ما هو نظام إدارة سلامة البطارية؟
إدارة السلامة
يضمن نظام إدارة سلامة البطارية في المقام الأول التشغيل الآمن والفعال لمجموعة البطارية، مما يمنعها من الاشتعال بسبب درجات الحرارة المرتفعة أو الفشل بسبب درجات الحرارة المنخفضة. نظرًا لأن مجموعة البطارية عبارة عن جهاز-عالي الجهد، فإن نظام الحماية العازل ذو الجهد العالي-ضروري لضمان سلامة ركاب السيارة والمشاة. يجب أن يكون نظام إدارة سلامة البطارية قادرًا على تعظيم أداء كل من البطارية والمركبة مع ضمان التشغيل الآمن للمركبة. إن تطوير أنظمة إدارة سلامة البطاريات له أهمية كبيرة لضمان سلامة الأرواح والممتلكات وتعزيز تطوير السيارات الكهربائية.
-نظام اختبار عزل الجهد العالي
تعمل أجهزة تخزين الطاقة في المركبات الكهربائية، مثل مجموعات بطاريات الطاقة، أو خلايا الوقود، أو المكثفات الفائقة، بجهد كهربائي يتجاوز بكثير نطاق الجهد الآمن لجسم الإنسان؛ تحتوي بعض الحافلات الكهربائية على بطاريات تعمل بجهد 600 فولت. يتدهور أداء العزل للمواد العازلة في السيارة تدريجيًا أثناء الاستخدام بسبب التآكل، كما تؤدي زيادة الرطوبة أيضًا إلى تقليل أداء العزل بين بطارية الطاقة ذات الجهد العالي- والهيكل. عندما تتآكل الطبقة العازلة للأطراف الموجبة والسالبة للبطارية وتتلامس مع الهيكل، يتم إنشاء حلقة تسرب تيار، مما يؤثر على تشغيل وحدة التحكم في المحرك، وغيرها من الأجهزة الكهربائية ذات الجهد المنخفض-، بل ويعرض سلامة الركاب للخطر. عندما يتقادم العزل بين نقاط متعددة في دائرة حزمة البطارية والهيكل، يحدث تفريغ ذاتي{6}}وتراكم للطاقة، مما قد يؤدي إلى نشوب حريق في الحالات الشديدة. لضمان التشغيل الآمن للمركبة، يجب تركيب جهاز كشف أداء العزل لمراقبة مقاومة العزل بين نظام الجهد العالي-والهيكل في الوقت الفعلي.
تشمل طرق اختبار العزل شائعة الاستخدام ما يلي:
1. طريقة قياس التسرب المباشر
في أنظمة التيار المستمر، هذه هي الطريقة الأبسط والأكثر عملية. اضبط مقياسًا متعددًا على النطاق الحالي وقم بتوصيله في سلسلة بين الطرف الموجب لحزمة البطارية وغلاف الجهاز (أو الأرض). سيؤدي هذا إلى اكتشاف تيار التسرب بين الطرف السالب لحزمة البطارية والغلاف. وبالمثل، يمكن توصيله على التوالي بين الطرف السالب والغلاف للكشف عن تيار التسرب بين الطرف الموجب والغلاف. تتميز هذه الطريقة بالبساطة وسهولة التنفيذ، ويتم استخدامها بشكل شائع في-اكتشاف الأخطاء في الموقع وعمليات الفحص الروتيني للمركبات.
2. طريقة الاستشعار الحالية
يعد مستشعر تيار تأثير هول طريقة شائعة لاكتشاف التسرب في أنظمة التيار المستمر ذات الجهد العالي-. يتم تمرير حافلات الطاقة الموجبة والسالبة لنظام البطارية معًا في نفس الاتجاه من خلال مستشعر التيار. عندما لا يكون هناك تيار تسرب، فإن التيار المتدفق من الطرف الموجب يساوي التيار العائد إلى الطرف السالب. ولذلك، فإن التيار الذي يمر عبر المستشعر الحالي هو صفر، والجهد الناتج الحالي للمستشعر هو صفر. عند حدوث تسرب، فإن جهد خرج المستشعر الحالي ليس صفراً. يمكن استخدام إشارة هذا الجهد لتحديد ما إذا كان تيار التسرب ينشأ من الطرف الموجب أو السالب لمصدر الطاقة. ومع ذلك، تتطلب طريقة الاختبار هذه أن تكون حزمة البطارية قيد الاختبار جاهزة للعمل، مع تدفق التيار للداخل والخارج. لا يمكنه تقييم أداء عزل نظام البطارية للأرض في ظل ظروف عدم التحميل-.
