ما الوظائف التي يمتلكها نظام إدارة البطاريات الذكي (BMS) لبطاريات تخزين الطاقة؟

المراقبة الفورية وتقدير الحالة في أنظمة إدارة البطاريات الذكية (BMS)

مراقبة دقيقة للتيار والجهد ودرجة الحرارة عبر أجهزة استشعار مزوَّدة بتقنية الإنترنت للأشياء (IoT)

تستخدم أنظمة إدارة البطاريات الذكية الحديثة أجهزة استشعار إنترنت الأشياء (IoT) لمراقبة التيار ومستويات الجهد وتغيرات درجة الحرارة بدقة تصل إلى أجزاء من الثانية، وبدقة تبلغ نحو نصف في المئة في قياسات التيار. وتلتقط هذه التقنية قراءات جهد مفصّلة على مستوى كل خلية على حدة، مع تتبع كيفية انتشار الحرارة عبر حزم البطاريات بالكامل. وهذه القدرة تسمح باكتشاف المشكلات بسرعة قبل أن تتفاقم لتصبح مشكلات خطيرة مثل حدوث قصر كهربائي داخلي أو مراحل الارتفاع الخطر في درجة الحرارة. وعندما يبلغ الفرق في درجة الحرارة بين الخليتين درجتين فقط، تقوم النظام تلقائيًا بتفعيل آليات التبريد لمنع وقوع أضرار سريعة. ويجعل توفر كل هذه المعلومات المفصلة في الزمن الحقيقي من الممكن التخطيط لأعمال الصيانة مقدّمًا، بدلًا من التعامل مع أعطال غير متوقعة. ووفقًا للبيانات الحديثة المستخلصة من اختبارات الموثوقية لعام ٢٠٢٣، خفضت هذه القدرات المتقدمة في المراقبة نسبة حالات الفشل المفاجئة بنسبة تقارب أربعين في المئة في محطات تخزين الطاقة على نطاق واسع.

تقدير تكيفي لشحنة البطارية (SoC) لحساب دقيق للطاقة

لقد تطورت أنظمة إدارة البطاريات الذكية اليوم لتتجاوز قياسات الجهد البسيطة لتقدير حالة الشحن. بل إنها تستخدم خوارزميات متقدمة تدمج تقنيات عد الكولوم مع نماذج استرخاء الجهد، بل وحتى مناهج التعلُّم الآلي. وتتكيف هذه الطرق الجديدة تلقائيًا مع تقدم عمر البطاريات، وتغير درجات الحرارة، وتفاوت الأحمال. وبفضل ذلك، تحقق دقة تفوق ٩٥ في المئة في معظم الحالات، حتى عند ارتفاع معدلات الشحن بشكل كبير. ويقوم النظام بتحليل كيفية تغير المعاوقة مع مرور الزمن، ومقارنتها ببيانات الأداء السابقة، مما يساعد في الحد من أخطاء الاستنزاف الوهمي المزعجة، ويضمن تحكُّمًا أفضل في توزيع الطاقة. أما بالنسبة للشركات التي تدير عمليات تخزين طاقة على نطاق واسع، حيث تعتمد عدة مصادر دخل على تتبع السعة بدقة، فإن أي خطأ صغيرٍ يكتسب أهمية كبيرة. وأظهرت دراسة حديثة أن خطأً بنسبة ١ في المئة فقط في هذه الحسابات قد يؤدي إلى خسارة تصل إلى نحو سبعمئة وأربعين ألف دولار أمريكي سنويًّا، وفقًا لبحث نشره معهد بونيمون عام ٢٠٢٣.

