التيار الدائري في سلاسل البطاريات المتوازية: أسباب حدوثه وكيف تمنعه بنية نظام إدارة البطارية (BMS) | JKESS

سيناريو التوسيع الذي يفشل

فكّر في مثال توسّعي تجاري وصناعي (C&I): تقوم مصنعٌ بتثبيت نظام بطاريات سعة ١٢٨ كيلوواط-ساعة في عام ٢٠٢٤، ويحتاج إلى سعة ٢٥٦ كيلوواط-ساعة في عام ٢٠٢٦ مع ازدياد حمله. وتقترح إدارة المشتريات شراء نظامٍ مماثلٍ تمامًا وتوصيله على التوازي. وبعد ثلاثة أشهر، يلاحظ فريق التشغيل وجود عدم توازن مستمر في التيار، وانخفاض أسرع في مستوى الشحن المُبلَّغ (SOC) في أحد السلاسل. ورغم تطابق أرقام الطراز، فإن البطاريات لم تعد تمتلك نفس سجل التشغيل.

قد يكون التيار الدائري أحد التفسيرات الممكنة، إلى جانب عدم تكافؤ توزيع الحمل، أو اختلاف درجات الحرارة، أو مقاومة التوصيلات، أو أخطاء أجهزة الاستشعار، أو عيوب الخلايا. فقد تختلف السعات والمقاومات الداخلية بين السلاسل الجديدة والمُستهلكة، لذا تتباعد منحيّات الجهد الداخلي ومستوى الشحن (SOC) أثناء التشغيل حتى لو تطابقت قراءات SOC الابتدائية. وبذلك قد يدفع الجهد الداخلي الأعلى تيارًا نحو السلسلة الأخرى. ولتشخيص السبب بدقة، راجع قيم التيارات الفرعية المُشارَ إليها بإشارتها (الموجبة والسالبة) ومعطيات الخلايا أولًا.

يؤدي النقل الداخلي غير الخاضع للرقابة إلى خسائر مقاومية وزيادة في استهلاك البطارية. وقد يسبب ارتفاع الإجهاد الحراري والإجهاد الناتج عن الدورات، ويؤدي إلى بلوغ حدود جهد الخلايا، مما يُفعِّل حماية نظام إدارة البطارية (BMS)؛ كما قد تؤدي التيارات العالية بما فيه الكفاية إلى تشغيل الفيوز أو القاطع. وبعض المشكلات تظهر فور التوصيل، بينما تصبح مشكلات أخرى أوضح مع مرور أسابيع من بيانات التشغيل. ويشرح هذا الدليل المبادئ الفيزيائية، وثلاثة إجراءات هندسية مضادة، والدور الذي تؤديه معدات JKESS الرئيسية والفرعية في تصميم متوازٍ مهندَس.

المبادئ الفيزيائية: لماذا تحدث التيارات الدوارة

عدم وجود تيار دوار لا يدلّ بحد ذاته على سوء جودة البطارية. فهذه الظاهرة تتبع قوانين الدوائر عندما تكون لمصادر التوصيل المتوازي جهود داخلية مختلفة. وتقدّر تقديرًا أوليًّا مفيدًا لسلسلتين عند غياب أي حمل خارجي بالعلاقة التالية:

I_circulating = ΔV / R_loop

وبعد الاتصال، يشترك الخيطان في جهد حافلة مشترك، باستثناء سقوط الجهد الناتج عن التوصيلات بينهما. أما عدم التطابق المؤثر فهو بين مصادرها المكافئة، وليس بين جهدين مختلفين عند عقدة حافلة مثالية واحدة. وتحت تأثير الحِمل الخارجي، تتضمَّن تيار كل فرع مشاركة الحِمل إضافةً إلى تأثير عدم تطابق الجهد. ولا تأخذ هذه التقديرات القائمة على المقاومة في الاعتبار الظواهر العابرة الناتجة عن التوصيل أو الحث أو الاسترخاء الكهروكيميائي.

