كيف يعمل موازنة الخلايا على إطالة عمر بطارية LifePo4؟

عندما تحتاج الأجهزة إلى أداء عالي وطويل الأمدمجموعة بطاريات LifePo4، فإنهم يحتاجون إلى تحقيق التوازن بين كل خلية. لماذا تحتاج بطارية LifePo4 إلى موازنة البطارية؟ تتعرض بطاريات LifePo4 للعديد من العوامل، مثل الجهد الزائد، والجهد المنخفض، وتيار الشحن الزائد والتفريغ، والانفلات الحراري، واختلال توازن جهد البطارية. ومن أهم هذه العوامل اختلال توازن الخلايا، الذي يُغير جهد كل خلية في المجموعة مع مرور الوقت، مما يُقلل من سعة البطارية بسرعة. عند تصميم مجموعة بطاريات LifePo4 لاستخدام خلايا متعددة متصلة على التوالي، من المهم تصميم الخصائص الكهربائية لموازنة جهد الخلايا باستمرار. وهذا لا يقتصر على تحسين أداء مجموعة البطاريات فحسب، بل يُحسّن أيضًا من دورة حياتها. ومن المبادئ الأساسية أن تتم موازنة البطارية قبل وبعد تصنيعها، ويجب أن تستمر طوال دورة حياتها للحفاظ على أدائها الأمثل. يسمح لنا استخدام موازنة البطارية بتصميم بطاريات ذات سعة أعلى للتطبيقات لأن الموازنة تسمح للبطارية بتحقيق حالة شحن أعلى (SOC). يمكنك تخيل توصيل العديد من وحدات خلايا LifePo4 على التوالي كما لو كنت تسحب مزلجة بها العديد من كلاب الزلاجات. لا يمكن سحب المزلجة بأقصى كفاءة إلا إذا كانت جميع كلاب الزلاجات تسير بنفس السرعة. مع أربعة كلاب زلاجات، إذا كان كلب زلاجة واحد يسير ببطء، فيجب على كلاب الزلاجات الثلاثة الأخرى أيضًا تقليل سرعتها، مما يقلل الكفاءة، وإذا ركض كلب زلاجة واحد بشكل أسرع، فسينتهي به الأمر بسحب حمولة كلاب الزلاجات الثلاثة الأخرى وإيذاء نفسه. لذلك، عند توصيل خلايا LifePo4 متعددة على التوالي، يجب أن تكون قيم جهد جميع الخلايا متساوية للحصول على حزمة بطارية LifePo4 أكثر كفاءة. تم تصنيف بطارية LifePo4 الاسمية بحوالي 3.2 فولت فقط، ولكن فيأنظمة تخزين الطاقة المنزليةفي تطبيقات مصادر الطاقة المحمولة، والاتصالات، والمركبات الكهربائية، والشبكات الكهربائية 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 لخفة وزنها، وكثافتها العالية من الطاقة، وعمرها الطويل، وسعتها العالية، وشحنها السريع، ومستويات التفريغ الذاتي المنخفضة، وملاءمتها للبيئة. تضمن موازنة الخلايا تساوي جهد وسعات كل خلية من خلايا LifePo4، وإلا سيقل مدى وعمر بطارية LiFePo4 بشكل كبير، وسيتدهور أداء البطارية! لذلك، يُعد موازنة خلايا LifePo4 أحد أهم العوامل في تحديد جودة البطارية. أثناء التشغيل، قد يحدث فرق جهد بسيط، ولكن يمكن الحفاظ عليه ضمن نطاق مقبول من خلال موازنة الخلايا. أثناء عملية الموازنة، تخضع الخلايا ذات السعة الأعلى لدورة شحن/تفريغ كاملة. بدون موازنة الخلايا، تُعتبر الخلية ذات السعة الأبطأ نقطة ضعف. تُعد موازنة الخلايا إحدى الوظائف الأساسية لنظام إدارة البطارية (BMS)، إلى جانب مراقبة درجة الحرارة والشحن ووظائف أخرى تُساعد على إطالة عمر البطارية. أسباب أخرى لموازنة البطارية: بطارية LifePo4 pcak استخدام طاقة غير مكتمل من المرجح