نظام إدارة البطارية

نظام إدارة البطارية ( BMS ) هو أي نظام إلكتروني يدير بطارية قابلة لإعادة الشحن ( خلية أو حزمة بطارية ) من خلال تسهيل الاستخدام الآمن والعمر الطويل للبطارية في السيناريوهات العملية أثناء مراقبة وتقدير حالاتها المختلفة (مثل حالة الصحة وحالة الشحن )، ^[1] وحساب البيانات الثانوية والإبلاغ عن تلك البيانات والتحكم في بيئتها والمصادقة عليها أو موازنتها . ^[2] وحدة دائرة الحماية ( PCM ) هي بديل أبسط لنظام BMS. ^[3] حزمة البطارية المبنية مع نظام إدارة البطارية مع ناقل بيانات اتصال خارجي هي حزمة بطارية ذكية . يجب شحن حزمة البطارية الذكية بواسطة شاحن بطارية ذكي . ^[1]^[4]

الوظائف

شاشة

يمكن لنظام إدارة البطارية (BMS) مراقبة حالة البطارية كما هو موضح بواسطة عناصر مختلفة، مثل:

الجهد : الجهد الإجمالي، أو جهد الخلايا الفردية، أو جهد الصنابير الدورية ^{[ يحتاج إلى توضيح ]}
درجة الحرارة : متوسط درجة الحرارة، درجة حرارة سحب سائل التبريد، درجة حرارة خروج سائل التبريد، أو درجات حرارة الخلايا الفردية
تدفق سائل التبريد: للبطاريات المبردة بالسائل
التيار : التيار الداخل أو الخارج من البطارية
صحة الخلايا الفردية
حالة توازن الخلايا

أنظمة المركبات الكهربائية: استعادة الطاقة

وسوف يتحكم نظام إدارة البطارية أيضًا في إعادة شحن البطارية عن طريق إعادة توجيه الطاقة المستردة (أي من الكبح المتجدد ) مرة أخرى إلى حزمة البطارية (المكونة عادةً من عدد من وحدات البطارية، كل منها مكونة من عدد من الخلايا).

يمكن أن تكون أنظمة إدارة الحرارة للبطارية إما سلبية أو نشطة، ويمكن أن يكون وسيط التبريد إما هواءً أو سائلاً أو شكلًا من أشكال تغيير الطور. تبريد الهواء مفيد في بساطته. يمكن أن تكون هذه الأنظمة سلبية، تعتمد فقط على الحمل الحراري للهواء المحيط، أو نشطة، باستخدام مراوح لتدفق الهواء. تجاريًا، تستخدم كل من هوندا إنسايت وتويوتا بريوس تبريد الهواء النشط لأنظمة البطاريات الخاصة بهما. ^[5] العيب الرئيسي لتبريد الهواء هو عدم كفاءته. يجب استخدام كميات كبيرة من الطاقة لتشغيل آلية التبريد، أكثر بكثير من التبريد السائل النشط. ^[6] تضيف المكونات الإضافية لآلية التبريد أيضًا وزنًا إلى نظام إدارة البطارية، مما يقلل من كفاءة البطاريات المستخدمة في النقل.

يتمتع التبريد السائل بإمكانات تبريد طبيعية أعلى من التبريد الهوائي حيث تميل سوائل التبريد السائلة إلى أن يكون لها موصلية حرارية أعلى من الهواء. يمكن غمر البطاريات مباشرة في سائل التبريد أو يمكن لسائل التبريد أن يتدفق عبر نظام إدارة البطارية دون ملامسة البطارية مباشرة. يتمتع التبريد غير المباشر بإمكانية إنشاء تدرجات حرارية كبيرة عبر نظام إدارة البطارية بسبب زيادة طول قنوات التبريد. يمكن تقليل ذلك عن طريق ضخ سائل التبريد بشكل أسرع عبر النظام، مما يخلق توازنًا بين سرعة الضخ والاتساق الحراري. ^[6]

حساب

بالإضافة إلى ذلك، قد يقوم نظام إدارة البطاريات بحساب القيم بناءً على العناصر المدرجة أدناه، مثل: ^[1]^[4]

