إذا سبق لك أن قمت بتقشير طبقات بطارية الليثيوم أيون - مثل تلك التي تشغل هاتفك أو الكمبيوتر المحمول أو السكوتر الكهربائي الذي تستخدمه للتنقل - فمن المحتمل أنك لاحظت لوحات دوائر صغيرة مدسوسة بين خلايا البطارية. هذه ليست مجرد إضافات عشوائية؛ إنها المراكز العصبية لنظام البطارية، ولأي شخص يعمل مع الدوائر المتكاملة لإدارة البطارية (BMICs)، هناك سؤال واحد يطرح مرارًا وتكرارًا: هل تراقب الدوائر المتكاملة لإدارة البطارية تيارات الخلايا الفردية؟
باعتباري القائد الفني في أحد موردي الدوائر المتكاملة لإدارة البطاريات، أطرح هذا السؤال مرة واحدة على الأقل أسبوعيًا على المهندسين الذين يصممون كل شيء بدءًا من الأدوات الاستهلاكية الصغيرة وحتى أنظمة تخزين الطاقة الصناعية. الإجابة المختصرة هي: يعتمد الأمر على نوع الدائرة المتكاملة، لكن فهم السبب يتطلب تحليل كيفية عمل البطاريات، وما تعنيه التيارات لصحة الخلية، وما هي ميزات BMIC التي تقدم قيمة حقيقية بالفعل. دعونا نتعمق في هذا الأمر، دون استخدام المصطلحات التقنية المفرطة، بل مجرد رؤى عملية اكتسبتها من العمل مع هذه المكونات لسنوات.
أولاً، دعونا نوضح ما يعنيه "تيار الخلية الفردية". تتكون حزمة البطارية دائمًا تقريبًا من خلايا متعددة موصلة على التوالي أو بالتوازي. تشترك الخلايا المتسلسلة في نفس التيار (فكر في تدفق الماء عبر أنبوب واحد)، بينما تقسم الخلايا المتوازية التيار مثل الماء عبر أنابيب متعددة. إذا كنت تراقب فقط إجمالي التيار المتدفق داخل أو خارج الحزمة بأكملها، فأنت تطير أعمى. قد يتم شحن خلية واحدة في سلسلة السلسلة بشكل زائد أو مفرط في التفريغ، حتى لو كان إجمالي تيار الحزمة يبدو طبيعيًا. على سبيل المثال، إذا كانت إحدى الخلايا تتمتع بمقاومة داخلية أعلى، فقد تستهلك تيارًا أكبر من الخلايا الأخرى أثناء الشحن، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة أو الفشل المبكر - وهو أمر يمكن أن يحول بطارية بقيمة 50 دولارًا إلى خطر الحريق.
إذًا، هل تقوم جميع دول BMICs بتتبع تيارات الخلايا الفردية؟ الجواب السريع هو لا. تم تصميم بعضها لتطبيقات أبسط حيث التكلفة هي الملك، وإجمالي المراقبة الحالية كافية. ولكن بالنسبة للأنظمة التي تتطلب السلامة وطول العمر والأداء، فإن مراقبة تيار الخلية الفردية هي ميزة غير قابلة للتفاوض. دعونا نحلل أنواع BMIC الشائعة وما يراقبونه فعليًا، حيث أن هذا هو المكان الذي يبدأ فيه الارتباك عادةً.
خذ شريحة حماية البطارية، على سبيل المثال. هذه هي العناصر الأساسية للبطاريات الاستهلاكية الصغيرة، مثل تلك الموجودة في سماعات الأذن اللاسلكية أو بنوك الطاقة. وظيفتهم الأساسية هي السلامة الأساسية: التوقف عن الشحن إذا كان الجهد مرتفعًا جدًا، والتوقف عن التفريغ إذا كان الجهد منخفضًا جدًا، وقطع التيار إذا كان هناك ماس كهربائي. والآن، هل يتتبعون تيارات الخلايا الفردية؟ في أغلب الأحيان، لا. إنهم يراقبون تيار الحزمة الإجمالي (عبر مقاوم ذو إحساس صغير) ويعتمدون على قراءات الجهد الكهربي للخلية الفردية للإبلاغ عن المشكلات. لماذا؟ لأن الخلايا الصغيرة ذات السعة المنخفضة نادرًا ما تعاني من نوع الاختلالات الحالية التي قد تراها في العبوات الأكبر حجمًا. لكن مهلا، هناك استثناء. إذا كان لديك حزمة تحتوي على خلايا متوازية متعددة، حتى الصغيرة منها، فإن بعض شرائح حماية البطارية المتقدمة تتضمن مراقبة تيار أساسية للسلاسل المتوازية للتأكد من أن كل سلسلة تحمل حملًا متساويًا. هذه التفاصيل الدقيقة يمكن أن تعني الفرق بين بطارية تدوم لمدة عام وبطارية تدوم ثلاثة أعوام.
