عندما يتحدث الناس عن المركبات الكهربائية، غالبًا ما يدور الحديث حول المدى والتسارع وسرعة الشحن. ومع ذلك، وراء هذا الأداء المبهر، يعمل عنصر هادئ ولكنه أساسي بجد:نظام إدارة بطارية السيارة الكهربائية (BMS).
يُمكن اعتبار نظام إدارة البطارية (BMS) بمثابة "حارس بطارية" دقيق للغاية. فهو لا يراقب درجة حرارة البطارية وقدرتها على التحمل (الجهد)، بل يضمن أيضًا عمل جميع أعضاء الفريق (الخلايا) بتناغم. وكما يُشير تقرير صادر عن وزارة الطاقة الأمريكية، فإن "الإدارة المتقدمة للبطاريات أمر بالغ الأهمية لتعزيز اعتماد السيارات الكهربائية".¹
سنأخذكم في رحلة متعمقة إلى هذا البطل المجهول. سنبدأ بالعنصر الأساسي الذي يديره - أنواع البطاريات - ثم ننتقل إلى وظائفه الأساسية، وبنيته الشبيهة بالدماغ، وأخيرًا نتطلع إلى مستقبل يعتمد على الذكاء الاصطناعي وتكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية.
1: فهم "قلب" نظام إدارة البطاريات (BMS): أنواع بطاريات السيارات الكهربائية
يرتبط تصميم نظام إدارة البطاريات (BMS) ارتباطًا وثيقًا بنوع البطارية التي يُديرها. تتطلب التركيبات الكيميائية المختلفة استراتيجيات إدارة مختلفة تمامًا. يُعد فهم هذه البطاريات الخطوة الأولى لفهم تعقيد تصميم نظام إدارة البطاريات.
بطاريات السيارات الكهربائية السائدة والمستقبلية: نظرة مقارنة
| نوع البطارية | الخصائص الرئيسية | المزايا | العيوب | التركيز على إدارة BMS |
|---|---|---|---|---|
| فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) | فعّالة من حيث التكلفة، آمنة جدًا، وعمر افتراضي طويل. | استقرار حراري ممتاز، وانخفاض خطر الانفلات الحراري. عمر دورة يتجاوز 3000 دورة. تكلفة منخفضة، بدون كوبالت. | كثافة طاقة منخفضة نسبيًا. أداء ضعيف في درجات الحرارة المنخفضة. يصعب تقدير الكربون العضوي في الجسم. | تقدير SOC عالي الدقة:يتطلب خوارزميات معقدة للتعامل مع منحنى الجهد المسطح.التسخين المسبق بدرجة حرارة منخفضة:تحتاج إلى نظام تدفئة بطارية متكامل وقوي. |
| النيكل والمنجنيز والكوبالت (NMC/NCA) | كثافة طاقة عالية، ونطاق قيادة طويل. | كثافة طاقة رائدة لمدى أطول. أداء أفضل في الطقس البارد. | استقرار حراري أقل. تكلفة أعلى بسبب الكوبالت والنيكل. عمر الدورة أقصر عادةً من LFP. | مراقبة السلامة النشطة:مراقبة جهد الخلية ودرجة حرارتها على مستوى الملي ثانية.موازنة نشطة قوية:يحافظ على الاتساق بين الخلايا ذات الكثافة العالية للطاقة.تنسيق دقيق للإدارة الحرارية. |
| بطارية الحالة الصلبة | يستخدم إلكتروليتًا صلبًا، ويُنظر إليه على أنه الجيل التالي. | السلامة القصوى:يزيل بشكل أساسي خطر نشوب حريق بسبب تسرب الإلكتروليت.كثافة طاقة عالية للغاية:نظريًا يصل إلى 500 واط/كجم. نطاق درجة حرارة تشغيل أوسع. | التكنولوجيا ليست ناضجة بعد؛ التكلفة العالية. التحديات المتعلقة بمقاومة الواجهة وعمر الدورة. | تقنيات الاستشعار الجديدة:قد تكون هناك حاجة لمراقبة كميات فيزيائية جديدة مثل الضغط.تقدير حالة الواجهة:مراقبة صحة الواجهة بين الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية. |
2: الوظائف الأساسية لنظام إدارة البطاريات: ما الذي يقوم به فعليًا؟
نظام إدارة المباني (BMS) متكامل الوظائف، أشبه بخبير متعدد المواهب، يؤدي في آنٍ واحد أدوار محاسب وطبيب وحارس شخصي. ويمكن تقسيم عمله إلى أربع وظائف أساسية.
