تقنيات موازنة الخلايا وكيفية استخدامها

تم تصنيف خلية الليثيوم الاسمية لحوالي 4.2 فولت فقط ، ولكن في تطبيقاتها مثل EV ، والإلكترونيات المحمولة ، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، وبنوك الطاقة ، إلخ ، نحتاج إلى جهد أعلى بكثير من جهدها الاسمي. هذا هو السبب في أن المصممين يجمعون بين أكثر من خلية واحدة على التوالي لتشكيل حزمة بطارية ذات قيم جهد أعلى. كما نعلم من مقالنا السابق حول بطارية السيارة الكهربائية ، عندما يتم دمج البطاريات في سلسلة ، يتم إضافة قيمة الجهد. على سبيل المثال ، عندما يتم توصيل أربع خلايا من الليثيوم بجهد 4.2 فولت في سلسلة ، فإن جهد الخرج الفعال لحزمة البطارية الناتجة سيكون 16.8 فولت.

لكن يمكنك أن تتخيل أن ربط العديد من الخلايا على التوالي يشبه تركيب العديد من الخيول على عربة. فقط في حالة تشغيل جميع الخيول بنفس السرعة ، سيتم قيادة العربة بأقصى قدر من الكفاءة. من أصل أربعة خيول إذا كان أحد الخيول يجري ببطء ، فإن على الثلاثة الآخرين أيضًا تقليل سرعتهم وبالتالي تقليل الكفاءة وإذا كان أحد الخيول يعمل بشكل أسرع فإنه سيؤذي نفسه في النهاية عن طريق سحب حمولة الخيول الثلاثة الأخرى. وبالمثل ، عندما يتم توصيل أربع خلايا في سلسلة ، يجب أن تكون قيم الجهد للخلايا الأربع مساوية لاشتقاق حزمة البطارية بأقصى قدر من الكفاءة. تسمى طريقة الحفاظ على تساوي جهد الخلية بموازنة الخلايا. في هذه المقالة سوف نتعلم المزيد عن موازنة الخلايا وأيضًا بإيجاز حول كيفية استخدامها على مستوى الأجهزة والبرامج.

لماذا نحتاج لموازنة الخلايا؟

موازنة الخلايا هي تقنية يتم فيها الحفاظ على مستويات الجهد لكل خلية فردية متصلة في سلسلة لتشكيل حزمة بطارية لتكون متساوية لتحقيق أقصى قدر من كفاءة حزمة البطارية. عندما يتم دمج خلايا مختلفة معًا لتشكيل حزمة بطارية ، يتم التأكد دائمًا من أنها من نفس قيمة الكيمياء والجهد. ولكن بمجرد تثبيت الحزمة وتعريضها للشحن والتفريغ ، فإن قيم الجهد للخلايا الفردية تميل إلى الاختلاف بسبب بعض الأسباب التي سنناقشها لاحقًا. يؤدي هذا الاختلاف في مستويات الجهد إلى عدم توازن الخلية مما يؤدي إلى إحدى المشكلات التالية

هارب الحراري

أسوأ شيء يمكن أن يحدث هو الهروب الحراري. كما نعلم ، فإن خلايا الليثيوم حساسة للغاية للشحن الزائد والإفراط في التفريغ. في حزمة من أربع خلايا ، إذا كانت إحدى الخلايا 3.5 فولت بينما الأخرى 3.2 فولت ، فإن الشحنة ستشحن جميع الخلايا معًا نظرًا لأنها متسلسلة وستشحن الخلية 3.5 فولت إلى أكثر من الجهد الموصى به نظرًا لأن البطاريات الأخرى لا تزال موجودة تتطلب الشحن.

تدهور الخلية

عندما يتم شحن خلية الليثيوم أكثر من اللازم حتى أعلى بقليل من قيمتها الموصى بها ، تنخفض كفاءة الخلية ودورة حياتها. على سبيل المثال ، تؤدي الزيادة الطفيفة في جهد الشحن من 4.2 فولت إلى 4.25 فولت إلى تدهور البطارية بشكل أسرع بنسبة 30٪. لذلك إذا لم يكن موازنة الخلايا دقيقًا ، فإن الشحن الزائد الطفيف سيقلل من عمر البطارية.

