كيف تؤثر الظروف الحرارية على اختيار مصهر التيار المستمر في أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات

إن اختيار المصهر في نظام تخزين طاقة البطارية ليس مجرد مسألة مطابقة تصنيف المصهر مع التيار الاسمي للنظام.

يمكن تركيب المصهر داخل رف البطاريات، أو صندوق الجهد العالي، أو خزانة التيار المستمر، أو أي حجرة كهربائية مغلقة أخرى. قد تختلف درجة الحرارة عند نقطة التركيب عن درجة الحرارة المحيطة خارج الجهاز، خاصةً عند تشغيل عدة مكونات تحمل التيار الكهربائي ومكونات إلكترونية للطاقة في نفس المكان.

لهذا السبب، ينبغي مراعاة الظروف الحرارية عند اختيار مصهر التيار المستمر للتشغيل المستمر.

لماذا تُعدّ درجة الحرارة مهمة بالنسبة لصمامات التيار المستمر

يُولد المصهر حرارة عند مرور التيار الكهربائي عبر عنصر المصهر. وتعتمد فعالية تبديد هذه الحرارة جزئياً على درجة الحرارة المحيطة وظروف التركيب.

عند ارتفاع درجة الحرارة المحيطة، يقل هامش الحماية الحرارية المتاح. وبناءً على تصميم المصهر، قد يلزم خفض التيار المستمر المسموح به وفقًا لمعلومات خفض القدرة المحددة من قبل الشركة المصنعة.

وهذا يعني أنه لا ينبغي اعتبار المصهر المصنف لتيار معين في ظل ظروف اختبار محددة قادراً تلقائياً على حمل نفس التيار بشكل مستمر في كل تركيب لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات.

يجب دائمًا التحقق من بيانات خفض درجة الحرارة المناسبة لسلسلة الصمامات المحددة وظروف التركيب.

درجة الحرارة المحيطة ليست الصورة الكاملة

قد تختلف درجة الحرارة المحيطة بالصمام داخل حاوية نظام تخزين الطاقة بالبطاريات اختلافًا كبيرًا عن درجة حرارة الغرفة.

قد تأتي الحرارة من مكان قريب:

• وحدات البطارية
• قضبان التوصيل
• موصلات التيار المستمر
• توصيلات الكابلات
• إلكترونيات الطاقة
• مكونات الحماية الأخرى

يؤثر تصميم الغلاف أيضًا على تبديد الحرارة.

لذلك، قد يتعرض الصمام المثبت في خزانة صغيرة ذات تدفق هواء محدود لبيئة حرارية مختلفة عن الصمام المماثل المثبت في ترتيب أكثر انفتاحًا.

ولضمان الاختيار الدقيق، ينبغي على المهندسين مراعاة درجة الحرارة في موقع التركيب الفعلي بدلاً من الاعتماد فقط على درجة الحرارة المحيطة العامة للمنشأة.

التيار المستمر والهامش الحراري

يُعد تيار التشغيل العادي عاملاً مهماً آخر.

سيولد المصهر الذي يعمل باستمرار بالقرب من تياره المقنن حرارةً أكثر من المصهر الذي يحمل حملاً أقل بكثير. وعندما يقترن ذلك بارتفاع درجة الحرارة المحيطة، قد يصبح هامش الأمان الحراري المتاح محدوداً.

بالنسبة لتطبيقات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، ينبغي بالتالي تقييم التيار المستمر المتوقع مع ما يلي:

• درجة الحرارة المحيطة
• درجة حرارة الحاوية
• شروط التركيب
• ظروف التبريد
• متطلبات تخفيض قدرة المصهر

على سبيل المثال، قد يكون لحامل البطاريات تيار تفريغ طبيعي يبدو ضمن نطاق قدرة المصهر. إذا تم تركيب المصهر في غلاف دافئ وعمل بنسبة عالية من تياره المقنن لفترات طويلة، فقد يكون هامش التشغيل الفعلي أقل مما تشير إليه القيمة الاسمية.

تخفيض القدرة الحرارية في اختيار الصمامات في أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات

يتم استخدام تخفيض درجة الحرارة لمراعاة تأثير ظروف التشغيل على التيار المسموح به للصمام.

