سیستم‌های مدیریت هوشمند باتری LiFePO₄؛ چالش‌ها و راهکارها در میکروگریدها

مقدمه

با گسترش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر مثل خورشید و باد، ذخیره‌سازی انرژی به یکی از عناصر کلیدی شبکه‌های برق مدرن تبدیل شده است. پنل‌های خورشیدی تنها در روز و توربین‌های بادی تنها در زمان وزش باد انرژی تولید می‌کنند، اما مصرف برق همیشه پیوسته و وابسته به نیاز کاربران است. اینجاست که نقش سیستم‌های ذخیره‌سازی، به‌ویژه باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LiFePO₄) پررنگ می‌شود.

باتری‌های LiFePO₄ نسبت به سایر باتری‌های لیتیومی مزایای زیادی دارند: عمر چرخه‌ای بالا، پایداری شیمیایی، امنیت بیشتر در برابر حرارت و آتش‌سوزی، و کارایی مناسب در کاربردهای ایستگاهی. این ویژگی‌ها باعث شده که LiFePO₄ یکی از بهترین گزینه‌ها برای میکروگریدها باشد. اما استفاده‌ی بهینه از این باتری‌ها بدون وجود یک سیستم هوشمند مدیریت باتری یا همان Smart BMS امکان‌پذیر نیست.

باتری LiFePO₄ و ویژگی‌های کلیدی آن

باتری‌های لیتیوم فسفات در محدوده ولتاژی ۲٫۵ تا ۳٫۶۵ ولت عمل می‌کنند و برخلاف بسیاری از باتری‌های لیتیومی دیگر، منحنی ولتاژ نسبتاً پایداری در طول فرآیند شارژ و دشارژ دارند. همین ویژگی در کنار مزایای ایمنی، سبب محبوبیت آن‌ها در سیستم‌های بزرگ ذخیره انرژی شده است.

البته همین «پایداری منحنی ولتاژ» کار را برای تخمین دقیق سطح شارژ (SoC) سخت می‌کند. به همین دلیل است که در کنار باتری، یک سیستم مدیریت باتری هوشمند نیاز است که بتواند نه‌تنها شارژ و دشارژ را کنترل کند، بلکه وضعیت سلامت ( SoH)، عمر باقی‌مانده (RUL) و شرایط ایمنی را هم پایش کند.

نقش ماژول BMS باتری

BMS مغز متفکر مجموعه باتری است. این سیستم وظیفه دارد:

• پایش ولتاژ، جریان و دمای هر سلول
• تخمین دقیق SoC و SoH
• جلوگیری از شارژ بیش از حد یا دشارژ عمیق
• مدیریت حرارت و خنک‌سازی
• متعادل‌سازی سلول‌ها
• برقراری ارتباط با سایر اجزای میکروگرید

به کمک این قابلیت‌ها، باتری در شرایط ایمن و پایدار کار می‌کند و طول عمر آن افزایش می‌یابد.

باتری LiFePO₄؛ ستون اصلی ذخیره انرژی در میکروگرید

وقتی از میکروگرید صحبت می‌کنیم، در واقع درباره یک شبکه کوچک و هوشمند برق حرف می‌زنیم که می‌تواند حتی بدون اتصال به شبکه سراسری، نیاز محلی به انرژی را برطرف کند. در چنین شبکه‌ای همه‌چیز به یک منبع ذخیره‌سازی مطمئن وابسته است. اینجاست که باتری‌های لیتیوم آهن فسفات وارد میدان می‌شوند. این نوع باتری‌ها به خاطر عمر طولانی، پایداری شیمیایی و امنیت بیشتر نسبت به دیگر انواع لیتیوم، جایگاه ویژه‌ای در پروژه‌های انرژی تجدیدپذیر پیدا کرده‌اند. ویژگی جالب دیگرشان منحنی ولتاژ نسبتاً ثابت است؛ موضوعی که آن‌ها را برای سیستم‌های بزرگ بسیار جذاب می‌کند، هرچند همین خصوصیت، کار تخمین وضعیت شارژ را سخت‌تر می‌سازد.