الجهد : الحد الأدنى والحد الأقصى لجهد الخلية
حالة الشحن (SoC) أو عمق التفريغ (DoD)، للإشارة إلى مستوى شحن البطارية
حالة الصحة (SoH)، هي قياس محدد بشكل مختلف للسعة المتبقية للبطارية كجزء من السعة الأصلية
حالة الطاقة (SoP)، هي كمية الطاقة المتاحة لفترة زمنية محددة مع الأخذ في الاعتبار استخدام الطاقة الحالي ودرجة الحرارة والظروف الأخرى
حالة السلامة (SOS)
الحد الأقصى لتيار الشحن كحد لتيار الشحن (CCL)
الحد الأقصى لتيار التفريغ كحد لتيار التفريغ (DCL)
الطاقة التي تم تسليمها منذ آخر عملية شحن أو دورة شحن
المعاوقة الداخلية للخلية (لتحديد جهد الدائرة المفتوحة)
الشحنة التي تم تسليمها أو تخزينها (في بعض الأحيان تسمى هذه الميزة عد الكولومب )
إجمالي وقت التشغيل منذ الاستخدام الأول
العدد الإجمالي للدورات
مراقبة درجة الحرارة
تدفق سائل التبريد للبطاريات المبردة بالهواء أو السائل

تواصل

يتواصل المتحكم المركزي في نظام إدارة البطاريات داخليًا مع أجهزته العاملة على مستوى الخلية، أو خارجيًا مع أجهزة عالية المستوى مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو واجهة آلة الإنسان . ^{[ يحتاج إلى توضيح ]}

إن الاتصال الخارجي رفيع المستوى بسيط ويستخدم عدة طرق: ^{[ بحاجة لمصدر ]}

أنواع مختلفة من الاتصالات التسلسلية .
تُستخدم اتصالات ناقل CAN بشكل شائع في بيئات السيارات.
أنواع مختلفة من الاتصالات اللاسلكية . ^[7]

لا تحتوي معظم أنظمة إدارة البطاريات المركزية ذات الجهد المنخفض على أي اتصالات داخلية.

يجب أن تستخدم أنظمة إدارة البطاريات الموزعة أو المعيارية بعض الاتصالات الداخلية منخفضة المستوى بين الخلايا ووحدات التحكم (الهندسة المعيارية) أو بين وحدات التحكم ووحدات التحكم (الهندسة الموزعة). هذه الأنواع من الاتصالات صعبة، وخاصة بالنسبة للأنظمة ذات الجهد العالي. تكمن المشكلة في تحول الجهد بين الخلايا. قد تكون إشارة الأرض الأولى للخلية أعلى بمئات الفولتات من إشارة الأرض الأخرى للخلية. بصرف النظر عن بروتوكولات البرامج، هناك طريقتان معروفتان للاتصالات المادية لأنظمة تحويل الجهد، العازل الضوئي والاتصالات اللاسلكية . هناك قيد آخر للاتصالات الداخلية وهو الحد الأقصى لعدد الخلايا. بالنسبة للهندسة المعيارية، تقتصر معظم الأجهزة على 255 عقدة كحد أقصى. بالنسبة للأنظمة ذات الجهد العالي، فإن وقت البحث لجميع الخلايا هو قيد آخر، مما يحد من سرعات الناقل الدنيا ويفقد بعض خيارات الأجهزة. تعد تكلفة الأنظمة المعيارية مهمة، لأنها قد تكون قابلة للمقارنة بسعر الخلية. ^[8] يؤدي الجمع بين قيود الأجهزة والبرامج إلى عدد قليل من الخيارات للاتصال الداخلي:

