نظام إدارة البطارية (BMS)

1- نظرة عامة على الوظائف

وظيفة مراقبة البيانات

يستطيع نظام إدارة البطارية (BMS) مراقبة بيانات أساسية متعددة لحزمة البطارية في الوقت الفعلي. فهو قادر على قياس جهد كل خلية على حدة بدقة، فعلى سبيل المثال، في حزمة بطاريات الليثيوم، يمكنه رصد تغيرات الجهد في كل خلية، وعادةً ما يكون هامش الخطأ ضمن بضعة ميلي فولتات. في الوقت نفسه، تتم مراقبة التيار الكلي لحزمة البطارية، سواءً كان تيار شحن أو تيار تفريغ، لتحديد حالة عمل البطارية.

يُعدّ رصد درجة حرارة البطارية جزءًا بالغ الأهمية. إذ يستطيع نظام إدارة البطارية (BMS) استشعار درجة حرارة مختلف أجزاء البطارية في الوقت الفعلي عبر مستشعرات حرارة موزعة داخل حزمة البطارية، وتصل دقة رصد درجة الحرارة إلى حوالي ± 1 درجة مئوية. وهذا أمر بالغ الأهمية لمنع تدهور الأداء أو وقوع حوادث السلامة الناجمة عن ارتفاع درجة حرارة البطارية أو انخفاضها بشكل مفرط.

دالة تقدير الحالة

استنادًا إلى البيانات المُراقبة، يُمكن لنظام إدارة البطارية (BMS) تقدير حالة البطارية بدقة. وأهم هذه البيانات هي حالة الشحن (SOC)، والتي تُمثل تقديرًا لسعة البطارية المتبقية. يستخدم النظام خوارزميات مُعقدة، مُدمجة مع مُعاملات مثل جهد البطارية، والتيار، ودرجة الحرارة، وغيرها، لحساب طاقة البطارية المُتبقية في الوقت الفعلي، مع هامش خطأ يتراوح عادةً بين 5% و10%، مما يُوفر للمستخدمين معلومات دقيقة عن البطارية.

في الوقت نفسه، يمكن لنظام إدارة البطارية (BMS) تقييم حالة صحة البطارية (SOH)، أي حالتها الصحية. ومن خلال التسجيل طويل الأمد لعوامل مثل عدد دورات الشحن والتفريغ، وتدهور السعة، وغيرها، يمكن تحديد ما إذا كانت البطارية تعاني من التقادم، أو تدهور الأداء، أو مشاكل أخرى، مما يوفر مرجعًا لصيانة البطارية واستبدالها.

وظيفة موازنة البطارية

في حزم البطاريات، قد يختلف أداء الخلايا الفردية تبعًا لعوامل مثل عمليات التصنيع وظروف الاستخدام. يمكن لنظام إدارة البطاريات (BMS) حل هذه المشكلة بفعالية من خلال وظيفة الموازنة. ويعتمد هذا النظام بشكل أساسي على طريقتين للموازنة: الأولى هي الموازنة السلبية، حيث يتم توصيل مقاوم كهربائي بالتوازي مع كل بطارية في الحزمة. فعندما يكون جهد إحدى البطاريات مرتفعًا جدًا، تُستهلك الطاقة الزائدة على شكل حرارة عبر المقاوم. أما الطريقة الثانية فهي الموازنة النشطة، حيث يتم نقل طاقة البطاريات ذات الجهد العالي إلى البطاريات ذات الجهد المنخفض لتحقيق توازن الجهد بين مختلف البطاريات في الحزمة، مما يُطيل عمرها الافتراضي.

وظيفة الحماية الأمنية

يُعد نظام إدارة البطارية (BMS) عنصرًا أساسيًا لحماية حزمة البطاريات. فعندما تتعرض البطارية للشحن الزائد، كما في حالة تجاوز جهد الشحن الحد الآمن المحدد (عادةً ما تخضع بطاريات الليثيوم لأنظمة صارمة بشأن جهد قطع الشحن)، يقوم نظام إدارة البطارية بفصل دائرة الشحن فورًا لمنع تلف البطارية أو حتى وقوع حوادث خطيرة نتيجة الشحن الزائد.