2V ÷ 0.05Ω = 40A

P_loss = I² × R_loop       = 40² × 0.05 = 80W

مرجع هندسي: ونغ وآخرون، بحثٌ حول عدم التوازن في التيار في البطاريات المتصلة على التوازي غير المتطابقة ، ويُطور نموذجًا دائريًّا معادلًا ويُحلِّل كيف تؤثر الفروق في السعة والمقاومة على التيار ونسبة الشحن (SOC) والتقدم في العمر. والمثال العددي أعلاه هو حساب دائري توضيحيٌّ، وليس نتيجة اختبار منتج.

التوصيل المتوازي غير المحمي مقابل الحماية المستقلة لكل سلسلة

تُسهِّل الحماية الفرعية المستقلة اكتشاف الأعطال والعزلَ عنها. ويجب أن تترافق مع استشعارٍ خاصٍ بكل سلسلة واستجابة تحكُّمية منسَّقة؛ فالأجهزة الواقية وحدها لا تقضي على التيارات الدوَّارة.

إذا انفصلت سلسلة ما، فقد تتلقى السلاسل المتبقية تيارًا أكبر. ويجب أن يقلل نظام إدارة الطاقة/نظام التحكم في الطاقة من القدرة أو يوقف التشغيل عند الحاجة لمنع إيقاف متسلسل. ولا يُعتبر وجود حماية مستقلة إذنًا للصيانة أثناء التشغيل.

الثلاث تدابير الهندسية المضادة

1. تجهيز كل سلسلة بقواطع وفيوزات مستقلة

   الغرض من حماية الفرع هوolololololololololololولعازل الانتقائي للعطل. حدد قاطع تيار مستمر وصمام حماية مُ rated لتيار مستمر لكل سلسلة، جنبًا إلى جنب مع مقاطع كهربائية خاضعة للتحكم بواسطة نظام إدارة البطاريات (BMS) أو آلية انقطاع تلقائية مناسبة. ويمكن أن يظل تيار الدوران المعتدل دون عتبة انقطاع التيار الزائد، وبالتالي فإن الصمام الحماية ليس بديلًا عن العزل الخاضع للتحكم.

   أولويات الاختيار: نسّق بين تصنيف التيار المستمر، ومنحنيات الزمن-التيار، وتصنيف جهد التيار المستمر، والتيار القصيري المتاح، وقدرة الإطفاء، وحماية الموصلات، والذروات التشغيلية المسموح بها. قدّم مساهمات العطل من كل سلسلة متصلة. ويجب التحقق من الانقطاع الانتقائي والتشغيل المستمر على مستوى النظام.

   موقع التركيب: استخدم مخطط الخط الواحد المعتمَد وترتيب التأريض لتحديد الموصلات التي تحتاج إلى الحماية والعزل. ولا توجد قاعدة عامة تنص على أن القاطع يجب أن يكون في الموصل الموجب وال퓨ز في الموصل السالب. وتأكد من تسلسل ما قبل الشحن والتوصيل للمعدات المسلَّمة؛ فدائرة ما قبل شحن الربط المستمر (DC-link) ليست بالضرورة مُصنَّفة تلقائيًّا لموازنة سلاسل البطاريات غير المتطابقة.

2. راقب كل سلسلة أثناء الشحن والتفريغ والوضع الاستعدادي.

   ثبِّت قناة استشعار تيار مستقلة ذات اتجاهين على كل سلسلة متوازية، واحفظ الإشارة الجبرية لها. فالنظام الذي يحتوي فقط على مستشعر تيار كلي لا يمكنه تحديد انتقال التيار الداخلي المخفي بسبب عملية الجمع الجبري. فعلى سبيل المثال، أثناء التفريغ بالموجب: +٤٠ أمنبير في إحدى السلاسل و−٤٠ أمنبير في السلسلة الأخرى يُعطيان تقريبًا صفر أمنبير عند نقطة الاتصال الخارجية.