أن يؤدي امتصاص تيار أكبر من قدرة البطارية على التحمل، أو حدوث قصر كهربائي، إلى تعطلها المبكر. عند تفريغ بطارية LifePo4، تُفرّغ الخلايا الأضعف شحنها أسرع من الخلايا السليمة، وتصل إلى الحد الأدنى من الجهد أسرع من الخلايا الأخرى. عند وصول الخلية إلى الحد الأدنى من الجهد، تُفصل البطارية بأكملها عن الحمل، مما ينتج عنه سعة غير مستخدمة من طاقة البطارية. تدهور الخلايا عند شحن خلية LifePo4 بشكل زائد، حتى لو كان أعلى بقليل من قيمتها المُقترحة، تنخفض فعاليتها وعمرها الافتراضي. على سبيل المثال، تؤدي زيادة طفيفة في جهد الشحن من 3.2 فولت إلى 3.25 فولت إلى تعطل البطارية بشكل أسرع بنسبة 30%. لذا، إذا لم تكن موازنة الخلايا دقيقة، فإن الشحن الزائد البسيط سيقلل من عمرها الافتراضي. شحن غير كامل لحزمة الهاتف المحمول تُشحن بطاريات LifePo4 بتيار مستمر يتراوح بين 0.5 و1.0. يرتفع جهد بطارية LifePo4 مع وصول الشحن إلى ذروته عند اكتمال الشحن، ثم ينخفض ​​تدريجيًا. تخيل ثلاث خلايا بسعة 85 و86 و87 أمبير/ساعة على التوالي، ونسبة شحنها 100%، وعندها تُشحن جميع الخلايا، وينخفض ​​شحنها. ستلاحظ بسرعة أن الخلية 1 هي أول خلية تنفد طاقتها نظرًا لانخفاض سعتها. عند توصيل الطاقة إلى مجموعات الخلايا وتدفق التيار نفسه عبرها، تتوقف الخلية 1 عن الشحن مرة أخرى، ويمكن اعتبارها مشحونة بالكامل لأن الخليتين الأخريين مشحونتان بالكامل. هذا يعني أن كفاءة الخلية 1 الكولومترية (CE) منخفضة بسبب التسخين الذاتي للخلية، مما يؤدي إلى عدم تساوي الخلايا. الهروب الحراري أسوأ ما يمكن أن يحدث هو الانفلات الحراري. كما نعلمخلايا الليثيومحساسة جدًا للشحن الزائد والتفريغ الزائد. في حزمة من أربع خلايا، إذا كان جهد إحداها 3.5 فولت والأخرى 3.2 فولت، فإن الشحنة ستشحن جميع الخلايا معًا لأنها متصلة على التوالي، وستشحن خلية الـ 3.5 فولت بجهد أعلى من الموصى به لأن البطاريات الأخرى لا تزال بحاجة إلى الشحن. يؤدي هذا إلى هروب حراري عندما يتجاوز معدل توليد الحرارة الداخلية معدل إطلاق الحرارة. يؤدي هذا إلى عدم التحكم الحراري في حزمة بطارية LifePo4. ما هي الأسباب التي تؤدي إلى عدم توازن الخلايا في مجموعات البطاريات؟ الآن، نفهم أهمية الحفاظ على توازن جميع خلايا البطارية. ولكن لمعالجة هذه المشكلة بشكل صحيح، يجب أن نعرف سبب اختلال توازن الخلايا بشكل مباشر. كما ذكرنا سابقًا، عند تصنيع بطارية عن طريق توصيل الخلايا على التوالي، يتم التأكد من بقاء جميع الخلايا على نفس مستويات الجهد. لذا، ستحتوي البطارية الجديدة دائمًا على خلايا متوازنة. ولكن مع تشغيل البطارية، تفقد الخلايا توازنها بسبب العوامل التالية. التباين في SOC يُعد قياس SOC للخلية أمرًا معقدًا، لذا يُعد قياس SOC لخلايا محددة في البطارية أمرًا بالغ الصعوبة. ينبغي أن تُطابق طريقة التناغم الأمثل للخلايا خلايا ذات SOC نفسها، بدلًا من درجات الجهد (OCV) المتطابقة تمامًا. ولكن نظرًا لأنه من شبه المستحيل مطابقة الخلايا بناءً على الجهد فقط عند تصنيع