مراقبة درجة حرارة البطارية في أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات: من نقاط الاستشعار إلى حماية النظام

تُعد مراقبة درجة الحرارة وظيفة أساسية في نظام تخزين طاقة البطارية، ولكن قيمة القياس تعتمد بشكل كبير على مكان قياس درجة الحرارة وكيفية استخدام البيانات.

في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، لا تنبعث الحرارة من خلايا البطارية وحدها. فالوصلات التي تحمل التيار، وقضبان التوصيل، والموصلات، والصمامات، والكابلات، والمكونات الكهربائية الأخرى، قد تُصبح مصادر حرارة محلية. لذا، فإن قيمة درجة الحرارة المأخوذة من موقع واحد قد لا تُعطي الصورة الكاملة.

بالنسبة لرفوف البطاريات والأنظمة الكهربائية ذات الجهد العالي، يجب اعتبار مراقبة درجة الحرارة جزءًا من بنية المراقبة والحماية الأوسع.

أين ينبغي قياس درجة الحرارة؟

لا توجد نقطة حرارة واحدة يمكنها أن تمثل حالة رف البطاريات بأكمله.

قد تتعرض أجزاء مختلفة من النظام لظروف حرارية مختلفة.

على مستوى البطارية، قد يركز رصد درجة الحرارة على الخلايا أو الوحدات لأن درجة حرارة البطارية تؤثر على الشحن والتفريغ وظروف التشغيل العامة.

على المستوى الكهربائي، قد تستحق مواقع أخرى الاهتمام أيضاً:

• توصيلات قضبان التوزيع

• أطراف الكابلات

• نقاط توصيل التيار العالي

• موصلات التيار المستمر

• نقاط تركيب الفيوزات

• المكونات الأخرى داخل حامل البطارية أو العلبة الكهربائية

لا تتمتع هذه المواقع بالضرورة بنفس السلوك الحراري لخلايا البطارية.

وبالتالي، يمكن أن يكون للرف درجة حرارة متوسطة طبيعية بينما تكون نقطة اتصال معينة تعمل بدرجة حرارة أعلى بكثير من المنطقة المحيطة بها.

هذا أحد الأسباب التي تجعل موضع المستشعر مهمًا بقدر أهمية المستشعر نفسه.

قد تكون البقعة الساخنة أكثر أهمية من متوسط ​​درجة الحرارة

يُنظر أحيانًا إلى مراقبة درجة حرارة البطارية بشكل أساسي على أنها وسيلة للكشف عن ارتفاع عام في درجة الحرارة.

أما بالنسبة لحماية النظام، فإن موقع ارتفاع درجة الحرارة يمكن أن يكون بنفس القدر من الأهمية.

قد يرتبط الارتفاع الموضعي بما يلي:

• زيادة مقاومة التلامس

• اتصال غير محكم أو متدهور

• تركيز التيار العالي

• ضعف تبديد الحرارة

• تحميل غير طبيعي

• تقادم المكونات

وبالتالي، يمكن لمستشعر درجة الحرارة المثبت في وصلة كهربائية مناسبة أن يوفر معلومات لا يمكن رؤيتها من قياس درجة الحرارة المحيطة العامة.

يُعد هذا الأمر ذا أهمية خاصة في تصميمات أنظمة تخزين الطاقة المدمجة حيث يتم تركيب مكونات التيار العالي بالقرب من بعضها البعض.

الهدف ليس وضع أجهزة الاستشعار في كل مكان، بل تحديد النقاط التي يمكن أن توفر فيها بيانات درجة الحرارة معلومات مفيدة حول حالة البطارية والنظام الكهربائي.

درجة حرارة البطارية ودرجة الحرارة الكهربائية قياسان مختلفان.

لا ينبغي التعامل مع درجة حرارة البطارية ودرجة حرارة المكونات الكهربائية على أنهما نفس الشيء تلقائيًا.

قد تعمل خلية البطارية ضمن نطاق درجة حرارتها المتوقع بينما يتعرض طرف الكابل أو وصلة قضيب التوصيل لتسخين موضعي غير طبيعي.

