تصميم ناقل التيار المستمر لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات: إدارة تدفق الطاقة بين أنظمة البطاريات وأنظمة تحويل الطاقة

في نظام تخزين طاقة البطارية، لا تنتقل الطاقة ببساطة من حزمة البطارية مباشرة إلى نظام تحويل الطاقة.

قد يحتوي نظام تخزين الطاقة بالبطاريات الأكبر حجمًا على فروع بطاريات متعددة أو رفوف بطاريات تعمل ضمن بنية كهربائية مشتركة. يجب توصيل هذه الفروع بطريقة تسمح بانتقال طاقة الشحن والتفريغ بين نظام البطاريات ونظام تحويل الطاقة، مع الحفاظ على توزيع تيار مضبوط وحدود كهربائية واضحة.

وهنا تبرز أهمية ناقل التيار المستمر.

يوفر ناقل التيار المستمر مسارًا كهربائيًا مشتركًا لتجميع الطاقة من فروع البطاريات المتعددة ونقلها إلى وحدة تحويل الطاقة. أثناء الشحن، ينقل المسار نفسه الطاقة في الاتجاه المعاكس، من وحدة تحويل الطاقة نحو نظام البطاريات.

مع ازدياد مستويات طاقة أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، لم يعد ناقل التيار المستمر مجرد وصلة بين جهازين. بل يمكن أن يؤثر ترتيبه الكهربائي على توزيع التيار، وانخفاض الجهد، وسلوك الأعطال، والعزل، وكيفية تفاعل فروع البطارية المختلفة مع نظام تحويل الطاقة.

مكان ناقل التيار المستمر في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات

يمكن تمثيل مسار الطاقة المبسط لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات على النحو التالي:

أنظمة البطاريات ← توصيلات التيار المستمر ← ناقل التيار المستمر ← نظام تحويل الطاقة ← نظام التيار المتردد

أما من جهة الشحن، فيكون الاتجاه معكوساً:

نظام التيار المتردد ← نظام تحويل الطاقة ← ناقل التيار المستمر ← أنظمة البطاريات

تختلف البنية الفعلية حسب سعة النظام، وتكوين البطارية، وطوبولوجيا نظام تحويل الطاقة، ونهج التكامل.

قد يستخدم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات ناقل تيار مستمر مركزي، أو عدة أقسام ناقل، أو فروع بطاريات منفصلة، ​​أو تصميمًا أكثر مرونة. والهدف واحد: توفير واجهة كهربائية مُتحكَّم بها بين جانب البطارية ونظام تحويل الطاقة.

وبالتالي، يقع ناقل التيار المستمر بين مسارات طاقة البطارية الفردية ومرحلة التحويل المشتركة.

يمنحها هذا الموقع عدة وظائف:

• تجميع التيار من فروع بطارية متعددة
• توزيع تيار الشحن على فروع البطارية الفردية
• توفير نقاط اتصال محددة لأنظمة البطاريات
• إنشاء مناطق عزل كهربائي
• دعم الحماية على مستوى النظام
• توصيل مسار الطاقة من جانب البطارية بجهاز التحكم في الطاقة

تزداد أهمية التصميم مع ازدياد عدد فروع البطارية المتوازية.

لماذا تُغيّر فروع البطارية المتعددة التصميم؟

يتميز فرع البطارية الواحد بمسار طاقة مباشر نسبياً.

عندما يتم توصيل فروع متعددة بالتوازي، فإن ناقل التيار المستمر يحتاج إلى التعامل مع التيار المجمع وتوفير مسار كهربائي مناسب لكل فرع.

على سبيل المثال، إذا كانت فروع البطارية الأربعة توفر كل منها 250 أمبير في ظل ظروف تشغيل معينة، فقد يحتاج القسم المشترك من ناقل التيار المستمر إلى حمل ما يقرب من 1000 أمبير.

يعتمد التيار الفعلي على حالة تشغيل نظام البطارية، واستراتيجية التحكم، ومقاومة الفروع، وغيرها من ظروف النظام. ومع ذلك، يوضح المثال نقطة مهمة:

لا يمكن تحديد التصنيف الحالي لقسم ناقل مشترك ببساطة من تصنيف فرع بطارية واحد.

قد تحمل أجزاء مختلفة من الحافلة تيارات كهربائية مختلفة.