الشحن غير الكامل للحزمة

نظرًا لأن البطاريات في العبوة تتقدم في السن ، فقد تكون بعض الخلايا أضعف من الخلايا المجاورة لها. ستكون خلايا الأسبوع هذه مشكلة كبيرة لأنها ستشحن وتفريغ أسرع من الخلايا السليمة العادية. أثناء شحن حزمة بطارية بخلايا متسلسلة ، يجب إيقاف عملية الشحن حتى إذا وصلت إحدى الخلايا إلى الحد الأقصى للجهد. بهذه الطريقة ، إذا حصلت خليتان في حزمة البطارية على أسبوع ، فسيتم شحنهما بشكل أسرع وبالتالي لن يتم شحن الخلايا المتبقية إلى الحد الأقصى كما هو موضح أدناه.

الاستخدام غير الكامل لحزمة الطاقة

وبالمثل في نفس الحالة عندما يتم تفريغ حزمة البطارية ، فإن الخلايا الأضعف ستفرغ أسرع من الخلية السليمة وستصل إلى الحد الأدنى من الجهد بشكل أسرع من الخلايا الأخرى. كما تعلمنا في مقالة BMS الخاصة بنا ، سيتم فصل الحزمة عن الحمل حتى إذا وصلت خلية واحدة إلى الحد الأدنى من الجهد. هذا يؤدي إلى السعة غير المستخدمة لطاقة العبوة كما هو موضح أدناه.

عند حساب جميع العيوب المحتملة المذكورة أعلاه في الاعتبار ، يمكننا أن نستنتج أن موازنة الخلية ستكون إلزامية لاستخدام حزمة البطارية إلى أقصى قدر من الكفاءة. لا يزال هناك عدد قليل من التطبيقات التي يجب أن تكون التكلفة الأولية فيها منخفضة للغاية ولا يمثل استبدال البطارية مشكلة في تلك التطبيقات ، يمكن تجنب موازنة الخلايا. ولكن في غالبية التطبيقات بما في ذلك السيارات الكهربائية ، فإن موازنة الخلايا إلزامية للحصول على أقصى قدر من الطاقة من حزمة البطارية.

ما الذي يسبب عدم توازن الخلايا في حزم البطاريات؟

الآن نحن نعلم سبب أهمية الحفاظ على توازن جميع الخلايا في حزمة البطارية. ولكن لمعالجة المشكلة بشكل صحيح ، يجب أن نعرف سبب اختلال توازن الخلايا بشكل مباشر. كما قيل سابقًا ، عندما يتم تكوين حزمة بطارية عن طريق وضع الخلايا في سلسلة ، يتم التأكد من أن جميع الخلايا في نفس مستويات الجهد. لذلك ستحتوي حزمة البطارية الجديدة دائمًا على خلايا متوازنة. ولكن عند استخدام العبوة ، تصبح الخلايا غير متوازنة للأسباب التالية.

عدم توازن SOC

قياس SOC للخلية أمر معقد ؛ ومن ثم فإن قياس SOC للخلايا الفردية في البطارية أمر معقد للغاية. يجب أن تتطابق تقنية موازنة الخلية المثالية مع خلايا نفس SOC بدلاً من نفس مستويات الجهد (OCV). ولكن نظرًا لأنه من غير الممكن عمليًا ، تتم مطابقة الخلايا فقط بشروط الجهد عند صنع حزمة ، فقد يؤدي الاختلاف في SOC إلى تغيير في OCV في الوقت المناسب.

تباين المقاومة الداخلية

من الصعب جدًا العثور على خلايا من نفس المقاومة الداخلية (IR) ومع تقدم عمر البطارية ، يتغير أيضًا الأشعة تحت الحمراء للخلية ، وبالتالي في حزمة البطارية ، لن يكون لجميع الخلايا نفس الأشعة تحت الحمراء. كما نعلم ، يساهم IR في المعاوقة الداخلية للخلية التي تحدد التيار المتدفق عبر الخلية. نظرًا لتنوع الأشعة تحت الحمراء ، فإن التيار عبر الخلية ويتغير أيضًا جهده.

