مشكلات عدم الاتساق وحلولها لبطاريات تخزين الطاقة

نظام البطارية هو النواة الأساسية لنظام تخزين الطاقة بأكمله، والذي يتكون من مئات أو آلاف الخلايا الفردية المتصلة تسلسليًا وموازيًا. عدم اتساق البطارية يشير بشكل أساسي إلى عدم اتساق المعلمات مثل سعة البطارية، والمقاومة الداخلية، والحرارة. عند استخدام بطاريات غير متسقة في التوصيل التسلسلي والموازي، ستظهر المشاكل التالية:

1) فقدان السعة المتاحة

في نظام تخزين الطاقة، يتم توصيل الخلايا الفردية تسلسليًا وموازيًا لتشكيل صندوق بطارية، ويتم توصيل صناديق البطاريات تسلسليًا وموازيًا لتشكيل مجموعة بطاريات. يتم توصيل عدة مجموعات بطاريات مباشرة بالموازاة مع نفس الحافلة DC. أسباب فقدان السعة المتاحة بسبب عدم اتساق البطارية تشمل عدم الاتساق في التوصيل التسلسلي وعدم الاتساق في التوصيل الموازي.

· خسارة عدم الاتساق في تسلسل البطارية

وفقًا لمبدأ البرميل، تعتمد سعة النظام الكهروكيميائي للبطارية على الخلية单品 ذات السعة الأصغر. بسبب عدم التطابق مثل الفروقات بين الخلايا الفردية نفسها وفروق درجات الحرارة، تكون السعة المتاحة لكل خلية فردية مختلفة. الخلايا ذات السعة الصغيرة تمتلئ أولاً أثناء الشحن وتفرغ أولًا أثناء الإطلاق، مما يقيّد قدرة الشحن للخلايا الأخرى في نظام البطارية. وقد يؤدي ذلك إلى تقليل السعة المتاحة لنظام البطارية. بدون إدارة توازن فعالة، مع زيادة وقت التشغيل، ستزداد تدهور وتباين سعة الخلية الفردية، مما يسرع بشكل أكبر من تراجع السعة المتاحة لنظام البطارية.

· فقدان الاتساق في الاتصال المتوازي لحزمة البطارية

عندما يتم توصيل مجموعات البطاريات مباشرةً بالتوازي، سيحدث ظاهرة الدوران بعد الشحن والتفريغ. يتم إجبار فولتية كل مجموعة بطاريات على التوازن. عندما تكون مجموعة البطاريات ذات المقاومة الداخلية الأقل مشحونة بالكامل أو تم تفريغها، يجب على باقي مجموعات البطاريات إيقاف الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى شحن غير مرضٍ بين مجموعات البطاريات. عدم قدرة البطارية على التفريغ سيتسبب في فقدان سعة البطارية وارتفاع درجة حرارتها، مما يُسرّع من تدهور البطارية ويقلل من السعة المتاحة لنظام البطارية. بالإضافة إلى ذلك، بسبب المقاومة الداخلية الصغيرة للبطارية، حتى لو كان الفرق في الفولتية بين المجموعات نتيجة لعدم التجانس بضع فولت فقط، فإن تدفق التيار غير المتساوي بين المجموعات سيكون كبيرًا جدًا. كما هو موضح في بيانات القياس الخاصة بمحطة طاقة في الجدول أدناه، يصل الفرق في تيار الشحن إلى 75 أوم (الانحراف بنسبة 42% مقارنة بالقيمة المتوسطة النظرية)، وسيؤدي التيار الانحرافي إلى شحن زائد وتفريغ زائد في بعض مجموعات البطاريات؛ مما سيؤثر بشكل كبير على كفاءة الشحن والتفريغ وعمر البطارية، وقد يؤدي حتى إلى حوادث أمان خطيرة.

2) عدم اتساق درجة الحرارة يؤدي إلى تسريع التمايز الخلايا الواحدة وتقصير العمر الافتراضي

درجة الحرارة هي العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على عمر التخزين الطاقي. عندما ترتفع درجة حرارة النظام الداخلي لنظام التخزين الطاقي بمقدار 15°C، سيتقلص عمر النظام بأكثر من النصف. تولد بطاريات الليثيوم الكثير من الحرارة أثناء عملية الشحن والتفريغ. الفروق المفرطة في درجات الحرارة بين الخلايا الواحدة ستؤدي إلى زيادة إضافية في المقاومة الداخلية والسعة وما إلى ذلك، مما يؤدي إلى تسريع التمايز بين الخلايا وقصر عمر دورة نظام البطارية، بل وحتى قد يسبب مخاطر أمان.

كيفية التعامل مع انعدام التجانس في بطاريات التخزين الطاقي؟

عدم اتساق البطارية هو السبب الجذري للكثير من المشكلات في أنظمة تخزين الطاقة الحالية. وعلى الرغم من صعوبة القضاء على عدم الاتساق بسبب الخصائص الكيميائية للبطارية وتأثير البيئة التشغيلية، فمن الممكن دمج التكنولوجيا الرقمية والتكنولوجيا الإلكترونية القوية والتكنولوجيا الخاصة بتخزين الطاقة واستخدام قابلية التحكم في التكنولوجيا الإلكترونية القوية لتقليل تأثير عدم اتساق بطاريات الليثيوم إلى أدنى حد ممكن، مما يزيد بشكل كبير من السعة المتاحة لنظام تخزين الطاقة ويعزز سلامة النظام.

1) تقنية التوازن النشط Eitai تراقب الجهد ودرجة حرارة كل خلية فردية في الوقت الفعلي للتخلص من مشكلة عدم الاتساق الناتجة عن توصيل البطاريات بالسلسلة، مما يزيد من السعة المتاحة لنظام تخزين الطاقة بنسبة تزيد عن 20% طوال دورة حياتها.

2) في تصميم النظام الكهربائي لنظام تخزين طاقة إيتاي، يتم إدارة كل مجموعة بطاريات بشكل فردي للشحن والتفريغ، ولا يتم توصيل مجموعات البطاريات بالتوازي، مما يتجنب مشكلة الدورة الناتجة عن الاتصال المتوازي المباشر ويحسن بشكل فعال السعة المتاحة للنظام.

3) التحكم الدقيق في درجة الحرارة لتمديد عمر نظام التخزين الطاقي

تُجمع وتُراقب درجة حرارة كل خلية واحدة في الوقت الفعلي. من خلال محاكاة CFD ثلاثية المستويات وكمية كبيرة من البيانات التجريبية، تم تحسين التصميم الحراري لنظام البطارية لجعل الفرق الأقصى في درجة حرارة الخلايا داخل نظام البطارية أقل من 5°C، مما يحل مشكلة الاختلاف بين الخلايا الناتجة عن عدم اتساق درجات الحرارة.