   تسجيل البيانات الحالية مع جهود الخلايا، وجهد السلسلة، ودرجة الحرارة، ونسبة الشحن (SOC)، وحالة المفاتيح الكهربائية، ووضع التشغيل. قم بضبط العتبات والتأخيرات الزمنية وفقًا لدقة أجهزة الاستشعار، وتوزيع الحمل المتوقع، وتصنيفات السلاسل، واستراتيجية التحكم المعتمدة. استجب بالتنبيهات أو منع الاتصال أو تحديد حدود القدرة أو العزل حسب الحاجة؛ وقد لا يؤدي تعيين القدرة الخارجية إلى الصفر إلى إيقاف التيار الداخلي.

   للمقارنة بين سلسلتين حيث تكون التيارات في نفس الاتجاه وتتجاوز الحد الأدنى للقياس، فإن معيار عدم التوازن الوصفي هو:

   Current imbalance (%) =100 × |I1 − I2| / max(|I1|, |I2|)

   بالقرب من وضع الاستعداد، استخدم الأمبيرات ذات الإشارات والعتبات المطلقة. تُصبح النسب المئوية غير مستقرة بالقرب من الصفر. أما التيارات في الاتجاهات المقابلة فتتطلب تقييمًا منفصلًا، وقد تحمل السلاسل ذات السعات المختلفة تيارات مختلفة بشكل مشروع؛ لذا قارن كل فرعٍ مع التوزيع المتوقع له والحدود المسموحة.

3. استخدم الإشراف على المستوى الرئيسي للحد من اختلاف نسبة الشحن (SOC) واختلاف الجهد.

   يُعَدُّ اختلاف مستوى الشحنة (SOC) أحد العوامل المُساهِمة في توليد التيار الدائري، لكن استجابة الجهد تعتمد أيضًا على المقاومة ودرجة الحرارة وحالة الخلايا والعمليات التشغيلية الأخيرة. ويجب أن يتبادل مُتحكِّمُ السلاسل (String Masters) والمُراقِبُ النظامي قياساتٍ وحدودًا مُوثَّقةً عبر بروتوكول CAN/RS485 المعتمَد، ثم يطبِّق معايير مطابقة الجهد ومستوى الشحنة قبل ربط أي فرع.

   أثناء التشغيل، يمكن للتحكم الإشرافي مراجعة الانحرافات وتقليل القدرة النظامية ومنع إعادة الاتصال أو عزل الفرع غير الملائم. وقد يُستخدَم انحراف قدره ٥ نقاط مئوية في مستوى الشحنة كمُحفِّز توضيحي لمراجعة ما، شرط قبوله ضمن نطاق المشروع؛ ولا يُعتَبَر هذا الانحراف عتبة عالمية لربط الدوائر. أما على حافلة التيار المستمر المتوازية مباشرةً، فلا يمكن لبرمجيات نظام إدارة البطاريات (BMS) ضبط التيار المستمر لكل سلسلة بشكل مستقل دون وجود أجهزة طاقة مناسبة، مثل مرحلة DC/DC مخصصة لكل سلسلة.

   يصف نظام جي كي إي إس إس إدارة السلسلة المتفرعة لـ ٤ إلى ١٦ صندوق فرعي لكل وحدة رئيسية. اجمع أجهزة إدارة الوحدات المناسبة مع قناة حماية واستشعار مُعرَّفة لكل سلسلة متوازية، وتأكد من وظائف الإشراف المتقاطع بين السلاسل وفقًا للبرنامج الثابت المختار وتصميم النظام. وتُعزِّز موازنة الخلايا النشطة على مستوى الخلية التماسك داخل الوحدات؛ لكنها لا تحل محل التحكم في التيار بين السلاسل.