١. تقديرات الدولة: "مقياس الوقود" و"تقرير الصحة"
•حالة الشحن (SOC):هذا ما يهم المستخدمين أكثر: "ما مقدار شحن البطارية المتبقي؟". يُجنّب تقدير شحن البطارية بدقة قلق المدى. بالنسبة للبطاريات مثل بطاريات LFP ذات منحنى الجهد المسطح، يُمثّل تقدير شحن البطارية بدقة تحديًا تقنيًا عالميًا، ويتطلب خوارزميات معقدة مثل مرشح كالمان.
•حالة الصحة:يُقيّم هذا النظام "صحة" البطارية مقارنةً بحالتها عندما كانت جديدة، وهو عامل أساسي في تحديد قيمة السيارة الكهربائية المستعملة. البطارية ذات نسبة 80% من سعة البطارية الأصلية تعني أن سعتها القصوى لا تتجاوز 80% من سعة البطارية الجديدة.
2. موازنة الخلايا: فن العمل الجماعي
تتكون حزمة البطارية من مئات أو آلاف الخلايا المتصلة على التوالي والتوازي. ونظرًا لاختلافات طفيفة في التصنيع، تختلف معدلات الشحن والتفريغ اختلافًا طفيفًا. فبدون موازنة، ستحدد الخلية ذات الشحن الأقل نقطة نهاية تفريغ الحزمة بأكملها، بينما ستحدد الخلية ذات الشحن الأعلى نقطة نهاية الشحن.
•الموازنة السلبية:يحرق الطاقة الزائدة من الخلايا ذات الشحنة الأعلى باستخدام مقاوم. إنه بسيط ورخيص، لكنه يُولّد حرارة ويُهدر الطاقة.
•الموازنة النشطة:ينقل الطاقة من الخلايا ذات الشحنة الأعلى إلى الخلايا ذات الشحنة الأقل. يتميز هذا النظام بالكفاءة ويمكنه زيادة المدى القابل للاستخدام، ولكنه معقد ومكلف. تشير أبحاث SAE International إلى أن الموازنة النشطة يمكن أن تزيد من سعة العبوة القابلة للاستخدام بنحو 10%⁶.
3. حماية السلامة: "الحارس" اليقظ
هذه هي أهم مسؤولية لنظام إدارة البطارية (BMS). فهو يراقب باستمرار معلمات البطارية عبر أجهزة الاستشعار.
•حماية من الجهد الزائد/الجهد المنخفض:يمنع الشحن الزائد أو التفريغ الزائد، وهما السببان الرئيسيان للتلف الدائم للبطارية.
•حماية من التيار الزائد:يقوم بقطع الدائرة بسرعة أثناء الأحداث الحالية غير الطبيعية، مثل حدوث ماس كهربائي.
•الحماية من ارتفاع درجة الحرارة:البطاريات حساسة للغاية لدرجة الحرارة. يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) درجة الحرارة، ويحد من الطاقة إذا كانت مرتفعة أو منخفضة جدًا، ويُفعّل أنظمة التدفئة أو التبريد. يُعد منع ارتفاع درجة الحرارة أولوية قصوى، وهو أمر حيوي لنظام شامل.تصميم محطة شحن السيارات الكهربائية.
