أنظمة حماية حزمة البطارية: كيف تعمل؟

تعمل حزم بطاريات الليثيوم على تشغيل كل شيء بدءًا من -الدراجات الإلكترونية والأدوات الكهربائية وحتى أنظمة تخزين الطاقة. ومع ذلك فإن الكيمياء الموجودة داخل هذه الخلايا تجعلها حساسة. إذا دفعت جهدًا عاليًا جدًا، أو قم بتصريفه بشكل منخفض جدًا، أو اترك التيار يرتفع، فإنك تخاطر بضرر دائم، أو في أسوأ الحالات،الهروب الحراري.

أنظمة حماية حزمة البطاريةالجلوس بين الخلايا والعالم الخارجي. إنهم يراقبون المعلمات الرئيسية في الوقت الفعلي ويقطعون الطاقة عندما تتحرك الأشياء خارج الحدود الآمنة. فيجيب، نحن نبني هذه الأنظمة في كل عبوة ننتجها لأن طبقة الحماية الجيدة هي التي تحول مجموعة من الخلايا إلى منتج موثوق يمكن للعملاء الوثوق به لسنوات.

هناك طريقتان شائعتان: الأبسطوحدة دائرة الحماية (PCM)وأكثر قدرةنظام إدارة البطارية (BMS). يساعد فهم كيفية عمل كل منها عند اختيار حزمة أو تحديدها.

ما هي أنظمة حماية حزمة البطارية؟

نظام حماية حزمة البطارية عبارة عن إعداد إلكتروني يراقب الجهد والتيار ودرجة الحرارة بشكل مستمر، ثم يتخذ الإجراءات اللازمةللحفاظ على الحزمة داخل منطقة التشغيل الآمنة (SOA).

• PCM (وحدة دائرة الحماية)هي النسخة الأساسية. إنها في الأساس لوحة حماية مبنية على واحد أو اثنين من دوائر الحماية المرحلية وموسفيتق. وظيفتها واضحة ومباشرة: اكتشاف الظروف الخطرة وفصل الدائرة. تستخدم معظم حزم 1S إلى 4S الصغيرةبي سي إملأنه صغير الحجم ومنخفض التكلفة-.
• BMS (نظام إدارة البطارية)يذهب أبعد من ذلك. فكر في الأمر باعتباره عقل القطيع. يستخدم أجهزة استشعار متعددة ووحدة تحكم دقيقة وبرنامجًا لمراقبة كل خلية على حدة وحسابهاحالة الشحن (SOC)والحالة الصحية (SOH)وتوازن الخلايا، وغالبًا ما تتواصل مع الجهاز المضيف عبر CAN أو UART أو Bluetooth.

فيما يلي نظرة واضحة-بجانب-مدى اختلافهما من الناحية العملية:

يمنحك PCM الحماية الأساسية دون تعقيد إضافي.نظام إدارة المبانييوفر عمرًا أطول وأداءً أفضل وتكاملاً على مستوى النظام-عندما يتطلب تطبيقك ذلك.

كيف تعمل أنظمة حماية حزمة البطارية

العملية الأساسية هي نفسها سواء كنت تستخدم PCM أو BMS: المراقبة ← القرار ← التصرف ← الاسترداد.

تقوم المستشعرات (أو دائرة الحماية المتكاملة في PCM الأبسط) بقياس الجهد باستمرار عبر الخلايا، والتيار المتدفق للداخل أو للخارج، ودرجة الحرارة عند النقاط الرئيسية. يقوم منطق التحكم بمقارنة هذه القراءات مع الحدود المحددة مسبقًا. عندما تتجاوز القيمة الحد، يقوم النظام بإيقاف تشغيل مفاتيح MOSFET لقطع الدائرة. بمجرد انتهاء الحالة (على سبيل المثال، يمكنك البدء في تحصيل رسومأكثر من-حزمة مفرغة)، يقوم النظام بإعادة الاتصال.

