موازنة البطارية

لضمان التشغيل الآمن ومنع الظروف الخطرة، يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) باستمرار المعايير الحيوية مثل درجة الحرارة والجهد على مستوى كل خلية، ويكشف أي انحرافات محتملة قد تؤدي إلى عطل. وبينما تتم مراقبة التيار عادةً على مستوى مجموعة البطاريات لتحسين الأداء، قد يتضمن نظام إدارة البطارية آليات حماية فورية على مستوى الخلية لفصل الخلايا بسرعة في حالة ارتفاع التيار بشكل غير طبيعي، كما هو الحال أثناء حدوث ماس كهربائي أو أعطال أخرى.

في ظل التشغيل العادي، يجب إيقاف التفريغ عند نفاد شحن أي خلية، حتى وإن كانت خلايا أخرى لا تزال تحتفظ بشحنة كبيرة. وبالمثل، يجب إيقاف الشحن عند وصول أي خلية إلى أقصى جهد شحن آمن لها. قد يؤدي عدم الالتزام بأي من هذين الشرطين إلى تلف دائم للخلايا، أو في حالات نادرة، إلى عكس قطبية الخلايا، أو التسبب في انبعاث غازات داخلية، أو ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفاجئ، أو أعطال كارثية أخرى. إذا لم تكن الخلايا متوازنة، بحيث يتوافق حد القطع العالي والمنخفض على الأقل مع حالة الخلية الأقل سعة، فإن الطاقة التي يمكن سحبها من البطارية وإعادتها إليها ستكون محدودة.

نظرًا لأن تركيبات الليثيوم الكيميائية تسمح غالبًا بهياكل غشائية مرنة، يمكن استخدام خلايا الليثيوم في أكياس مرنة محكمة الإغلاق، مما يتيح كثافة تعبئة أعلى داخل حزمة البطارية. عند إساءة استخدام خلية الليثيوم، تتسرب بعض نواتج التحلل (عادةً من مواد كيميائية أو إضافات في الإلكتروليت). تصبح هذه الخلايا منتفخة، وتكون على وشك التلف. في بطاريات الليثيوم أيون الأسطوانية المغلقة، تسبب نفس التسرب في ضغوط عالية جدًا (تم الإبلاغ عن ضغوط تزيد عن 800 رطل لكل بوصة مربعة )؛ يمكن أن تنفجر هذه الخلايا إذا لم تكن مزودة بآلية لتخفيف الضغط. ومما يزيد الخطر أن العديد من تركيبات خلايا الليثيوم الكيميائية تحتوي على مواد كيميائية هيدروكربونية (عادةً ما تكون طبيعتها سرية)، وهذه المواد قابلة للاشتعال. لذلك، بالإضافة إلى خطر إساءة استخدام الخلية الذي قد يتسبب في انفجار، يمكن أن يتسبب تسرب بسيط غير قابل للانفجار في نشوب حريق.

تتميز معظم أنواع البطاريات بأنماط تعطل أقل حدة وأقل خطورة. غالبًا ما تكون المواد الكيميائية في معظم البطاريات سامة إلى حد ما، ولكنها نادرًا ما تكون قابلة للانفجار أو الاشتعال ؛ فالعديد منها مواد أكالة، مما يفسر التوصية بتجنب ترك البطاريات داخل الأجهزة لفترات طويلة، حيث قد تتسرب منها المواد الكيميائية وتتسبب في تلف الأجهزة. تُعد بطاريات الرصاص الحمضية استثناءً، إذ يُنتج شحنها غاز الهيدروجين، الذي قد ينفجر عند تعرضه لمصدر اشتعال (مثل سيجارة مشتعلة)، وسيؤدي هذا الانفجار إلى رش حمض الكبريتيك في جميع الاتجاهات. ونظرًا لأن هذا الحمض أكال وقد يُسبب العمى، فإنه يُشكل خطرًا بالغًا.

في عملية الموازنة السلبية، يتم سحب الطاقة من الخلية الأكثر شحناً وتبديدها على شكل حرارة، وعادة ما يتم ذلك من خلال المقاومات .

تعمل الموازنة السلبية على توحيد حالة الشحن عند نقطة ثابتة، وعادةً ما تكون إما "موازنة علوية"، حيث تصل جميع الخلايا إلى 100% من حالة الشحن في الوقت نفسه، أو "موازنة سفلية"، حيث تصل جميع الخلايا إلى الحد الأدنى من حالة الشحن في الوقت نفسه. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق سحب الطاقة من الخلايا ذات حالة الشحن الأعلى (مثلاً، دائرة قصر مُتحكم بها عبر مقاوم أو ترانزستور)، أو عن طريق تحويل الطاقة عبر مسار موازٍ لإحدى الخلايا أثناء دورة الشحن ، بحيث تستهلك الخلية جزءًا أقل من التيار (الثابت عادةً). وتُعد الموازنة السلبية مُهدرة بطبيعتها، حيث يُبدد جزء من طاقة البطارية على شكل حرارة بهدف موازنة حالة الشحن بين الخلايا. كما أن تراكم الحرارة المهدرة قد يُحد من سرعة حدوث الموازنة.

في عملية الموازنة النشطة، يمكن سحب الطاقة من الخلية الأكثر شحنة ونقلها إلى الخلايا الأقل شحنة، على سبيل المثال، من خلال محولات تعتمد على المكثفات أو المحاثات أو محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر . ^{[ 6 ]}

تحاول موازنة الطاقة النشطة إعادة توزيع الطاقة من الخلايا المشحونة بالكامل إلى الخلايا ذات مستوى الشحن المنخفض. ويمكن سحب الطاقة من خلية ذات مستوى شحن أعلى عن طريق توصيل مكثف تخزين موصول بالخلية، ثم فصل المكثف وإعادة توصيله بخلية ذات مستوى شحن أقل، أو من خلال محول تيار مستمر موصول بكامل حزمة البطاريات. ونظرًا لبعض أوجه القصور، لا تزال بعض الطاقة تُهدر على شكل حرارة، ولكن ليس بنفس القدر. وعلى الرغم من المزايا الواضحة، فإن التكلفة الإضافية وتعقيد تصميم موازنة الطاقة النشطة قد يكونان كبيرين، ولا يُعدّان خيارًا مناسبًا دائمًا حسب التطبيق.

يستخدم نوع آخر من الموصلات، يُستخدم أحيانًا في بطاريات الدراجات الكهربائية، موصلًا متعدد الأطراف مزودًا بمقاومة وثنائي موصولين على التوالي عند كل طرف. وبما أن انخفاض الجهد معروف، يقوم الشاحن بتطبيق تيار تفريغ مناسب أو شحن الخلايا الضعيفة حتى تصل جميعها إلى نفس جهد الطرف المحمّل. يتميز هذا النوع بتقليل وزن البطارية قليلًا وخفض استهلاك الطاقة الطفيلي، بالإضافة إلى إمكانية موازنة الشحنة من نقاط متعددة.

• براءة الاختراع الأمريكية رقم 384,447 ، إي. جوليان، منظم تبديل للبطارية الثانوية