على نطاق واسع أنظمة تخزين طاقة الليثيوم عالية الجهد يُعد التشغيل المتوازي لمجموعات البطاريات بنية شائعة الاستخدام لتحقيق سعة أعلى، وقابلية توسيع الطاقة، وموثوقية النظام. تجاوزت كل التوقعات تُستخدم هذه البنية على نطاق واسع في تخزين الطاقة على مستوى الشبكة، وأنظمة الطاقة الاحتياطية غير المنقطعة (UPS)، وحلول الطاقة الصناعية. ومع ذلك، فبينما يوفر التوصيل المتوازي مزايا كبيرة، فإنه يطرح أيضًا تحديات تقنية يجب إدارتها بعناية.

المزايا الأساسية (الإيجابيات)

1. قابلية التوسع المرنة والتصميم المعياري

توسيع القدرة والطاقة حسب الطلب:
من خلال زيادة أو تقليل عدد مجموعات البطاريات المتوازية، يمكن توسيع سعة النظام وقدرته بمرونة دون الحاجة إلى إعادة تصميم نظام البطاريات بالكامل. وهذا ما يجعل البنية المتوازية مثالية لتطبيقات أنظمة تخزين الطاقة وأنظمة الطاقة غير المنقطعة المعيارية.

التصنيع الموحد:
يمكن تصميم كل مجموعة بطاريات وإنتاجها بطريقة موحدة للإنتاج الضخم، مما يساعد على تقليل تكاليف التصنيع مع ضمان اتساق المنتج وجودته.

سهولة الصيانة والاستبدال:
في حالة تعطل مجموعة واحدة، يمكن عزلها كهربائياً أو صيانتها أو استبدالها دون إيقاف تشغيل النظام بأكمله، مما يحسن بشكل كبير من توافر النظام وقابليته للصيانة.

2. تعزيز التكرار وموثوقية النظام

التكرار N+1:
يمكن تهيئة مجموعة بطاريات إضافية بحيث حتى في حالة تعطل إحدى المجموعات، يمكن للنظام الاستمرار في العمل بالطاقة المقدرة، مما يضمن استمرار الإمداد دون انقطاع للأحمال الحيوية مثل مراكز البيانات والمنشآت الصناعية.

قدرة عزل الأعطال:
يمكن حصر الأعطال، مثل حالات قصر الدائرة الداخلية أو أعطال نظام إدارة المباني، ضمن مجموعة محددة. وباستخدام عوازل التيار المستمر والموصلات، يمكن فصل الأعطال بسرعة، مما يقلل من المخاطر النظامية.

3. تحسين الكفاءة وتحسين العمليات التشغيلية

التيار المخفّض لكل مجموعة:
يؤدي توزيع التيار المتوازي إلى خفض التيار المتدفق عبر كل مجموعة بطاريات، مما يقلل من الإجهاد الكهربائي على الموصلات والكابلات والخلايا. وهذا يقلل من فقد الطاقة (جول) داخل المجموعة.

الخسارة = I²RP_{الخسارة} = I²R P ل أوس = أنا 2 R

ويمكن أن يحسن ذلك من كفاءة النظام بشكل عام.

المرونة التشغيلية من خلال الجدولة الذكية:
متقدم أنظمة إدارة الطاقة (EMS) يمكن للنظام توزيع المجموعات بذكاء بناءً على الظروف الآنية. على سبيل المثال، يمكن إعطاء الأولوية للمجموعات ذات مستوى الشحن الأعلى والمقاومة الداخلية الأقل، بينما يمكن إيقاف المجموعات التي ترتفع درجة حرارتها مؤقتًا للتبريد، مما يطيل عمر النظام.

التحديات والمخاطر الرئيسية (السلبيات)

1. التيار الدائري (العيب الرئيسي)

السبب الجذري:
بسبب الاختلافات الحتمية في جهد الخرج بين المجموعات - والناتجة عن حالة الشحن ودرجة الحرارة والمقاومة الداخلية والتقادم - قد تقوم المجموعات ذات الجهد الأعلى بشحن تلك ذات الجهد الأقل، مما يؤدي إلى توليد تيار دائري لا يتدفق إلى الحمل الخارجي أو الشبكة.

تشمل المخاطر ما يلي:

• فقدان الطاقة: يتم تحويل التيار المتداول مباشرة إلى حرارة، مما يقلل من كفاءة النظام.

• الشيخوخة المتسارعة: تتعرض بعض المجموعات لدورات شحن/تفريغ غير ضرورية، مما يؤدي إلى تسريع تدهور السعة.

• مخاطر التيار الزائد: قد تتجاوز التيارات الدائرية الشديدة تصنيفات الصمامات أو الموصلات أو أجهزة الطاقة، مما قد يؤدي إلى حدوث أعطال.

2. تفاقم عدم الاتساق وزيادة تعقيد التحكم

"تأثير الحلقة الأضعف":
في الأنظمة المتوازية، تكون السعة الإجمالية القابلة للاستخدام محدودة بالمجموعة التي تصل إلى حدود الشحن أو التفريغ أولاً. أي خلل في ذلك يقلل بشكل مباشر من سعة النظام الفعالة.