قد يحدث العكس أيضاً. فقد ترتفع درجة حرارة وحدة البطارية بسبب ظروف تشغيلها، بينما تبقى التوصيلات الكهربائية المحيطة بها ضمن نطاقها الطبيعي.

يُعد هذا التمييز مهماً عند استخدام بيانات درجة الحرارة لاتخاذ قرارات الحماية.

يحتاج نظام المراقبة إلى معرفة ما يمثله كل قياس بدلاً من التعامل مع جميع قيم درجة الحرارة على أنها قابلة للتبادل.

لهذا السبب، ينبغي مراعاة الموقع الفعلي لكل نقطة استشعار عند تحديد بنية المراقبة.

من بيانات المستشعرات إلى قرارات نظام إدارة المباني

يصبح قياس درجة الحرارة أكثر فائدة عند ربطه بنظام إدارة المباني (BMS) ونظام التحكم الأوسع.

يمكن لنظام إدارة البطارية (BMS) استخدام معلومات درجة الحرارة جنبًا إلى جنب مع معلمات البطارية الأخرى مثل جهد الخلية وجهد الحزمة وتيار الشحن/التفريغ لتحديد ما إذا كانت البطارية تعمل ضمن حدودها المحددة.

يمكن أن تؤثر درجة الحرارة على العديد من القرارات، بما في ذلك:

• سواء كان الشحن أو التفريغ يجب أن يستمر

• ما إذا كان ينبغي تقييد التيار

• ما إذا كان ينبغي أن تؤدي حالة غير طبيعية إلى إطلاق إنذار

• ما إذا تم الوصول إلى عتبة الحماية

• ما إذا كانت البطارية بحاجة إلى الدخول في حالة تشغيل مختلفة

النقطة المهمة هي أن المستشعر لا يتخذ قرار الحماية من تلقاء نفسه.

يقوم المستشعر بتوفير القياس. ويقوم نظام إدارة المباني بتفسير البيانات وفقًا لمنطق الحماية والتحكم المُكوّن.

يصبح هذا التمييز ذا أهمية متزايدة مع استخدام أنظمة البطاريات لمزيد من نقاط المراقبة ومعلومات التشغيل الأكثر تفصيلاً.

يمكن أن يحمل فرق درجة الحرارة معلومات مفيدة أيضًا

درجة الحرارة المطلقة ليست دائماً القيمة المفيدة الوحيدة.

يمكن أن يوفر الفرق بين نقاط الاستشعار معلومات إضافية حول حالة نظام البطارية.

على سبيل المثال، إذا كانت عدة أقسام بطارية متشابهة تعمل في ظل ظروف مماثلة ولكن أحد المواقع يُظهر اختلافًا مستمرًا في درجة الحرارة، فقد يستحق هذا الاختلاف مزيدًا من البحث.

وينطبق المبدأ نفسه على نقاط التوصيل الكهربائية.

قد تبدو قيمة درجة الحرارة الواحدة مقبولة عند النظر إليها بمفردها، في حين أن المقارنة بين نقاط متعددة يمكن أن تكشف عن نمط غير طبيعي.

وهذا يجعل مراقبة درجة الحرارة متعددة النقاط مفيدة ليس فقط للحماية، ولكن أيضًا لمراقبة الحالة والصيانة.

وبالتالي، تعتمد جودة بنية المراقبة على كل من أداء المستشعر وطريقة تفسير البيانات التي تم جمعها.

مراقبة درجة الحرارة سلكياً ولاسلكياً

يعتمد الاختيار بين الاستشعار السلكي واللاسلكي على البنية الفيزيائية للنظام.

يمكن لأجهزة الاستشعار السلكية أن توفر اتصالاً مباشراً بنظام المراقبة، ولكن زيادة عدد نقاط الاستشعار يمكن أن تزيد من متطلبات الأسلاك.

في رف البطاريات الذي يحتوي على العديد من الوحدات ومواقع مراقبة متعددة، يمكن أن يصبح توجيه الكابلات أحد الاعتبارات التصميمية العملية.