تعتمد قيمة خفض القدرة الكهربائية الدقيقة على تصميم المصهر ومواصفات الشركة المصنعة. ولا ينبغي تقديرها باستخدام قاعدة عامة تُطبق على جميع المصهرات.

عند اختيار المصهر، ينبغي على المهندسين بالتالي مراجعة ورقة البيانات ذات الصلة للتأكد من:

• منحنيات خفض القدرة مع درجة الحرارة
• الظروف المحيطة المصنفة
• التوصيات الحالية المستمرة
• متطلبات التركيب
• المعايير المطبقة

والنتيجة هي تقييم أكثر واقعية لما إذا كان الصمام المختار يمكن أن يعمل بشكل مستمر في ظل ظروف النظام الفعلية.

يمكن أن يؤدي موقع التركيب إلى تغيير البيئة الحرارية

قد يتعرض نفس طراز الصمامات لظروف حرارية مختلفة تبعاً لمكان تركيبه.

حامل البطاريات

قد يتم وضع مصهر على مستوى الرف بالقرب من وحدات البطارية، والموصلات، وقضبان التوصيل، ووصلات الكابلات.

يمكن أن تؤثر المساحة المتاحة وتدفق الهواء داخل الرف على تبديد الحرارة، خاصة عند تركيب العديد من المكونات التي تحمل التيار الكهربائي بالقرب من بعضها البعض.

صندوق الجهد العالي

غالباً ما يحتوي صندوق الجهد العالي على مكونات كهربائية متعددة داخل غلاف صغير نسبياً.

ينبغي مراعاة الحرارة المجمعة الناتجة عن الصمامات والموصلات والموصلات والمكونات الأخرى عند تقييم درجة الحرارة حول الصمام.

خزانة التيار المستمر وواجهة تحويل الطاقة

قد يتعرض المصهر المثبت بالقرب من معدات تحويل الطاقة لحرارة إضافية ناتجة عن إلكترونيات الطاقة ووصلات التيار العالي.

وبالتالي، قد تختلف الظروف الحرارية في هذه المنطقة عن تلك الموجودة على مستوى رف البطاريات.

ينبغي التعامل مع موقع التركيب كجزء من عملية اختيار المصهر بدلاً من اعتباره اعتبارًا منفصلاً بعد اختيار المكون بالفعل.

ظروف التبريد مهمة أيضاً

يؤثر التبريد على كيفية إزالة الحرارة من المكونات الكهربائية.

بحسب تصميم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، قد تشمل إدارة الحرارة ما يلي:

• الحمل الحراري الطبيعي
• الهواء القسري
• التبريد السائل
• تبريد على مستوى الخزانة

ومع ذلك، فإن وجود نظام تبريد لا يحدد في حد ذاته ما إذا كان المصهر يمكن أن يعمل بتياره الاسمي.

المهم هو درجة الحرارة الفعلية حول المصهر وما إذا كانت درجة الحرارة هذه تبقى ضمن الشروط المحددة للجهاز المحدد.

يُعد هذا الأمر ذا أهمية خاصة في حاويات تخزين الطاقة المدمجة، حيث لا يعني ترتيب التبريد للبطارية أو إلكترونيات الطاقة بالضرورة أن كل مكون داخل الحاوية يتعرض لنفس درجة الحرارة.

الظروف الحرارية وتصنيف تيار المصهر

يجب مراعاة التيار المقنن للفيوز جنبًا إلى جنب مع ظروف التشغيل المتوقعة.

ينبغي أن يأخذ الاختيار العملي في الاعتبار ما يلي:

• أقصى تيار مستمر
• أقصى جهد للنظام
• درجة الحرارة المحيطة
• درجة حرارة الحاوية
• طريقة التركيب
• ظروف التبريد
• خصائص تخفيض قدرة المصهر

إن اختيار المصهر لمجرد أن تصنيف التيار الاسمي الخاص به أعلى من الحمل المتوقع لا يوفر معلومات كافية لتأكيد أن الاختيار مناسب.

في الوقت نفسه، فإن مجرد اختيار مصهر ذي تصنيف أعلى بكثير للتعويض عن بيئة ذات درجة حرارة عالية قد يؤثر على خصائص الحماية المقصودة.