الاتصالات التسلسلية المعزولة
الاتصالات التسلسلية اللاسلكية

لتجاوز قيود الطاقة لكابلات USB الحالية بسبب الحرارة الناتجة عن التيار الكهربائي، تم تطوير بروتوكولات الاتصال المطبقة في شواحن الهواتف المحمولة للتفاوض على جهد مرتفع، وأكثرها استخدامًا هي Qualcomm Quick Charge و MediaTek Pump Express . " VOOC " من Oppo (المعروف أيضًا باسم "Dash Charge" مع "OnePlus") يزيد التيار بدلاً من الجهد بهدف تقليل الحرارة الناتجة في الجهاز من تحويل الجهد المرتفع داخليًا إلى جهد شحن طرفي للبطارية، مما يجعله غير متوافق مع كابلات USB الحالية ويعتمد على كابلات USB عالية التيار خاصة بأسلاك نحاسية أكثر سمكًا وفقًا لذلك. في الآونة الأخيرة، يهدف معيار توصيل الطاقة عبر USB إلى بروتوكول تفاوض عالمي عبر الأجهزة التي تصل إلى 240 واط. ^[9]

حماية

يمكن لنظام إدارة البطارية حماية بطاريته عن طريق منعها من العمل خارج منطقة التشغيل الآمنة ، مثل: ^[1]^[10]

الشحن الزائد
الإفراط في التفريغ
التيار الزائد أثناء الشحن
التيار الزائد أثناء التفريغ
الجهد الزائد أثناء الشحن، وهو أمر مهم بشكل خاص لخلايا الرصاص الحمضية ، وبطاريات الليثيوم أيون ، وبطاريات LiFePO4
انخفاض الجهد أثناء التفريغ، وهو أمر مهم بشكل خاص لخلايا Li-ion وLiFePO4
ارتفاع درجة الحرارة
انخفاض درجة الحرارة
الضغط الزائد ( بطاريات NiMH )
اكتشاف خطأ في الأرض أو تسرب التيار (مراقبة النظام للتأكد من فصل البطارية ذات الجهد العالي كهربائيًا عن أي جسم موصل يمكن لمسه للاستخدام مثل هيكل السيارة)

قد يمنع نظام إدارة البطارية التشغيل خارج منطقة التشغيل الآمنة للبطارية من خلال:

بما في ذلك مفتاح داخلي (مثل مرحل أو MOSFET ) يتم فتحه إذا تم تشغيل البطارية خارج منطقة التشغيل الآمنة الخاصة بها
مطالبة الأجهزة بتقليل أو حتى التوقف عن استخدام البطارية أو شحنها.
التحكم النشط في البيئة، مثل من خلال السخانات أو المراوح أو تكييف الهواء أو التبريد السائل
قم بخفض سرعة المعالج لتقليل الحرارة.

توصيل البطارية بدائرة الحمل

يمكن أن يتميز نظام إدارة البطارية أيضًا بنظام شحن مسبق يسمح بطريقة آمنة لتوصيل البطارية بأحمال مختلفة والقضاء على التيارات الزائدة لتحميل المكثفات.

يتم التحكم في توصيل الأحمال عادةً من خلال مرحلات كهرومغناطيسية تسمى موصلات. يمكن أن تكون دائرة الشحن المسبق عبارة عن مقاومات طاقة متصلة على التوالي بالأحمال حتى يتم شحن المكثفات. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام مصدر طاقة في وضع التبديل متصل بالتوازي مع الأحمال لشحن جهد دائرة الحمل حتى مستوى قريب بما يكفي من جهد البطارية للسماح بإغلاق الموصلات بين البطارية ودائرة الحمل. قد يحتوي نظام إدارة البطارية على دائرة يمكنها التحقق مما إذا كان المرحل مغلقًا بالفعل قبل إعادة الشحن (بسبب اللحام على سبيل المثال) لمنع حدوث تيارات اندفاع.