يمكن لأنظمة مراقبة درجة الحرارة اللاسلكية أن تقلل من كمية أسلاك الإشارة المطلوبة بين نقاط الاستشعار ونظام جمع البيانات. وهذا مفيد في الأماكن ذات المساحة المحدودة أو عندما تكون نقاط المراقبة موزعة على بنية كهربائية أكبر.

يمكن أن يكون الاستشعار اللاسلكي ذا صلة أيضًا عندما تكون هناك حاجة إلى المراقبة في مواقع مثل قضبان التوصيل أو وصلات الكابلات أو غيرها من الواجهات الكهربائية حيث يكون إضافة أسلاك إضافية أمرًا غير مريح.

يجب أن يستند الاختيار إلى متطلبات النظام الكاملة، بما في ذلك طريقة الاتصال، وبيئة التركيب، ودقة القياس، وإمدادات الطاقة، ومتطلبات الصيانة.

مراقبة درجة الحرارة خارج خلية البطارية

مع ازدياد صغر حجم الهياكل الكهربائية لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، فإن مراقبة درجة الحرارة لا تتوقف بالضرورة عند وحدة البطارية.

يمكن أن يحتوي المسار الكهربائي المحيط بالبطارية أيضًا على معلومات حرارية مهمة.

على سبيل المثال، قد تتعرض وصلة التيار العالي لارتفاع إضافي في درجة الحرارة نتيجة لمقاومة التلامس. وقد يعمل المصهر داخل غلاف تختلف درجة حرارته المحلية اختلافًا كبيرًا عن درجة حرارة المحيط الخارجي. كما قد يتعرض الموصل لظروف حرارية خاصة به تبعًا للتيار المستمر وبيئة التركيب.

يمكن أن تساعد هذه القياسات المهندسين على التمييز بين مشكلة حرارية متعلقة بالبطارية ومشكلة مرتبطة بالمسار الكهربائي.

ولهذا السبب أيضاً لا ينبغي التعامل مع مراقبة درجة الحرارة واختيار المكونات كمهام تصميم منفصلة تماماً.

يمكن أن تؤثر البيئة الحرارية المحيطة بمكون الحماية أو التبديل على هامش التشغيل الخاص به، في حين أن المكون نفسه يمكن أن يساهم في البيئة الحرارية المحلية.

ينبغي أن يتبع وضع المستشعرات البنية الكهربائية والحرارية

من الأفضل مراعاة موضع المستشعر بالتزامن مع التصميم المادي لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات.

يتمثل أحد الأساليب المفيدة في تحديد ما يلي:

حيث تتولد الحرارة → حيث يمكن أن تتراكم الحرارة → حيث يمكن أن تشير تغيرات درجة الحرارة إلى حالة غير طبيعية

قد يؤدي هذا إلى اختلاف أولويات الاستشعار في أجزاء مختلفة من النظام.

قد تتطلب وحدات البطارية مراقبة درجة الحرارة لضمان حدود تشغيل البطارية.

قد تتطلب قضبان التوصيل والمحطات الطرفية مراقبة لأنها تحمل تيارًا عاليًا.

قد تستحق نقاط التوصيل الاهتمام لأن المقاومة الموضعية يمكن أن تولد حرارة مركزة.

قد تحتاج المكونات الأخرى إلى المراقبة عندما تكون درجة حرارة تشغيلها مرتبطة بشكل مباشر بمتطلبات الموثوقية أو الحماية.

هذا النهج أكثر فائدة من مجرد زيادة عدد أجهزة الاستشعار.

لا يعني توفر المزيد من البيانات بالضرورة تحسين المراقبة. يجب أن توفر نقاط الاستشعار معلومات يمكن اتخاذ إجراءات بناءً عليها.

مراقبة درجة الحرارة وحماية أنظمة تخزين الطاقة تعملان معًا

تُعد مراقبة درجة الحرارة طبقة واحدة من نظام حماية أكبر.

