بالانس اکتیو یا پسیو در BMS؟ آزمایشی که تفاوت را نشان داد
نتیجه‌ی یک تست عملی روی دو پک شانزده سلی مشابه با BMS اکتیو و پسیو؛ زمان بالانس، تلفات حرارتی و اختلاف ولتاژ نهایی سلها.
برد مدیریت باتری وظیفه‌ی حفظ تعادل ولتاژ سلها را دارد. اگر یک سل عقب بماند، ظرفیت کل پک به همان سل محدود میشود. دو روش برای این کار وجود دارد و تفاوت آن‌ها در برگه‌ی مشخصات یک خط است، اما در عمل بسیار بزرگ‌تر. تصمیم گرفتیم این تفاوت را اندازه بگیریم.
چرا یک سل ضعیف، کل پک را محدود می‌کند؟
سل‌های یک پک به‌صورت سری بسته می‌شوند، پس جریان یکسانی از همه می‌گذرد. در شارژ، به‌محض آنکه پرشارژترین سل به ولتاژ حداکثر برسد، برد مدیریت باتری باید شارژ را قطع کند تا آن سل آسیب نبیند؛ حتی اگر بقیه‌ی سلها هنوز جا داشته باشند. در دشارژ، عکس همین رخ می‌دهد: نخستین سلی که به ولتاژ کمینه برسد، پایان کار پک را تعیین می‌کند. نتیجه این است که ظرفیت مفید پک با ضعیف‌ترین سل تعیین میشود، نه با میانگین.
بالانس پسیو
سل پرشارژ از طریق یک مقاومت تخلیه میشود تا به سطح بقیه برسد. انرژی اضافه به حرارت تبدیل و هدر می‌رود. جریان بالانس معمولاً بین ۳۰ تا ۱۰۰ میلی‌آمپر است. مزیت این روش سادگی و ارزانی است: چند مقاومت و کلید کافی است و اشکالی که خراب شود تقریباً وجود ندارد.
محدودیت اصلی، جریان کم است. جریان بالانس شصت میلی‌آمپری در برابر ظرفیت صد آمپرساعتی یک سل، عدد بسیار کوچکی است. اگر اختلاف ظرفیت سلها زیاد باشد یا پک روزانه چرخه بخورد، این جریان هرگز نمیتواند اختلاف را جبران کند و پک به‌طور دائم نامتعادل می‌ماند.
بالانس اکتیو
انرژی از سل پرشارژ به سل کم‌شارژ منتقل میشود؛ معمولاً با خازن یا سلف به‌عنوان واسطه. جریان بالانس در بردهای صنعتی به یک تا دو آمپر می‌رسد. یعنی هم انرژی هدر نمی‌رود و هم سرعت بالانس ده تا سی برابر بیشتر است.
هزینه‌ی این مزیت، پیچیدگی مدار است: به کلیدهای قدرت، عناصر ذخیره‌ساز و کنترل دقیق‌تری نیاز دارد و در نتیجه گران‌تر تمام میشود. در پک‌های کوچک این هزینه توجیه ندارد، اما در پک‌های بزرگ که چند درصد ظرفیت مفید رقم بزرگی است، سرمایه‌گذاری معقولی است.
شرح آزمایش
دو پک شانزده سلی LiFePO4 با ظرفیت ۱۰۰ آمپرساعت را با اختلاف ولتاژ اولیه‌ی ۱۸۰ میلیولت بین بالاترین و پایینترین سل آماده کردیم. روی یکی BMS پسیو با جریان بالانس ۶۰ میلی‌آمپر و روی دیگری BMS اکتیو با جریان ۲ آمپر نصب شد. هر دو پک در دمای ۲۵ درجه و بدون بار نگه داشته شدند.