3.عقل نظام إدارة البطاريات: كيف يتم تصميمه؟
يعد اختيار بنية BMS الصحيحة بمثابة مقايضة بين التكلفة والموثوقية والمرونة.
مقارنة بين بنية نظام إدارة المباني (BMS): المركزية مقابل الموزعة مقابل المعيارية
| بنيان | البنية والخصائص | المزايا | العيوب | الموردين/التقنيين الممثلين |
|---|---|---|---|---|
| مركزي | يتم توصيل جميع أسلاك استشعار الخلايا مباشرة بجهاز تحكم مركزي واحد. | منخفضة التكلفة، هيكل بسيط | نقطة فشل واحدة، أسلاك معقدة، وثقيلة، وقابلية التوسع ضعيفة | شركة تكساس إنسترومنتس (TI), إنفينيونتقديم حلول شريحة واحدة متكاملة للغاية. |
| موزعة | تحتوي كل وحدة بطارية على وحدة تحكم تابعة خاصة بها ترسل التقارير إلى وحدة تحكم رئيسية. | موثوقية عالية وقابلية قوية للتوسع وسهولة الصيانة | ارتفاع تكلفة النظام وتعقيده | الأجهزة التناظرية (ADI)تعتبر أنظمة BMS اللاسلكية (wBMS) من شركة رائدة في هذا المجال.إن إكس بيكما تقدم أيضًا حلولاً قوية. |
| وحدات | نهج هجين بين الاثنين الآخرين، يوازن بين التكلفة والأداء. | توازن جيد وتصميم مرن | لا يوجد ميزة بارزة واحدة؛ متوسط في جميع الجوانب. | الموردين من الدرجة الأولى مثلماريليوبريهتقديم مثل هذه الحلول المخصصة. |
A الهندسة المعمارية الموزعةأصبحت أنظمة إدارة البطاريات اللاسلكية (wBMS)، وخاصةً أنظمة إدارة البطاريات اللاسلكية، رائجة في هذا المجال. فهي تُلغي تعقيدات توصيل الأسلاك بين وحدات التحكم، مما يُقلل الوزن والتكلفة، ويوفر مرونة غير مسبوقة في تصميم حزم البطاريات، ويُبسط التكامل معمعدات إمداد المركبات الكهربائية (EVSE).
4: مستقبل أنظمة إدارة البطاريات: اتجاهات تكنولوجيا الجيل التالي
إن تقنية BMS ما زالت بعيدة كل البعد عن هدفها النهائي، فهي تتطور لتصبح أكثر ذكاءً وأكثر اتصالاً.
•الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي:لن تعتمد أنظمة إدارة المباني المستقبلية على نماذج رياضية ثابتة. بل ستستخدم الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي لتحليل كميات هائلة من البيانات التاريخية للتنبؤ بدقة أكبر بعمر التشغيل المتبقي (SOH) والعمر الإنتاجي المتبقي (RUL)، بل وحتى توفير تحذيرات مبكرة للأعطال المحتملة⁹.
•نظام إدارة المباني المتصل بالسحابة:من خلال تحميل البيانات إلى السحابة، يُمكن تحقيق مراقبة وتشخيص عن بُعد لبطاريات المركبات حول العالم. هذا لا يسمح فقط بتحديثات لاسلكية (OTA) لخوارزمية نظام إدارة البطاريات (BMS)، بل يُوفر أيضًا بيانات قيّمة لأبحاث الجيل القادم في مجال البطاريات. كما يُرسي مفهوم "من المركبة إلى السحابة" الأساس لـالإصدار 2 جي(من المركبة إلى الشبكة)تكنولوجيا.
•التكيف مع تقنيات البطاريات الجديدة:سواء كانت بطاريات ذات حالة صلبة أوتقنيات Flow Battery وLDES Coreوستتطلب هذه التقنيات الناشئة استراتيجيات إدارة BMS وتقنيات استشعار جديدة كليًا.