درجة الحرارة

تعتمد سعة الشحن والتفريغ للخلية أيضًا على درجة الحرارة المحيطة بها. في حزمة بطارية ضخمة مثل المركبات الكهربائية أو المصفوفات الشمسية ، يتم توزيع الخلايا على مناطق النفايات وقد يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة بين العبوة نفسها مما يتسبب في شحن خلية واحدة أو تفريغها بشكل أسرع من الخلايا المتبقية مما يؤدي إلى عدم التوازن.

من الأسباب المذكورة أعلاه ، من الواضح أننا لا نستطيع منع الخلية من الاختلال أثناء العملية. لذا ، فإن الحل الوحيد هو استخدام نظام خارجي يجبر الخلايا على التوازن مرة أخرى بعد أن تصبح غير متوازنة. يسمى هذا النظام نظام موازنة البطارية. هناك العديد من الأنواع المختلفة لتقنيات الأجهزة والبرامج المستخدمة لموازنة خلايا البطارية. دعونا نناقش الأنواع والتقنيات المستخدمة على نطاق واسع.

أنواع موازنة خلايا البطارية

يمكن تصنيف تقنيات موازنة الخلايا على نطاق واسع إلى الفئات الأربع التالية المدرجة أدناه. سنناقش حول كل فئة.

1. موازنة الخلايا السلبية
2. موازنة الخلايا النشطة
3. موازنة الخلايا بدون فقدان
4. مكوك الأكسدة والاختزال

1. موازنة الخلايا السلبية

طريقة موازنة الخلايا السلبية هي أبسط طريقة على الإطلاق. يمكن استخدامه في الأماكن التي تشكل فيها التكلفة والحجم قيودًا رئيسية. فيما يلي نوعان من موازنة الخلايا السلبية.

تحويل الشحن

في هذه الطريقة ، يتم استخدام حمولة وهمية مثل المقاوم لتفريغ الجهد الزائد ومعادلته مع الخلايا الأخرى. تسمى هذه المقاومات بالمقاومات الالتفافية أو مقاومات النزف. سيكون لكل خلية متصلة في سلسلة في حزمة مقاومة تجاوز خاصة بها متصلة من خلال مفتاح كما هو موضح أدناه.

تُظهر دائرة العينة أعلاه أربع خلايا كل منها متصلة بمقاومين تجاوزين من خلال مفتاح مثل MOSFET. تقيس أجهزة التحكم جهد جميع الخلايا الأربع وتقوم بتشغيل mosfet للخلية التي يكون جهدها أعلى من الخلايا الأخرى. عندما يتم تشغيل mosfet تبدأ تلك الخلية المعينة في التفريغ من خلال المقاومات. نظرًا لأننا نعرف قيمة المقاومات ، يمكننا التنبؤ بكمية الشحنة التي تتبددها الخلية. يستخدم المكثف المتصل بالتوازي مع الخلية لتصفية ارتفاعات الجهد أثناء التبديل.

هذه الطريقة ليست فعالة للغاية لأن الطاقة الكهربائية تتبدد كحرارة في المقاومات كما أن الدائرة مسؤولة عن خسائر التحويل. عيب آخر هو أن تيار التفريغ بأكمله يتدفق عبر mosfet والذي يتم بناؤه في الغالب في وحدة التحكم IC وبالتالي يجب أن يقتصر تيار التفريغ على القيم المنخفضة مما يزيد من وقت التفريغ. تتمثل إحدى طرق التغلب على العيب في استخدام مفتاح خارجي لزيادة تيار التفريغ كما هو موضح أدناه

سيتم تشغيل MOSFET الداخلي للقناة P بواسطة وحدة التحكم مما يؤدي إلى تفريغ الخلية (I-bias) من خلال المقاومات R1 و R2. يتم تحديد قيمة R2 بحيث يكون انخفاض الجهد الذي يحدث عبرها بسبب تدفق تيار التفريغ (I-bias) كافياً لتشغيل MOSFET N-channel الثانية. يسمى هذا الجهد بجهد مصدر البوابة (Vgs) ويسمى التيار المطلوب لتحيز MOSFET على أنه تيار متحيز (I-bias).

