الاعتبارات العملية لاختيار أجهزة الاستشعار والمكونات في تصميم Bms

إن اختيار أجهزة الاستشعار والمكونات الصحيحة أمر أساسي لتصميم نظام إدارة البطاريات بفعالية، ويكفل الاختيار السليم سلامة وكفاءة وطويلة مجموعات البطاريات عبر التطبيقات التي تتراوح بين المركبات الكهربائية ونظم تخزين الطاقة الثابتة، ويستكشف هذا الدليل الشامل الاعتبارات الحاسمة، والمتطلبات التقنية، وأفضل الممارسات لاختيار أجهزة الاستشعار والمكونات في التصميم الحديث لنظام إدارة المباني.

الدور الحاسم لدائرة إدارة المباني في نظم البطاريات

ونظام إدارة البطاريات هو الضمانة الرئيسية لنظام البطاريات للدفع الكهربائي وكهربة الآلات، الذي يُكلف بضمان التشغيل الموثوق والآمن لخلايا البطاريات المرتبطة بتوفير تيارات عالية في مستويات عالية من الفولطية، ولكل خلايا إعادة شحن الليثيوم أعلى كثافة للطاقة، وهي الخيار المعياري لحزم البطاريات بالنسبة للعديد من المنتجات الاستهلاكية، من الحواسيب المحمولة إلى المركبات الكهربائية، وإن كانت يمكن أن تكون غير مرخصة عموماً إذا تم تشغيلها.

وتتولى وزارة الصحة العامة مسؤولية موازنة الخلايا في نظام ما وضمان تشغيلها في حدود درجات الحرارة والفولط والحدود الحالية، حيث تواصل تكنولوجيا البطاريات تطورها مع ارتفاع كثافة الطاقة والطاقة، تزداد صرامة متطلبات الأداء بالنسبة لعناصر نظام إدارة المباني، ويؤثر اختيار أجهزة الاستشعار والمكونات المناسبة تأثيرا مباشرا على قدرة النظام على منع المجرى الحراري، وتحقيق الأداء الأمثل للبطارية، وتوسيع نطاق الحياة التشغيلية.

فهم متطلبات الاستشعار الأساسية

ويستند نظام إدارة المباني إلى القياس الدقيق لكل بارامتر خلايا البطاريات الخارجية في نظام عبوات البطاريات، مع الاعتماد الكبير على موثوقية القياس التي تجعل معايير تصميم الدوائر للرصد والكشف شديدة الدقة، ويجب على أجهزة الاستشعار أن ترصد بدقة البارامترات الحرجة مثل البرتاج، والحال، ودرجة الحرارة، وحالة الشحن، وأن يكون لدقة أجهزة الاستشعار ومواجهتها أثر مباشر على أداء نظام إدارة المباني.

معايير الاستحقاق والدقة

أما الاستحقاقات النموذجية لحزمة البطاريات التي تحملها مركبة كهربائية فهي 0.5 في المائة - 1.0% حتى 450 ألف و 1 - 2 مليون للفولط الخلوي، و 0.1 في المائة لحزم البطاريات حتى 600 خامسا. وهذه المتطلبات الصارمة تكفل أن يتخذ نظام إدارة المباني قرارات دقيقة بشأن إجراءات الدولة المتعلقة بحالة البطاريات والحماية، ولا يمكن الإفراط في تقدير أهمية اقتناء بيانات الاستشعار الدقيقة للرصد الدقيق، بل إن الأخطاء في قياسات المركبة قد تؤدي إلى حدوث أخطاء في ذلك.

وبالنسبة لبطاريات الطاقة الليثيوم -يون، فإن دقة الكشف عن درجة الحرارة ستفي ب2 درجة مئوية في حدود -20 درجة مئوية - 65 درجة مئوية، و3 درجات مئوية في حدود -40 درجة مئوية - 20 درجة مئوية و65 درجة مئوية - 125 درجة مئوية. وهذه المعايير، التي تحددها أنظمة الصناعة، توفر معايير واضحة لاختيار أجهزة الاستشعار والتحقق من النظام.

فترات الاستجابة ومعدلات أخذ العينات

ويحدد معدل وقت اقتناء البيانات أو أخذ العينات لكل من مسار البيانات من خلال التقييم ذي الأولوية، الذي يلزم فيه تحديد فترات أخذ العينات الأقصر، في حدود 10-3، لإجراء قياسات حرجة مثل فولت الخلايا والحاضر للسماح بتقدير دقيق للدولة، ويكتسي توقيت الاستجابة السريعة أهمية خاصة بالنسبة للتطبيقات الحرجة المتعلقة بالسلامة حيث يمكن للكشف السريع عن الأخطاء أن يحول دون حدوث إخفاقات كارثية.

وفي دائرة قصيرة، يمكن لمئات الأمبيرات أن تتطور في الثانية الصغرى؛ ويجب أن تعمل دائرة الحماية بسرعة، وهذا يؤكد الحاجة إلى أجهزة الاستشعار ذات القدرات المحدودة على الحصول على البيانات، ولا سيما في التطبيقات ذات الطاقة العالية مثل المركبات الكهربائية.