التالي، شاحن البطارية IC. وتركز هذه على تنظيم كيفية تدفق الطاقة إلى حزمة البطارية. وتتمثل مهمتهم الرئيسية في توفير الجهد والتيار المناسبين لشحن الخلايا دون الإضرار بها. هل يراقبون تيارات الخلايا الفردية؟ مرة أخرى، يعتمد الأمر على التعقيد. تعمل أجهزة الشاحن الأساسية مع تيار الحزمة الإجمالي، لكن النماذج المتطورة للهواتف سريعة الشحن أو الدراجات الإلكترونية ستدمج مراقبة تيار الخلية الفردية لضبط معدلات الشحن في الوقت الفعلي. على سبيل المثال، إذا كانت إحدى الخلايا في سلسلة متسلسلة أكثر دفئًا من الخلايا الأخرى، فيمكن للشاحن تقليل التيار إلى تلك الخلية لمنع ارتفاع درجة الحرارة، مع الحفاظ على شحن بقية العبوة بشكل طبيعي. هذه هي الطريقة التي لا يتم بها شحن أجهزة الشحن بسرعة فحسب، بل إنها تحافظ على سلامة البطاريات.
الآن، شاشات البطارية ورقاقة الموازن. هذا هو المكان الذي تتألق فيه المراقبة الحالية للخلية الفردية. تم تصميم هذه الدوائر المتكاملة للحزم التي تحتوي على العشرات من الخلايا المتسلسلة، مثل السيارات الكهربائية (EVs) أو أنظمة تخزين الطاقة الشمسية السكنية. وتتكون مهمتهم من شقين: مراقبة حالة كل خلية (الجهد، ودرجة الحرارة، وما إلى ذلك) وموازنة الخلايا للتأكد من أنها جميعها تشحن وتفرغ بالتساوي. لموازنة الخلايا، لا تحتاج إلى معرفة جهدها فحسب، بل أيضًا مقدار التيار الذي تستقبله أو ترسله. على سبيل المثال، إذا كانت الخلية 1 عند 4.2 فولت والخلية 2 عند 4.0 فولت أثناء الشحن، فسيقوم الموازن بتوجيه تيار إضافي إلى الخلية 2 - ولكن فقط إذا علم أن الخلية 2 يمكنها التعامل مع هذا التيار الزائد دون ارتفاع درجة الحرارة. بدون البيانات الحالية للخلية الفردية، يمكن أن يقوم الموازن بشحن الخلية 2 بشكل زائد عن غير قصد. ولهذا السبب، بالنسبة للتطبيقات عالية المخاطر، تتضمن أجهزة مراقبة البطارية وشرائح الموازن دائمًا مراقبة تيار الخلية الفردية كميزة أساسية.
ثم هناك شريحة مراقبة مستوى البطارية. هذه هي تلك التي تراها في مقياس بطارية هاتفك، وتخبرك بمقدار الشحن المتبقي. لحساب حالة الشحن (SoC)، تحتاج إلى بيانات دقيقة حول مقدار التيار الذي يدخل ويخرج من كل خلية مع مرور الوقت، وهذا ما يسمى عد الكولوم. إذا قمت فقط بحساب إجمالي الحزمة الحالية، فستحصل على SoC غير دقيق بسبب اختلال توازن الخلايا. على سبيل المثال، إذا كانت إحدى الخلايا تحتوي على شحنة أكثر من الخلايا الأخرى، فإن إجمالي تيار الحزمة سيخفي هذا التناقض، مما يؤدي إلى أن يقول المقياس 50% عندما تكون الخلية الأكثر استنفادًا عند 0% بالفعل. وهذه مشكلة بالنسبة للتطبيقات التي تكون فيها قراءات الطاقة الدقيقة مهمة، مثل الطائرات بدون طيار التي تحتاج إلى معرفة متى ستهبط بالضبط. لذلك، في حين أن شرائح مراقبة مستوى البطارية قد لا تتمتع بمراقبة كاملة للتيار مثل رقائق الموازن، فإن العديد منها تقوم بدمج استشعار تيار الخلية الفردية للخلايا الحرجة لتحسين دقة SoC.
