الإجمالية لحزمة البطارية، ويزيد من سعتها.

نوع نظام إدارة البطارية

بنية BMS مركزية

يوجد نظام BMS واحد فقط في المجمل، وهو مرتبط بجميع حزم البطاريات.تحتاج البطاريات الكبيرة إلى الكثير من كابلات التوصيل، مما يجعل الصيانة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها أمرًا صعبًا بشكل عام.

بنية BMS معيارية

تم تصميم حزمة البطارية مع العديد من أنظمة إدارة المباني، واحدة منها بمثابة الوحدة الأساسية وهي مسؤولة عن الإشراف على وحدات إدارة المباني الأخرى.على الرغم من أن هذا التصميم باهظ الثمن، إلا أنه من السهل صيانته وتصحيح أخطائه وقابلية التوسع القوية.

العمارة الرئيسية/التابعة لـ BMS

يشبه هذا الترتيب البنية المعيارية حيث يتولى نظام إدارة المباني الرئيسي جميع واجبات الحساب والتحكم والاتصالات، في حين أن مسؤولية نظام إدارة المباني التابعة الوحيدة هي نقل بيانات القياس.يعمل هذا الترتيب على تبسيط الوظائف بشكل كافٍ مع توفير المال أيضًا.

الهندسة المعمارية لنظام إدارة المباني الموزعة

تم دمج كل بطارية مع وحدة لوحة التحكم BMS.يدير كل BMS الحسابات والاتصالات من تلقاء نفسه.يبدو أن الهيكل واضح ومباشر.من ناحية أخرى، تصبح الصيانة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها أكثر صعوبة وتكلفة عندما يكون نظام إدارة المباني مطلوبًا لكل بطارية.

نظرًا لأن بطاريات الليثيوم تتمتع بكثافة طاقة عالية، فإن معدل تحمل الخطأ في BMS منخفض جدًا.أصبحت بطاريات الليثيوم أيون النشطة كيميائيًا الآن من بين أكثر البطاريات أمانًا بفضل تقدم تكنولوجيا إدارة المباني وتقنية أيون الليثيوم.