كيف يعمل موازنة الخلايا على إطالة عمر حزمة بطارية LifePo4？

عندما تحتاج الأجهزة إلى أداء طويل الأمد وعالي الأداءحزمة بطارية LifePo4، يحتاجون إلى تحقيق التوازن بين كل خلية. لماذا تحتاج حزمة بطارية LifePo4 إلى موازنة البطارية？ تخضع بطاريات LifePo4 للعديد من الخصائص مثل الجهد الزائد، وانخفاض الجهد، والشحن الزائد، وتيار التفريغ، والانفلات الحراري، وعدم توازن جهد البطارية. أحد أهم العوامل هو عدم توازن الخلايا، مما يؤدي إلى تغيير جهد كل خلية في العبوة بمرور الوقت، وبالتالي تقليل سعة البطارية بسرعة. عندما يتم تصميم حزمة بطارية LifePo4 لاستخدام خلايا متعددة على التوالي، فمن المهم تصميم الخصائص الكهربائية لتحقيق التوازن المستمر في جهد الخلية. ولا يقتصر ذلك على أداء مجموعة البطارية فحسب، بل أيضًا على تحسين دورة الحياة. الحاجة إلى هذا المبدأ هي أن موازنة البطارية تحدث قبل وبعد بناء البطارية ويجب القيام بها طوال دورة حياة البطارية من أجل الحفاظ على الأداء الأمثل للبطارية! يتيح لنا استخدام موازنة البطارية تصميم بطاريات ذات سعة أعلى للتطبيقات لأن الموازنة تسمح للبطارية بتحقيق حالة شحن أعلى (SOC). يمكنك أن تتخيل توصيل العديد من وحدات LifePo4 Cell في سلسلة كما لو كنت تسحب مزلجة مع العديد من كلاب الزلاجات. لا يمكن سحب الزلاجة بأقصى قدر من الكفاءة إلا إذا كانت جميع كلاب الزلاجات تجري بنفس السرعة. مع أربعة كلاب مزلجة، إذا كان أحد الكلاب المزلجة يركض ببطء، فيجب على كلاب الزلاجات الثلاثة الأخرى أيضًا تقليل سرعتها، وبالتالي تقليل الكفاءة، وإذا كان كلب مزلجة واحد يركض بشكل أسرع، فسوف ينتهي به الأمر إلى سحب حمولة كلاب الزلاجات الثلاثة الأخرى و تؤذي نفسها. ولذلك، عندما يتم توصيل خلايا LifePo4 متعددة في سلسلة، يجب أن تكون قيم الجهد لجميع الخلايا متساوية من أجل الحصول على حزمة بطارية LifePo4 أكثر كفاءة. تم تصنيف بطارية LifePo4 الاسمية بحوالي 3.2 فولت فقط، ولكن فيأنظمة تخزين الطاقة المنزليةوإمدادات الطاقة المحمولة والتطبيقات الصناعية والاتصالات والمركبات الكهربائية والشبكات الصغيرة، نحتاج إلى جهد أعلى بكثير من الجهد الاسمي. في السنوات الأخيرة، لعبت بطاريات LifePo4 القابلة لإعادة الشحن دورًا حاسمًا في بطاريات الطاقة وأنظمة تخزين الطاقة نظرًا لوزنها الخفيف وكثافة الطاقة العالية وعمرها الطويل وقدرتها العالية وشحنها السريع وانخفاض مستويات التفريغ الذاتي وملاءمتها للبيئة. يضمن موازنة الخلايا أن يكون الجهد والسعة لكل خلية LifePo4 على نفس المستوى، وإلا فإن نطاق وعمر حزمة بطارية LiFePo4 سينخفضان بشكل كبير، وسيتدهور أداء البطارية! لذلك، يعد توازن خلايا LifePo4 أحد أهم العوامل في تحديد جودة البطارية. أثناء التشغيل، ستحدث فجوة صغيرة في الجهد، لكن يمكننا الاحتفاظ بها ضمن نطاق مقبول عن طريق موازنة الخلايا. أثناء عملية التوازن، تخضع الخلايا ذات السعة الأعلى لدورة شحن/تفريغ كاملة. بدون توازن الخلية، تكون الخلية ذات السعة الأبطأ نقطة ضعف. تعد موازنة الخلايا إحدى الوظائف الأساسية لنظام إدارة المباني، إلى جانب مراقبة درجة الحرارة والشحن والوظائف الأخرى التي تساعد على زيادة عمر العبوة. أسباب أخرى لموازنة البطارية: بطارية LifePo4 pcak غير مكتملة الاستخدام