برای اینکه مقایسه منصفانه باشد، سل‌های هر دو پک از یک بهر تولید انتخاب و پیش از آزمون به‌صورت جداگانه ظرفیتسنجی شدند تا مطمئن شویم اختلاف اولیه‌ی ظرفیت بین دو پک کمتر از یک درصد است. ولتاژ هر سل با دقت یک میلیولت ثبت و دمای برد با دو حس‌گر مستقل پایش شد.
نتایج
- زمان رسیدن به اختلاف کمتر از ۲۰ میلیولت: پسیو حدود ۵۱ ساعت — اکتیو حدود ۲ ساعت و ۴۰ دقیقه
- حداکثر دمای برد در طول بالانس: پسیو ۵۸ درجه — اکتیو ۳۹ درجه
- انرژی هدررفته: پسیو حدود ۹ وات‌ساعت — اکتیو کمتر از ۱ وات‌ساعت
- اختلاف ولتاژ پس از ده چرخه کامل: پسیو ۴۵ میلیولت — اکتیو ۱۱ میلیولت
| شاخص | BMS پسیو | BMS اکتیو |
|---|---|---|
| جریان بالانس | ۶۰ میلی‌آمپر | ۲ آمپر |
| زمان رسیدن به تعادل | حدود ۵۱ ساعت | حدود ۲ ساعت و ۴۰ دقیقه |
| بیشترین دمای برد | ۵۸ درجه | ۳۹ درجه |
| انرژی هدررفته | حدود ۹ وات‌ساعت | کمتر از ۱ وات‌ساعت |
| اختلاف ولتاژ پس از ده چرخه | ۴۵ میلیولت | ۱۱ میلیولت |
| ظرفیت مفید پس از ده چرخه | حدود ۹۴ درصد | حدود ۹۹ درصد |
تفسیر عدد دما
دمای پنجاه و هشت درجه‌ی برد پسیو نکته‌ی مهمی را نشان می‌دهد: تمام انرژی بالانس در همان برد به حرارت تبدیل میشود و اگر برد در فضای بسته‌ی پک نصب شده باشد، این گرما جایی برای رفتن ندارد. در پک‌های بزرگ‌تر با سل‌های بیشتر، همین موضوع محدودیت طراحی می‌سازد و تولیدکننده ناچار میشود جریان بالانس را کمتر کند تا برد نسوزد — یعنی مشکل بدتر میشود.
چرا سلها از هم واگرا می‌شوند؟
پیش از آنکه درباره‌ی درمان حرف بزنیم، بهتر است علت را بشناسیم. سلها حتی وقتی از یک بهر تولید باشند، کاملاً یکسان نیستند: ظرفیت واقعی آن‌ها چند درصد اختلاف دارد، مقاومت داخلی‌شان متفاوت است و نرخ خودتخلیه‌ی هرکدام کمی با دیگری فرق می‌کند. این اختلاف‌های کوچک در هر چرخه انبانه می‌شوند.
عامل دومی که کمتر به آن توجه میشود، دمای غیریکنواخت داخل پک است. سل‌های میانی همیشه گرم‌تر از سل‌های کناری کار میکنند، چون گرمای خود را به سل‌های مجاور می‌دهند و راه فراری به بیرون ندارند. دمای بالاتر یعنی نرخ خودتخلیه‌ی بیشتر، پس سل‌های میانی به‌طور سیستماتیک زودتر عقب می‌افتند. طراحی محفظه‌ی پک با فاصله‌ی مناسب میان سلها، به همان اندازه‌ی انتخاب برد در حفظ تعادل نقش دارد.
بالانس اولیه، کاری که یک بار انجام میشود ولی برای همیشه اثر دارد
پیش از بستن پک، سلها باید به‌صورت موازی و در یک ولتاژ به تعادل کامل رسانده شوند؛ به این کار بالانس ابتدایی گفته میشود و چند روز طول می‌کشد. پکی که بدون این مرحله بسته شود، از روز اول نامتعادل است و هیچ بردی — حتی اکتیو — نمیتواند اختلاف چند آمپرساعتی اولیه را با جریان چند آمپری جبران کند. بخشی از تفاوت میان یک پک صنعتی و یک پک مونتاژی خانگی، دقیقاً همین مرحله است.