بمجرد تشغيل N-channel MOSFET ، يتدفق التيار الآن عبر المقاوم الموازن R-Bal . يمكن أن تكون قيمة هذا المقاوم منخفضة مما يسمح بمرور تيار أكبر من خلاله وبالتالي تفريغ شحن البطارية بشكل أسرع. يسمى هذا التيار بتيار التصريف (I- استنزاف). في هذه الدائرة ، يكون تيار التفريغ الكلي هو مجموع تيار التصريف وتيار التحيز. عندما يتم إيقاف تشغيل P-channel MOSFET بواسطة وحدة التحكم ، يكون تيار التحيز صفريًا وبالتالي فإن الجهد Vgs يحصل أيضًا على صفر. يؤدي هذا إلى إيقاف تشغيل N-channel MOSFET تاركًا البطارية لتصبح مثالية مرة أخرى.

السلبي الخلية موازنة المرحلية

على الرغم من أن تقنية التوازن السلبي ليست فعالة ، إلا أنها تستخدم بشكل أكثر شيوعًا بسبب هذه البساطة والتكلفة المنخفضة. بدلاً من تصميم الأجهزة ، يمكنك أيضًا استخدام عدد قليل من أجهزة IC المتاحة بسهولة مثل LTC6804 و BQ77PL900 من الشركات المصنعة الشهيرة مثل أدوات Linear و Texas على التوالي. يمكن تتالي هذه الدوائر المتكاملة لمراقبة خلايا متعددة وتوفير وقت التطوير والتكلفة.

تحديد الرسوم

طريقة تحديد الشحنة هي الطريقة الأكثر فاعلية على الإطلاق. هنا يتم النظر فقط في مدة أمان وعمر البطارية عند التخلي عن الكفاءة. في هذه الطريقة يتم مراقبة الفولتية الفردية للخلية بشكل مستمر.

أثناء عملية الشحن ، حتى إذا وصلت إحدى الخلايا إلى جهد الشحن الكامل ، يتم إيقاف الشحن تاركًا الخلايا الأخرى في منتصف الطريق. وبالمثل أثناء التفريغ حتى إذا وصلت خلية واحدة إلى الحد الأدنى لجهد القطع ، يتم فصل حزمة البطارية عن الحمل حتى يتم شحن العبوة مرة أخرى.

على الرغم من أن هذه الطريقة غير فعالة ، إلا أنها تقلل من متطلبات التكلفة والحجم. ومن ثم يتم استخدامه في التطبيقات حيث يمكن غالبًا شحن البطاريات.

2. موازنة الخلايا النشطة

في موازنة الخلية السلبية ، لم يتم استخدام الشحنة الزائدة ، وبالتالي فهي تعتبر غير فعالة. بينما في الموازنة النشطة ، يتم نقل الشحنة الزائدة من خلية واحدة إلى خلية أخرى منخفضة الشحنة لمعادلتها. يتم تحقيق ذلك من خلال استخدام عناصر تخزين الشحنة مثل المكثفات والمحثات. هناك العديد من الطرق لأداء موازنة الخلايا النشطة تتيح مناقشة الطرق الشائعة الاستخدام.

مكوكات الشحن (المكثفات الطائرة)

تستخدم هذه الطريقة المكثفات لنقل الشحنة من خلية الجهد العالي إلى خلية الجهد المنخفض. يتم توصيل المكثف من خلال مفاتيح SPDT مبدئيًا ، يقوم المفتاح بتوصيل المكثف بخلية الجهد العالي وبمجرد شحن المكثف ، يقوم المفتاح بتوصيله بخلية الجهد المنخفض حيث تتدفق الشحنة من المكثف إلى الخلية. نظرًا لأن الشحنة تنتقل بين الخلايا ، يُطلق على هذه الطريقة اسم مكوكات الشحن. يجب أن يساعدك الشكل أدناه على فهم أفضل.