للطاقة من المرجح أن يؤدي امتصاص تيار أكثر مما صممت البطارية له أو قصور البطارية إلى فشل البطارية مبكرًا. عندما يتم تفريغ حزمة بطارية LifePo4، سيتم تفريغ الخلايا الأضعف بشكل أسرع من الخلايا السليمة، وسوف تصل إلى الحد الأدنى من الجهد بشكل أسرع من الخلايا الأخرى. عندما تصل الخلية إلى الحد الأدنى من الجهد، يتم أيضًا فصل حزمة البطارية بأكملها عن الحمل. وينتج عن ذلك سعة غير مستخدمة من طاقة البطارية. تدهور الخلايا عندما يتم شحن خلية LifePo4 بشكل زائد قليلاً عن قيمتها المقترحة، تنخفض الفعالية وكذلك عملية حياة الخلية. على سبيل المثال، تؤدي الزيادة الطفيفة في جهد الشحن من 3.2 فولت إلى 3.25 فولت إلى تعطل البطارية بشكل أسرع بنسبة 30%. لذا، إذا لم يكن موازنة الخلايا دقيقًا، فإن الشحن الزائد الطفيف سيقلل من عمر البطارية. الشحن غير الكامل لحزمة الخلايا يتم شحن بطاريات LifePo4 بتيار مستمر يتراوح بين 0.5 و1.0 أيضًا. يرتفع جهد بطارية LifePo4 مع وصول الشحن إلى ذروته عندما يتم شحنه بالكامل ثم ينخفض ​​بالتالي. فكر في ثلاث خلايا تحتوي على 85 Ah و86 Ah و87 Ah على التوالي وSOC بنسبة 100 بالمائة، وبعد ذلك يتم إطلاق جميع الخلايا وتنخفض أيضًا SoC الخاصة بها. يمكنك أن تكتشف بسرعة أن الخلية 1 ينتهي بها الأمر إلى أن تكون أول خلية تنفد منها الطاقة نظرًا لأنها تتمتع بأقل قدرة. عندما يتم توصيل الطاقة إلى حزم الخلايا ويتدفق نفس الموجود عبر الخلايا، مرة أخرى، تتراجع الخلية 1 أثناء الشحن ويمكن اعتبارها مشحونة بالكامل حيث يتم شحن الخليتين الأخريين بالكامل. وهذا يعني أن الخلايا 1 لديها فعالية قياس كولومترية منخفضة (CE) بسبب التسخين الذاتي للخلية والذي يؤدي إلى عدم تكافؤ الخلايا. الهروب الحراري أفظع ما يمكن أن يحدث هو الهروب الحراري. كما نفهمخلايا الليثيومحساسة للغاية للشحن الزائد وكذلك الإفراط في التفريغ. في حزمة مكونة من 4 خلايا، إذا كانت خلية واحدة 3.5 فولت بينما الأخرى 3.2 فولت، فسوف تقوم الشحنة بشحن جميع الخلايا معًا لأنها في سلسلة وستشحن الخلية 3.5 فولت إلى جهد أكبر من الموصى به لأن المختلف لا تزال البطاريات الأخرى بحاجة إلى الشحن. وهذا يؤدي إلى الهروب الحراري عندما يتجاوز سعر توليد الحرارة الداخلية المعدل الذي يمكن أن يتم به إطلاق الحرارة. وهذا يتسبب في أن تصبح حزمة بطارية LifePo4 غير قابلة للتحكم حرارياً. ما الذي يسبب عدم توازن الخلية في حزم البطارية؟ لقد فهمنا الآن سبب أهمية الحفاظ على توازن جميع الخلايا في حزمة البطارية. ولكن لمعالجة المشكلة بشكل مناسب يجب أن نعرف لماذا تصبح الخلايا غير متوازنة بشكل مباشر. كما ذكرنا سابقًا، عندما يتم إنشاء حزمة بطارية عن طريق وضع الخلايا في سلسلة، يتم التأكد من بقاء جميع الخلايا في نفس مستويات الجهد. لذلك ستحتوي حزمة البطارية الجديدة دائمًا على خلايا متوازنة حقًا. ولكن عندما يتم استخدام العبوة، تخرج الخلايا عن التوازن بسبب العوامل التالية. تناقض SOC يعد قياس SOC للخلية أمرًا معقدًا؛ ومن ثم، يعد قياس SOC لخلايا معينة في البطارية أمرًا معقدًا للغاية. يجب أن تتطابق الطريقة المثالية لتنسيق الخلايا مع خلايا SOC نفسها بدلاً من درجات الجهد نفسه (OCV) بالضبط. ولكن نظرًا لأنه من غير الممكن تقريبًا أن تتم