تكنولوجيات الاستشعار من بعد والاختيار

رصد التلّب هو أمر أساسي لعملية إدارة المباني، حيث يقدم معلومات حاسمة عن حالة الشحن، والصحة، ومسائل السلامة المحتملة، وتقاس جميع الفولط الخلوي في علبة الليثيوم من أجل الأمان: فإفراط خلية الليثيوم في الشحن يمكن أن يؤدي إلى "مسار حراري حراري، لذا لا يمكننا أن نتخطى أي توترات.

الشيكات

وتستخدم شركة BMS رقائق رصد مطاطية مخصصة لجمع وقياسات، تعرف برقائق " خط المواجهة " ، مع شركات تصنيع رئيسية في السوق، بما في ذلك حالياً ADI و ST و TI و NXP. وتوفر هذه الدوائر المتكاملة المتخصصة قدرات قياس الفولط المتعدد القنوات ذات الدقة العالية وملامح السلامة المبنية.

وتشكل أجهزة رصد التلخيص مكونات متكاملة للإشراف على مستويات فولتاج فرادى الخلايا داخل البطارية، مع الحفاظ على مستويات الفولطج السليمة التي تعتبر بمثابة الاعتبار الأول لضمان سلامة البطارية وكفاءتها على السواء، وعادة ما تقيس الفرق المحتمل عبر محطات كل خلية، مع هذا الرصد اليقظة الذي يمكِّن دائرة إدارة المباني من تنفيذ إجراءات الموازنة بين الخلايا.

اعتبارات العزل والسلامة

ويمكن إدراج منهجية لدائرة إدارة المباني مصممة باستخدام أجهزة التتبع الخطي بين مجموعة البطاريات وجهاز إدارة المباني لاستخدامها في تطبيقات السيارات لأغراض القياسات الدقيقة، والعزلة المجرية مهمة بصفة خاصة في نظم البطاريات ذات الحركة العالية لحماية الدوائر ذات التحكم المنخفض وضمان سلامة المشغلين.

وعند اختيار مكونات الاستشعار عن طريق البرتاج، يجب على المصممين أن ينظروا في النطاق الأقصى للفولط، ورفض الفولطية المشتركة، وتقديرات العزلة، والتوافق الكهرومغناطيسي، وينبغي أن تحافظ المكونات على الدقة عبر نطاق درجات الحرارة التشغيلية الكاملة وطوال العمر المتوقع لنظام البطاريات.

الحلول الحالية للاستشعار لتطبيقات نظام إدارة المباني

ويجب قياس التيار الكهربائي لحزم البطاريات لرصد السلامة، وإساءة استعمال الأخشاب، وإبلاغ شركة نفط جنوب المحيط الهادئ وشركة SoH بالخوارزميات، والقياس الحالي ضروري لإحصاء الكبريت، وإدارة الطاقة، وكشف ظروف التشغيل الشاذة.

Shaunt-Based Current Sensing

وبالنسبة لمجموعات البطاريات التي تستخدم بمقياس EV BMS، تتراوح الشلنات بين 25 ميكروغرام و 100 ميكروغرام، وتوفر مقاومات الشونت طريقة فعالة من حيث التكلفة ودقيقة للغاية للقياس الحالي، ولا سيما مناسبة للحساب الدقيق للكولوم وتقدير حالة الشحنات.

ومن أكثر الطرق التي تم تحديدها لتحقيق قياسات جارية دقيقة للغاية ذات نطاق دينامي واسع استخدام أداة عالية الاستبانة (العمود) للتصنيف الصناعي، مع تنفيذ نموذجي يشمل تعميماً على نطاق واسع من القرار، يعقبه 24 قطعة على الأقل من الحل، ويسمح هذا التشكيل بقياس كل من تيارات الشحن والتدمير ذات الدقة العالية عبر نطاق دينامي واسع.

وتستخدم مقاومات الشونت في القياس الحالي على مستوى الخلايا أو على مستوى الوحدات (مثلاً، حتى 50 ألف) لأنها تقدم قدراً كبيراً من الدقة، وتكلفة منخفضة، وتدمج هذه الخصائص باعتبارها مثالية لفرز الكولومب بدقة وتقديرات درجة سوك.

هالة Effect Current Sensors

وتقيس أجهزة الاستشعار التي تعمل بالهضات الحقل المغناطيسي الذي يخلقه حالياً من خلال موصل، وتستخدم عموماً في رصد مجموعة البطاريات العالية السرعة (مثلاً 200-500 ألف)، وهي غير مقصودة ويمكنها قياس التيارات العالية بأمان مع توليد حراري دنيا، وهذه أجهزة الاستشعار مفيدة بوجه خاص في التطبيقات التي تتطلب عزلة غافانية أو التي يؤدي فيها إدخال مقاوم شلن إلى خسائر غير مقبولة في الطاقة.

