دوائر الطاقة والتحكم المساعدة لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات: اختيار المكونات خارج مسار التيار المستمر الرئيسي

في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، ينصب التركيز عادةً على مسار الطاقة الرئيسي للتيار المستمر بين حزم البطاريات، وصناديق الجهد العالي، وصناديق التجميع، ونظام تحويل الطاقة. ومع ذلك، يعتمد النظام أيضًا على دوائر مساعدة لدعم المراقبة والتحكم والاتصال والتشغيل المنسق.

لا تحمل هذه الدوائر نفس الطاقة التي تحملها دائرة البطارية الرئيسية، لكن متطلبات تشغيلها لا تقل أهمية. قد يؤثر عدم استقرار مصدر التحكم، أو عدم توافق واجهة الاتصال، أو استخدام مرحل غير مناسب، على كيفية استجابة النظام ككل لأوامر التشغيل والظروف غير الطبيعية.

بالنسبة لمصممي أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، يجب أن يشمل اختيار المكونات كلاً من مسار الطاقة الرئيسي والدوائر الإلكترونية الداعمة.

تؤدي الدوائر المساعدة وظائف مختلفة

يختلف ترتيب الدائرة الدقيقة باختلاف بنية النظام، ولكن عادةً ما تدعم الإلكترونيات المساعدة العديد من الوظائف.

توفر وحدات التحكم في الطاقة الطاقة للإلكترونيات والواجهات التي تحتاج إلى الطاقة بشكل مستقل عن مسار التبديل الرئيسي. وبحسب التصميم، قد يشمل ذلك تحويل التيار المستمر إلى تيار مستمر، وتنظيم الجهد، وتوزيع الطاقة محليًا.

تجمع أنظمة المراقبة معلومات مثل الجهد والتيار ودرجة الحرارة وحالة المعدات. وتساعد أجهزة الاستشعار ودوائر معالجة الإشارات وواجهات الاتصال في إتاحة هذه المعلومات لنظام إدارة البطارية أو وحدة التحكم ذات المستوى الأعلى.

تتحكم دائرة التحكم في عمليات التبديل في أجهزة مثل الموصلات والمرحلات. ويجب أن توفر هذه الدائرة ظروف التشغيل المطلوبة، وأن تتلقى، عند الاقتضاء، معلومات حول حالة التبديل.

يربط الاتصال بين نظام إدارة المباني (BMS) ونظام التحكم في العمليات (PCS) وأجهزة المراقبة ومعدات التحكم الإشرافي. وتعتمد الواجهة المطلوبة على تصميم النظام والبروتوكولات المستخدمة من قبل المعدات المتصلة.

ينبغي تقييم هذه الوظائف بشكل فردي. قد لا يفي مكون مناسب لدائرة ما بمتطلبات الجهد أو التيار أو البيئة أو واجهة التوصيل لدائرة أخرى.

ابدأ بمصدر الطاقة المساعد

ينبغي تحديد متطلبات الطاقة المساعدة قبل اختيار المكونات الفردية.

يحتاج المهندسون إلى تحديد مصدر الطاقة المتاح، وفولتية الخرج المطلوبة، وأقصى حمل، وسلوك بدء التشغيل، وظروف التشغيل المتوقعة. في حال استخدام محول تيار مستمر إلى تيار مستمر، يجب أن يغطي نطاق جهد دخله تغيرات الجهد المتوقعة من المصدر، بينما يجب أن يظل خرجه مناسبًا للأجهزة الإلكترونية المتصلة به.

هناك عدة معايير تستحق الاهتمام:

• نطاق جهد الإدخال: تأكد من الحد الأدنى والحد الأقصى لجهد الإدخال في ظل ظروف التشغيل المتوقعة.

• جهد الخرج والتيار: يجب مراعاة الحمل الطبيعي وأي زيادة مؤقتة أثناء بدء التشغيل أو التبديل.

• كفاءة التحويل: ضع في اعتبارك فقد الطاقة والحرارة الناتجة داخل الغلاف.

• الاستجابة العابرة: تحقق من كيفية استجابة مصدر الطاقة عند تغير الأحمال المتصلة.

• ميزات الحماية: تقييم متطلبات الحماية من التيار الزائد، والجهد الزائد، والجهد المنخفض، والحماية الحرارية.