مطابقة الخلايا فقط من حيث الجهد عند إنشاء حزمة، فإن المتغير في SOC قد يؤدي إلى تعديل في OCV في الوقت المناسب. متغير المقاومة الداخلية من الصعب للغاية العثور على خلايا لها نفس المقاومة الداخلية (IR) ومع تقدم عمر البطارية، يتغير الأشعة تحت الحمراء للخلية بالإضافة إلى ذلك، وبالتالي في حزمة البطارية لن تحتوي جميع الخلايا على نفس الأشعة تحت الحمراء. كما نفهم، يضيف الأشعة تحت الحمراء إلى المناعة الداخلية للخلية التي تحدد تدفق التيار عبر الخلية. لأن الأشعة تحت الحمراء تختلف في التيار عبر الخلية وكذلك يتغير جهدها أيضًا. مستوى درجة الحرارة تعتمد قدرة الخلية على إعداد الفواتير والإفراج أيضًا على درجة الحرارة المحيطة بها. في حزمة البطاريات الكبيرة كما هو الحال في المركبات الكهربائية أو المصفوفات الشمسية، يتم توزيع الخلايا على منطقة النفايات وقد يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة بين العبوة نفسها مما يؤدي إلى شحن خلية واحدة أو تفريغها بشكل أسرع من الخلايا المتبقية مما يؤدي إلى عدم المساواة. من العوامل المذكورة أعلاه، فمن الواضح أننا لا نستطيع منع الخلايا من الحصول على خلل في التوازن طوال الإجراء. لذا فإن العلاج الوحيد هو الاستفادة من نظام خارجي يتطلب إعادة توازن الخلايا مرة أخرى بعد أن أصبحت غير متوازنة. ويسمى هذا النظام نظام موازنة البطارية. كيفية تحقيق توازن حزمة بطارية LiFePo4؟ نظام إدارة البطارية (BMS) بشكل عام، لا يمكن لحزمة بطارية LiFePo4 تحقيق موازنة البطارية بمفردها، بل يمكن تحقيق ذلك عن طريقنظام إدارة البطارية(بي إم إس). ستقوم الشركة المصنعة للبطارية بدمج وظيفة موازنة البطارية ووظائف الحماية الأخرى مثل الحماية من الشحن الزائد، ومؤشر SOC، والتنبيه/الحماية من درجة الحرارة الزائدة، وما إلى ذلك على لوحة BMS هذه. شاحن بطارية ليثيوم أيون مع وظيفة التوازن يُعرف الشاحن أيضًا باسم "شاحن البطارية المتوازن"، وهو يدمج وظيفة التوازن لدعم البطاريات المختلفة بأعداد سلاسل مختلفة (على سبيل المثال، 1~6S). حتى إذا كانت بطاريتك لا تحتوي على لوحة BMS، يمكنك شحن بطارية Li-ion الخاصة بك باستخدام شاحن البطارية هذا لتحقيق التوازن. مجلس التوازن عند استخدام شاحن بطارية متوازن، يجب عليك أيضًا توصيل الشاحن والبطارية بلوحة الموازنة عن طريق تحديد مقبس محدد من لوحة الموازنة. وحدة دائرة الحماية (PCM) لوحة PCM هي لوحة إلكترونية متصلة بحزمة بطارية LiFePo4 وتتمثل وظيفتها الرئيسية في حماية البطارية والمستخدم من أي خلل. لضمان الاستخدام الآمن، يجب أن تعمل بطارية LiFePo4 تحت معايير جهد صارمة للغاية. اعتمادًا على الشركة المصنعة للبطارية والكيمياء، تتراوح معلمة الجهد هذه بين 3.2 فولت لكل خلية للبطاريات الفارغة و3.65 فولت لكل خلية للبطاريات القابلة لإعادة الشحن. تراقب لوحة PCM معلمات الجهد هذه وتفصل البطارية عن الحمل أو الشاحن في حالة تجاوزها. في حالة وجود بطارية LiFePo4 واحدة أو بطاريات LiFePo4 متعددة متصلة بالتوازي، يمكن تحقيق ذلك بسهولة لأن لوحة PCM تراقب الفولتية الفردية. ومع ذلك، عند توصيل بطاريات متعددة على التوالي، يجب على لوحة PCM مراقبة جهد كل بطارية. أنواع موازنة البطارية تم تطوير خوارزميات مختلفة لموازنة البطارية لحزمة