الاستشعار المستمر للتطبيقات الحرجة المتعلقة بالسلامة

وفي نظم السلامة الحرجة، مثل النظم التي تتطلب من المنظمة الدولية لتوحيد المقاييس 26262، أو من خلال نظام " أسيل - سي " أو " أسيل - دي " ، من الشائع استخدام أجهزة الاستشعار ذات التأثير الشائك والقاعات، مع ضمان الاستشعار الاحتياطي والتسامح إزاء الأخطاء وتحسين الموثوقية العامة والسلامة الوظيفية، ويوفر هذا النهج التراكمي الحماية الحرجة من حالات الفشل في أجهزة الاستشعار ويتيح إمكانية التجاوز في القياسات.

تعويضات مؤقتة

ونظراً لأن الشظايا ترتفع فوق درجة الحرارة، كثيراً ما تضع المصممات جهازاً حرارياً بالقرب من الشلن لقياس درجة الحرارة الضائعة وتعويضاً عن تفاوتات الحرارة، وهذا التعويض أساسي للحفاظ على دقة القياس عبر النطاق الكامل لدرجات الحرارة التشغيلية لنظام البطاريات.

تقنيات الاستشعار التدريجي

ويعد رصد درجة الحرارة أمراً بالغ الأهمية في نظام إدارة المباني ذات التأثير العالي لمنع المجرى الحراري والحفاظ على الأداء الأمثل للبطاريات في مختلف الظروف البيئية، وتوفر أجهزة الاستشعار التي تعمل بالبطارية بيانات أساسية للإدارة الحرارية وحماية السلامة وتحقيق الاستخدام الأمثل للأداء.

مُدرِجات من طراز NTC

وتُستخدم أجهزة الاستشعار بالبطارية المستخدمة عادة في جهاز أشعة NTC (معامل التدرج الوطني) على مستوى الخلايا، وهي فعالة من حيث التكلفة، وتتوفر لها أوقات الاستجابة السريعة، وتوفر حساسية جيدة بشأن النطاقات الضيقة للحرارة التي تُستخدم عادة في عمليات بطارية الليثيوم، وتوضع عادة بين خلايا البطاريات لتتبع التغيرات في درجة الحرارة أثناء الشحن والتدمير.

ويستخدم جهاز حرق للشبكة لقياس درجة حرارة مجموع الحزمة، وتعتمد هذه أجهزة الاستشعار على نطاق واسع نظراً لتوازنها الممتاز في التكلفة والدقة والموثوقية بالنسبة لمدىات التشغيل الاعتيادية للبطارية.

RTD Sensors

وتستخدم الأمراض المنقولة جنسياً (أجهزة الكشف عن درجة الحرارة المقاومة) عندما تكون هناك حاجة إلى درجة أعلى من الدقة والاستقرار، ولا سيما على مستوى الوحدات أو الحزمة، وهي أقل حساسية للانجراف الطويل الأجل وتوفر قياسات خطية وقابلة للتكرار، ولكنها أكثر تكلفة وتتطلب دوائر تكييف الإشارات، وتفضل الأمراض المنقولة بالاتصال الجنسي في التطبيقات التي يكون فيها الاستقرار والدقة على المدى الطويل أمراً بالغ الأهمية.

Thermocouples

وتستخدم أجهزة الترامبولز أحياناً في بيئات متطرفة أو نظم بطارية صناعية عالية الحرارة، وفي حين أن استخدامات قياسية للدمغات الحرارية أقل شيوعاً، فإن الترموز الحراري يوفر مزايا في بيئات قاسية ويمكن أن يقيس درجات الحرارة المرتفعة جداً التي تتجاوز نطاق السائل الحراري والأمراض المنقولة جنسياً.

استراتيجية وضع الاستشعار

وينبغي وضع جهازين استشعارين على الأقل على سطح كل وحدة من وحدات خلايا البطاريات، تغطي أعلى مناطق درجات الحرارة (المركز، الاتصالات) وأدنى مناطق درجة حرارة (الدرجات)، مع تركيب أجهزة استشعار إضافية في مناطق معرضة للحرارة مثل أعمدة خلايا البطاريات، وحانات الحافلات، وأسطح الاتصال بالصحن الباردة.

وفي التطبيقات المشتركة للسيارات، لا توضع أجهزة استشعار درجة الحرارة إلا في بقع ساخنة وباردة معينة داخل علبة البطاريات لتعمم التوزيع العام لدرجات الحرارة عبر المجموعة، ويعتبر التنسيب الاستراتيجي لمجسات درجة الحرارة أمراً حاسماً للإدارة الحرارية الفعالة مع التقليل إلى أدنى حد من تكلفة النظام وتعقيده.

العوامل المؤثرة في اختيار العنصر

وعند اختيار عناصر تصميم نظام إدارة المباني، يجب تقييم عوامل متعددة بعناية لضمان أداء النظام الأمثل، والسلامة، والموثوقية.