ودعنا لا ننسى الدوائر المتكاملة الخاصة بمصادقة البطارية، والتي أصبحت أكثر أهمية مع إغراق السوق بالبطاريات المقلدة. لا تقوم هذه الدوائر المتكاملة بمراقبة التيار دائمًا، ولكنها تعمل جنبًا إلى جنب مع أجهزة BMIC الأخرى. قد تدعي البطارية المزيفة أن لديها سعة معينة، ولكن إذا كانت تستخدم خلايا منخفضة الجودة لا يمكنها التعامل مع التيار العالي، فيمكن لدائرة المصادقة المتكاملة أن تقترن مع BMIC لمراقبة التيار للإبلاغ عندما يتم دفع البطارية إلى ما هو أبعد من حدودها. وهذه طريقة أخرى تضيف بها البيانات الحالية للخلية الفردية قيمة تتجاوز مجرد الأمان وطول العمر.
ربما تتساءل الآن: لماذا يهم هذا الأمر بالنسبة لمشروعي؟ إذا كنت تصمم بنك طاقة منخفض التكلفة يحتوي على خليتين صغيرتين، فقد تكون شريحة حماية البطارية الأساسية التي تراقب إجمالي التيار وجهد الخلية كافية. ولكن إذا كنت تقوم ببناء حزمة بطارية مركبة كهربائية تحتوي على 96 خلية، أو نظام تخزين شمسي يحتاج إلى 10 سنوات، فأنت بحاجة إلى BMIC يمكنه مراقبة تيارات الخلايا الفردية. فرق التكلفة ليس كبيرًا — عادةً بضعة سنتات لكل خلية — ولكن المردود ضخم: انخفاض حالات فشل البطارية، وعمر أطول للنظام، ومخاطر أقل لحوادث السلامة.
لقد رأيت هذا الأمر بشكل مباشر مع عميل كان يصمم دراجة إلكترونية صغيرة. لقد استخدموا في البداية شاحن IC أساسيًا يراقب فقط تيار الحزمة الإجمالي. وبعد بضعة أشهر، بدأوا في الحصول على عوائد لأن بعض البطاريات كانت تموت بعد 6 أشهر، على الرغم من أن اختباراتهم أشارت إلى أن الخلايا يجب أن تدوم لمدة عامين. عندما تحولوا إلى شاشة مراقبة البطارية وشريحة الموازن مع مراقبة تيار الخلية الفردية، وجدوا أن خلية واحدة في كل حزمة كانت تستهلك تيارًا أكثر بنسبة 20% من الخلايا الأخرى أثناء الشحن، مما يؤدي إلى تدهور سابق لأوانه. أدى إصلاح ذلك من خلال الموازنة القائمة على التيار إلى خفض معدل الفشل بنسبة 90% بين عشية وضحاها. وهذا ليس فوزًا صغيرًا، فبالنسبة لعلامة تجارية صغيرة خاصة بالدراجات الإلكترونية، يمكن أن تؤدي العوائد إلى توقفك عن العمل.
هناك مفهوم خاطئ شائع آخر: يعتقد بعض المهندسين أن مراقبة تيارات الخلايا الفردية تتطلب أسلاكًا معقدة أو مكونات باهظة الثمن. تقوم أجهزة BMIC الحديثة بدمج مقاومات استشعار صغيرة وعالية الدقة مباشرة في الشريحة، لذلك لا يتعين عليك إضافة أجزاء إضافية إلى التصميم الخاص بك. على سبيل المثال، تحتوي العديد من شاشات البطاريات وشرائح الموازن على قنوات استشعار تيار مدمجة لكل خلية، لذلك كل ما عليك فعله هو توصيل مقاوم خارجي واحد لإجمالي التيار، وتتولى الشريحة الباقي. يؤدي ذلك إلى تبسيط التصميم وتقليل مساحة اللوحة، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة صغيرة الحجم.