3. طريقة قياس مقاومة العزل
تستخدم هذه الطريقة مقياس مقاومة العزل لقياس قيمة مقاومة العزل. غالبًا ما يتم تشغيل مقياس مقاومة العزل، والمعروف باسم مقياس الضخامة، بواسطة مولد ذو كرنك يدوي-، ومن ثم يُسمى أيضًا بمقياس الضخامة. يعتمد مقياسه على مقاومة العزل وهو أداة قياس شائعة الاستخدام في الهندسة الكهربائية. يظهر مبدأ عملها في الشكل 8-29.
يعمل الجهاز عن طريق إثارة الجهاز أو الشبكة قيد الاختبار بالجهد، ثم قياس التيار الناتج عن الإثارة، واستخدام قانون أوم لقياس المقاومة. يتكون مقياس مقاومة العزل بشكل أساسي من جزأين: مولد بذراع تدوير يدوي-ومقياس نسبة الكهرومغناطيسية. من خلال تدوير المقبض، يولد المولد اليدوي -جهدًا عاليًا للتيار المتردد، والذي يتم تصحيحه بواسطة صمام ثنائي لتوفير جهد عالي للتيار المستمر للقياس. يقوم بعد ذلك مقياس النسبة الكهرومغناطيسية بقياس نسبة التيار في ملف الجهد وملف التيار، ويشير مؤشر المؤشر إلى مقياس المقاومة.
تستخدم الطرق الثلاث المذكورة أعلاه معدات خاصة لاختبار تيار التسرب ومقاومة العزل، مما يمثل صعوبات معينة للتكامل في أنظمة إدارة البطارية. تُستخدم طرق قياس الدوائر بشكل أكثر شيوعًا في أنظمة إدارة البطارية. يظهر مبدأ قياس عزل جهد التيار المستمر الشائع الاستخدام في الشكل 8-30.
في هذا المخطط التفصيلي، تعتبر R₁ وR₂ وR₃ وR₄ مقاومات ذات مقاومة عالية (على سبيل المثال، 500 كيلو أوم أو أعلى)، مما يضمن عدم انخفاض مستوى العزل بشكل مصطنع أثناء القياس. Rₙ وRₚ هما مقاومتا عزل الأطراف الموجبة والسالبة لحزمة بطارية الطاقة لجسم السيارة، على التوالي. R' وR" عبارة عن مقاومات مقسمة جهد ذات مقاومات صغيرة (على سبيل المثال، حوالي 2000 أوم)، مما يسمح لشريحة التحويل A-D بالحصول على إشارات تناظرية بمستوى mV- عبرها.
عندما يكون المفتاح S في حالة إيقاف التشغيل، يمكن الحصول على قيم الجهد عبر Rₙ وRₚ من خلال شريحة القياس، مما يؤدي إلى المعادلة التالية:
في الصيغة، يمثل V₁ وV₂ الفولتية إلى الأرض لقضبان التوصيل الموجبة والسالبة عندما يكون المفتاح S مفتوحًا.
وبالمثل، عند إغلاق المفتاح S، يمكن الحصول على معادلة أخرى:
في الصيغة، يمثل V'₁ وV'₂ الفولتية الموجبة والسالبة لقضيب التوصيل إلى الأرض عند إغلاق S.
نظرًا لأن قيم المقاومة للمقاومات المتسلسلة R₁ وR₂ وR₃ وR₄ وR وR' معروفة، فيمكن استخدام نظام المعادلات (8-5) و(8-6) لحل R₊ وR₋.
تشتمل طرق قياس مقاومة العزل الأخرى المستخدمة في أنظمة إدارة البطارية على طريقة الجسر المتوازن، وطريقة حقن الإشارة ذات التردد العالي، وطريقة إمداد الطاقة المساعدة. مع زيادة جهد بطاريات الطاقة وانتشار تطبيقاتها، أصبحت سلامة عزل المركبات الكهربائية ذات أهمية متزايدة، ويعمل الباحثون باستمرار على تصميم طرق مختلفة لمراقبة العزل والتحقق من صحتها.