Compattery Chemistry

وتختلف كيميائيات البطاريات لديها نطاقات مختلفة من الفولطيات، ورسوم الرسوم، ومتطلبات السلامة، وتجاري الليثيوم -يون مثل NMC، و LFP، و NCA، لكل منها نوافذ فولتية محددة وحساسيات درجة الحرارة التي يجب أن تستوعبها عناصر نظام إدارة المباني، ويجب أن تكون أجهزة الاستشعار والحماية المختارة متوافقة مع خصائص الكيمياء المحددة ومعابر التشغيل.

يمكن أن تكون خوارزميات التحكم معقدة وتُصاغ بدقة، مع مراعاة الكيمياء الدقيقة للبطارية، والتطبيق المقصود، وخصائص الأداء المنشودة، ويمتد هذا التفسير الكيميائي المحدد إلى اختيار العناصر، حيث يجب أن تكون العتبات الفولطية والحدود الحالية ومدابير درجات الحرارة متوافقة مع منطقة التشغيل الآمنة للبطارية.

درجة الحرارة التشغيلية

ويجب أن تحافظ العناصر على أداء محدد عبر النطاق الكامل لدرجات الحرارة المتوقع في التطبيق، وقد تتطلب التطبيقات الآلية، على سبيل المثال، التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية أو أعلى، ويمكن أن تتأثر الدقة الحساسة والموثوقية المكوِّنة ومهلات الاستجابة للحوادث الواقية من الحرارة القصوى.

وتتيح تكنولوجيا القياس الدقيق درجة عالية من الدقة على مدى درجات الحرارة بأكملها وأدائها الموثوق به في ظل ظروف مختلفة، مما يجعلها مثالية لنظم قياس درجة الحرارة، وهذا الاستقرار في درجة الحرارة بالغ الأهمية بالنسبة للمستشعرات، حيث يمكن أن تؤدي الانجرافات إلى تقديرات غير صحيحة من جانب الدولة وإلى إجراءات غير ملائمة للمراقبة.

استهلاك السلطة

وتستهلك عناصر نظام إدارة المباني الطاقة من البطارية التي صُممت لحمايتها، إذ إن تقليل السحب الحالي من الفرن إلى أدنى حد ضروري، ولا سيما في التطبيقات التي قد تكون البطارية فيها متعطلة لفترات طويلة، وتساعد عناصر الطاقة المنخفضة على الحفاظ على القدرة على البطارية وتوسيع نطاق حياة الرف.

ويمكن أن تتسامح القياسات الأخرى مع انخفاض وتيرة استخدام الطاقة، بغية الحد من استهلاك الطاقة وتعقيد تصميم نظام البرمجيات الثابتة، ويمكن أن تؤدي استراتيجيات ذكية لإدارة الطاقة، مثل معدلات أخذ العينات المكيفة وطرق النوم، إلى خفض استهلاك الطاقة عموما بدرجة كبيرة.

معايير الصناعة والتصديقات

وقد نشرت الشبكة الدولية للطاقة الذرية " الممارسة الموصى بها لنظم إدارة البطاريات في تطبيقات تخزين الطاقة في محطات محطات محطات محطات توليد الطاقة " (E 2686-2024)، وهي وثيقة تتضمن مواصفات وتوصيات مفصلة تتعلق بتصميم نظام إدارة المباني وتشكيله وإدماجه وأمنه.

وتؤهل المنتجات التي تستوفي متطلبات السلامة الوظيفية للمنظمة الدولية لتوحيد المقاييس 26262، هذه المنتجات للإدماج في نظم إدارة البطاريات ذات الأداء العالي، وبالنسبة للتطبيقات الآلية، كثيرا ما يكون الامتثال للمعايير 26262 إلزاميا، في حين قد تتطلب تطبيقات أخرى التقيد بالشركة أو المنظمة الدولية للكهرباء أو غيرها من المعايير ذات الصلة.

وتتمثل المعايير الثابتة لدائرة إدارة المباني في نظام SMBus (System Management Bus) المستخدم في معظم التطبيقات المحمولة، وكذلك في شبكة المناطق الخاضعة للمراقبة (شبكة المناطق المقاتلة) والقاعدة الأكثر بساطة (شبكة الاتصالات السلكية واللاسلكية) لاستخدام السيارات، كما أن التوافق بين الاتصالات يمثل اعتبارا هاما آخر عند اختيار عناصر نظام إدارة المباني.

دال - القابلية للاستمرار والقابلية للاعتماد

وكثيرا ما يتوقع أن تعمل نظم البطاريات لمدة 10-15 سنة أو أكثر، ولا سيما في تطبيقات التخزين التلقائي والقرطاسي، ويجب أن تظهر المكونات موثوقيتها الطويلة الأجل بأقل قدر من الانجراف والتحلل على آلاف دورات التفريغ.

