یک سیستم مدیریت باتری (BMS) یک سیستم الکترونیکی است که برای نظارت، مدیریت و محافظت از بسته های باتری طراحی شده است. تعادل سلول یکی از توابع کلیدی BMS است.نقش مهمی در افزایش عمر باتری دارد.در زیر مقدمه ای دقیق است:

درک عدم تعادل سلولی

در بسته های باتری متشکل از سلول های متعدد، اختلافات در مقاومت سلول، دمای، ویژگی های خود تخلیه،و عوامل دیگر می تواند منجر به تغییرات در ولتاژ و حالت شارژ (SOC) بین سلول ها شوددر طول زمان، این امر منجر به عدم تعادل سلول می شود. به عنوان مثال، در طول شارژ، برخی از سلول ها ممکن است به طور کامل شارژ شوند در حالی که برخی دیگر کم شارژ باقی می مانند.برخی از سلول ها ممکن است بیش از حد تخلیه شوند در حالی که برخی دیگر هنوز بار باقی مانده دارندعدم تعادل سلول می تواند باعث شود که سلول های خاصی بیش از حد شارژ یا بیش از حد تخلیه شوند، تخریب آنها را تسریع کنند و ظرفیت کلی و عمر باتری را کاهش دهند.

روش ها و اصول تعادل سلول

• تعادل منفعل:این روش به طور معمول از مقاومت های تعادل استفاده می کند تا انرژی اضافی را از سلول های بیش از حد شارژ شده به عنوان گرما از بین ببرد و در نتیجه ولتاژ را در تمام سلول ها برابر کند.و آسان بودن اجرایبا این حال، آن را مصرف انرژی در طول فرآیند تعادل، کاهش بهره وری استفاده از انرژی.این به طور عمده در طول شارژ قابل استفاده است و ممکن است به دلیل زمان تعادل طولانی تر برای سناریوهای شارژ سریع مناسب نباشد.به عنوان مثال در سیستم تعادل منفعل یک باتری لیتیوم یون، هنگامی که BMS یک سلول با ولتاژ بالاتر را تشخیص می دهد، مقاومت تعادل متصل به آن سلول را فعال می کند.اجازه می دهد تا ولتاژ اضافی به عنوان گرما از بین برود تا زمانی که ولتاژ با سلول های دیگر هماهنگ شود

• تعادل فعال:این روش به طور فعال انرژی اضافی را از سلول های پرشحمی به سلول های کم بار یا بارگذاری منتقل می کند و به توزیع مجدد انرژی منجر می شود.بهبود کارایی شارژ و عملکرد کلی باتریبا این حال ، تعادل فعال به اجزای سخت افزاری گران قیمت تر و پیچیده تر مانند کنورترها ، ترانسفورماتورها و induktorها نیاز دارد. استراتژی کنترل آن نیز پیچیده تر است. به عنوان مثال ،در برخی از سیستم های تعادل فعال، انرژی از سلول های بیش از حد شارژ شده از طریق یک کنورتر DC-DC به سلول های کم شارژ شده منتقل می شود، که تعادل پویا بین سلول ها را امکان پذیر می کند.

نقش تعادل سلول در افزایش عمر باتری

علاوه بر تعادل سلول، BMS عملکردهای دیگری مانند محافظت از بیش از حد شارژ / بیش از حد تخلیه، نظارت بر دمای و مدیریت حرارتی را انجام می دهد.این توابع با هم کار می کنند تا از بسته های باتری به طور جامع محافظت کنند.در زیر خلاصه ای از برخی از توابع مرتبط و نقش آنها ارائه شده است:

• جلوگیری از بارگذاری بیش از حد و تخلیه بیش از حد سلول های فردی: با نظارت بر ولتاژ و SOC هر سلول در زمان واقعی و اجرای اقدامات تعادل، BMS اطمینان حاصل می کند که ولتاژ و SOC همه سلول ها در محدوده معقول باقی می مانند.این باعث می شود سلول های فردی از شارژ بیش از حد و یا تخلیه عمیق جلوگیری، از کاهش سرعت ظرفیت ناشی از شرایط شارژ / تخلیه بیش از حد جلوگیری می کند. بنابراین طول عمر سلول را افزایش می دهد. به عنوان مثال در وسایل نقلیه الکتریکی،BMS از تعادل سلول برای جلوگیری از شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حد سلول های باتری در طول شارژ و تخلیه استفاده می کند، افزایش عمر باتری
• افزایش ثبات بسته باتری:تعادل سلول باعث می شود که ولتاژ و سطح SOC در تمام سلول ها یکسان باشد و سازگاری باتری را بهبود بخشد.یک بسته باتری سازگارتر عملکرد پایدارتر و کارآمدتر در طول شارژ و تخلیهاین امر احتمال واکنش های جانبی را در سلول ها کاهش می دهد، کاهش ظرفیت را کاهش می دهد و طول عمر باتری را افزایش می دهد.تحقیقات نشان می دهد که تعادل سلول موثر می تواند عمر باتری را تا ۳۰ تا ۴۰ درصد افزایش دهد
• بهینه سازی استفاده از انرژی باتری:تعادل سلول به طور کامل از انرژی هر سلول استفاده می کند، به حداکثر رساندن ظرفیت کلی بسته باتری.این امر از اتلاف انرژی ناشی از عدم تعادل سلول جلوگیری می کند و از استفاده کم از ظرفیت باتری جلوگیری می کنددر نتیجه، بسته باتری به طور کارآمدتر کار می کند و فرکانس چرخه های شارژ / تخلیه را با همان نیاز به انرژی کاهش می دهد.از آنجا که کاهش ظرفیت باتری به تعداد چرخه های شارژ/افزایش ارتباط نزدیکی داردبه عنوان مثال در سیستم های ذخیره سازی انرژی، تعادل سلول کارآمد تضمین می کند که بسته باتری به ظرفیت کامل خود نزدیک تر باشد.بهبود استفاده از انرژی و افزایش عمر باتری
• به تاخير انداختن شروع فرار حرارتي:عدم تعادل سلول می تواند منجر به تولید گرمای نامتناسق در طول شارژ و تخلیه شود.که سرعت زا شدن باتری را افزایش می دهد و خطر فرار حرارتی را افزایش می دهدتعادل سلول کمک می کند تا توزیع دمای ثابت در بسته باتری با برابر کردن ولتاژ و جریان سلول حفظ شود.کاهش گرم شدن محلی و کاهش احتمال فرار حرارتیاین باعث افزایش ایمنی و عمر باتری می شود. به عنوان مثال در بسته های باتری لیتیوم یون، تعادل سلول در کنار سیستم های مدیریت حرارتی کار می کند تا دمای سلول را به طور موثر کنترل کند.تاخیر در شروع فرار حرارتی و افزایش عمر باتری
• حفاظت از بیش از حد بارگذاری/بیشتر از حد تخلیه: با تنظیم چرخه شارژ / تخلیه و جلوگیری از شارژ بیش از حد یا تخلیه عمیق، BMS از ولتاژ بیش از حد و فشار فعلی بر روی سلول های باتری جلوگیری می کند،کاهش واکنش های الکتروشیمیایی برگشت ناپذیر و تخریب ظرفیتاين به طور موثر طول عمر باتري را طولاني ميکند
• نظارت بر درجه حرارت و مدیریت حرارتی:BMS به طور مداوم دمای باتری را نظارت می کند و مکانیسم های خنک کننده را فعال می کند یا نرخ شارژ را در صورت لزوم تنظیم می کند تا از گرم شدن بیش از حد یا دمای بسیار پایین جلوگیری شوداین باعث کاهش اثرات منفی نوسانات دمایی بر عملکرد باتری و عمر آن می شود و باعث تأخیر در پیری باتری می شود.
• تخمین وضعیت شارژ (SOC) و وضعیت سلامت (SOH): تخمین دقیق SOC و SOH به کاربران امکان می دهد وضعیت باتری و ظرفیت باقیمانده را درک کنند.امکان استفاده معقول از باتری و جلوگیری از شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حددر همین حال، تشخیص زودهنگام کاهش ظرفیت، نگهداری و تعویض به موقع را تسهیل می کند و عملکرد باتری و طول عمر را تضمین می کند.

با پیشرفت های مداوم در تکنولوژی، BMS در حال تکامل به سمت دقت بالاتر، هوش بیشتر و بهره وری بیشتر است. به عنوان مثال،استفاده از الگوریتم های یادگیری ماشین برای بهینه سازی انتخاب مقاومت تعادل منفعل بر اساس پارامترهای زمان واقعی مانند درجه عدم تعادل سلول، زمان تعادل و دمای شارژ می تواند کارایی تعادل و استفاده از انرژی را بهبود بخشد. این امر عمر باتری را بیشتر می کند.توسعه BMS بی سیم (wBMS) طراحی سیستم را ساده می کند، قابلیت اطمینان را بهبود می بخشد و انعطاف پذیری بیشتر و مزایای بیشتری را برای تعادل سلول و مدیریت باتری فراهم می کند.