النهج المناسب هو تقييم ظروف التشغيل الفعلية مقابل بيانات الصمامات الخاصة بالشركة المصنعة.

تتطلب أنظمة البطاريات ذات الطاقة العالية مزيدًا من الاهتمام بالظروف الحرارية

يمكن لأنظمة البطاريات ذات الطاقة العالية أن تزيد من التيار المستمر المتدفق عبر مسار الحماية.

في الوقت نفسه، يمكن لتصميمات الأنظمة المدمجة وضع المزيد من المكونات التي تحمل التيار ومصادر الحرارة داخل حجم حاوية محدود.

هذا المزيج يجعل الظروف الحرارية أكثر أهمية أثناء اختيار مكونات الحماية.

لا يقتصر الهدف على اختيار مصهر أكبر فحسب، بل يجب أن يوفر الجهاز المختار الحماية المطلوبة لدائرة البطارية والموصلات ومكونات التبديل والمعدات المتصلة.

لذلك، يجب مراعاة الظروف الحرارية إلى جانب متطلبات الحماية الكهربائية.

الظروف الحرارية والتشغيل طويل الأمد

غالباً ما يُتوقع أن تعمل معدات تخزين الطاقة بالبطاريات لفترات طويلة في ظل ظروف تحميل متغيرة.

لذلك ينبغي تقييم الصمام المختار لتطبيق معين في ظل الظروف التي من المتوقع أن يواجهها أثناء التشغيل العادي، بدلاً من تقييمه فقط أثناء الاختبارات قصيرة المدى.

تساهم درجة حرارة التشغيل والتيار المستمر وظروف الغلاف والتبريد في البيئة الحرارية المحيطة بالصمام.

يساعد الحفاظ على هذه العوامل ضمن الحدود المحددة من قبل الشركة المصنعة في الحفاظ على أداء الصمامات بشكل متسق طوال فترة التشغيل العادية.

نهج عملي لاختيار صمامات التيار المستمر لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات

بالنسبة لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات ذات الجهد العالي، يمكن دمج الاعتبارات الحرارية في عملية اختيار المصهر إلى جانب المعايير الكهربائية الرئيسية.

يمكن أن يشمل التقييم العملي ما يلي:

1. حدد الحد الأقصى لتيار التشغيل المستمر.
2. تأكد من الحد الأقصى لجهد نظام التيار المستمر.
3. حدد تيار قصر الدائرة المتوقع.
4. تحقق من قدرة الكسر المطلوبة.
5. حدد موقع تركيب المصهر الفعلي.
6. حدد درجة الحرارة المحيطة ودرجة حرارة الحاوية المتوقعة.
7. تحقق من معلومات خفض درجة الحرارة الخاصة بالشركة المصنعة.
8. قم بتقييم ظروف التبريد والتهوية.
9. تحقق من خصائص التيار الزمني للفيوز و I²t.
10. تحقق من التنسيق مع مكونات الحماية والتحويل الأخرى.

يربط هذا النهج تصنيف المصهر بظروف نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المكتمل بدلاً من التعامل مع المصهر كمكون معزول.

تُعدّ الظروف الحرارية جزءًا من عملية اختيار المصهرات.

إن اختيار مصهر التيار المستمر لتطبيقات BESS يتطلب أكثر من مجرد الجهد والتيار الاسمي.

يمكن أن تؤثر درجة الحرارة والحمل المستمر وموقع التركيب وتصميم الغلاف وظروف التبريد جميعها على بيئة التشغيل الفعلية للصمام.

إن أخذ هذه العوامل في الاعتبار إلى جانب تيار قصر الدائرة، وقدرة القطع، وخصائص التيار الزمني، و I²t يوفر أساسًا أكثر اكتمالًا لاختيار مصهر التيار المستمر المناسب.

بالنسبة لأنظمة تخزين الطاقة ذات الجهد العالي، فإن تقييم البيئة الحرارية في وقت مبكر من عملية التصميم يمكن أن يساعد في تجنب تصنيفات الصمامات غير المناسبة ودعم التشغيل طويل الأجل الأكثر موثوقية.