في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، قد تشمل الحماية الكهربائية الصمامات، وموصلات التيار المستمر، ومراقبة العزل، وقياس التيار، ووظائف الحماية لنظام إدارة البطارية.

توفر مراقبة درجة الحرارة مصدراً آخر للمعلومات التي يمكن أن تساعد في تحديد ظروف التشغيل غير الطبيعية.

لهذه الوظائف أدوار مختلفة.

يستشعر مستشعر درجة الحرارة حالة فيزيائية.

يقوم نظام إدارة البطارية بتقييم هذه الحالة بالإضافة إلى معلومات أخرى عن البطارية.

وبذلك يستطيع نظام التحكم تحديد الاستجابة المناسبة.

قد يوفر الصمام أو الموصل، اعتمادًا على بنية النظام وحالة العطل، وظيفة العزل المادي أو وظيفة الفصل.

يُعدّ توضيح هذه الأدوار أمراً بالغ الأهمية عند تصميم استراتيجية الحماية الكاملة.

كما أنه يمنع خطأً شائعاً في التصميم: وهو توقع أن يقوم جهاز مراقبة واحد أو مكون حماية واحد بحل مشكلة على مستوى النظام بمفرده.

تزداد قيمة بيانات درجة الحرارة بمرور الوقت

يُعد قياس درجة الحرارة مفيدًا في اللحظة التي يتم فيها أخذه، ولكن بيانات درجة الحرارة المسجلة يمكن أن توفر قيمة إضافية.

يمكن للمراقبة المستمرة أن توضح كيف تتصرف نقطة معينة في ظل ظروف الشحن والتفريغ المختلفة.

بمرور الوقت، قد يتمكن المهندسون من تحديد ما يلي:

• ارتفاعات متكررة في درجة الحرارة في نفس الموقع

• الاختلافات بين أقسام البطارية

• تغيرات في السلوك الحراري تحت أحمال مماثلة

• أنماط غير طبيعية لدرجة الحرارة

• الظروف التي تحدث قبل حدوث عطل أو عملية صيانة

هذا ينقل مراقبة درجة الحرارة إلى ما هو أبعد من مجرد توليد الإنذارات.

كما يمكنها دعم قرارات الصيانة من خلال مساعدة المهندسين في تحديد المواقع التي تتطلب فحصًا أدق.

بالنسبة لأنظمة البطاريات الأكبر حجماً أو الأكثر تعقيداً، يمكن أن تصبح هذه المعلومات التاريخية مفيدة بشكل متزايد لأن حالة تشغيل النظام تتغير على مدار فترة خدمته.

تصميم طبقة المراقبة بجانب رف البطارية

تكون مراقبة درجة الحرارة أكثر فعالية عندما يتم أخذها في الاعتبار أثناء تصميم رف البطاريات بدلاً من إضافتها بعد تثبيت البنية الكهربائية بالفعل.

تشغل وحدات البطارية، وقضبان التوصيل، ووصلات التيار العالي، ومكونات الحماية، ونظام التبريد، ونقاط الاستشعار نفس المساحة المادية وتتفاعل حرارياً.

لذلك، يجب أن تعكس بنية المراقبة هيكل الرف الفعلي.

وهذا يتوافق مع النهج الأوسع لتصميم رفوف البطاريات عالية الجهد: يجب أن تعمل مراقبة البطارية والإدارة الحرارية والحماية والتكامل الكهربائي معًا بدلاً من أن يتم التعامل معها كمهام منفصلة.

بالنسبة لمطوري أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، لا يقتصر السؤال العملي على عدد أجهزة استشعار درجة الحرارة المطلوبة فحسب، بل يتعلق أيضاً بتحديد المواقع التي يجب مراقبتها، والمعلومات التي توفرها كل نقطة، وكيفية استخدام هذه المعلومات من قبل نظام إدارة البطاريات أو وحدة التحكم في النظام.

وهنا يصبح استشعار درجة الحرارة جزءًا من تصميم النظام بدلاً من كونه مجرد مكون آخر يتم تركيبه داخل الرف.