حزمة، فقد يؤدي اختلاف SOC إلى تعديل في OCV مع مرور الوقت. متغير المقاومة الداخلية من الصعب للغاية العثور على خلايا لها نفس المقاومة الداخلية (IR)، ومع تقدم عمر البطارية، تتغير مقاومتها الداخلية، ولذلك لا تحتوي جميع الخلايا في البطارية على نفس المقاومة. كما نعلم، تُعزز المقاومة الداخلية من مقاومة الخلية للتيار، مما يُحدد التيار المتدفق عبرها. وبسبب تغير المقاومة الداخلية، يتغير التيار المار عبر الخلية وجهدها. مستوى درجة الحرارة تعتمد قدرة الخلية على شحن وتفريغ البطاريات أيضًا على درجة الحرارة المحيطة بها. في حزمة بطاريات كبيرة، مثل السيارات الكهربائية أو الألواح الشمسية، تتوزع الخلايا على مساحة فارغة، وقد يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة بين الحزمة نفسها، مما يؤدي إلى شحن أو تفريغ إحدى الخلايا بشكل أسرع من الخلايا الأخرى، مما يُسبب عدم مساواة في درجة الحرارة. من العوامل المذكورة أعلاه، يتضح أنه لا يمكن منع اختلال توازن الخلايا أثناء العملية. لذا، فإن الحل الوحيد هو استخدام نظام خارجي يعيد توازن الخلايا بعد اختلال توازنها. يُسمى هذا النظام "نظام موازنة البطارية". كيفية تحقيق توازن مجموعة بطارية LiFePo4؟ نظام إدارة البطارية (BMS) بشكل عام، لا تستطيع حزمة بطارية LiFePo4 تحقيق توازن البطارية بنفسها، ويمكن تحقيق ذلك عن طريقنظام إدارة البطارية(BMS). سيُدمج مُصنِّع البطاريات وظيفة موازنة البطارية ووظائف حماية أخرى، مثل حماية الشحن الزائد، ومؤشر حالة الشحن (SOC)، وإنذار/حماية ارتفاع درجة الحرارة، وغيرها، على لوحة BMS هذه. شاحن بطارية ليثيوم أيون مع وظيفة التوازن يُعرف أيضًا باسم "شاحن بطاريات التوازن"، وهو مزود بوظيفة توازن لدعم بطاريات مختلفة ذات أعداد سلاسل مختلفة (مثلًا من 1 إلى 6 بطاريات). حتى لو لم تكن بطاريتك مزودة بلوحة إدارة بطارية (BMS)، يمكنك شحن بطارية الليثيوم أيون باستخدام هذا الشاحن لتحقيق التوازن. لوحة الموازنة 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 عبارة عن لوحة إلكترونية متصلة بحزمة بطارية LiFePo4 ووظيفتها الرئيسية هي حماية البطارية والمستخدم من العطل. لضمان الاستخدام الآمن، يجب أن تعمل بطارية LiFePo4 وفق معايير جهد صارمة للغاية. وتتراوح هذه المعايير، حسب الشركة المصنعة للبطارية وتركيبها الكيميائي، بين 3.2 فولت لكل خلية للبطاريات الفارغة و3.65 فولت لكل خلية للبطاريات القابلة لإعادة الشحن. وتراقب لوحة PCM هذه المعايير وتفصل البطارية عن الشحنة أو الشاحن في حال تجاوزها. في حالة توصيل بطارية LiFePo4 واحدة أو عدة بطاريات LiFePo4 على التوازي، يُمكن تحقيق ذلك بسهولة لأن لوحة PCM تراقب الجهد الكهربائي لكل بطارية على حدة. أما عند توصيل عدة بطاريات على التوالي، فيجب على لوحة PCM مراقبة جهد كل بطارية. أنواع موازنة البطاريات طُوّرت خوارزميات مختلفة لموازنة بطاريات LiFePo4. وتُقسّم هذه الخوارزميات إلى خوارزميات موازنة سلبية وخوارزميات موازنة نشطة، بناءً على جهد البطارية وحالة الشحن