تشخيص حالة الصحة (SoH) ونمذجة التدهور التنبؤية

تُقيس أنظمة إدارة البطاريات الذكية حالة الصحة (SOH) باستخدام تقنيات مثل التحليل الطيفي للإعاقة الكهروكيميائية (EIS)، وتحليل عدد دورات الشحن التي خضعت لها البطاريات، والمقارنة مع المواصفات الأصلية الصادرة عن المصنع. وتتتبع هذه الأنظمة مقدار الانخفاض في السعة بمرور الوقت مقارنةً بما كان متوقعًا عند شراء البطارية جديدةً. أما النماذج التنبؤية الكامنة وراء هذه التقنية فهي تتعلم من مجموعات ضخمة من البيانات تحتوي معلومات مستمدة من آلاف عمليات تشغيل البطاريات الفعلية في الميدان. ويمكن لهذه النماذج تقدير المدة المتبقية لعمر البطارية قبل الحاجة إلى استبدالها بدقة تبلغ نحو ٥٪. فما المعنى العملي لذلك؟ إن مشغِّلي البطاريات قادرون على التخطيط لعمليات الاستبدال مسبقًا بدل التعامل مع أعطال غير متوقعة. وبفضل هذه الرؤية الاستباقية، ينتهي الأمر بمعظم الأنظمة إلى البقاء في الخدمة لمدة إضافية تتراوح بين سنتين وثلاث سنوات. ووفقًا لأحدث دراسات المقارنة المرجعية المنشورة عام ٢٠٢٤ الخاصة بحلول تخزين الطاقة، فإن الشركات التي تطبّق هذه الأساليب الذكية لمراقبة البطاريات تسجّل انخفاضًا إجماليًّا في تكاليفها بنسبة تقارب ١٨٪.

آليات الحماية الذكية المُفعَّلة بواسطة نظام إدارة البطارية الذكي

نظام إدارة البطارية الذكي مزود بطبقات مدمجة من الحماية الفورية التي تفي بمتطلبات السلامة ISO 6469-3 الخاصة بالمركبات الكهربائية (EV). وعند حدوث حالات خطرة، مثل تجاوز جهد الخلايا ٤,٢٥ فولت أو انخفاضه دون ٢,٥ فولت لكل خلية، أو ارتفاع درجة الحرارة فوق ٦٠ درجة مئوية، يكتشف النظام هذه الحالات خلال نصف ثانية فقط. وبمجرد وقوع عطل ما، تحدث عدة إجراءات في وقت واحد: أولاً، يقلل النظام تلقائيًا من تدفق التيار عند حدوث ارتفاع مفاجئ في درجة الحرارة. ثم تقوم مكونات إلكترونية متخصصة بعزل الخلايا المعطوبة لمنع انتشار الأعطال عبر المجموعة بأكملها. كما يحلِّل النظام أيضًا الاستخدام التاريخي لكل خلية لتحديد أماكن حدوث الأعطال المحتملة في المستقبل. وجميع الاتصالات بين المكونات مؤمنة ضد محاولات الاختراق عبر بروتوكولات المصادقة. ووفقًا لتقرير رابطة الحماية الوطنية من الحرائق (NFPA) الصادر العام الماضي، فإن هذا النوع من المراقبة يقلل من احتمال نشوب الحرائق بنسبة تصل إلى ثلاثة أرباع مقارنةً بالبطاريات التي لا تتضمن مثل هذه المراقبة. ومن الفوائد الأخرى دمج النمذجة الحرارية مع تحليل الأداء الكهربائي، وهي طريقة تساعد المهندسين على تصميم حلول تبريد أكثر كفاءة، مع ضمان امتثال جميع المكونات لأنظمة UL 9540A التنظيمية. ونتيجةً لذلك، تدوم البطاريات المُركَّبة في أنظمة تخزين الطاقة على نطاق واسع عادةً لمدة أطول بنحو ٣ سنوات مقارنةً بما كانت ستستمر فيه لولا هذه التحسينات.

موازنة الخلايا وإدارة الحرارة لضمان الموثوقية على المدى الطويل

الموازنة النشطة مقابل الموازنة السلبية: المفاضلات في عمليات نشر أنظمة تخزين البطاريات الكهربائية على نطاق واسع