بطارية LiFePo4. وهي مقسمة إلى طرق موازنة البطارية السلبية والنشطة بناءً على جهد البطارية وSOC. موازنة البطارية السلبية تعمل تقنية موازنة البطارية السلبية على فصل الشحن الزائد عن بطارية LiFePo4 النشطة بالكامل من خلال عناصر مقاومة وتمنح جميع الخلايا شحنة مماثلة لأدنى شحنة بطارية LiFePo4. تعتبر هذه التقنية أكثر موثوقية وتستخدم مكونات أقل، وبالتالي تقلل التكلفة الإجمالية للنظام. ومع ذلك، فإن التكنولوجيا تقلل من كفاءة النظام حيث تتبدد الطاقة على شكل حرارة تولد فقدان الطاقة. ولذلك، فإن هذه التكنولوجيا مناسبة لتطبيقات الطاقة المنخفضة. موازنة البطارية النشطة يعد موازنة الشحن النشط حلاً للتحديات المرتبطة ببطاريات LiFePo4. تعمل تقنية موازنة الخلايا النشطة على تفريغ الشحنة من بطارية LiFePo4 ذات الطاقة العالية وتنقلها إلى بطارية LiFePo4 ذات الطاقة المنخفضة. بالمقارنة مع تقنية موازنة الخلايا السلبية، توفر هذه التقنية الطاقة في وحدة بطارية LiFePo4، وبالتالي زيادة كفاءة النظام، وتتطلب وقتًا أقل لتحقيق التوازن بين خلايا حزمة بطارية LiFePo4، مما يسمح بتيارات شحن أعلى. حتى عندما تكون مجموعة بطارية LiFePo4 في حالة سكون، فحتى بطاريات LiFePo4 المطابقة تمامًا تفقد الشحن بمعدلات مختلفة لأن معدل التفريغ الذاتي يختلف اعتمادًا على تدرج درجة الحرارة: زيادة درجة حرارة البطارية بمقدار 10 درجات مئوية تؤدي بالفعل إلى مضاعفة معدل التفريغ الذاتي . ومع ذلك، يمكن لموازنة الشحنة النشطة أن تعيد الخلايا إلى التوازن، حتى لو كانت في حالة راحة. ومع ذلك، تحتوي هذه التقنية على دوائر معقدة، مما يزيد من تكلفة النظام الإجمالية. ولذلك، فإن موازنة الخلايا النشطة مناسبة لتطبيقات الطاقة العالية. هناك العديد من طبولوجيا دوائر التوازن النشطة المصنفة وفقًا لمكونات تخزين الطاقة، مثل المكثفات، والمحاثات/المحولات، والمحولات الإلكترونية. بشكل عام، يعمل نظام إدارة البطارية النشط على تقليل التكلفة الإجمالية لحزمة بطارية LiFePo4 لأنه لا يتطلب تضخيم حجم الخلايا للتعويض عن التشتت والشيخوخة غير المتساوية بين بطاريات LiFePo4. تصبح الإدارة النشطة للبطارية أمرًا بالغ الأهمية عندما يتم استبدال الخلايا القديمة بخلايا جديدة ويكون هناك تباين كبير داخل حزمة بطارية LiFePo4. نظرًا لأن أنظمة إدارة البطارية النشطة تجعل من الممكن تركيب خلايا ذات اختلافات كبيرة في المعلمات في حزم بطاريات LiFePo4، تزداد عوائد الإنتاج بينما تنخفض تكاليف الضمان والصيانة. ولذلك، فإن أنظمة إدارة البطارية النشطة تفيد أداء مجموعة البطارية وموثوقيتها وسلامتها، بينما تساعد في تقليل التكاليف. تلخيص من أجل تقليل آثار انحراف جهد الخلية، يجب أن تتم إدارة الاختلالات بشكل صحيح. الهدف من أي حل موازنة هو السماح لحزمة بطارية LiFePo4 بالعمل بمستوى الأداء المقصود وتوسيع سعتها المتاحة. موازنة البطارية ليست مهمة فقط لتحسين الأداءدورة حياة البطارياتكما أنه يضيف عامل أمان إلى حزمة بطارية LiFePo4. إحدى التقنيات الناشئة لتحسين سلامة البطارية وإطالة عمر البطارية. نظرًا لأن تقنية موازنة البطارية الجديدة تتتبع مقدار التوازن المطلوب لخلايا LiFePo4 الفردية، فإنها تعمل على إطالة عمر حزمة بطارية LiFePo4 وتعزز سلامة البطارية بشكل عام.