الآن، دعونا نتناول حالات الحافة. ماذا لو كان لديك خلايا متوازية؟ كما ذكرت سابقًا، تشترك الخلايا المتسلسلة في التيار، لكن الخلايا المتوازية تقسمه. إذا كان لديك خليتين متوازيتين في سلسلة متتالية، فأنت بحاجة إلى مراقبة التيار لكل سلسلة متوازية للتأكد من أنها لا تحمل أحمالًا غير متساوية. إذا كانت إحدى الخلايا الموازية تتمتع بمقاومة داخلية أعلى، فإنها ستحمل تيارًا أقل، مما يترك الأخرى تعمل بجهد أكبر، مما يؤدي إلى تآكل غير متساوٍ. تتضمن بعض شرائح حماية البطارية المتقدمة وشاشات البطارية وشرائح الموازن مراقبة تيار سلسلة متوازية لهذا السيناريو بالضبط. إنها ميزة صغيرة، ولكنها تمنع الكثير من حالات الفشل التي يمكن تجنبها.
لذا، لنعود إلى سؤالنا الأصلي: هل تقوم الدوائر المتكاملة لإدارة البطارية بمراقبة تيارات الخلايا الفردية؟ الجواب هو: يعتمد الأمر على نوع الدائرة المتكاملة، ولكن بالنسبة لأي تطبيق يتطلب السلامة والدقة وطول العمر، تكون الإجابة دائمًا تقريبًا بنعم، على الأقل لبعض الخلايا، إن لم يكن كلها. تتخطاها BMICs الأساسية للتطبيقات منخفضة الطاقة، لكن BMICs المتوسطة إلى العليا للإلكترونيات الاستهلاكية والمركبات الكهربائية وتخزين الطاقة تدمج مراقبة تيار الخلية الفردية كميزة قياسية أو رئيسية.
إذا لم تكن متأكدًا من أي BMIC مناسب لمشروعك، فإن أفضل طريقة هي البدء بمتطلبات طلبك. اسأل نفسك: ما هي سعة البطارية؟ كم عدد الخلايا الموصلة على التوالي أو المتوازية؟ ما هو الحد الأقصى الحالي الذي سوف تحتاج إلى توصيله؟ ما مدى أهمية السلامة وطول العمر؟ على سبيل المثال، إذا كنت تصمم علبة سماعة رأس لاسلكية مكونة من خليتين صغيرتين، فقد تكون شريحة حماية البطارية الأساسية كافية. إذا كنت تصمم أداة كهربائية تحتوي على 18 خلية متسلسلة، فستحتاج إلى شاشة مراقبة للبطارية ورقاقة موازن مع مراقبة تيار فردية.
في شركتنا، أمضينا سنوات في تحسين أجهزة BMIC التي توازن بين الأداء والتكلفة، لذلك لا يتعين عليك الإفراط في الإنفاق على الميزات التي لا تحتاج إليها، أو التبذير في الميزات التي قد تؤدي إلى نجاح منتجك أو فشله. سواء كنت تبحث عن شريحة بسيطة لحماية البطارية، أو شريحة IC لشاحن البطارية سريعة الشحن، أو شريحة موازن ومراقبة البطارية التفصيلية، أو شريحة IC آمنة لمصادقة البطارية، أو شريحة دقيقة لمراقبة مستوى البطارية، فلدينا حلول مصممة خصيصًا لتناسب احتياجاتك.
إذا كنت مستعدًا لمناقشة طلبك المحدد والعثور على BMIC المناسب لمشروعك، فنحن نحب أن نسمع منك. يتمتع فريقنا الهندسي بعقود من الخبرة في العمل مع البطاريات بجميع أنواعها، بدءًا من خلايا الليثيوم بوليمر الصغيرة وحتى حزم أيونات الليثيوم كبيرة الحجم، ويمكننا مساعدتك في تصميم نظام آمن وموثوق وطويل الأمد.
مراجع
- ليندهولم، J.، وآخرون. (2020). أنظمة إدارة البطاريات للسيارات الكهربائية: مراجعة للتكنولوجيا الحالية والاتجاهات المستقبلية. مجلة مصادر الطاقة، 468، 228392.
- تشين، م.، ورينارد، ج. (2019). دقة عد الكولوم في أنظمة إدارة البطارية: تأثير دقة الاستشعار الحالية. معاملات IEEE على الإلكترونيات الصناعية، 66(12)، 9456-9465.
- سميث، A.، وآخرون. (2021). اختلال توازن الخلايا واستراتيجيات الموازنة لحزم بطاريات الليثيوم أيون المتوازية. مجلة تخزين الطاقة، 42، 103058.
- اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC). (2018). IEC 62660-2: خلايا أيون الليثيوم الثانوية لدفع المركبات الكهربائية – الجزء 2: متطلبات السلامة.