الموازنة

من أجل زيادة سعة البطارية إلى أقصى حد، ومنع الشحن الزائد أو الشحن الزائد الموضعي، قد يعمل نظام إدارة البطارية بشكل نشط على ضمان بقاء جميع الخلايا التي تتكون منها البطارية عند نفس الجهد أو حالة الشحن، من خلال الموازنة. يمكن لنظام إدارة البطارية موازنة الخلايا من خلال:

تبديد الطاقة من الخلايا الأكثر شحنًا عن طريق توصيلها بحمل ( مثل من خلال منظمات سلبية )
نقل الطاقة من الخلايا الأكثر شحنًا إلى الخلايا الأقل شحنًا ( الموازنات )
تقليل تيار الشحن إلى مستوى منخفض بدرجة كافية بحيث لا يتسبب في إتلاف الخلايا المشحونة بالكامل، بينما قد تستمر الخلايا الأقل شحنًا في الشحن (لا ينطبق على خلايا كيمياء الليثيوم)

تحقق بعض الشواحن التوازن من خلال شحن كل خلية على حدة. وغالبًا ما يتم ذلك بواسطة نظام إدارة البطارية وليس الشاحن (الذي يوفر عادةً تيار الشحن الكلي فقط، ولا يتفاعل مع الحزمة على مستوى مجموعة الخلايا)، على سبيل المثال، شواحن الدراجات الإلكترونية ولوح التحليق . في هذه الطريقة، سيطلب نظام إدارة البطارية تيار شحن أقل (مثل بطاريات المركبات الكهربائية)، أو سيوقف مدخل الشحن (وهو أمر شائع في الإلكترونيات المحمولة) من خلال استخدام دارات الترانزستور أثناء تنفيذ التوازن (لمنع شحن الخلايا بشكل زائد).

الطوبولوجيات

تختلف تكنولوجيا BMS من حيث التعقيد والأداء:

تحقق المنظمات السلبية البسيطة التوازن عبر البطاريات أو الخلايا من خلال تجاوز تيار الشحن عندما يصل جهد الخلية إلى مستوى معين. يعد جهد الخلية مؤشرًا ضعيفًا لحالة البطارية (وبالنسبة لبعض كيمياء الليثيوم، مثل LiFePO4)
₄لا يعد هذا مؤشرًا على الإطلاق، وبالتالي، فإن جعل جهد الخلية متساويًا باستخدام منظمات سلبية لا يوازن نظام الطاقة على البطاريات، وهو هدف نظام إدارة البطاريات. لذلك، فإن مثل هذه الأجهزة، على الرغم من أنها مفيدة بالتأكيد، إلا أنها تعاني من قيود شديدة في فعاليتها.
تعمل المنظمات النشطة على تشغيل الحمل وإيقافه بذكاء عند الحاجة، مرة أخرى لتحقيق التوازن. إذا تم استخدام جهد الخلية فقط كمعامل لتمكين المنظمات النشطة، تنطبق نفس القيود المذكورة أعلاه على المنظمات السلبية.
كما يقوم نظام BMS الكامل أيضًا بإرسال تقرير عن حالة البطارية إلى الشاشة، ويحمي البطارية.

تنقسم توبولوجيات BMS إلى ثلاث فئات:

مركزي: يتم توصيل وحدة تحكم واحدة بخلايا البطارية من خلال عدد كبير من الأسلاك
موزعة: يتم تثبيت لوحة BMS في كل خلية، مع وجود كابل اتصال واحد فقط بين البطارية ووحدة التحكم
معياري: عدد قليل من وحدات التحكم، كل منها يتعامل مع عدد معين من الخلايا، مع وجود اتصال بين وحدات التحكم

تعتبر أنظمة إدارة البطاريات المركزية الأكثر اقتصادية، والأقل قابلية للتوسعة، وتعاني من كثرة الأسلاك. أما أنظمة إدارة البطاريات الموزعة فهي الأكثر تكلفة، والأسهل في التركيب، وتوفر التجميع الأنظف. وتوفر أنظمة إدارة البطاريات المعيارية حلاً وسطًا بين ميزات ومشاكل الطوبولوجيات الأخرى.

