البطاريات القابلة لإعادة الشحن هي المكونات الأساسية لأنظمة تخزين الطاقة في البطاريات (BESS). في الوقت الحاضر ، يتم دمج المزيد والمزيد من الأنظمة الكيميائية المختلفة في حزم البطاريات التي تتكون من عشرات,المئات، أو حتى الآلاف من الخلايا، لتحقيق عمل أكثر كفاءة في فولتشات أعلى.هذا الهيكل التصميم يواجه العديد من التحديات في تحقيق أداء مثالي، الكفاءة، والموثوقية، والسلامة.
على سبيل المثال، تصميم أو اختيار الدوائر المتكاملة (ICs) التي تلبي متطلبات التطبيق يتطلب فهمًا عميقًا لكيمياء البطارية، الشحن، المراقبة، موازنة الحمل، العزلة،السلامة، وتقنيات الاتصالات لضمان التنفيذ الفعال.
ولهذه الغاية، قام الموردون بدمج العديد من الوظائف الضرورية في وحدات مكرسة مستقلة أساسا عن المعالجات.العديد من نماذج هذا النوع من IC لا تدعم فقط العديد من أنظمة البطارية الكيميائية القائمة على الليثيوم، ولكنها متوافقة أيضًا مع خلايا البطارية غير الليثيومية. يجمع هذا النوع من IC البيانات من خلايا البطارية ويتخذ قرارات وإجراءات إدارة البطارية في الوقت الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه الخلايا تتوافق مع خلايا البطارية غير الليثيومية.هذه الأنواع من وحدات التداول توفر أيضًا بيانات لمعالج النظام فيما يتعلق بحالة خلايا البطارية وحالة التشغيل.
ستقدم هذه المقالة باختصار المتطلبات التقنية الفريدة لمجموعات متعددة الخلايا.تقديم أجهزة Analog Devices المتقدمة المتخصصة المُحسّنة وتوضيح كيفية استخدام هذه الأجهزة لتلبية المتطلبات المذكورة أعلاه..
ستجلب خلايا البطارية المتعددة المزيد من التحديات
مخطط الدوائر الأساسية لبطارية قد تبدو بسيطةولكنه يتضمن في الواقع خلايا بطارية متعددة تحصل على جهد أعلى من خلال الاتصال المتسلسل وتيار أكبر من خلال الاتصال المتوازيوهذا يعني أن هذه التكوينات هي مجرد امتداد بسيط لحزم البطارية ذات الخلية الواحدة / عدد قليل من الخلايا ، والتي تتطلب تقريبا أي إدارة إضافية.هذه البطارية متعددة الخلايا مناسبة للأدوات الكهربائية التي تتطلب 18 فولت أو 48 فولت، المركبات الكهربائية التي تتطلب 400 فولت أو 800 فولت، وأنظمة BESS التي تتطلب عادة 1500 فولت.
الوضع الفعلي لهذه الحزم البطارية الكبيرة هو أن تفاصيلها وتعقيدها تتجاوز بكثير ما هو مبين في مخططات الدوائر الخاصة بهم.صعوبة معالجة هذه التحديات تنمو بشكل كبير.
أولاً ، من الضروري مراقبة خلية البطارية لتتبع الجهد النهائي ، منحنى تفريغ الشحن ، حالة الشحن (SoC) ، درجة الحرارة ، وخصائص مقدمة الخطأ.من الضروري إدارة خلايا البطارية المختلفة بشكل موحد وتسجيل الاختلافات بينها والنظر فيها..
إذا كان هناك عدم وجود مجموعة من القواعد العالمية، فإنه سوف يزيد من تعقيد إدارة خلايا البطارية.إن ملاءمة استراتيجية الإدارة المعتمدة تعتمد على الخصائص الكيميائية لخلايا البطاريةاستراتيجيات الإدارة المعتمدة للأنظمة الكيميائية الرئيسية المختلفة مختلفة (مثل بطاريات ليثيوم أيون (ليثيوم أيون) والحمض الرصاصي) ،وفي نفس النظام الكيميائي العام (مثل مختلف صيغ بطاريات ليثيون)، استراتيجيات الإدارة المستخدمة مختلفة أيضا. لذلك، يجب تخصيص استراتيجيات إدارة BMS المتقدمة للخصائص الكيميائية لخلايا البطارية المدارة.
نظراً لعدد كبير من خلايا البطارية الموجودة في بطاريات عالية الجهد وذات سعة عالية، والتي يجب أن تستوفي العديد من معايير السلامة،مراقبة وإدارة خلايا البطارية المحلية هي حاليا الحل الهندسي الأكثر جدوىعلى الرغم من أن النظام عادة ما يكون مجهزا بمعالج رئيسي،عادةً ما يمكنها إصدار تعليمات تنظيمية متقدمة فقط لمراقبة الخلية المحلية وتقييم الأداء العام لبطارية البطارية. The monitoring and management of a single battery cell is accomplished by an autonomous electronic system that provides real-time functionality and primarily operates without the need for system level processor intervention.