قوة الذروة
SOP (حالة الطاقة) هي الطاقة القصوى التي يمكن للبطارية إطلاقها أو امتصاصها خلال فترة زمنية محددة مسبقًا. تُستخدم طاقة الذروة لتقييم حدود الشحن والتفريغ لبطارية الطاقة في ظل حالات شحن مختلفة، وتلعب دورًا حاسمًا في تحسين المطابقة بين حزمة بطارية الطاقة وأداء طاقة السيارة، فضلاً عن تعظيم وظيفة الكبح التجديدي للمحرك الكهربائي. كما أن لها قيمة نظرية وعملية كبيرة للاستخدام الرشيد للبطاريات، وتجنب الشحن الزائد أو التفريغ الزائد-، وتحسين سلامة البطارية، وإطالة عمر البطارية. ومع ذلك، فإن طاقة البطارية القصوى تخضع لقيود عديدة تتعلق بالسلامة؛ فقط قوة الذروة ضمن حدود السلامة هذه لها أهمية عملية. يناقش هذا القسم بعض معلمات البطارية التي تحد من ذروة الطاقة ويستكشف العلاقة بين سلامة البطارية وذروة الطاقة.
1. القيود القائمة على درجة الحرارة-
تتغير موصلية الإلكتروليت ونشاط مواد الأنود والكاثود مع تغير درجة الحرارة، مما يؤثر على الحد الأعلى لقدرة شحن وتفريغ البطارية. ينخفض معدل تفاعل الأقطاب الكهربائية مع انخفاض درجة الحرارة. تؤثر درجة الحرارة أيضًا على معدلات نقل الأيونات والإلكترونات في المنحل بالكهرباء. وتزداد هذه المعدلات مع ارتفاع درجة الحرارة والعكس صحيح. علاوة على ذلك، إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة للغاية، وتتجاوز حد درجة الحرارة المحدد، فسيتم اختلال التوازن الكيميائي داخل البطارية، مما يسبب مشكلات تتعلق بسلامة البطارية.
كما هو موضح في الشكل 8-31، تتغير الطاقة القصوى للبطارية مع درجة الحرارة، مما يظهر منحنى غير خطي بشكل واضح. تتناقص القدرة القصوى مع انخفاض درجة الحرارة، وتتغير ببطء عند درجات الحرارة المنخفضة. تزداد الطاقة القصوى مع زيادة درجة الحرارة، ولكن درجات الحرارة المرتفعة بشكل مفرط تجعل تبديد الحرارة أمرًا صعبًا، مما يؤثر سلبًا على سلامة البطارية وعمرها.
2. حالة الشحن (SOC)-القيود القائمة
تم تصميم قيد SOC على SOP (بدء التشغيل) لمنع الشحن الزائد والتفريغ الزائد لبطارية الطاقة- أثناء التشغيل، مما يضمن سلامة البطارية. عند دراسة العلاقة بين طاقة الذروة وSOC، يجب أيضًا مراعاة تأثير عوامل مثل درجة الحرارة ومعدل الشحن/التفريغ على SOC لتحسين دقة قياس SOC. كما هو مبين في الشكل 8-32، مع زيادة حالة الشحن (SOC)، تزداد قوة التفريغ بينما تنخفض طاقة الشحن. على سبيل المثال، ضمن نفس نطاق SOC، عندما تزيد SOC من 10% إلى 90%، تزيد طاقة التفريغ القصوى من 222 واط إلى 693 واط، بينما تنخفض طاقة الشحن القصوى من 675 واط إلى 300 واط. يمكن لدراسة ذروة الطاقة في ظل ظروف SOC المختلفة تقدير قدرات الشحن والتفريغ للبطارية، وتوفير البيانات والدعم الفني لاستخدامها في السيارات الكهربائية.
3. القيود المبنية على المقاومة الأومية
كما هو مبين في الشكل 8-33، فإن القدرة القصوى للبطارية تتناسب عكسيًا تقريبًا مع مقاومتها الداخلية الأومية. كلما كانت المقاومة الداخلية الأومية أصغر، كلما كان خرج الطاقة الأقصى أكبر وأسرع؛ على العكس من ذلك، كلما زادت المقاومة الداخلية الأومية، كلما كان خرج الطاقة الأقصى أصغر وأبطأ.
ترتبط درجة حرارة البطارية وحالة الشحن (SOC) والمقاومة الداخلية ارتباطًا وثيقًا بحالة سلامتها. ولذلك، يجب أن تستوفي حالة تشغيل البطارية (SOP) القيود التي تفرضها هذه العوامل الثلاثة لضمان التشغيل الآمن وإطالة عمرها الافتراضي.