تعقيد نظام إدارة المباني متعدد الطبقات:
تتطلب أنظمة الجهد العالي المتوازية عادةً بنية تحكم ثلاثية المستويات :
نظام إدارة المباني على مستوى الخلية ← نظام إدارة المباني على مستوى المجموعة ← نظام إدارة الطاقة على مستوى النظام.
يجب على نظام إدارة الطاقة تنفيذ خوارزميات متطورة لتحقيق التوازن الحالي، ومعادلة حالة الشحن، وتقييم الحالة، مما يزيد بشكل كبير من تعقيد البرامج والاتصالات.

3. تنسيق الحماية ومخاطر السلامة

تيار عطل مرتفع للغاية:
أثناء حدوث قصر في دائرة التيار المستمر، تُفرغ جميع مجموعات البطاريات المتوازية شحنتها في وقت واحد عند نقطة العطل، مما يُولد تيارات قصر عالية للغاية. وهذا يفرض متطلبات صارمة على قواطع دوائر التيار المستمر وأجهزة الحماية.

تحديات انتقائية الحماية:
يجب تنسيق عتبات الحماية وأوقات الاستجابة بدقة عبر جميع المستويات (الخلية، الوحدة، المجموعة، النظام) لضمان عزل أصغر وحدة معيبة فقط، مما يمنع حدوث أعطال متتالية.

4. الاستثمار الأولي وتكلفة النظام

مكونات إضافية زائدة عن الحاجة:
تتطلب كل مجموعة بطاريات نظام إدارة البطارية الخاص بها، والموصلات، والصمامات، وفي بعض الحالات محولات التيار المستمر/المستمر لتحقيق التوازن النشط للتيار، مما يزيد من تكاليف الأجهزة.

تكلفة تكامل النظام المرتفعة:
يؤدي التصميم الكهربائي المعقد، والإدارة الحرارية المنسقة، وتطوير برامج التحكم المتقدمة إلى زيادة تكاليف الهندسة والتشغيل بشكل كبير.

الحلول التقنية الرئيسية: كيفية تحقيق أقصى قدر من الفوائد وتخفيف المخاطر

1. العزل والتنظيم النشطان باستخدام محول التيار المستمر/المستمر

تم تجهيز كل مجموعة بطاريات بمحول تيار مستمر ثنائي الاتجاه عند مخرجها.

المزايا:

• يقضي تمامًا على التيار المتداول

• يُمكّن من التحكم المستقل في الشحن/التفريغ لكل مجموعة

• يزيد من السعة القابلة للاستخدام واستقرار النظام

• يمثل الحل الأكثر فعالية لإدارة التناقض

المفاضلات:

• زيادة تكلفة النظام وحجمه

• انخفاض طفيف في الكفاءة (عادةً ما تبقى >97%)

2. موازنة التيار السلبي مع الإدارة المتقدمة

مطابقة المجموعات الصارمة:
قبل التوصيل المتوازي، يتم مطابقة المجموعات بعناية من حيث الجهد والمقاومة الداخلية والسعة.

خوارزميات متقدمة لإدارة المباني على مستوى المجموعة:
يُمكّن التقدير الدقيق لحالة الشحن (SOC) وحالة الصحة (SOH) نظام إدارة الطاقة من تحسين استراتيجيات الإرسال والتحكم الديناميكي في مشاركة المجموعات.

تدابير كبح التيار الدائري:
استخدام مقاومات التخميد أو التصاميم المحسّنة للحد من مقدار التيار المتداول.

ملخص واستنتاج

التوصية النهائية

التشغيل المتوازي لـ مجموعات بطاريات الليثيوم عالية الجهد يُعدّ أمراً ضرورياً لتوسيع نطاق التكنولوجيا الحديثة أنظمة تخزين الطاقة لكن نجاح تنفيذه يعتمد بشكل كبير على:

1. مطابقة دقيقة للخلايا والمجموعات

2. متعدد المستويات قوي وذكي أنظمة إدارة المباني وأنظمة إدارة الطاقة

3. تصميم كهربائي وأمني دقيق، وخاصة فيما يتعلق بتنسيق الحماية وقمع التيار الدائري.

4. المفاضلات بين التكلفة والأداء:

   • للتطبيقات التي تتطلب أقصى قدر من الكفاءة والاتساق يوصى باستخدام بنى معزولة DC/DC

   • بالنسبة للمشاريع الحساسة للتكلفة والتي تتميز بمجموعات متطابقة جيدًا، يمكن تطبيق حلول الإدارة السلبية المتقدمة

في تجاوزت كل التوقعات ، هذه المبادئ مدمجة بالكامل في تصميمنا أنظمة بطاريات الليثيوم عالية الجهد لتخزين الطاقة، وأنظمة الطاقة الاحتياطية غير المنقطعة (UPS)، ومراكز البيانات، وتطبيقات الطاقة الصناعية مما يضمن التشغيل الآمن والكفاءة العالية والموثوقية على المدى الطويل.