وفي مركبة كهربائية نموذجية، قد تصيب مجموعة البطاريات آلاف من دورات الشحن والتصريف طوال حياتها، وهذا الإجهاد الناجم عن التدوير، بالإضافة إلى الضغوط الحرارية والكهربائية، يتطلب عناصر ذات قدرة ثابتة على تحمل الدفق ووسيلة فشل قوية.

الإدماج ومصنع الاستمارة

ويعد تيسير الإدماج في هيكل النظام العام اعتبارا عمليا هاما، وينبغي أن تكون العناصر متاحة في شكل مناسب من العوامل اللازمة للتطبيق، مع وجود وثائق واضحة وتصميمات مرجعية ودعم تقني، ويمكن للتصميمات النموذجية أن تبسط التجميع والصيانة.

ويتضمن نظام إدارة المباني الموزع جميع المعدات الإلكترونية الموجودة على مجلس مراقبة توضع مباشرة على الخلية أو الوحدة التي يجري رصدها، مما يخفف الجزء الأكبر من الكابلات إلى عدد قليل من أسلاك الاستشعار وأسلاك الاتصال بين وحدات دائرة إدارة المباني المتاخمة، مع كون كل جهاز من أجهزة إدارة المباني أكثر احتواءا على الذات ويعالج الحسابات والاتصالات حسب الاقتضاء.

عناصر نظام إدارة المباني الأساسية ووظائفها

ويتضمن نظام إدارة المباني الشامل أنواعا متعددة من العناصر، ويخدم كل منها وظائف محددة في هيكل النظام العام.

أجهزة الاستشعار عن بعد

وترصد أجهزة الاستشعار عن طريق التلخيص كل على حدة فولتات الخلايا ومجموع الحزم، وتتيح هذه القياسات تقدير حالة الشحنات، واتخاذ قرارات التوازن الخلوي، وكشف حالات الارتطام المفرط أو التخلف، وتدمج رقائق الوصل المتعددة القنوات قياساً للفولط لعدة خلايا ذات دقة عالية، وعمليات التشخيص المبنية.

أجهزة الاستشعار الحالية

وتقيس أجهزة الاستشعار الحالية حجم البطاريات وتفرغها، وهذه البيانات أساسية لعد الكبريت، وإدارة الطاقة، واكتشاف الدوائر القصيرة أو غيرها من الظروف الخاطئة، وتستخدم أجهزة الاستشعار ذات التأثيرات الشائكة والقلية عادة في شكلات زائدة عن الحاجة لتطبيقات السلامة الحرجة.

أجهزة الاستشعار

وتشكل أجهزة الاستشعار عن بعد، والمجسات الحالية، ومجسات درجة الحرارة أغلبية عناصر الاستشعار في نظام الرصد البيئي. وترصد أجهزة الاستشعار درجة حرارة الخلايا، ودرجات الحرارة، ودرجات الحرارة الحرجة مثل أجهزة قياس القدرة على الدفعات المتوسطة والحواجز، وهذه البيانات الحرارية تحركات حرق النظام وتوفر الإنذار المبكر بظروف الممر الحراري.

سيركات بالونق

وينبغي رصد خلايا البطاريات الفردية والتوازن بينها لإعادة توزيعها بين الخلايا أثناء دورات الشحن والتدبير، وضمان أن تصل جميع الخلايا في سلسلة من السلسلة إلى نفس الحالة، ومنع الإفراط في شحن الخلايا الفردية، وزيادة القدرة على التعبئة الصالحة للاستخدام إلى أقصى حد.

ويتوقف الاختيار بين التوازن السلبي بين الاستخدامات المقاومة على تفريق الطاقة الزائدة من الخلايا ذات الضغط العالي، بينما يتوازن النشاط في نقل الطاقة بين الخلايا لتحسين الكفاءة، ويتوقف الاختيار بين الموازنة السلبية والتوازن النشط على متطلبات التطبيقات، وقيود التكاليف، وأهداف الكفاءة.

أجهزة الحماية

ومن الأمور الحاسمة في نظام إدارة المباني الذي يكفل أمن نظم البطاريات وإمكانية الاعتماد عليها دائرة الحماية، وتشمل أجهزة الحماية أجهزة الاتصال والصمامات والمفاتيح الصلبة التي يمكن أن تفصل البطارية عن الحمولة أو الشاحن عندما يتم اكتشاف الظروف الخاطئة.

وعندما لا يكون استخداما، فإن حافلة البطارية الداخلية ذات الدفع العالي مفصولة تماما عن الحمولة في كلا المحطتين، مع قطع/ربط عبوة في كلا المحطتين، مما يتطلب نقلتين قويتين أو مفاعلين، وهذه قطع الأمان أمر حاسم لمنع الضرر أثناء ظروف الخطأ وتمكين الصيانة الآمنة.