في PCM نموذجي يستخدم شيئًا مثل DW01+ IC مقترنًا بوحدات MOSFET 8205A:

• التشغيل العادي (جهد الخلية حوالي 2.5 فولت - 4.3 فولت): تحافظ الدائرة المتكاملة على تشغيل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة، لذلك يتدفق التيار بحرية.
• عندما ينخفض ​​الجهد الكهربائي بشكل منخفض جدًا أثناء التفريغ، تقوم الدائرة المتكاملة بقطع مسار التفريغ.
• عندما يرتفع الجهد بشكل كبير أثناء الشحن، فإنه يقطع مسار الشحن.
• يتم اكتشاف تيار زائد أو دائرة قصيرة من خلال المقاومة الصغيرة- لوحدات MOSFET نفسها - ويشير انخفاض الجهد المفاجئ عبرها إلى تيار زائد ويؤدي إلى إيقاف التشغيل.

يضيف نظام إدارة المباني الكامل طبقات فوق ذلك. فهو يجمع البيانات من أجهزة استشعار متعددة، ويدير الخوارزميات في وحدة التحكم الدقيقة الخاصة به، ويمكنه اتخاذ قرارات أكثر ذكاءً مثل تقليل تيار الشحن بدلاً من القطع الثابت أو نقل الطاقة بشكل نشط بين الخلايا للحفاظ على توازنها.

والنتيجة هي نفسها في كلتا الحالتين: تبقى العبوة ضمن نوافذ آمنة للجهد والتيار ودرجة الحرارة حتى لا تتحلل الكيمياء الموجودة داخل الخلايا بسرعة أو تتلاشى.

شرح وظائف الحماية الرئيسية

فيما يلي وسائل الحماية الرئيسية التي ستواجهها وسبب أهميتها.

حماية الشحن الزائد

إذا ارتفع جهد الخلية فوق الحد الأقصى الآمن (عادة حوالي 4.2 فولت - 4.25 فولت لمعظم خلايا NMC أو LCO)، فإن دائرة الحماية تفصل مسار الشحن. يؤدي الشحن الزائد المستمر إلى تحطيم المنحل بالكهرباء، وتوليد الحرارة، ويمكن أن يبدأالهروب الحراري. تشتمل الأنظمة الجيدة على عتبة استرداد أقل قليلاً حتى يمكن استئناف الشحن بمجرد استقرار الجهد.

الإفراط في -حماية التفريغ

يؤدي التفريغ أقل من 2.5 فولت إلى 3.0 فولت تقريبًا لكل خلية إلى انحلال النحاس على الأنود وفقدان القدرة الدائمة. يقوم نظام الحماية بقطع تيار التفريغ قبل أن ينخفض ​​الجهد إلى هذا الحد. تسمح العديد من الحزم بالاسترداد تلقائيًا بمجرد توصيل الشاحن وإعادة الجهد إلى النطاق.

حماية من التيار الزائد والدوائر القصيرة

التيار العالي يولد الحرارة ويضغط على الخلايا.بي سي إمويقوم كل من BMS بمراقبة التيار، وغالبًا ما يستخدم انخفاض الجهد عبر الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET). الدائرة القصيرة هي ببساطة نسخة متطرفة من التيار الزائد - يتفاعل النظام بالمللي ثانية لمنع التلف أو الحريق.

إدارة درجة الحرارة والحرارة

درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية. تعمل معظم خلايا الليثيوم بشكل أفضل بين 15 درجة و35 درجة. فوق هذا النطاق، خاصة أثناء الشحن السريع أو التفريغ الثقيل، تتراكم الحرارة بسرعة. تقوم وحدات BMS بمراقبة درجة الحرارة في نقاط متعددة ويمكنها خنق التيار أو إيقاف تشغيله بالكامل. في حزم الطاقة الأعلى-نضيف أيضًا مقاييس سلبية مثل الحواجز الحرارية بين الخلايا أو مسارات التبريد النشطة.

موازنة الخلايا

في أي حزمة تحتوي على خلايا متعددة متسلسلة، تؤدي الاختلافات الصغيرة في السعة إلى وصول بعض الخلايا إلى امتلاءها أو إفراغها بشكل أسرع من غيرها. وبدون تحقيق التوازن، ستفقد القدرة القابلة للاستخدام وتخاطر بزيادة-الضغط على الخلايا الفردية. أساسيبي سي إمنادرا ما يتوازن. يقوم نظام BMS المناسب بنقل الطاقة بشكل نشط أو سلبي بحيث تظل جميع الخلايا متطابقة بشكل وثيق، مما يحسن بشكل مباشر عمر الدورة وسلامتها.