تستخدم أنظمة إدارة البطاريات عادةً إحدى طريقتين للحفاظ على مستويات الجهد المتسقة عبر خلايا البطارية: التوازن السلبي أو التوازن النشيط. وفي حالة التوازن السلبي، تُحوَّل الطاقة الزائدة إلى حرارة عبر مقاومات. وهذه الطريقة بسيطة ورخيصة، لكنها تترتب عليها تكلفةٌ معينة، إذ تنخفض كفاءة النظام ما بين ٨٪ و١٢٪ وفقًا لبحث نُشر في مجلة «Journal of Power Sources» عام ٢٠٢٣. أما التوازن النشيط فيعمل بطريقة مختلفة، حيث ينقل الطاقة من خلية إلى أخرى باستخدام مكونات مثل المكثفات أو المحاثات. وما يميز هذه الطريقة هو قدرتها الفعلية على استعادة الطاقة التي كانت ستُهدر لو لم تُستخدم، ما يعني أن أنظمة تخزين طاقة البطاريات على نطاق الشبكة الكهربائية يمكن أن تكتسب سعةً قابلةً للاستخدام إضافية تتراوح بين ١٥٪ و٢٥٪. وعلى الرغم من أن هذه الأنظمة النشطة تتطلب استثمارًا أوليًّا أكبر، فإن عمرها الافتراضي أطول بكثيرٍ أيضًا. وتُظهر الاختبارات الميدانية أنه في المنشآت الكبيرة التي تتعامل مع عدة ميغاواط، يمكن للتوازن النشيط أن يرفع عمر الدورة (Cycle Life) بنسبة تتراوح بين ٢٥٪ و٤٠٪، ما يجعلها تستحق التكلفة الإضافية على المدى الطويل بالنسبة لمعظم المشغلين.

التحكم الحراري المُعزَّز بالذكاء الاصطناعي مع دمج تنبؤات الحمل والبيئة المحيطة

يجمع نظام الإدارة الحرارية الذكي بين التنبؤات القائمة على الذكاء الاصطناعي وقراءات أجهزة الاستشعار الفعلية، ليتمكن من ضبط أنظمة التبريد مقدّمًا. وتستند خوارزميات التعلُّم الآلي إلى اتجاهات الاستخدام السابقة، وظروف الطقس المحلية، وقياسات درجة الحرارة الحالية المستخلصة من الخلايا الفردية، لضبط عمليات تشغيل أنظمة تكييف الهواء قبل ارتفاع الحرارة بشكل مفرط. ووفقًا لبحث أجرته مؤسسة بونيون عام ٢٠٢٣، يقلِّل هذا الأسلوب من تلك الارتفاعات الحرارية الخطرة بنسبة تصل إلى ٣٠ درجة مئوية، ويُبطئ من تآكل المكونات بنسبة تقارب ١٨ في المئة. وإن الحفاظ على استقرار خلايا البطارية ضمن النطاق ما بين ١٥ و٣٥ درجة مئوية أمرٌ في غاية الأهمية، لأن الخروج عن هذا النطاق يؤدي إلى حدوث مشكلات. وب alone، تُشكِّل الانهيارات الحرارية ما يقرب من ثلاثة أرباع جميع أعطال البطاريات، لذا فإن البقاء ضمن هذه الحدود يعني بطاريات ذات عمر أطول وتشغيلٌ أكثر أمانًا بكثيرٍ بشكل عام.

قدرات الاتصال بالسحابة وتكامل الأنظمة في أنظمة إدارة البطاريات الذكية (Smart BMS)

تستخدم منصات أنظمة إدارة البطاريات الذكية (Smart BMS) الحديثة معماريةً سحابيةً أصليةً (cloud-native) لتوحيد عمليات المراقبة والتحكم عبر أساطيل البطاريات الموزَّعة جغرافيًّا. كما يمكِّن تدفق البيانات من الحافة إلى السحابة (Edge-to-cloud) من إجراء مراقبة قابلة للتوسُّع ومنخفضة زمنيًّا دون المساس بالأمان أو الاستجابة.