قد يحمل وصلة فرعية التيار المرتبط بنظام بطارية واحد فقط، بينما قد يحمل قسم ناقل الطاقة الرئيسي الأقرب إلى وحدة التحكم في الطاقة التيار المجمع لعدة فروع.

يؤدي هذا إلى متطلبات كهربائية مختلفة في نقاط مختلفة داخل نفس ناقل التيار المستمر.

توزيع التيار عبر ناقل التيار المستمر

يُعد توزيع التيار أحد الاعتبارات المركزية في تصميم ناقل التيار المستمر لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات.

من الناحية المثالية، ينبغي أن تتشارك فروع البطارية المتوازية التيار بطريقة محكمة ويمكن التنبؤ بها.

عملياً، يمكن أن تتأثر المشاركة الحالية بما يلي:

• مقاومة الكابل أو قضيب التوصيل
• مقاومة التوصيل
• طول الفرع
• مقاومة التلامس
• اختلافات جهد البطارية
• درجة حرارة التشغيل
• اختلافات SOC
• المعاوقة الكهربائية
• سلوك التحكم

إذا كان أحد الفروع يتمتع بمقاومة كهربائية أقل من الفرع الآخر، فقد يحمل جزءًا أكبر من التيار.

قد يؤدي ذلك إلى تفاوت في الحمل الحراري، وقد يتسبب في تشغيل بعض الفروع بالقرب من حدودها القصوى بينما تتعرض الفروع الأخرى لحمل أقل.

لذلك، يجب أن يأخذ تصميم ناقل التيار المستمر في الاعتبار أكثر من مجرد إجمالي التيار.

يمكن أن يؤثر الترتيب المادي لوصلات الفروع وأطوال الموصلات ونقاط التوصيل أيضًا على كيفية توزيع التيار.

تقسيم الحافلات ونقاط الاتصال

مع ازدياد حجم أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، فإن ناقل التيار المستمر الواحد غير المنقطع ليس دائمًا الترتيب الأكثر عملية.

يمكن أن يوفر تقسيم ناقل البيانات أقسامًا كهربائية محددة بوضوح داخل النظام.

بحسب بنية النظام، قد يسمح ناقل البيانات المجزأ للمهندسين بفصل ما يلي:

• مجموعات فرعية للبطارية
• أقسام توصيل PCS
• مناطق الصيانة
• مناطق الحماية
• نقاط العزل

وهذا من شأنه أن يجعل إدارة البنية الكهربائية أسهل عندما يحتوي النظام على فروع متعددة للبطاريات.

على سبيل المثال، إذا كانت هناك حاجة لعزل فرع معين من البطارية لأغراض الصيانة، فيجب أن يسمح التصميم الكهربائي بفصل هذا الفرع دون تعطيل الأجزاء الأخرى من نظام تخزين الطاقة بالبطاريات دون داع.

يعتمد الترتيب الدقيق على بنية النظام ومتطلبات التشغيل، ولكن نقاط الاتصال والعزل المحددة بوضوح مهمة عند تصميم مسار طاقة تيار مستمر قابل للتطوير.

إدارة انخفاض الجهد على طول ناقل التيار المستمر

يصبح انخفاض الجهد ذا أهمية متزايدة مع زيادة التيار وطول الموصل.

العلاقة المبسطة هي:

انخفاض الجهد = التيار × المقاومة

حيث يمثل I التيار المتدفق عبر الموصل و R هي مقاومته الكهربائية.

في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، تتأثر المقاومة بمادة الموصل، ومساحة المقطع العرضي، والطول، ونقاط التوصيل، ودرجة الحرارة.

لذلك، يحتاج ناقل التيار المستمر عالي التيار إلى الحفاظ على توازن مناسب بين الأداء الكهربائي والأبعاد الفيزيائية والسلوك الحراري ومتطلبات التركيب.

لا يؤثر انخفاض الجهد على ناقل البيانات الرئيسي فقط.

يمكن أن تساهم الوصلات بين فروع البطارية الفردية والناقل المشترك أيضًا في فرق الجهد الكلي الذي يراه نظام تحويل الطاقة.

بالنسبة لنظام يحتوي على فروع متوازية متعددة، يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار مسار التيار المستمر بالكامل بدلاً من تقييم الناقل الرئيسي بشكل منفصل.

ناقل التيار المستمر وواجهة نظام تحويل الطاقة

يُعد الاتصال بين ناقل التيار المستمر و PCS أحد أهم النقاط في مسار الطاقة لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات.