تعمل هذه الوظائف معًا. إن الحزمة التي تحتوي فقط على حماية للجهد ولكنها تتجاهل درجة الحرارة لا تزال ضعيفة. في GEB نقوم بتصميم طبقة الحماية كنظام كامل وليس كميزات معزولة.

PCM مقابل BMS: اختيار النهج الصحيح

بالنسبة للعديد من المشروعات ذات-الطاقة المنخفضة أو الحساسة للتكلفة-، فإن PCM-المصمم جيدًا يكون كافيًا. فهو يتعامل مع وسائل الحماية الأساسية الأربعة (الشحن الزائد، والتفريغ الزائد-والتيار الزائد، والدائرة القصيرة) بشكل موثوق ويحافظ على حجم العبوة وبأسعار معقولة.

انتقل إلى نظام إدارة المباني (BMS) عندما يحتاج تطبيقك إلى أي مما يلي:

• دورة حياة أطول من خلالموازنة الخلايا
• معلومات SOC دقيقة للمستخدم أو النظام
• التواصل مع أجهزة الشحن أو العاكسات أو وحدات التحكم في السيارة
• التشغيل في بيئات درجات الحرارة المختلفة أو القاسية
• هوامش أمان أعلى للحزم الكبيرة

نرى هذا الاختيار يحدث كل أسبوع مع العملاء. عادة ما يبقى صانع الأجهزة المحمولة مع PCM. غالبًا ما ينتقل مشروع تخزين الدراجة الإلكترونية أو الطاقة الشمسية إلى نظام إدارة المباني (BMS) نظرًا لأن المراقبة والموازنة الإضافية تؤتي ثمارها بسرعة في الأداء العالمي-الواقعي ومشكلات أقل في الضمان.

لماذا تعتبر الحماية القوية لحزمة البطارية الخاصة بك أمرًا مهمًا

تدوم الحزمة المحمية بشكل صحيح لفترة أطول، وتعمل بشكل أكثر اتساقًا، وتتسبب في قدر أقل بكثير من الصداع. فهو يقلل من حالات الفشل الميدانية، ويبسط عملية الاعتماد، ويمنح عملائك النهائيين الثقة بأن المنتج لن يخذلهم في لحظة حرجة.

فيجيب نحن لا نتعامل مع الحماية كإضافة-ولكن كجزء أساسي من تصميم الحزمة. سواء كنا نستخدم الاتفاقبي سي إملبطارية أداة صغيرة الحجم أو -كاملة المواصفاتنظام إدارة المبانيمعيمكن التواصلبالنسبة لنظام تخزين الطاقة، يبقى الهدف كما هو: إبقاء الخلايا تعمل بأمان داخل حدودها المصممة لأكبر عدد ممكن من الدورات.

الفكر النهائي

أنظمة حماية حزمة البطارية - سواء كانت PCM بسيطة أو متقدمةنظام إدارة المباني- هي التي تحول خلايا الليثيوم الخام إلى منتجات آمنة وقابلة للاستخدام. إنهم يراقبون الجهد والتيار ودرجة الحرارة، ثم يتصرفون بسرعة عند الاقتراب من الحدود. يساعدك فهم هذه الآليات على تحديد الحل المناسب لتطبيقك وتجنب الأخطاء الشائعة التي تقلل من عمر البطارية أو تخلق مخاطر تتعلق بالسلامة.

إذا كنت تقوم بتطوير منتج جديد أو تتطلع إلى تحسين منتج موجودحزمة البطاريةلا تتردد في التواصل معنا. في GEB نقوم بتصميم وتصنيع كليهماPCM-محميومجهز بنظام إدارة المباني-.حزم بطاريات الليثيوم مصممة خصيصًا لمستويات الطاقة والبيئات واحتياجات الأداء المختلفة. أخبرنا بمتطلباتك ويمكننا أن نوصي بأسلوب الحماية الذي يناسبك.