متحكمون بالغ الصغر أو مجهزة رقمية

وحدة مراقبة البطاريات هي عنصر محوري ضمن إطار إدارة المباني، تتولى دور وحدة التجهيز المركزي ومركز صنع القرار لتسيير مجموعة متعددة من عمليات البطاريات، وتجهيز البيانات التي يتم جمعها من مختلف عناصر الاستشعار، وصياغة القرارات على أساس خوارزميات التحكم المحددة مسبقا، وتنفيذ إجراءات لضمان استمرار الأداء الأمثل للبطارية وسلامتها.

وتقوم وحدة المعالجة بتنفيذ خوارزميات الرقابة، وتدير وصلات الاتصال، وبيانات السجلات، وتنسق جميع مهام نظام إدارة المباني، وتشمل معايير الاختيار القدرة على معالجة المعلومات، والقدرة على الذاكرة، والوصلات البينية المحيطة، ودعم معايير السلامة الوظيفية.

النظر في التصميم الحديث لدائرة إدارة المباني

الدولة المحاكاة

فالقدرات هي المؤشر الرئيسي لأحدث حالات الصحة في البطاريات وينبغي أن تكون جزءا من نظام إدارة البطاريات، مع العلم بأن شركة SoC و SoH توفر أحدث الوظائف، والثقة النهائية بالتأهب، ويتطلب التقدير الدقيق للدولة بيانات مستشعرة عالية الجودة، مقترنة بمقاييس متطورة.

بالإضافة إلى قياسات كل خلية من الخلايا الدقيقة لقياسات التيار و الفولطية الدقيقة لمجموعات البطاريات بأكملها تمكن الـ بي إس من تقدير دقيق لـ حزمة البطاريات و سوه.

معايرة الاستشعار والتعويض عن الانقراض

وتعمل الإدارة البيئية جيدا عندما تكون البطارية جديدة ولكن معظم أجهزة الاستشعار لا تتكيف بشكل صحيح مع الشيخوخة، حيث أن دقة برنامج سوك للضربة الجديدة تبلغ نحو +/-10 في المائة، ومع الشيخوخة، تبدأ الإدارة البيئية في الانجراف ويمكن أن تنخفض الدقة إلى 20 في المائة وأكثر، كما أن استراتيجيات العيادة والتعويضات العائمة ضرورية للحفاظ على الدقة الطويلة الأجل.

وتشتمل التصاميم المتقدمة لنظم إدارة المباني على روتينات المعايرة الذاتية، ومصادر الفولط المرجعي، وخوارزميات التعويض عن درجات الحرارة للتقليل من الانجراف بمرور الوقت، كما تنفذ بعض النظم نُهج التعلم الآلي للتكيف مع خصائص البطاريات المتغيرة.

Emerging Sensor Technologies

وتصبح أجهزة الاستشعار الداخلية معياراً لأجهزة قياس أسعار الصرف الإلكترونية من أجل الكشف المبكر عن المناقصات، والثكنات الدقيقة، وقضايا نظام المعلومات الخاص بالعلم الحراري، وطرائق الجيل القادم من نظام إدارة المباني تتضمن طرائق استشعار متقدمة تتجاوز الفولط التقليدي، وقياسات التيار، ودرجة الحرارة.

ويستفيد الجيل الرابع من البيانات القائمة على الغيوم، والتعلم الآلي، والنمو الهائل في تطوير الاستشعار وتخفيض التكاليف، وقد تشمل هذه النظم المتقدمة نماذج المضاربة، وأجهزة الاستشعار الصوتية، وأجهزة استشعار الغاز، وغيرها من التكنولوجيات التي توفر معلومات أعمق عن صحة البطاريات وسلامتها.

تسجيل البيانات والاتصال

وتُعرف بيانات التسجيل مع مرور الوقت لأغراض التحليل بقطع البيانات، مع تسجيل بيانات الفولط والحالي ودرجات الحرارة وسجل بيانات SOC في نظام إدارة المباني، ولإجراء تحليل للاتجاهات والأداء، وكشف الاضطرابات، والصيانة، قد تكون هذه البيانات حاسمة، وقد تُدمج تصميمات إدارة المباني الحديثة بشكل متزايد سمات الاتصال للرصد والتشخيص عن بعد.

وتدفع بيانات نظام إدارة المباني قيمة إعادة البيع، والتدرج الثاني للحياة، والضمانات، والتشويش الآمن، مع تحول دورة حياة البطاريات إلى منتج بيانات قابل للتداول، وهذا الاتجاه نحو نظم إدارة المباني الغنية بالبيانات يقود متطلبات جديدة للوصلات البينية للاتصالات وأمن البيانات والتكامل السحابي.

الاعتبارات المتعلقة بالأمن السيبرى

وقد أدت التهديدات المتزايدة من التلاعب والهجمات الإلكترونية إلى تقديم مقترحات بشأن نظام إدارة البطاريات الآمنة يجمع بين الرصد في الوقت الحقيقي، والبرمجيات المأمونة، وخوارزمية تقديرية للشبكات العصبية، ومع زيادة الربط بين نظم إدارة المباني، يصبح الأمن الإلكتروني أحد الاعتبارات الهامة في اختيار المكونات وتصميم النظم.