تسمى هذه المكثفات بالمكثفات الطائرة حيث أنها تطير بين خلايا الجهد المنخفض والجهد العالي التي تحمل الشواحن. العيب في هذه الطريقة هو أنه لا يمكن نقل الشحنة إلا بين الخلايا المجاورة. كما يستغرق الأمر وقتًا أطول حيث يجب شحن المكثف ثم تفريغه لنقل الشحنات. كما أنها أقل كفاءة نظرًا لأنه سيكون هناك فقد في الطاقة أثناء شحن وتفريغ المكثف ويجب أيضًا حساب خسائر التبديل. توضح الصورة أدناه كيفية توصيل مكثف الطيران في حزمة بطارية

المحول الاستقرائي (طريقة باك بوست)

هناك طريقة أخرى لموازنة الخلايا النشطة باستخدام المحاثات ودوائر التبديل. في هذه الطريقة ، تتكون دائرة التبديل من محول باك دفعة . يتم ضخ الشحنة من خلية الجهد العالي في المحرِّض ثم يتم تفريغها في خلية الجهد المنخفض باستخدام محول التعزيز باك. يمثل الشكل أدناه محولًا استقرائيًا يحتوي على خليتين فقط ومحول دفعة واحدة.

في الدائرة المذكورة أعلاه ، يمكن نقل الشحنة من الخلية 1 إلى الخلية 2 عن طريق تبديل MOSFETS sw1 و sw2 بالطريقة التالية. أولاً ، يتم إغلاق المفتاح SW1 وهذا سيجعل الشحنة من الخلية 1 تتدفق إلى المحرِّض بشحنة I الحالية. بمجرد شحن المحرِّض بالكامل ، يتم فتح المفتاح SW1 وإغلاق المفتاح sw2.

الآن ، المحرض المشحون بالكامل سوف يعكس قطبيته ويبدأ في التفريغ. هذه المرة تتدفق الشحنة من المحرِّض إلى الخلية 2 مع تفريغ I الحالي. بمجرد تفريغ المحرِّض بالكامل ، يتم فتح المفتاح sw2 وإغلاق المفتاح sw1 لتكرار العملية. ستساعدك الأشكال الموجية أدناه في الحصول على صورة واضحة.

خلال الوقت t0 ، يتم إغلاق المفتاح sw1 (قيد التشغيل) مما يؤدي إلى زيادة التيار الذي أقوم بشحنه وزيادة الجهد عبر المحرِّض (VL). ثم بمجرد شحن المحرِّض بالكامل في الوقت t1 ، يتم فتح المفتاح sw1 (إيقاف التشغيل) مما يجعل المحرِّض يقوم بتفريغ الشحنة التي تراكمت في الخطوة السابقة. عندما يفرغ محث فإنه يغير قطبيته ومن ثم يظهر الجهد VL سالب. عند تفريغ تيار التفريغ (I التفريغ) ينخفض ​​من قيمته القصوى. كل هذا التيار يدخل الخلية 2 لشحنها. يُسمح بفاصل زمني صغير من الوقت t2 إلى t3 ثم في t3 تتكرر الدورة بأكملها مرة أخرى.

تعاني هذه الطريقة أيضًا من عيب رئيسي يتمثل في أنه لا يمكن نقل الشحنة إلا من خلية أعلى إلى خلية أقل. يجب أيضًا مراعاة الخسارة في التبديل وانخفاض جهد الصمام الثنائي. لكنها أسرع وأكثر كفاءة من طريقة المكثف.

المحول الاستقرائي (يعتمد على الطيران الخلفي)

كما ناقشنا ، يمكن لطريقة محول باك دفعة نقل الرسوم فقط من الخلية الأعلى إلى الخلية السفلية. يمكن تجنب هذه المشكلة باستخدام محول Fly Back ومحول. في محول نوع flyback ، يتم توصيل الجانب الأساسي من الملف بحزمة البطارية ويتم توصيل الجانب الثانوي بكل خلية فردية من حزمة البطارية كما هو موضح أدناه

كما نعلم ، تعمل البطارية بالتيار المستمر ولن يكون للمحول أي تأثير حتى يتم تبديل الجهد. لذلك لبدء عملية الشحن ، يتم تبديل المفتاح الموجود على جانب الملف الأساسي Sp. هذا يحول التيار المستمر إلى تيار مستمر نابض ويتم تنشيط الجانب الأساسي للمحول.

الآن على الجانب الثانوي كل خلية لها مفتاحها الخاص والملف الثانوي. من خلال تبديل mosfet لخلية الجهد المنخفض ، يمكننا أن نجعل هذا الملف المعين بمثابة ثانوي للمحول. بهذه الطريقة يتم نقل الشحنة من الملف الأساسي إلى الملف الثانوي. يؤدي هذا إلى تفريغ الجهد الكلي لحزمة البطارية في الخلية الضعيفة.