وبالمثل، فيما يتعلق بالتفريغ الزائد، فبمجرد انخفاض جهد البطارية عن الحد الأدنى المحدد، سيتوقف نظام إدارة البطارية (BMS) عن التفريغ لتجنب فقدان السعة غير القابل للاسترداد الناتج عن التفريغ الزائد. إضافةً إلى ذلك، عند اكتشاف حالات غير طبيعية مثل ارتفاع درجة حرارة البطارية أو حدوث ماس كهربائي، سيتخذ نظام إدارة البطارية (BMS) إجراءات سريعة، مثل فصل الدائرة الكهربائية، وإصدار الإنذارات، وما إلى ذلك، لضمان سلامة حزمة البطارية.

2- مكونات الأجهزة

وحدة التحكم الرئيسية (MCU)

هذا هو المكون الأساسي لنظام إدارة البطارية، وهو بمثابة الدماغ. وحدة التحكم الدقيقة (MCU) هي عادةً معالج دقيق عالي الأداء مسؤول عن استقبال ومعالجة البيانات من مختلف أجهزة الاستشعار، وتشغيل خوارزميات معقدة لتحقيق وظائف مثل تقدير حالة البطارية والتحكم في توازنها. ويمكنها اتخاذ القرارات المناسبة بناءً على منطق البرنامج المُعد مسبقًا، مثل إصدار تعليمات تحكم لتفعيل آليات الحماية عند اكتشاف حالات غير طبيعية.

مستشعر

تُستخدم مجسات الجهد لقياس جهد كل خلية على حدة في البطارية. ويجب أن تتمتع هذه المجسات بدقة وموثوقية عاليتين لضمان الحصول على بيانات جهد دقيقة.

تُستخدم أجهزة استشعار التيار بشكل أساسي لقياس تيارات شحن وتفريغ حزم البطاريات. وتُستخدم عادةً أجهزة استشعار التيار بتقنية تأثير هول، والتي تتميز بقدرتها على قياس شدة التيار بدقة عالية حتى في ظروف التيار العالي، بالإضافة إلى خطيتها الجيدة.

تُوزّع مستشعرات درجة الحرارة في أجزاء رئيسية مختلفة من حزمة البطارية، مثل ما بين خلايا البطارية وعلى سطح وحدات البطارية. ومن بين مستشعرات درجة الحرارة الشائعة مستشعرات الثرمستور، التي تستجيب بسرعة لتغيرات درجة الحرارة وتوفر معلومات فورية عن درجة الحرارة لنظام إدارة البطارية.

دائرة متوازنة

كما ذكرنا سابقًا، تُعدّ دائرة الموازنة عنصرًا أساسيًا في تحقيق وظيفة موازنة البطارية. تتكون دوائر الموازنة السلبية بشكل رئيسي من سلسلة من مقاومات الموازنة ومفاتيح التحكم. عند الحاجة إلى الموازنة، يقوم مفتاح التحكم بتوصيل المقاومة المناسبة بالتوازي مع خلية البطارية عالية الجهد وفقًا لتعليمات وحدة التحكم الدقيقة، ليبدأ بذلك عملية الموازنة.

تُعدّ دوائر الموازنة النشطة معقدة نسبياً، وقد تتضمن مكونات مثل المحاثات والمكثفات وأنابيب التبديل. ومن خلال تصميم دوائر نقل الطاقة، يتم نقل الطاقة من البطاريات ذات الجهد العالي إلى البطاريات ذات الجهد المنخفض، مما يحقق موازنة أكثر كفاءة للبطاريات.

واجهة الاتصال

عادةً ما يكون نظام إدارة البطارية (BMS) مزودًا بواجهات اتصال متعددة، مثل واجهة ناقل CAN، وواجهة RS-485، وواجهة SPI. تُستخدم هذه الواجهات للتواصل مع الأجهزة الخارجية، مثل تبادل البيانات مع وحدة التحكم في المركبة (VCU) للمركبات الكهربائية، وأنظمة مراقبة أنظمة تخزين الطاقة، وغيرها. ومن خلال هذه الواجهات، تستطيع الأجهزة الخارجية الحصول على بيانات حالة البطارية التي يراقبها نظام إدارة البطارية، كما يمكنها إرسال تعليمات تحكم إليه لتحقيق المراقبة والإدارة عن بُعد لحزمة البطارية.