مرجع الهيكل: مذكّرة تطبيق السلاسل المتوازية: اعتبارات الحماية والبنية الطوبولوجية (ملف بي دي إف) هذا المرجع الهندسي الخارجي يناقش المراقبة المستقلة للسلاسل والعزل التلقائي ومقايضات البنية الطوبولوجية؛ وهو لا يُعد دليلاً على ميزة من ميزات منتج جي كي إي إس إس أو ادعاءً بالتوافق.

كيف يدير هيكل نظام جي كي إي إس إس عالي الجهد لأنظمة تخزين الطاقة الكهربائية السلاسل المتوازية

تؤدي علبة التحكم الرئيسية ووحدات إدارة البطاريات الفرعية (BMUs) ووحدة التحكم على مستوى النظام أدوارًا مختلفة. وتوفّر منصة جي كي إي إس إس (JKESS) ذات التكوين الرئيسي-الفرعي وحدات قياس الوحدات، والاتصال، والحماية. كما يجب أن يُعرِّف مشروع السلسلة المتوازية أيضًا استشعار كل سلسلة كاملة، والعزل عنها، والتحكم الإشرافي فيها.

التوصيف له أهمية بالغة. تنشر صفحة المنتج الرئيسية نطاقين لعدد الخلايا المتصلة على التوالي، ولذلك لا يُعامل هذان النطاقان على أنهما قابلين للتبديل. ويتحدد السعة الطاقية وفقًا للخلايا المختارة والتوصيف الكهربائي، وليس بعدد الصناديق وحده. وعليك مطابقة مواصفات الشراء بدقة مع الأجهزة والبرنامج الثابت والرسم النظامي المعتمد.

قائمة التحقق السابقة للتوسيع: ٨ عناصر يجب التحقق منها قبل توصيل سلسلة جديدة على التوازي

1. تحقق من التطابق الكهربائي. تأكيد تطابق كيمياء الخلايا المعتمدة وعدد الخلايا في السلسلة، ونطاق الجهد المتوافق، والقطبية الصحيحة. قياس جهود الدائرة المفتوحة (OCV) للسلاسل بعد الراحة واستخدام الحد الأقصى لعدد التوصيلات المسموح به من قِبل الشركة المصنعة؛ الجهد ≤٢ فولت ليس آمنًا بشكل عام في حلقة ذات مقاومة منخفضة.
2. مراجعة الخلايا وحالتها. مقارنة الطراز وسجلات الدفعة والسعة والمقاومة الداخلية والعمر وحالة الصحة (SOH) وانتشار جهد الخلايا. لا يُعتبر تطابق تسمية المنتج أو قراءة الشحن الأولية (SOC) دليلاً على التوافق.
3. تأكيد وجود حماية مستقلة لكل فرع. التحقق من القاطع وال퓨ز والمسار المعزول المتحكم فيه لكل سلسلة، وتناسق تيار الخطأ، وترتيب ما قبل الشحن/التوصيل المعتمد.
4. التحقق من استشعار التيار. تأكيد وجود استشعار ثنائي الاتجاه مستقل لكل سلسلة، بما في ذلك قطبية المستشعر وانحراف الصفر ودقته وتسجيل البيانات وقدرته على القياس في وضع الاستعداد.
5. التحقق من استراتيجية الإشراف. تأكيد حدود قبول شحنة البطارية (SOC) والجهد، وأذونات الاتصال، وحدود التيار، واستجابات فقدان الاتصال، وتخفيض القدرة بعد انفصال سلسلة ما.
6. التحقق من الظروف الحرارية. مقارنة درجات حرارة الخلايا ودرجة حرارة البيئة المحيطة، وفحص أداء تدفق الهواء أو التبريد السائل. ويمكن أن يُعتبر فرق درجة الحرارة ≤٣°م هدفًا مشروعًا، وليس عتبة عامة للقبول أو الرفض؛ ويجب استخدام معايير الحرارة المعتمدة رسميًّا.
7. إكمال فحوص العزل المحددة. يجب أن يقوم أشخاص مؤهلون باستخدام إجراء العزل المعتمد للمعدات، وفولتية الاختبار، ومقاومة القبول. وينطبق معيار مثل ≥١ ميغاأوم عند ١٠٠٠ فولت تيار مستمر فقط عند تحديده صراحةً؛ ولا يجوز إجراء اختبار عزل الجهد العالي عبر الإلكترونيات المتصلة ما لم يسمح الإجراء بذلك صراحةً.
8. تخطيط التشغيل الأولي والمراقبة اللاحقة. ضبط المنبهات قبل التوصيل، والتحقق من تسلسل التشغيل المعتمد، وتسجيل تيار الفرع ونسبة الشحن (SOC) وفولتية الخلايا ودرجات الحرارة خلال فترة المراقبة الأولية التي تمتد ٧٢ ساعة. ثم مواصلة مراقبة الاتجاهات بعد ذلك.