المبادئ التوجيهية العملية للاختيار

تحديد شروط التطبيق

بداية من تحديد متطلبات التطبيق بوضوح، بما في ذلك كيميائي البطاريات، والفولط، والسلاسل الحالية، ونطاق درجات الحرارة التشغيلية، والعمر المتوقع، ومعايير السلامة المنطبقة، وستسترشد هذه المتطلبات بجميع القرارات اللاحقة المتعلقة باختيار العناصر.

أولويات السلامة والاعتماد

إن السلامة الوظيفية لها أهميتها القصوى في نظام إدارة المباني، وينبغي أن يكون الاعتبار الرئيسي في اختيار العناصر، لا سيما في التطبيقات التي تنطوي على تفاعل بشري أو نظم بطارية عالية الطاقة، وأن يُختار عناصر لها سجلات ثابتة، ومنح شهادات السلامة المناسبة، وطرائق الفشل القوية.

الأداء والكلفة

ويرتبط نطاق تصميم التكنولوجيا وخصائصها المنفذة عموما بتكاليف مجموعة البطاريات وتعقيدها وحجمها، وتطبيق البطارية وأي شواغل تتعلق بالسلامة والحياة والضمان، ومتطلبات التصديق من مختلف الأنظمة الحكومية، وفي حين أن العناصر ذات الأداء العالي قد توفر قدرا أكبر من الدقة والسمات، يجب أن تكون متوازنة مع قيود التكاليف والاحتياجات الفعلية للتطبيقات.

النظر في النظام الكامل

وينبغي أن ينظر اختيار العناصر في هيكل النظام بأكمله، بما في ذلك التفاعلات بين أجهزة الاستشعار ووحدات التجهيز وأجهزة الحماية ونظم الإدارة الحرارية، وضمان توافق بروتوكولات الاتصالات ومستويات الفولط ومتطلبات التوقيت في جميع العناصر.

خطة الاختبار والتقييم

(ب) العناصر المختارة التي تيسر الاختبار الشامل والتحقق من صحتها - النظر في توافر مجالس التقييم، والتصميمات المرجعية، ونماذج المحاكاة - خطة الاختبار البيئي، والدراسات العمرية، والتحقق من سلامة العمل حسب الاقتضاء.

تقييم سلسلة الإمدادات والدعم

النظر في توافر العناصر، والوقت الأولي، والتزامات التوريد الطويلة الأجل، وتقييم نوعية الوثائق التقنية، ودعم التطبيقات، وسجل الصانع في مجال إدارة البطاريات، والنظر في خيارات المصادر الثانية للتخفيف من مخاطر سلسلة الإمداد.

الشلالات المشتركة إلى أفويد

Underestimating Environmental Stress

وكثيرا ما تعمل نظم البطارية في بيئات قاسية ذات درجات حرارة واسعة، وهز، ورطوبة، وتدخل الكهرومغناطيسي، ويجب تقييم المكونات لأسوأ الظروف، وليس فقط سيناريوهات التشغيل النموذجية، وقد يؤدي عدم كفاية المواصفات البيئية إلى حالات فشل سابقة لأوانها وإلى مسائل تتعلق بالسلامة.

إغفال دريفت طويل الطراز

ويمكن أن يؤدي الانجراف الحسائي بمرور الوقت إلى تدهور كبير في أداء نظام إدارة المباني، إذ أن اختيار أجهزة الاستشعار ذات المواصفات المنخفضة العائمة وتنفيذ استراتيجيات المعايرة للحفاظ على الدقة طوال عمر النظام، والنظر في أثر الشيخوخة على جميع المكونات، وليس فقط خلايا البطاريات نفسها.

المريخ غير كافٍ للسلامة

وينبغي اختيار المكونات مع هوامش الأمان المناسبة لمعدلات الفولط والحالي ودرجات الحرارة، وتخفض عناصر التشغيل التي تقترب من الحد الأقصى من درجاتها الموثوقية ويمكن أن تؤدي إلى الفشل في ظروف عابرة، وتستدعي أفضل الممارسات في هذا المجال عادة إجراء تقدير بنسبة تتراوح بين 20 و 30 في المائة للعناصر الحاسمة الأهمية.

Overvis Electromagnetic Compatibility

ويمكن أن يؤدي التحول السريع في نظم البطاريات إلى تدخل كهرومغناطيسي كبير، ويجب حماية إشارات الاستشعار، ولا سيما إشارات التناظر المنخفضة المستوى، من خلال توفير الحماية الملائمة، والتصفير، والممارسات التصميمية، واختيار العناصر ذات المبادئ التوجيهية الجيدة المتعلقة بالحصانة من الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن المواد الكيميائية.

