توازن البطارية: ماذا، ولماذا، وكيف

توازن البطارية هو عملية حيوية للحفاظ على كفاءة وأداء وسلامة أنظمة البطاريات، سواء لتخزين الطاقة الشمسية أو المركبات الكهربائية (EVs) أو تطبيقات الطاقة الأخرى. بدون توازن مناسب، يمكن أن تصبح بطارياتك غير متوازنة، مما يقلل من عمرها الافتراضي وأدائها.

تستكشف هذه الدليل ما هو توازن البطارية، وأسباب عدم التوازن، وكيفية إصلاحه، مع معالجة كل من الخلايا الفردية ومجموعات البطاريات.

ماذا يعني عدم توازن البطارية؟

تشير عدم توازن البطارية إلى حالة حيث جهد البطارية أو حالة الشحن (SoC) تختلف بين الخلايا أو المجموعات داخل حزمة البطارية. مع مرور الوقت، يؤدي عدم التوازن إلى عدم الاتساق—اختلافات في أداء الخلايا—مما يزيد من تفاقم المشكلة ويشكل دورة مفرغة.

تعتبر هذه المشكلة شائعة بشكل خاص في التكوينات متعددة الخلايا ويمكن أن تؤدي إلى عدة مشاكل، بما في ذلك تقليل سعة تخزين الطاقة، وتسريع تدهور الخلايا، وزيادة مخاطر الشحن الزائد أو الشحن الناقص، مما قد يشكل مخاطر على السلامة. من المهم أن نلاحظ أن عدم التوازن لا يقتصر على الخلايا الفردية؛ بل يمكن أن يحدث أيضًا بين مجموعات البطاريات.

ما الذي يسبب عدم توازن البطاريات؟

تنشأ عدم توازن البطارية بسبب عدم التناسق في الخلايا الفردية، الناتج عن اختلافات في المعايير وظروف التشغيل والعوامل البيئية. تشمل الأسباب الرئيسية ما يلي:

1. تباينات معلمات الخلية

حتى البطاريات المماثلة يمكن أن تختلف في السعة والمقاومة، مما يتسبب في شحن/تفريغ غير متساوي. الخلايا ذات السعة المنخفضة أو المقاومة العالية تتدهور بشكل أسرع، حيث تشحن أو تفرغ في وقت مبكر، مما يؤدي إلى عدم الكفاءة وعدم التوازن مع مرور الوقت. هذه الاختلافات تسرع من التآكل، مما يقلل من أداء البطارية العام وعمرها.

2. شروط الشحن/التفريغ

يمكن أن تتسبب طرق الشحن غير السليمة، مثل الشحن الزائد أو التفريغ الزائد، في تلف الخلايا وزيادة الفجوات مع مرور الوقت.

3. تأثيرات درجة الحرارة

توزيع الحرارة غير المتساوي داخل الحزمة أو التعرض لدرجات حرارة شديدة يسرع من تدهور الخلايا بسبب زيادة التفاعلات الكيميائية، مما يقلل من الأداء العام.

4. أخطاء تقدير SOC

تظهر اختلافات حالة الشحن (SOC) نتيجة للاختلافات في السعات الأولية أو اختلافات المقاومة، مما يؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للتيار في الدوائر المتوازية.

5. العمر والتدهور

مع تقدم عمر البطاريات، تتفاوت سعتها وأداؤها، مما يؤدي إلى شحن وتفريغ غير متساوي.

6. الدوائر الخارجية

تؤدي الاختلافات في الموصلات والمقاومات ودارات إدخال نظام إدارة البطارية (BMS) إلى توزيع غير متساوٍ للطاقة، مما يعزز الت inconsistencies.

بينما لا يمكن تجنب عدم توازن البطارية، فإن اتخاذ تدابير استباقية أمر ضروري لتقليل الت inconsistencies والحفاظ على الأداء.

لماذا يعتبر توازن البطارية مهمًا؟

تضمن حزمة/نظام البطارية المتوازن أن تعمل كل خلية فردية ضمن نطاق جهدها الآمن. إليك لماذا يعتبر توازن البطارية مهمًا جدًا:

منع فقدان السعة القابلة للاستخدام

تؤدي الاختلافات بين خلايا البطارية في التوصيلات المتسلسلة والمتوازية إلى تقليل السعة القابلة للاستخدام للنظام.