• متطلبات العزل: تحديد ما إذا كان العزل الجلفاني مطلوبًا من قبل بنية الدائرة ومعايير التصميم المعمول بها.

يعتمد الاختيار الصحيح على الأحمال المُغذّاة وطريقة ترتيب الدائرة المساعدة. لا ينبغي اختيار المحوّل لمجرد تطابق جهدَي الدخل والخرج الاسميّين ظاهريًا.

تحتاج دوائر التحكم إلى مكونات تبديل متوافقة

قد تستخدم دوائر التحكم في أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات المرحلات أو الموصلات أو أجهزة أشباه الموصلات، وذلك حسب الوظيفة التي يتم تنفيذها.

تختلف متطلبات المرحل المستخدم للتحكم في الطاقة المنخفضة أو وظيفة الربط عن متطلبات موصل التيار المستمر المستخدم في دائرة بطارية ذات تيار عالٍ. وقد يؤدي التعامل معهما على أنهما قابلان للتبادل إلى اختيار خاطئ.

بالنسبة للمرحل، قد يحتاج المهندسون إلى التحقق من جهد الملف، وطاقة الملف، وتكوين الاتصال، وتصنيفات الاتصال للحمل الفعلي، والتحمل الكهربائي، وخصائص العزل المطلوبة.

يُعدّ الحمل المتصل بالمرحل بالغ الأهمية. فتشغيل حمل مقاوم لا يُعادل بالضرورة تشغيل حمل سعوي أو حثي أو إلكتروني. لذا، ينبغي مراجعة القيم المطبقة وظروف التشغيل بدلاً من الاعتماد على قيمة تيار واحدة.

عندما تقوم دائرة التحكم بإصدار أوامر لموصل التيار المستمر الرئيسي، يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار أيضًا متطلبات ملف الموصل، وتفاوت مصدر التحكم وأي جهات اتصال مساعدة للتغذية الراجعة المستخدمة لتأكيد حالته.

تختلف وظائف دائرة التحكم ودائرة الطاقة المُبدَّلة. يجب اختيار مكونات كل منهما وفقًا لوظائفها الكهربائية.

تعتمد إشارات المراقبة على أكثر من مجرد المستشعر

يعتمد أداء المراقبة على مسار الإشارة الكامل، وليس فقط على عنصر الاستشعار.

قد يتضمن مسار القياس النموذجي مستشعرًا، ودائرة لمعالجة الإشارة، ومرحلة تحويل تناظري إلى رقمي، وواجهة اتصال. ويعتمد الترتيب الفعلي على نظام إدارة المباني أو بنية المراقبة.

عند تقييم المكونات الإلكترونية في هذا المسار، ينبغي على المهندسين مراعاة ما يلي:

• نطاق القياس والدقة المطلوبة

• مقاومة الإدخال وتوافق الإشارة

• حساسية الضوضاء ومتطلبات الترشيح

• العزل بين أقسام الدائرة، عند الاقتضاء

• درجة حرارة التشغيل والاستقرار على المدى الطويل

• متطلبات الموصلات والأسلاك

قد تشكل البيئة الكهربائية داخل حاوية البطارية تحدياً. فعمليات التبديل وتحويل الطاقة وامتدادات الكابلات الطويلة قد تُحدث تشويشاً كهربائياً يؤثر على إشارات القياس أو الاتصال.

لذلك ينبغي مراعاة التأريض والحماية والتوجيه وتصميم الواجهة جنبًا إلى جنب مع مواصفات المكونات.

قد يتطلب المستشعر ذو المواصفات الاسمية المناسبة معالجة الإشارة المناسبة وممارسات التركيب لتقديم قياسات موثوقة في النظام النهائي.

يجب أن تتطابق واجهات الاتصال مع بنية النظام

يسمح الاتصال بين نظام إدارة المباني (BMS) ونظام التحكم في الطاقة (PCS) ووحدة التحكم الإشرافية لأجزاء مختلفة من نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) بتبادل معلومات التشغيل.

يجب أن تكون الواجهة المادية والخصائص الكهربائية وبروتوكول الاتصال متوافقة مع المعدات المتصلة.