يجب أن يعمل نظام تحويل الطاقة ضمن نطاق محدد من جهد وتيار التيار المستمر. وفي الوقت نفسه، يتغير جهد نظام البطارية أثناء الشحن والتفريغ.

وهذا يعني أن ناقل التيار المستمر والوصلات الكهربائية المرتبطة به يجب أن تستوعب نطاق التشغيل الفعلي لنظام البطارية بدلاً من الاعتماد فقط على قيمة الجهد الاسمي.

كما يجب أن تدعم واجهة نظام التحكم في الطاقة تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه.

أثناء الخروج من المستشفى:

البطارية ← ناقل التيار المستمر ← محول الطاقة ← خرج التيار المتردد

أثناء الشحن:

مدخل التيار المتردد ← محول الطاقة ← ناقل التيار المستمر ← البطارية

لذلك، يجب أن يدعم ناقل البيانات التيار في كلا الاتجاهين في ظل ظروف التشغيل ذات الصلة.

يختلف هذا عن تصميم مسار إمداد تيار مستمر بسيط أحادي الاتجاه.

مناطق الحماية حول حافلة التيار المستمر

يؤثر ناقل التيار المستمر أيضًا على كيفية ترتيب الحماية داخل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات.

ينبغي تنسيق الحماية مع البنية الفيزيائية والكهربائية للنظام.

قد يتطلب فرع البطارية حماية بالقرب من نقطة اتصاله، في حين أن ناقل البيانات المشترك وواجهة PCS قد يكون لهما متطلبات حماية مختلفة.

يؤدي هذا إلى إنشاء مناطق حماية متعددة بدلاً من التعامل مع جانب التيار المستمر بأكمله كقسم كهربائي واحد.

قد يتطلب التصميم مراعاة ما يلي:

• مساهمة تيار العطل من فروع البطارية الفردية
• تيار العطل على ناقل التيار المستمر المشترك
• موقع أجهزة الحماية
• العزلة بين الفروع
• تنسيق الحماية
• متطلبات انقطاع التيار المستمر
• وقت إزالة العطل

إن الهدف ليس مجرد إضافة أجهزة حماية إلى النظام.

يجب أن تتوافق الحماية مع مسارات التيار الفعلية وحدود الأعطال التي أنشأتها بنية التيار المستمر.

يصبح هذا الأمر بالغ الأهمية بشكل خاص عندما يتم توصيل عدة فروع من البطارية بنفس ناقل البيانات.

التبديل والعزل على جانب التيار المستمر

يحتاج نظام تخزين الطاقة بالبطاريات القابل للتطوير إلى طرق مضبوطة لتوصيل وفصل مسارات طاقة البطارية.

يمكن استخدام أجهزة التبديل في نقاط محددة لدعم التشغيل العادي والصيانة وعزل الأعطال.

على سبيل المثال، قد يحتاج فرع البطارية إلى البقاء معزولاً كهربائياً بينما يستمر فرع آخر في العمل.

تعتمد متطلبات التبديل على موقع الجهاز ووظيفة تشغيله.

قد يتعرض الجهاز المستخدم للتوصيل المتحكم به لفرع البطارية لظروف مختلفة عن الجهاز المستخدم في مسار طاقة التيار المستمر الرئيسي.

لهذا السبب، ينبغي اعتبار مكونات التبديل جزءًا من بنية ناقل التيار المستمر الشاملة بدلاً من اعتبارها اختيارات أجهزة مستقلة.

يجب أن تتطابق كل من الجهد والتيار وخصائص الحمل وتردد التبديل مع التطبيق الفعلي.

الاعتبارات الحرارية لأقسام ناقل التيار العالي

تؤدي الخسائر الكهربائية في ناقل التيار المستمر إلى توليد الحرارة.

مع ازدياد التيار، تزداد أهمية الخسائر المقاومة:

P = I²R

وهذا يعني أن زيادة صغيرة نسبياً في التيار يمكن أن تؤدي إلى زيادة أكبر في الفقد المقاوم عندما تظل المقاومة ثابتة.

بالنسبة لتطبيقات تخزين الطاقة بالبطاريات عالية الطاقة، فإن التصميم الحراري يحتاج إلى تغطية ليس فقط موصل الناقل الرئيسي ولكن أيضًا نقاط الاتصال والواجهات.