على سبيل المثال، في نظام بسعة 500 كيلو واط ساعة مع 50 خلية متسلسلة، كل منها تخزن 10 كيلو واط ساعة، إذا وصلت خلية واحدة فقط إلى 85% من حالة الشحن (SoC) بينما تكون الخلايا الأخرى عند 100%، فإن الطاقة المخزنة في الحزمة تنخفض إلى 495 كيلو واط ساعة. أثناء التفريغ، تكون محدودة إلى 425 كيلو واط ساعة (85%)، مما يؤدي إلى فقدان سعة بنسبة 15%.

بدون التوازن، تتزايد هذه الفجوة، مما يحجز المزيد من الطاقة ويعجل من تدهور الخلايا.

تجنب التناقضات المتوازية

في التكوينات المتوازية، تتسبب اختلافات الجهد في حدوث تيارات دائرية، مما يجبر الكتل ذات المقاومة الأقل على الشحن أو التفريغ بشكل أسرع. وهذا يؤدي إلى توقفات مبكرة، سخونة مفرطة، وفقدان السعة.

على سبيل المثال، سجل نظام انحرافًا في تيار الشحن قدره 60 أمبير، مع فرق قدره 40% عن المتوسط. مثل هذه الاختلالات تقلل من الكفاءة، وتقصّر من عمر النظام، وتزيد من مخاطر السلامة.

التخفيف من تأثيرات الحرارة

تؤدي درجات الحرارة غير المتساوية بين الخلايا إلى تفاقم مقاومة واختلافات السعة، مسرعةً التدهور ومخاوف السلامة. يمكن أن يؤدي ارتفاع قدره 15 درجة مئوية إلى تقليل عمر النظام إلى النصف، مما يجعل إدارة درجة الحرارة بشكل متسق أمرًا حاسمًا.

من خلال معالجة هذه التحديات، يضمن توازن البطارية أقصى سعة وكفاءة وموثوقية، مما يحمي استثمارك ويطيل عمر النظام.

كيفية إصلاح عدم توازن البطارية وعدم الاتساق

عندما يحدث عدم توازن في البطارية أو الخلية، هناك عدة طرق لمعالجة المشكلة، إما باستخدام أدوات متخصصة أو طرق يدوية. إليك بعض الحلول الفعالة:

استخدم نظام إدارة البطارية (BMS)

نظام إدارة البطارية (BMS) مصمم لمراقبة وتوازن الجهد عبر الخلايا الفردية في حزمة البطارية. يقوم بتوازن الخلايا تلقائيًا أثناء عملية الشحن، مما يضمن أن جميعها تصل إلى نفس الجهد.

استخدم موازن البطارية

موازن البطارية هو جهاز مصمم لموازنة مستويات الجهد والشحن بين الخلايا الفردية أو مجموعات الخلايا في حزمة البطارية. يعمل موازن البطارية عن طريق إعادة توزيع الشحن بين الخلايا، مما يضمن أن جميعها تحافظ على نفس مستوى الجهد.

توازن البطاريات بالتوازي

عندما تواجه البطاريات المتصلة بالتوازي اختلافات في الجهد، يمكنك غالبًا حل المشكلة من خلال عملية بسيطة:

1. افصل واسترح بالتوازي:

افصل البطاريات عن مصدر الشحن والأحمال. ثم قم بتوصيلها بالتوازي مباشرة. اترك البطاريات لترتاح لمدة تقارب 3 ساعات. خلال هذا الوقت، ستقوم البطاريات ذات الجهد الأعلى بنقل الشحن بشكل طبيعي إلى البطاريات ذات الجهد الأقل، مما يساعد على توازن جهدها.

2. قم بأداء دورات شحن وتفريغ كاملة إذا لزم الأمر:

إذا استمر فرق الجهد بعد الراحة، ستحتاج إلى فصل البطاريات و إجراء دورة شحن وتفريغ كاملة واحدة أو اثنتين لكل بطارية على حدة. هذه العملية تعيد ضبط نظام إدارة البطارية (BMS)، مما يسمح له بإعادة المعايرة وقراءة مستويات الجهد لكل بطارية بدقة.

إصلاح عدم توازن البطارية الناتج عن اختلافات السعة

عند استخدام بطاريات متعددة من نفس الطراز، يمكن أن تؤدي اختلافات السعة إلى عدم توازن، خاصة عند توصيلها بالتوازي.