إنترنت الأشياء (IoT) وتدفق البيانات من الحافة إلى السحابة لإدارة أنظمة إدارة البطاريات الذكية (Smart BMS) على مستوى الأساطيل

تجمع أجهزة الاستشعار المتصلة بشبكات الإنترنت للأشياء (IoT) داخل وحدات البطاريات معلومات تفصيلية مثل التغيرات في الجهد، ومناطق ارتفاع الحرارة، وعدد دورات الشحن التي تمت، ثم تُرسل هذه البيانات إلى وحدات المعالجة القريبة. وفي هذه المواقع الطرفية (Edge locations)، يقوم النظام بتصفية الضوضاء غير الضرورية وإجراء بعض عمليات التحليل الأولي أولًا. ويتم إرسال النتائج المهمة جدًّا فقط إلى خوادم السحابة لمعالجة أعمق. والنتيجة النهائية هي نظام مراقبة أسطولٍ مذهلٌ قادرٌ على اكتشاف المشكلات في أكثر من عشرة آلاف جهاز فور حدوثها، وتخطيط الصيانة عندما تبدأ المكونات في إظهار علامات التآكل، ونشر تحديثات البرمجيات عن بُعد للحفاظ على سير التشغيل بسلاسة. ويعمل هذا الإعداد بكفاءة عالية حتى في المحطات الضخمة التي تولِّد طاقةً تصل إلى مئات الميجاواط، دون أن يتسبب في تأخيرات كبيرة أو يستهلك قدرًا كبيرًا من سعة الشبكة.

التوافق مع المعايير الصناعية (Modbus، CAN، IEEE 1547)

يتكامل نظام إدارة البطاريات الذكي (BMS) بسلاسة لأنه يأتي مع دعم مدمج لعدة بروتوكولات مهمة، ومنها بروتوكول Modbus الذي يعمل بكفاءة عالية مع أنظمة الإشراف والتحكم في البيانات (SCADA)، وحافلة CAN التي تُعد ضرورية للاتصال بين المركبات والشبكة الكهربائية (Vehicle-to-Grid) وتطبيقات المركبات الكهربائية (EV)، بالإضافة إلى المحولات المتوافقة مع معيار IEEE 1547 واللازمة عند التزامن مع الشبكة الكهربائية. كما أن اعتماد واجهة برمجة التطبيقات المفتوحة (Open API) يجعل الأمور أفضلَ كثيرًا؛ إذ يمنع الشركات من الاعتماد الحصري على مورد واحد، ويضمن استمرار امتثالها لمتطلبات شركات توزيع الكهرباء، ويسمح بتدفق المعلومات ثنائي الاتجاه بين أنظمة إدارة الطاقة المختلفة. ووفقًا لأحدث الدراسات المتعلقة بالتنصيب الفعلي لشبكات الميكروغريد في عام 2023، فإن استخدام التوافق القياسي (Standardized Interoperability) يمكن أن يقلل تكاليف التكامل بنسبة تصل إلى ٤٠٪ مقارنةً بالحلول الخاصة الباهظة الثمن التي لا يزال معظم المنافسين يعتمدون عليها.

الأسئلة الشائعة

ما الميزة الرئيسية للرصد الفوري في نظام إدارة البطاريات الذكي (BMS)؟

يسمح الرصد الفوري في أنظمة إدارة البطاريات الذكية (BMS) بالكشف الفوري عن المشكلات وحلها قبل أن تتفاقم إلى مشكلات كبرى، وبالتالي يقلل من احتمال حدوث أعطال غير متوقعة في النظام.

ما مدى دقة أنظمة إدارة البطاريات الذكية في تقدير حالة الشحن (SoC)؟

تستخدم أنظمة إدارة البطاريات الذكية خوارزميات متقدمة لتقدير حالة الشحن بدقة تفوق ٩٥٪، حتى عند معدلات الشحن العالية.

ما دور الاتصال السحابي في منصات أنظمة إدارة البطاريات الذكية؟

يُمكّن الاتصال السحابي من الإشراف القابل للتوسّع ومنخفض زمن الاستجابة على أسطول البطاريات الموزَّع جغرافيًّا، ما يعزِّز استجابة النظام العامة وأمنه.

كيف تضمن أنظمة إدارة البطاريات الذكية السلامة في المركبات الكهربائية؟

تشمل أنظمة إدارة البطاريات الذكية آليات حماية فورية تقلل تدفق التيار أثناء الارتفاعات المفاجئة في درجة الحرارة، وتعزل الخلايا المعطوبة لمنع انتشار المشكلات، مما يعزِّز السلامة.