قائمة التحقق من تصميم المهندس
بالنسبة للمهندسين المشاركين في تصميم أو اختيار نظام إدارة البطاريات، فإن النقاط التالية تشكل اعتبارات رئيسية:
• مستوى السلامة الوظيفية (ASIL):هل يتوافق معايزو 26262بالنسبة لمكونات السلامة الحرجة مثل نظام إدارة البطاريات (BMS)، عادةً ما يكون ASIL-C أو ASIL-D مطلوبًا¹⁰.
•متطلبات الدقة:تؤثر دقة قياس الجهد والتيار ودرجة الحرارة بشكل مباشر على دقة تقدير SOC/SOH.
•بروتوكولات الاتصال:هل يدعم بروتوكولات ناقل السيارات السائدة مثل CAN وLIN، وهل يتوافق مع متطلبات الاتصال الخاصة بـمعايير شحن السيارات الكهربائية?
•القدرة على الموازنة:هل هذه موازنة نشطة أم سلبية؟ ما هو تيار الموازنة؟ هل تلبي متطلبات تصميم حزمة البطارية؟
•قابلية التوسع:هل يمكن تكييف الحل بسهولة مع منصات حزم البطاريات المختلفة ذات السعات ومستويات الجهد المختلفة؟
الدماغ المتطور للسيارة الكهربائية
النظام إدارة بطارية السيارة الكهربائية (BMS)يُعدّ جزءًا لا غنى عنه في تكنولوجيا المركبات الكهربائية الحديثة. فقد تطور من شاشة بسيطة إلى نظام مدمج معقد يجمع بين الاستشعار والحوسبة والتحكم والتواصل.
مع استمرار تطور تكنولوجيا البطاريات نفسها، ومجالات متطورة كالذكاء الاصطناعي والاتصالات اللاسلكية، سيصبح نظام إدارة البطاريات أكثر ذكاءً وموثوقية وكفاءة. فهو ليس فقط حامي سلامة المركبات، بل هو أيضًا المفتاح لإطلاق العنان لكامل إمكانات البطاريات، وتمكين مستقبل نقل أكثر استدامة.
التعليمات
س: ما هو نظام إدارة بطارية السيارة الكهربائية؟
A: An نظام إدارة بطارية السيارة الكهربائية (BMS)هو "العقل الإلكتروني" و"الحارس" لبطارية السيارة الكهربائية. إنه نظام متطور من الأجهزة والبرامج يراقب ويدير كل خلية بطارية على حدة باستمرار، مما يضمن تشغيل البطارية بأمان وكفاءة في جميع الظروف.
س: ما هي الوظائف الرئيسية لنظام إدارة البطاريات (BMS)؟
A:تتضمن الوظائف الأساسية لنظام إدارة البطاريات ما يلي: 1)تقدير الدولة:حساب شحن البطارية المتبقي (حالة الشحن - SOC) وحالتها العامة (حالة الصحة - SOH) بدقة. 2)موازنة الخلايا:التأكد من أن جميع الخلايا في العبوة لها مستوى شحن موحد لمنع شحن الخلايا الفردية أو تفريغها بشكل زائد. 3)حماية السلامة:قطع الدائرة في حالة الجهد الزائد أو الجهد المنخفض أو التيار الزائد أو درجة الحرارة الزائدة لمنع الأحداث الخطيرة مثل الانفلات الحراري.
س: لماذا يعد نظام إدارة البطاريات (BMS) مهمًا جدًا؟
A:يحدد نظام إدارة البطاريات (BMS) بشكل مباشر حالة السيارة الكهربائيةالسلامة والمدى وعمر البطاريةبدون نظام إدارة البطاريات (BMS)، قد تتلف حزمة البطاريات باهظة الثمن بسبب اختلال توازن الخلايا خلال أشهر، أو حتى تشتعل. يُعد نظام إدارة البطاريات المتطور حجر الأساس لتحقيق مدى طويل وعمر افتراضي طويل وأمان عالٍ.
وقت النشر: ١٨ يوليو ٢٠٢٥