به همین دلیل در خط تولید ما، هر سل پیش از سل‌آرایی به‌صورت جداگانه ظرفیتسنجی و مقاومت‌سنجی میشود و سلها بر پایه‌ی این اعداد دسته‌بندی می‌گردند تا یک پک از سل‌های همسان ساخته شود. شناسنامه‌ی پک هم شامل همین داده‌های اولیه است تا در طول عمر، مقایسه‌ی وضعیت با نقطه‌ی شروع ممکن باشد.
چرا اختلاف پس از ده چرخه مهم‌تر از زمان اولیه است؟
زمان بالانس اولیه فقط یک بار اهمیت دارد. آنچه در طول عمر پک تعیین‌کننده است، توانایی برد در جبران واگرایی پیوسته‌ی سلها است. سلها به‌دلیل اختلاف کوچک مقاومت داخلی و نرخ خودتخلیه، در هر چرخه اندکی از هم فاصله می‌گیرند.
اگر جریان بالانس از نرخ این واگرایی کمتر باشد، اختلاف در هر چرخه انبانه میشود و پک به‌آرامی نامتعادل‌تر می‌گردد. عدد ۴۵ میلیولت پس از ده چرخه در پک پسیو، دقیقاً همین روند را نشان می‌دهد: برد نتوانسته حتی سرعت واگرایی را جبران کند، چه رسد به بازگرداندن تعادل. در پک اکتیو، اختلاف در همان محدوده‌ی ابتدایی مانده است.
پرسش درست این نیست که برد چقدر سریع پک را بالانس می‌کند، بلکه این است که آیا سرعت بالانس از سرعت نامتعادل‌شدن پک بیشتر است یا نه. اگر نباشد، بالانس عملاً وجود ندارد.
سایر مشخصاتی که در انتخاب BMS اهمیت دارند
بالانس تنها یکی از وظایف برد مدیریت باتری است و انتخاب صرفاً بر پایه‌ی آن ناقص است. جریان دشارژ پیوسته و لحظه‌ای باید با بار واقعی پروژه بخواند؛ بردی که برای صد آمپر پیوسته طراحی شده، در جریان هجومی دویست آمپری موتور به حفاظت می‌رود. حس‌گرهای دما باید چند نقطه از پک را بخوانند نه یک نقطه، چون سل‌های میانی همیشه گرم‌تر از سل‌های کناری‌اند.
- جریان دشارژ پیوسته و لحظه‌ای متناسب با بار واقعی و جریان هجومی
- چند حس‌گر دما در نقاط مختلف پک، نه یک حس‌گر
- قطع خودکار شارژ در دمای زیر صفر درجه
- پروتکل ارتباطی سازگار با اینورتر پروژه، مثل CAN یا Modbus
- امکان خواندن ولتاژ هر سل به‌صورت جداگانه برای عیب‌یابی
- ثبت رخداد و شمارش چرخه برای پیگیری سلامت پک در طول عمر
بند آخر بیشتر از آنکه به‌نظر برسد ارزش دارد. پکی که تاریخ و علت هر قطع حفاظتی را ثبت می‌کند، هنگام بروز مشکل به‌سرعت عیب‌یابی میشود؛ پکی که چنین حافظه‌ای ندارد، فقط می‌گوید «کار نمی‌کند» و تشخیص علت به آزمون و خطا کشیده میشود.
محدودیت‌های آزمون و آنچه اندازه نگرفتیم
برای اینکه نتیجه‌گیری بیش از داده تعمیم داده نشود، بهتر است محدودیت‌های این آزمون را صریح بگوییم. آزمون در دمای ثابت بیست و پنج درجه و بدون بار انجام شد؛ در شرایط واقعی که پک زیر بار متغیر و در دماهای مختلف کار می‌کند، اعداد تغییر میکنند و احتمالاً فاصله‌ی دو روش بیشتر هم میشود، چون بار متغیر واگرایی را تسریع می‌کند.