أكبر ميزة لهذه الطريقة هي أن أي خلية ضعيفة في العبوة يمكن شحنها بسهولة من جهد العبوة وليس خلية معينة هي التفريغ. ولكن نظرًا لأنه يتضمن محولًا ، فإنه يشغل مساحة كبيرة ويكون تعقيد الدائرة مرتفعًا.

3. موازنة بلا خسارة

الموازنة بدون خسارة هي طريقة تم تطويرها مؤخرًا تقلل الخسائر عن طريق تقليل مكونات الأجهزة وتوفير المزيد من التحكم في البرامج. هذا أيضًا يجعل النظام أبسط وأسهل في التصميم. تستخدم هذه الطريقة دائرة تبديل مصفوفة توفر القدرة على إضافة أو إزالة خلية من حزمة أثناء الشحن والتفريغ. تظهر أدناه دائرة تبديل مصفوفة بسيطة لثماني خلايا.

أثناء عملية الشحن ، ستتم إزالة الخلية ذات الجهد العالي من العبوة باستخدام ترتيبات التبديل. في الشكل أعلاه ، تمت إزالة الخلية 5 من العبوة باستخدام المفاتيح. ضع في اعتبارك أن دوائر الخط الأحمر عبارة عن مفاتيح مفتوحة وأن تكون دائرة الخط الأزرق مفاتيح مغلقة. وبالتالي يتم زيادة وقت الراحة للخلايا الأضعف أثناء عملية الشحن لموازنتها أثناء الشحن. لكن يجب تعديل جهد الشحن وفقًا لذلك. يمكن اتباع نفس التقنية أثناء التفريغ أيضًا.

4. مكوك الأكسدة والاختزال

الطريقة النهائية ليست لمصممي الأجهزة ولكن للمهندسين الكيميائيين. في بطارية حمض الرصاص ، لا نواجه مشكلة موازنة الخلايا لأنه عندما يتم شحن بطارية الرصاص الحمضية بشكل زائد ، فإنها تسبب الغازات التي تمنعها من الشحن الزائد. الفكرة وراء مكوك الأكسدة والاختزال هي محاولة تحقيق نفس التأثير على خلايا الليثيوم عن طريق تغيير كيمياء المنحل بالكهرباء لخلية الليثيوم. يجب أن يمنع هذا المنحل بالكهرباء المعدل الخلية من الشحن الزائد.

خوارزميات موازنة الخلايا

يجب أن تجمع تقنية موازنة الخلية الفعالة بين الأجهزة وخوارزمية مناسبة. هناك العديد من الخوارزميات لموازنة الخلايا وتعتمد على تصميم الأجهزة. ولكن يمكن اختصار الأنواع إلى قسمين مختلفين.

قياس جهد الدائرة المفتوحة (OCV)

هذه هي الطريقة السهلة والأكثر شيوعًا. هنا يتم قياس جهد الخلية المفتوحة لكل خلية وتعمل دائرة موازنة الخلية على معادلة قيم الجهد لجميع الخلايا المتصلة في سلسلة. من السهل قياس OCV (جهد الدائرة المفتوحة) وبالتالي يكون تعقيد هذه الخوارزمية أقل.

قياس حالة الشحن (SOC)

في هذه الطريقة ، تكون SOC للخلايا متوازنة. كما نعلم بالفعل ، يعد قياس SOC للخلية مهمة معقدة حيث يتعين علينا حساب الجهد والقيمة الحالية للخلية على مدار فترة زمنية لحساب قيمة SOC. هذه الخوارزمية معقدة وتستخدم في الأماكن التي تتطلب كفاءة عالية وأمانًا كما هو الحال في صناعات الفضاء والفضاء.

هذا يختتم المقال هنا. آمل الآن أن تكون قد حصلت على فكرة موجزة عن ماهية موازنة الخلايا وكيف يتم تنفيذها على مستوى الأجهزة والبرامج. إذا كان لديك أي أفكار أو تقنيات شاركها في قسم التعليقات أو استخدم المنتديات للحصول على مساعدة فنية.