بحسب التصميم، قد تتطلب الدائرة أجهزة إرسال واستقبال، وأجهزة عزل، ومكونات حماية، وموصلات، ومصادر طاقة داعمة.

ينبغي أن تحدد عملية الاختيار ما يلي:

• ما هي الأجهزة التي تحتاج إلى التواصل؟

• ما هي الواجهة المادية والبروتوكول المطلوبان؟

• هل العزل الجلفاني ضروري؟

• طول الكابل المتوقع وبيئة التركيب

• مستوى الضوضاء الكهربائية والتعرض العابر

• نوع الموصل وتعيين الدبابيس

ينبغي تقييم مكونات الاتصال كجزء من الواجهة الكاملة. فعلى سبيل المثال، لا يضمن اختيار جهاز إرسال واستقبال يدعم البروتوكول الصحيح بحد ذاته اتصالاً موثوقاً إذا كانت الأسلاك أو التوصيلات أو التأريض أو العزل غير مناسبة.

تصبح هذه التفاصيل ذات أهمية خاصة عندما يتم توصيل العديد من الأنظمة الفرعية داخل حاوية صغيرة أو توزيعها عبر أقسام متعددة من المعدات.

تؤثر الموصلات والوصلات البينية أيضًا على الموثوقية

غالباً ما تحتوي الدوائر المساعدة على العديد من التوصيلات منخفضة الطاقة لإشارات التحكم وقنوات القياس والاتصالات وتوزيع الطاقة المحلية.

على الرغم من أن هذه الوصلات تحمل تيارًا أقل من ناقل التيار المستمر الرئيسي، إلا أنها لا تزال تتطلب مواصفات كهربائية وميكانيكية مناسبة.

تشمل العوامل المهمة الجهد والتيار المقنن، ومقاومة التلامس، وحجم السلك، ومتطلبات دورة التوصيل، ومقاومة الاهتزاز، ونطاق درجة الحرارة، وحماية البيئة.

تُعد بيئة التركيب مهمة. قد يواجه الموصل المستخدم داخل حجرة إلكترونية محمية ظروفًا مختلفة عن الموصل المثبت بالقرب من جدار حاوية البطارية أو في منطقة معرضة للاهتزاز أو الرطوبة أو تغيرات درجة الحرارة.

يجب أيضًا التحقق من تخصيصات الدبابيس وترتيبات الأسلاك وفقًا لوثائق النظام. قد تؤثر التوصيلات غير الصحيحة على دقة القياس أو الاتصال أو سلوك التحكم.

بالنسبة للتجميعات التي تتطلب صيانة دورية، يمكن أن تؤثر سهولة الوصول إلى الموصلات والقدرة على تحديد الوصلات بشكل صحيح على كفاءة الصيانة.

الظروف الحرارية ومساحة التركيب

غالباً ما يتم تركيب الأجهزة الإلكترونية المساعدة بالقرب من المعدات الأخرى، بما في ذلك أجهزة تحويل الطاقة، والموصلات، ومحطات التوصيل، وأجهزة مراقبة البطارية.

قد تختلف البيئة الحرارية الناتجة عن الظروف المستخدمة لتحديد مكون فردي.

تُنتج محولات التيار المستمر، والمرحلات، ومنظمات الطاقة، وغيرها من الأجهزة الإلكترونية حرارة أثناء التشغيل. وتعتمد درجة حرارتها على الحمل الكهربائي، وفقدان التحويل، وتدفق الهواء، وتصميم الغلاف، ومصادر الحرارة القريبة.

قبل وضع اللمسات الأخيرة على التصميم، ينبغي على المهندسين مراجعة نطاق درجة حرارة تشغيل المكون وأي متطلبات تخفيض القدرة المذكورة في وثائقه.

تُعدّ مساحة التغليف والتركيب مهمة أيضاً. قد يستوفي أحد المكونات المتطلبات الكهربائية، لكن يصعب دمجه إذا تعارضت أبعاده أو ترتيب تركيبه أو الوصول إلى الموصلات أو احتياجات تبديد الحرارة مع تصميم الغلاف.

إن تقييم هذه القيود مبكراً يمكن أن يقلل من الحاجة إلى إجراء تغييرات أثناء تكامل النظام.

الحماية واستقرار الإمداد في الدوائر الداعمة

تتطلب الأجهزة الإلكترونية المساعدة حماية مناسبة لظروف تشغيلها الخاصة.