همچنین ده چرخه بازهی کوتاهی برای نتیجه‌گیری درباره‌ی عمر است. آنچه این آزمون نشان می‌دهد، روند واگرایی در ابتدای عمر پک است، نه ظرفیت باقی‌مانده پس از هزار چرخه. پیگیری آن نیازمند آزمون چندماهه است که در آزمایشگاه ما در جریان است و نتایجش را در نوشته‌ی جداگانه‌ای منتشر خواهیم کرد. با این حال، جهت نتیجه روشن است و با تجربه‌ی میدانی ما در پروژه‌های اجراشده هم‌خوانی دارد.
جمع‌بندی
برای پک‌های کوچک با چرخه‌ی کم، بالانس پسیو کافی است. اما در پک‌های بزرگ ذخیره‌ساز که روزانه شارژ و دشارژ می‌شوند، بالانس پسیو هرگز به تعادل کامل نمی‌رسد و ظرفیت مفید پک به‌تدریج کاهش می‌یابد. برای این کاربردها بالانس اکتیو انتخاب درست است.
معیار عملی تصمیم‌گیری این است: اگر پک شما سالانه کمتر از پنجاه چرخه کامل می‌خورد، پسیو بگیرید و هزینه را جای دیگری خرج کنید. اگر روزانه چرخه می‌خورد یا ظرفیتش بالای پنج کیلووات‌ساعت است، اکتیو انتخاب کنید؛ هزینه‌ی اضافه در دو سال از محل ظرفیت مفید حفظ‌شده بازمی‌گردد.
و یک یادآوری پایانی که از همه‌ی این اعداد مهم‌تر است: بالانس، جایگزین سل خوب نیست. پکی که از سل‌های نامتناسب و بدون ظرفیتسنجی اولیه بسته شده باشد، با هیچ بردی درست نمیشود. ترتیب درست این است: نخست سل همسان و گرید A، بعد بالانس ابتدایی درست، و در پایان برد مدیریت باتری متناسب با الگوی کاری پروژه.
پرسش‌های متداول
اختلاف ولتاژ سلها چند میلیولت طبیعی است؟
در یک پک سالم و بالانسشده، اختلاف میان بالاترین و پایینترین سل در میانهی بازهی شارژ باید زیر بیست میلیولت بماند. در انتهای شارژ که منحنی ولتاژ تند میشود، اختلاف بیشتری طبیعی است. اگر اختلاف در میانهی بازه از پنجاه میلیولت گذشت، پک نیاز به بررسی دارد.
آیا میتوانم BMS پسیو پک خود را با اکتیو عوض کنم؟
از نظر فنی بله، به شرط تطابق تعداد سل، جریان مجاز و محل نصب. اما پیش از تعویض، وضعیت سلها را بسنجید: اگر یک سل ظرفیت خود را از دست داده باشد، هیچ بردی نمیتواند آن را جبران کند و مشکل با تعویض برد حل نمیشود. نخست ظرفیتسنجی، بعد تصمیم.
چرا پک من در شارژ زودتر از حد انتظار قطع میشود؟
تقریباً همیشه یعنی یک سل زودتر از بقیه به ولتاژ حداکثر رسیده و برد برای حفاظت آن، شارژ را قطع کرده است. علت میتواند نامتعادل بودن پک یا افت ظرفیت یک سل باشد. با خواندن ولتاژ هر سل در لحظهی قطع، تشخیص میان این دو ساده است.
بالانس در چه زمانی از چرخه انجام میشود؟
بیشتر بردها بالانس را تنها در انتهای مرحلهی شارژ و بالای یک آستانهی ولتاژ فعال میکنند، چون در آن ناحیه منحنی ولتاژ تند است و اختلاف سلها قابل تشخیص میشود. در میانهی بازه، منحنی LiFePO4 تخت است و ولتاژ معیار مطمئنی برای مقایسه نیست.