في البطارية (SOC). موازنة البطارية السلبية تفصل تقنية موازنة البطارية السلبية الشحنة الزائدة من بطارية LiFePo4 المشحونة بالكامل باستخدام عناصر مقاومة، وتمنح جميع الخلايا شحنة مماثلة لأقل شحنة لبطارية LiFePo4. تتميز هذه التقنية بموثوقيتها العالية واستخدامها لمكونات أقل، مما يقلل التكلفة الإجمالية للنظام. ومع ذلك، تُقلل هذه التقنية من كفاءة النظام، حيث تُبدد الطاقة على شكل حرارة تُسبب فقدانًا للطاقة. لذلك، تُناسب هذه التقنية تطبيقات الطاقة المنخفضة. موازنة البطارية النشطة تُعدّ موازنة الشحن النشطة حلاً للتحديات المرتبطة ببطاريات LiFePo4. تُفرّغ تقنية موازنة الخلايا النشطة الشحنة من بطارية LiFePo4 عالية الطاقة وتنقلها إلى بطارية LiFePo4 منخفضة الطاقة. بالمقارنة مع تقنية موازنة الخلايا السلبية، تُوفّر هذه التقنية الطاقة في وحدة بطارية LiFePo4، مما يزيد من كفاءة النظام، ويتطلب وقتًا أقل للموازنة بين خلايا حزمة بطارية LiFePo4، مما يسمح بتيّارات شحن أعلى. حتى في حالة سكون حزمة بطارية LiFePo4، تفقد حتى بطاريات LiFePo4 المُطابقة تمامًا شحنها بمعدلات مختلفة لأن معدل التفريغ الذاتي يختلف باختلاف درجة الحرارة: فزيادة درجة حرارة البطارية بمقدار 10 درجات مئوية تُضاعف معدل التفريغ الذاتي. ومع ذلك، يُمكن لموازنة الشحن النشطة إعادة الخلايا إلى توازنها، حتى في حالة سكونها. ومع ذلك، تتميز هذه التقنية بدوائر كهربائية مُعقّدة، مما يزيد من التكلفة الإجمالية للنظام. لذلك، تُعدّ موازنة الخلايا النشطة مُناسبة لتطبيقات الطاقة العالية. هناك العديد من طوبولوجيات دوائر الموازنة النشطة المصنفة وفقًا لمكونات تخزين الطاقة، مثل المكثفات، والمحاثات/المحولات، والمحولات الإلكترونية. بشكل عام، يُخفّض نظام إدارة البطاريات النشط التكلفة الإجمالية لبطاريات LiFePo4، إذ لا يتطلب زيادة حجم الخلايا لتعويض التشتت والشيخوخة غير المتساوية. تُصبح إدارة البطاريات النشط أمرًا بالغ الأهمية عند استبدال الخلايا القديمة بأخرى جديدة، مع وجود تباين كبير داخل بطاريات LiFePo4. وبما أن أنظمة إدارة البطاريات النشط تُتيح تركيب خلايا ذات اختلافات كبيرة في معلمات بطاريات LiFePo4، فإن إنتاجية الإنتاج تزداد مع انخفاض تكاليف الضمان والصيانة. لذلك، تُحسّن أنظمة إدارة البطاريات النشط أداء وموثوقية وسلامة بطاريات LiFePo4، وتُساعد في الوقت نفسه على خفض التكاليف. تلخيص لتقليل آثار انحراف جهد الخلية، يجب تعديل اختلالات التوازن بشكل صحيح. الهدف من أي حل موازنة هو تمكين حزمة بطاريات LiFePo4 من العمل بمستوى الأداء المطلوب وزيادة سعتها المتاحة. لا يعد موازنة البطارية أمرًا مهمًا لتحسين الأداء فحسبدورة حياة البطارياتكما أنها تُضيف عامل أمان إلى حزمة بطاريات LiFePo4. تُعدّ هذه التقنية من التقنيات الناشئة لتحسين سلامة البطاريات وإطالة عمرها. وبما أن تقنية موازنة البطاريات الجديدة تُراقب مقدار التوازن المطلوب لكل خلية LiFePo4، فإنها تُطيل عمر حزمة بطاريات LiFePo4 وتُعزز سلامتها بشكل عام.