لا يكفي مصهر البطارية الرئيسي تلقائيًا لحماية كل فرع من فروع التغذية الاحتياطية. قد تحتاج الفروع المنفصلة إلى حماية خاصة بها من التيار الزائد، وذلك حسب تصميم الدائرة الكهربائية، ومواصفات الموصلات، ومتطلبات السلامة المعمول بها.

ينبغي تنسيق الحماية مع ظروف الأعطال المتوقعة وقدرة تحمل المكونات والأسلاك.

يُعد استقرار مصدر الطاقة أحد الاعتبارات الأخرى. فعندما يتعرض مصدر الطاقة للتحكم لانخفاض في الجهد أو انقطاع، قد تتم إعادة ضبط الأجهزة المتأثرة، أو تفقد الاتصال، أو تغير حالتها وفقًا لتصميمها.

ينبغي على المهندسين تحديد الوظائف التي يجب أن تظل متاحة أثناء انقطاع مؤقت أو قصير في الإمداد وتحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى تدابير مثل تخزين الطاقة المحلي أو ترشيح المدخلات أو بنية إمداد مختلفة.

ينبغي أن تستند هذه التدابير إلى المتطلبات الوظيفية للنظام بدلاً من إضافتها بدون غرض محدد.

قائمة مرجعية عملية لاختيار المكونات

قبل الانتهاء من تصميم الدوائر المساعدة، يمكن للمهندسين مراجعة التصميم باستخدام قائمة التحقق التالية:

1. حدد وظيفة كل دائرة مساعدة والمعدات التي تزودها.

2. تأكد من متطلبات جهد الإدخال وجهد الإخراج والتيار.

3. تحقق من أحمال بدء التشغيل، والاستجابة العابرة، واستقرار الإمداد.

4. تحقق من توافق المرحل والموصل والمحرك مع الأحمال الفعلية الخاصة بها.

5. حدد نطاق المراقبة ودقتها ومتطلبات تهيئة الإشارة.

6. تأكيد بروتوكولات الاتصال، والوصلات الكهربائية، واحتياجات العزل.

7. راجع تصنيفات الموصلات، والأسلاك، وتعيينات الدبابيس، وشروط التركيب.

8. قم بتقييم درجة الحرارة، وتبديد الحرارة، والاهتزاز، والمساحة المتاحة.

9. تحقق من حماية الفروع والتنسيق مع النظام الأوسع.

10. تأكد من أن المكونات المختارة تفي بالمتطلبات الكهربائية والبيئية المعمول بها.

ليس الهدف تحديد كل مكون على حدة، بل ضمان عمل دوائر إمداد الطاقة والتحكم والمراقبة والاتصالات معًا ضمن ظروف التشغيل المقصودة.

نظرة تتجاوز مسار الطاقة الرئيسي للتيار المستمر

يعتمد أداء نظام تخزين الطاقة بالبطاريات على التفاعل بين المعدات الكهربائية عالية الطاقة والإلكترونيات الداعمة التي تراقبها وتتحكم بها.

لكل من حزم البطاريات، وصناديق الجهد العالي، وصناديق التجميع، وواجهات PCS متطلبات الطاقة الخاصة بها، بينما تدعم الدوائر المساعدة وظائف مثل القياس والاتصال والتحكم في التبديل.

وهذا يخلق مهمة اختيار مكونات أوسع من مجرد اختيار أجهزة التبديل والحماية الرئيسية للتيار المستمر.

بالنسبة لمطوري الأنظمة، فإن تحديد المتطلبات الكهربائية لكل دائرة في وقت مبكر يساعد في توضيح مواصفات المكونات المهمة، وأين يجب التحقق من التوافق، وما هي التفاصيل التي يجب تأكيدها أثناء مراجعة التصميم.

تدعم ESHINE عملية توريد المكونات الإلكترونية واختيارها التقني لتطبيقات الطاقة. بالنسبة للمشاريع التي تتضمن دوائر الطاقة المساعدة أو التحكم أو المراقبة لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، فإن مشاركة وظيفة الدائرة والمعايير الكهربائية وظروف التركيب يمكن أن تساعد في تضييق نطاق خيارات المكونات المناسبة.