عدم كفاية الإدارة الحرارية

ويمكن أن تتجاوز درجات حرارة المكونات بدرجة كبيرة درجة الحرارة المحيطة بنظم البطاريات ذات الطاقة العالية، وأن تكفل تقدير جميع المكونات لدرجات الحرارة التشغيلية الفعلية التي ستتعرض لها، بما في ذلك آثار التسخين الذاتي، والإدارة الحرارية لمكونات نظام إدارة الطاقة الحرارية بنفس أهمية الإدارة الحرارية للبطارية.

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا عنصر إدارة المباني

التكامل والتنميط

ويتواصل الاتجاه نحو مستويات أعلى من التكامل، حيث تجمع الرقائق المتعددة الوظائف بين الاستشعار عن بعد، والقياس الحالي، والتوازن بين الخلايا، ووظائف الحماية في مجموعات واحدة، وهذا التكامل يقلل من عدد المكونات، وحيز المكاتب، وتكاليف النظم، ويحتمل أن يؤدي إلى تحسين الموثوقية.

الأسطول العازل

ويبرز الاتصال اللاسلكي بين وحدات رصد الخلايا والمراقب المركزي لدائرة إدارة المباني كبديل للهيكلات اللاسلكية التقليدية، ويمكن لهذا النهج أن يبسط التجميع ويقلل من وزنه ويحسن المرونة، رغم أن التحديات لا تزال قائمة في ضمان الاتصال الموثوق به وإدارة استهلاك الطاقة.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وتمثل التطورات الأخيرة في مجال التعلم العميق نهجاً يمكن أن يتحول إلى نهج، إذ أنه، من خلال وضع نماذج لعمليات الكهروكيميائية والحرارية المعقدة استجابة لبيانات الاستشعار الخام، يصبح من الممكن وضع نماذج متطورة، مع إجراء مناقشة شاملة لتطبيقات نظام إدارة المباني القائمة على أساس الديموقراطية، بما في ذلك تقدير حالة الشحن، وحالة الصحة، والتنبؤ بالحياة المستعملة المتبقية، والكشف عن الأخطاء، والإدارة الحرارية والطاقة.

ويمكن أن تتكيف نظم إدارة المباني المعززة بالأجهزة المذكورة مع خصائص البطاريات الفردية، والتنبؤ بالفشل قبل حدوثها، وتحقيق الأداء الأمثل في الوقت الحقيقي، وهذا الاتجاه يدفع متطلبات جديدة لتجهيز القدرات على جمع البيانات في عناصر نظام إدارة المباني.

القدرات التشخيصية المتقدمة

وستتضمن تصميمات نظام إدارة المباني في المستقبل قدرات تشخيصية أكثر تطورا، بما في ذلك طقس التقلبات، واستشعار الغاز، والرصد الصوتي، وهذه التشخيصات المتقدمة تتيح الكشف المبكر عن قضايا التدهور والسلامة، ودعم استراتيجيات الصيانة التنبؤية وتحسين السلامة.

توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل

ويوفر معيار الشبكة الأوروبية للطاقة إطارا لمختلف تشكيلات النظم وأنواع البطاريات والتكنولوجيات، مما يمكّن صناعات ومرافق نظام إدارة العمليات من تعزيز موثوقية نظمها وسلامتها وكفاءتها، وسيؤدي الاستمرار في تطوير معايير الصناعة إلى زيادة قابلية التشغيل المتبادل وتيسير اختيار العناصر عبر مختلف الجهات المصنعة والتطبيقات.

خاتمة

اختيار أجهزة الاستشعار والمكونات المناسبة لتصميم نظام إدارة المباني يتطلب النظر بعناية في عوامل تقنية وسلامية وعملية متعددة، ودقة وموثوقية أجهزة الاستشعار بالفولط والحالي ودرجة الحرارة تؤثر مباشرة على قدرة دائرة إدارة المباني على حماية البطارية، وتحقيق الأداء الأمثل، وضمان التشغيل الآمن طوال عمر النظام.

وتشمل الاعتبارات الرئيسية الدقة في الاستشعار والوقت اللازم للاستجابة، والتوافق مع كيميائيات البطاريات، ودرجة حرارة التشغيل، واستهلاك الطاقة، والامتثال لمعايير الصناعة، والموثوقية الطويلة الأجل، ويجب اختيار المكونات مع هوامش السلامة المناسبة والتحقق من صحتها من خلال برامج الاختبار الشاملة.

ومع استمرار تقدم تكنولوجيا البطاريات وزيادة الطلب على التطبيقات، فإن تكنولوجيا عنصر إدارة المباني آخذة في التطور لمواجهة التحديات الجديدة، وتشمل الاتجاهات الناشئة زيادة التكامل، والهيكلات اللاسلكية، والمقاييس المحسنة، وقدرات التشخيص المتقدمة، وسيمكن المصممين من إقامة نظم إدارة المباني تلبي المتطلبات الصارمة لتطبيقات البطاريات الحديثة.

For further information on bat management systems and component selection, consider exploring resources from the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEE), the ] Society of Automotive Engineers (SAE), and leading semiconductor reference design notes extensive application