تشمل المجالات التي تستحق الاهتمام ما يلي:

• المقطع العرضي لقضيب التوصيل أو الموصل
• مقاومة التوصيل
• درجة الحرارة النهائية
• تدفق الهواء داخل الحاوية
• درجة الحرارة المحيطة
• تيار التشغيل المستمر
• ذروة التيار
• ارتفاع درجة الحرارة عند المفاصل

يمكن أن تكون نقاط التوصيل ذات أهمية خاصة لأن الزيادة الطفيفة في مقاومة التلامس يمكن أن تنتج تسخينًا موضعيًا إضافيًا تحت تيار عالٍ.

لذلك ينبغي تقييم ناقل التيار المستمر كمسار تيار كامل بدلاً من مجرد قطعة من المواد الموصلة.

تصميم توسعة وحدات تخزين الطاقة بالبطاريات المعيارية

أصبحت الوحدات النمطية ذات أهمية متزايدة في تصميم أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات.

يمكن للبنية المعيارية أن تسمح بدمج سعة بطارية إضافية أو سعة تحويل طاقة دون إعادة تصميم النظام بأكمله.

يجب أن يأخذ ناقل التيار المستمر هذا الاحتمال في الحسبان منذ البداية.

قد يُعرّف التصميم القابل للتطوير ما يلي:

• نقاط اتصال محجوزة
• سعة الحافلات للفروع الإضافية
• حدود العزلة
• مناطق الحماية
• سعة واجهة PCS
• مساحة مادية للتواصل المستقبلي

هذا لا يعني أن كل نظام يحتاج إلى تصميم قابل للتوسع في المستقبل.

ومع ذلك، عندما يكون التوسع جزءًا من متطلبات المشروع، ينبغي النظر في ناقل التيار المستمر مبكرًا بدلاً من إضافته بعد تثبيت البنية الكهربائية الرئيسية بالفعل.

ما الذي يجب على المهندسين التحقق منه عند تصميم ناقل التيار المستمر لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات

يمكن تجميع أسئلة التصميم الرئيسية في عدة مجالات.

ينبغي تقييم هذه العوامل معاً.

فعلى سبيل المثال، لا يؤثر زيادة عدد فروع البطارية على التيار الإجمالي فحسب، بل يؤثر أيضًا على هيكل ناقل البيانات، ومناطق الحماية، والحمل الحراري، وعدد نقاط التوصيل والعزل.

نظرة على مستوى النظام لتدفق الطاقة المستمرة في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات

يتم التعامل مع ناقل التيار المستمر أحيانًا على أنه مجرد وصلة بسيطة بين البطاريات ووحدة التحكم الإلكترونية.

عند مستويات طاقة النظام الأعلى، لم يعد هذا النهج كافياً.

تحدد الحافلة كيفية ترابط فروع البطارية المتعددة، وكيفية توزيع التيار، وأين يمكن عزل الأقسام الكهربائية، وكيفية اتصال جانب البطارية بنظام التحكم في الطاقة.

لذا، ينبغي أن يدعم ناقل التيار المستمر المصمم جيدًا أربعة متطلبات أساسية:

تدفق الطاقة المتحكم به
ينبغي أن تنتقل الطاقة بكفاءة بين فروع البطارية ووحدة التحكم في الطاقة في ظروف الشحن والتفريغ.

توزيع التيار المتوقع
ينبغي أن تعمل الفروع المتوازية ضمن حدودها الكهربائية والحرارية المقصودة.

الحماية والعزلة المحددة
ينبغي أن تكون الأعطال وأنشطة الصيانة قابلة للإدارة ضمن أقسام كهربائية محددة بوضوح.

بنية نظام قابلة للتوسع
ينبغي أن يتوافق هيكل الحافلة مع تكوين النظام الحالي، وأن يسمح، عند الحاجة، بالتوسع العملي.

بالنسبة لمصممي أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، تصبح هذه الاعتبارات ذات أهمية متزايدة مع استخدام أنظمة البطاريات لمزيد من الفروع المتوازية ومستويات طاقة أعلى.

لا يقتصر ناقل التيار المستمر على كونه مسارًا موصلًا بين مكونين رئيسيين، بل هو جزء من بنية النظام التي تربط طاقة البطارية والحماية والتحويل وتحويل الطاقة في مسار كهربائي واحد يتم التحكم فيه.