٥ أخطاء شائعة عند توصيل سلاسل البطاريات على التوازي

1. ١. توصيل السلاسل على التوازي مباشرةً عندما تكون نسب شحنها (SOC) مختلفة

   قد يمر تيار كبير جدًّا بين سلسلة بطاريات جديدة تمامًا وسلسلة موجودة بالفعل بنسبة شحن (SOC) تبلغ ٨٠٪ عند إجراء التوصيل. لذا يجب مطابقة الجهد ونسبة الشحن وفق الإجراء المعتمد، والتحقق أيضًا من الحدود القصوى للخلايا وكذلك جهد المجموعة الكاملة. ولا يجوز استخدام القاطع الرئيسي لمعادلة فرق غير معتمد.

2. ٢. حماية المجموعة بأكملها بواسطة قاطع واحد فقط

   لا يمكن للقاطع المشترك أن يوفّر عزلًا انتقائيًّا لكل فرع على حدة. لذا يجب تحديد قواطع و퓨وزات منسَّقة لكل سلسلة على حدة، بالإضافة إلى آلية انفصال خاضعة للتحكم. وقد لا تصل التيارات الداخلية المعتدلة أبدًا إلى العتبة التشغيلية للفيوز.

3. ٣. مراقبة تيار البطارية الكلي فقط

   قد تبدو القيمة الإجمالية طبيعيةً بينما تُفرِّغ سلسلةٌ واحدةٌ شحنتها في سلسلةٍ أخرى. وفَّر قياسات ثنائية الاتجاه لكل سلسلة، وافحص اتجاه التيار، ومقداره المطلق، وتوزيع الحمل المتوقع في كل وضع تشغيل.

4. ٤. تجاهل الفروق في درجات الحرارة

   يؤدي التبريد غير المتجانس إلى تغيُّر في المقاومة والسعة المتاحة وسلوك الشحن النسبي (SOC). وافحص درجات حرارة الخلايا المقاسة والاتجاهات الحرارية، وليس فقط درجة حرارة الغرفة. واحتفظ بالتركيب ضمن حدود التجانس المسموح بها من حيث درجة الحرارة؛ فدرجة الحرارة ٣°م ليست قاعدةً عالميةً للقبول.

5. ٥. تخطي مراجعة الاتجاهات خلال الساعات الثلاثة والسبعين الأولى

   قد يفوِّت اختبار التشغيل الأولي القصير السلوك الذي يظهر عند مستوى شحن نسبي (SOC) مختلف أو حملٍ مختلف أو درجة حرارة مختلفة. وافحص التيارات الموقَّعة في الفروع والتنبيهات المرتبطة بها خلال فترة المراقبة الأولية التي تمتد ٧٢ ساعة، ثم واصل المراقبة طويلة الأمد. ولا يثبت الاتصال الأولي ولا مرور ٧٢ ساعة دون تنبيهات توافق النظام على مدى العمر الافتراضي.

الأسئلة المتكررة