الموازنة السلبية والنشطة للبطارية
توازن الخلايا مهم بشكل خاص للحفاظ على سلامة مجموعات الخلايا المتعددة ، وضمان عدم تلف بعض الخلايا بسبب الإفراط في الحمل ،وتجنب البطاريات الأخرى من أن تكون فارغة بسبب استخدام منخفضيمكن لموازنة الخلايا منع تلف الخلايا وحزم البطارية ، وبالتالي زيادة الأداء إلى أقصى حد. يضمن موازنة الخلايا أن تصل جميع الخلايا في حزمة البطارية إلى أقصى قدرة في وقت واحد ،منع زيادة الرسوم، عدم توازن SoC، الإفراط في التفريغ، والشيخوخة المبكرة، في نهاية المطاف تمديد عمر البطارية.
هناك طريقتان لموازنة الخلايا: الموازنة النشطة والموازنة السلبية. الموازنة النشطة هي أكثر دقة وأسرع من الموازنة السلبية ، ولكنها أكثر تعقيدًا في التنفيذ.الموازنة النشطة تستخدم تقنية الدوائر النشطة لإعادة توزيع الشحنة بين كل خلية في بطارية، لضمان أن SoC من جميع الخلايا تبقى متسقة.هذه الدائرة تراقب الجهد من كل خلية بطارية وتعدل تيار الشحن والفراغ وفقا لذلك على أساس نتائج المراقبة.
على النقيض من ذلك، يعتمد التوازن السلبي على قانون أوم ومقاوم التوازن لضبط الخلية إلى نفس حالة SoC. بالإضافة إلى الدقة المنخفضة والسرعة البطيئة،الموازنة السلبية يمكن أيضاً أن تشتت الطاقة الزائدة في خلايا البطارية العالية.
بدءا من مراقبة متعددة الخلايا
على الرغم من أن هناك بالفعل عددًا كبيرًا من حلول ESS في السوق ، إلا أن وظيفتين أساسيتين للجهة الأمامية من BMS لا تزال تقع في مراقبة وتوازن خلايا البطارية.وحدة التحكم ADES1830CCSZ الموضحة في الشكل 1، كمراقب بطارية متعدد الخلايا ، متعدد النظم الكيميائية ، لا يحقق فقط الوظائف المذكورة أعلاه ،ولكن أيضا يدمج العديد من الميزات الرئيسية التي تساعد على تبسيط تصميم النظام العام وتشغيله.
جهاز ADES1830CCSZ للجهاز التناظري مع خلايا متعددة وأنظمة كيميائية (انقر لتوسيع)
الشكل 1: يستخدم جهاز مراقبة الخلايا ADES1830CCSZ مع خلايا متعددة وأنظمة كيميائية متعددة ككتلة بناء أساسية لبرنامج BMS شامل. (مصدر الصورة: أجهزة Analog)
هذا الشاشة متعددة الخلايا يمكن أن تقيس ما يصل إلى 16 خلية متصلة بالسلسلة، مع إجمالي خطأ القياس (TME) أقل من 2 mV عبر نطاق درجة الحرارة بأكمله.بينما TME من ADES1831CCSZ الأخرى مع نفس المواصفات أعلى قليلا، عند 5 mV. نطاق مدخل القياس من -2 فولت إلى 5.5 فولت يجعل ADES1830 و ADES1831 مناسبة لمعظم مواد البطارية الكيميائية.
من أجل الحفاظ على الاتساق عند مراقبة حزم البطاريات التي تحتوي على عدد كبير من الخلايا،يمكن قياس جميع الخلايا بشكل متزامن بشكل لا لزوم له من خلال محولين متكاملين من التناظري إلى الرقمي (ADCs)تعمل هذه المحولات من التناظرية إلى الرقمية (ADCs) بشكل مستمر بمعدل أخذ عينات مرتفع من 4.096 ميغا عينة في الثانية (MSPS) ،وبالتالي تقليل استخدام المرشحات التناظرية الخارجية وتحقيق نتائج القياس الحرةإذا لزم الأمر، يمكن تحقيق تخفيض إضافي للضوضاء من خلال مرشحات استجابة النبضات اللامتناهية (IIR) القابلة للبرمجة في الأسفل.ADES1830 و ADES1831 لديها أيضا وظيفة الموازنة السلبية - التي تحققت من خلال تعديل عرض النبض المستقل (PWM) التحكم في دورة العمل، وتدعم تيار تفريغ يصل إلى 300 mA لكل خلية.
على الرغم من أن جهاز ADES1830 أو ADES1831 واحد يدعم فقط 16 خلية متتالية ، إلا أنه يمكن تركيب أجهزة متعددة لمتابعة خلايا بطارية عالية الجهد طويلة في وقت واحد.لتحقيق الترابط بين رقائق IC، كل جهاز مجهز بواجهة منفصلة للبوابة التسلسلية (isoSPI) ،والذي يتم عزله كهربائيا من خلال مكثفات أو محولات مختارة من قبل المستخدم لتحقيق اتصال عالي السرعة على مسافات طويلة يمكنه مقاومة تداخلات الترددات الراديوية.
من خلال هذه الطريقة، يمكن لجهاز معالجة رئيسي واحد قراءة البيانات ومراقبة سلسلة البطارية بأكملها.ضمان سلامة البيانات حتى في حالة فشل مسار الاتصال.
لتحسين قابلية تطبيق أجهزة الكشف متعددة الخلايا هذه، أطلقت شركة Analog Devices لوحة تقييم EV-ADES1830CCSZ (الشكل 2 على اليسار).يمكن توصيل لوحات تقييم متعددة عبر واجهة isoSPI لمراقبة سلسلة طويلة من الخلايا في مجموعة البطارية (على الجانب الأيمن من الشكل 2).