تختلف متطلبات نظام إدارة البطاريات في التطبيقات المحمولة (مثل المركبات الكهربائية) والتطبيقات الثابتة (مثل أجهزة UPS الاحتياطية في غرفة الخادم ) اختلافًا كبيرًا، وخاصةً عن متطلبات قيود المساحة والوزن، لذلك يجب تصميم تنفيذات الأجهزة والبرامج وفقًا للاستخدام المحدد. في حالة المركبات الكهربائية أو الهجينة، يعد نظام إدارة البطاريات نظامًا فرعيًا فقط ولا يمكنه العمل كجهاز مستقل. يجب أن يتواصل على الأقل مع شاحن (أو بنية أساسية للشحن)، وحمل، وإدارة حرارية، وأنظمة فرعية لإيقاف التشغيل في حالات الطوارئ. لذلك، في تصميم جيد للمركبة، يتم دمج نظام إدارة البطاريات بإحكام مع تلك الأنظمة الفرعية. غالبًا ما تحتوي بعض التطبيقات المحمولة الصغيرة (مثل عربات المعدات الطبية، والكراسي المتحركة الآلية، والدراجات البخارية، والرافعات الشوكية) على أجهزة شحن خارجية، ومع ذلك، يجب أن يظل نظام إدارة البطاريات الموجود على متن المركبة يتمتع بتكامل تصميمي وثيق مع الشاحن الخارجي.

يتم استخدام طرق مختلفة لموازنة البطارية ، بعضها يعتمد على نظرية حالة الشحن .

انظر أيضا

مراجع

^ abcd Pradhan, SK; Chakraborty, B. (2022-07-01). "استراتيجيات إدارة البطارية: مراجعة أساسية لتقنيات مراقبة حالة البطارية الصحية". مجلة تخزين الطاقة . 51 : 104427. رمز Bibcode : 2022JEnSt..5104427P. doi : 10.1016/j.est.2022.104427. ISSN 2352-152X.
^ بارسوكوف، يفجين؛ تشيان، جينرونج (مايو 2013). إدارة طاقة البطارية للأجهزة المحمولة. دار أرتيك. رقم ISBN 9781608074914.
^ "PCM vs BMS, a dilemma for product designers". BMS PowerSafe® . 2016-06-01 . تم الاسترجاع في 2024-03-21 .
^ ab Kim, Minjoon; So, Jaehyuk (2023-12-01). "تصميم VLSI وتنفيذ FPGA لتقدير حالة الشحن وحالة الصحة لأنظمة إدارة بطاريات المركبات الكهربائية". مجلة تخزين الطاقة . 73 : 108876. رمز Bibcode : 2023JEnSt..7308876K. doi : 10.1016/j.est.2023.108876. ISSN 2352-152X.
^ ليو، هوا تشيانغ؛ وي، تشونغباو؛ هي، ويدونغ؛ تشاو، جي يون (أكتوبر 2017). "القضايا الحرارية المتعلقة ببطاريات الليثيوم أيون والتقدم الأخير في أنظمة إدارة الحرارة بالبطاريات: مراجعة". تحويل الطاقة والإدارة . 150 : 304-330. رمز Bibcode : 2017ECM...150..304L. doi : 10.1016/j.enconman.2017.08.016. ISSN 0196-8904.
^ ab Chen, Dafen; Jiang, Jiuchun; Kim, Gi-Heon; Yang, Chuanbo; Pesaran, Ahmad (فبراير 2016). "مقارنة بين طرق التبريد المختلفة لخلايا بطارية الليثيوم أيون". هندسة حرارية تطبيقية . 94 : 846–854. Bibcode :2016AppTE..94..846C. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.10.015 . ISSN 1359-4311.
^ ماريوس فالي (2016-11-19). "Kapper ledninger for å gi lengre rekkevidde til elbiler". تكنيسك أوكيبلاد (باللغة النرويجية) . تم الاسترجاع 2016/11/20 .
^ "طوبولوجيا نظام إدارة البطارية المختلفة". مؤرشف من الأصل في 2020-10-22 . تم الاسترجاع 2021-12-06 .{{cite web}}:CS1 maint: عنوان URL غير مناسب ( الرابط )
^ Sumukh Rao (2020-04-09). "Qualcomm Quick Charge vs OnePlus Warp Charge vs Oppo VOOC vs USB-PD – Battle of the fast charging technologies". TechPP . تم الاسترجاع في 2021-12-06 .
^ لي، يو لين؛ لين، تشانغ هوا؛ باي، كاي جون؛ لين، يو ليانغ (2022-09-01). "التصميم المعياري والتحقق من صحة أنظمة إدارة البطاريات القائمة على هياكل التركيز المزدوج". مجلة تخزين الطاقة . 53 : 105068. رمز Bibcode : 2022JEnSt..5305068L. doi : 10.1016/j.est.2022.105068. ISSN 2352-152X.