تجنب الاتصال المتوازي للاختلافات الكبيرة في السعة:

إذا كانت الفجوة في السعة بين البطاريات كبيرة، فلا يُنصح بتوصيلها بالتوازي. ستشحن البطارية الأصغر أولاً، مما يترك البطارية الأكبر غير مشحونة بشكل كافٍ، مما سيزيد من عدم التوازن مع مرور الوقت.

اختبار واستبدال الخلايا ذات السعة المنخفضة:

إذا كنت لا تزال ترغب في استخدام البطاريات بالتوازي، اختبر سعة البطارية ذات الأداء الأقل. استبدل أي خلايا ذات أداء ضعيف لاستعادة التوازن وضمان شحن متسق عبر مجموعة البطاريات.

توازن خلايا البطاريات

إذا أصبح جهد خلايا البطارية الفردية غير متوازن، يمكن اتخاذ الخطوات التالية لاستعادة التوازن:

1. فك حزمة البطارية

افتح غلاف البطارية بعناية للوصول إلى الخلايا الفردية. تأكد من اتباع جميع احتياطات السلامة، مثل ارتداء قفازات معزولة والعمل في منطقة جيدة التهوية.

2. قياس جهد الخلايا

استخدم مقياس متعدد القياسات لقياس جهد كل خلية. حدد الخلايا ذات الجهود الأقل من غيرها، حيث إن هذه هي السبب الرئيسي لعدم التوازن.

3. شحن خلايا الجهد المنخفض

باستخدام مصدر طاقة قابل للبرمجة، قم بشحن الخلايا ذات الفولتية المنخفضة حتى تتطابق مع فولتية الخلايا الأخرى. هذه الخطوة تعمل على توحيد مستويات الشحن وتساعد في استعادة التوازن.

4. فحص مشاكل المقاومة الداخلية

إذا استمر عدم توازن الجهد حتى بعد الشحن، فقد تكون المشكلة ناتجة عن زيادة المقاومة الداخلية في خلية واحدة أو أكثر. وغالبًا ما تكون هذه علامة على الشيخوخة أو التلف.

5. استبدال الخلايا التالفة

قم بإزالة أي خلايا ذات مقاومة داخلية أعلى بشكل ملحوظ. استبدلها بخلايا جديدة ذات قيم مقاومة داخلية متسقة. في هذه الخطوة، استخدم آلة لحام نقطية أو آلة لحام بالليزر لتوصيل خلايا الاستبدال بشكل آمن إلى حزمة البطارية.

نصائح عملية لتقليل عدم توازن/عدم اتساق البطارية

لتقليل عدم التناسق وعدم التوازن في البطارية أثناء الاستخدام اليومي، من الضروري اتباع أفضل الممارسات للصيانة والتشغيل.

• حدد عدد الاتصالات المتوازية: تأكد من عدم توصيل أكثر من 8 بطاريات بشكل متوازي. قم بإزالة البطاريات الزائدة إذا تم تجاوز هذا الحد.
• استخدم بطاريات متطابقة: تأكد من أن جميع البطاريات المتصلة بالتوازي متطابقة في العلامة التجارية، النموذج، السعة، ومستوى الجهد. خلط البطاريات يمكن أن يؤدي إلى عدم التوازن.
• تسوية الفولتية الأولية: قبل الاتصال المتوازي، قم بشحن كل بطارية بشكل فردي لضمان أن تكون الفروق في الفولتية (Voc) أقل من 0.1 فولت.
• توحيد الأسلاك: استخدم طريقة الأسلاك المحددة، حافظ على أطوال الأسلاك متسقة، استخدم نفس قياس السلك (AWG)، وتأكد من وجود اتصالات آمنة.
• تعديل تيارات الشحن/التفريغ: حافظ على التيارات فوق 0.2C لتحقيق التوازن الأمثل. على سبيل المثال، اشحن/افرغ بطارية سعة 100Ah عند 20A أو أكثر.
• تجنب درجات الحرارة القصوى: منع البطاريات من العمل في بيئات ذات درجات حرارة مرتفعة لتقليل الضغط وعدم التوازن.
• راقب معدلات التفريغ الذاتي: تحقق بانتظام من التوازن في الفولتية لمراعاة الفروق في معدلات التفريغ الذاتي.
• الاتصال بشريط تجميع مشترك: تأكد من أن جميع البطاريات المتصلة بالتوازي تشترك في نفس شريط التيار المستمر لتقليل التباينات.

من خلال تنفيذ هذه التدابير، يتم تقليل خطر عدم التوازن بشكل كبير، مما يعزز أداء البطارية وطول عمرها.