روابط خارجية

النهج المعياري لموازنة مستوى الخلية بشكل مستمر لتحسين أداء مجموعات البطاريات الكبيرة، المختبر الوطني للطاقة المتجددة ، سبتمبر 2014

Original text

Rate this translation

Your feedback will be used to help improve Google Translate

[:1-1] Pradhan, SK; Chakraborty, B. (2022-07-01). "استراتيجيات إدارة البطارية: مراجعة أساسية لتقنيات مراقبة حالة البطارية الصحية". مجلة تخزين الطاقة . 51 : 104427. رمز Bibcode : 2022JEnSt..5104427P. doi : 10.1016/j.est.2022.104427. ISSN 2352-152X.

[2] بارسوكوف، يفجين؛ تشيان، جينرونج (مايو 2013). إدارة طاقة البطارية للأجهزة المحمولة. دار أرتيك. رقم ISBN 9781608074914.

[3] "PCM vs BMS, a dilemma for product designers". BMS PowerSafe® . 2016-06-01 . تم الاسترجاع في 2024-03-21 .

[:2-4] Kim, Minjoon; So, Jaehyuk (2023-12-01). "تصميم VLSI وتنفيذ FPGA لتقدير حالة الشحن وحالة الصحة لأنظمة إدارة بطاريات المركبات الكهربائية". مجلة تخزين الطاقة . 73 : 108876. رمز Bibcode : 2023JEnSt..7308876K. doi : 10.1016/j.est.2023.108876. ISSN 2352-152X.

[5] ليو، هوا تشيانغ؛ وي، تشونغباو؛ هي، ويدونغ؛ تشاو، جي يون (أكتوبر 2017). "القضايا الحرارية المتعلقة ببطاريات الليثيوم أيون والتقدم الأخير في أنظمة إدارة الحرارة بالبطاريات: مراجعة". تحويل الطاقة والإدارة . 150 : 304-330. رمز Bibcode : 2017ECM...150..304L. doi : 10.1016/j.enconman.2017.08.016. ISSN 0196-8904.

[:0-6] Chen, Dafen; Jiang, Jiuchun; Kim, Gi-Heon; Yang, Chuanbo; Pesaran, Ahmad (فبراير 2016). "مقارنة بين طرق التبريد المختلفة لخلايا بطارية الليثيوم أيون". هندسة حرارية تطبيقية . 94 : 846–854. Bibcode :2016AppTE..94..846C. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.10.015 . ISSN 1359-4311.

[7] ماريوس فالي (2016-11-19). "Kapper ledninger for å gi lengre rekkevidde til elbiler". تكنيسك أوكيبلاد (باللغة النرويجية) . تم الاسترجاع 2016/11/20 .

[8] "طوبولوجيا نظام إدارة البطارية المختلفة". مؤرشف من الأصل في 2020-10-22 . تم الاسترجاع 2021-12-06 .{{cite web}}:CS1 maint: عنوان URL غير مناسب ( الرابط )

[9] Sumukh Rao (2020-04-09). "Qualcomm Quick Charge vs OnePlus Warp Charge vs Oppo VOOC vs USB-PD – Battle of the fast charging technologies". TechPP . تم الاسترجاع في 2021-12-06 .

[10] لي، يو لين؛ لين، تشانغ هوا؛ باي، كاي جون؛ لين، يو ليانغ (2022-09-01). "التصميم المعياري والتحقق من صحة أنظمة إدارة البطاريات القائمة على هياكل التركيز المزدوج". مجلة تخزين الطاقة . 53 : 105068. رمز Bibcode : 2022JEnSt..5305068L. doi : 10.1016/j.est.2022.105068. ISSN 2352-152X.

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