چرا BMS ضروری است؟

داشتن یک باتری قدرتمند کافی نیست. وقتی صدها یا حتی هزاران سلول LiFePO₄ در کنار هم قرار می‌گیرند، کوچک‌ترین خطا می‌تواند کل سیستم را از کار بیندازد. اینجاست که «سیستم مدیریت باتری» یا همان BMS نقش حیاتی خودش را نشان می‌دهد. می‌توان گفت BMS مغز باتری است. این سیستم دائماً دما، جریان و ولتاژ سلول‌ها را بررسی می‌کند، اجازه شارژ بیش از حد یا تخلیه عمیق نمی‌دهد و با متعادل‌سازی سلول‌ها، از پیر شدن زودرس مجموعه جلوگیری می‌کند. بدون وجود چنین سیستمی، هیچ تضمینی برای ایمنی و طول عمر باتری وجود ندارد.

BMS چگونه تصمیم می‌گیرد؟

BMS برای اینکه بتواند تصمیم‌های درست بگیرد، باید بداند باتری در چه وضعیتی است. این همان‌جایی است که پای روش‌های تخمین وضعیت به میان می‌آید. بعضی از روش‌ها ساده‌اند؛ مثلاً شمارش جریان ورودی و خروجی یا اندازه‌گیری ولتاژ مدار باز. اما در عمل این روش‌ها دقت کافی ندارند. به همین دلیل، روش‌های پیچیده‌تری مثل بررسی مقاومت داخلی یا مدل‌سازی ریاضی باتری به کار گرفته می‌شود. حتی هوش مصنوعی هم وارد ماجرا شده تا با الگوریتم‌های یادگیری ماشین، پیش‌بینی دقیق‌تری از سلامت و عمر باقی‌مانده ارائه دهد. به زبان ساده، BMS مثل پزشکی است که مدام علائم حیاتی بیمار را بررسی می‌کند و با کمک ابزارهای گوناگون تشخیص می‌دهد بهترین درمان چیست.

چالش‌های میدانی در استفاده از LiFePO₄

هرچند باتری لیتیوم فسفات باتری مطمئنی است، اما استفاده از آن در میکروگرید همیشه آسان نیست. تصور کنید باید هزاران سلول را به‌صورت سری و موازی کنار هم قرار دهید تا ظرفیت و ولتاژ لازم تأمین شود. هماهنگ نگه داشتن این تعداد سلول کار ساده‌ای نیست. از طرفی، گرما دشمن اصلی این باتری‌هاست؛ افزایش دما نه‌تنها کارایی را کاهش می‌دهد بلکه فرایند تخریب سلول را هم سرعت می‌بخشد. مشکل دیگر حجم فیزیکی بالاتر نسبت به باتری‌های لیتیوم‌ یونی پرانرژی‌تر است که می‌تواند در پروژه‌های بزرگ محدودیت ایجاد کند. و شاید سخت‌ترین بخش، تخمین دقیق طول عمر باشد؛ چون عوامل زیادی مثل دما، شدت جریان و الگوی مصرف بر فرسودگی باتری تأثیر می‌گذارند.

معماری‌های مختلف برای BMS

برای غلبه بر این چالش‌ها، انتخاب معماری مناسب BMS اهمیت زیادی دارد. در مدل‌های سنتی، همه‌چیز با سیم به هم متصل می‌شود. این روش ساده و قابل اعتماد است، اما وقتی تعداد سلول‌ها زیاد می‌شود، سیم‌کشی خودش به یک معضل تبدیل خواهد شد. به همین دلیل معماری‌های بی‌سیم مطرح شده‌اند که با کاهش حجم سیم‌کشی، طراحی را ساده‌تر می‌کنند. با این حال، آن‌ها مشکلات خاص خودشان را دارند: از احتمال تداخل سیگنال گرفته تا دغدغه امنیت داده‌ها. بنابراین انتخاب بین سیستم سیمی یا بی‌سیم بستگی به نیاز و شرایط هر پروژه دارد.

نگاهی به آینده

جهت‌گیری آینده‌ی مدیریت باتری به سمت ترکیب روش‌های داده‌محور و مدل‌محور است. یعنی هم از مدل‌های ریاضی دقیق استفاده می‌شود و هم از قدرت یادگیری ماشین برای سازگاری با شرایط واقعی. تحقیقات جدید تلاش می‌کنند فرآیند پیری باتری را بهتر شبیه‌سازی کنند و داده‌های بیشتری مثل دما و امپدانس را همزمان تحلیل کنند. هدف نهایی، ساختن BMSهایی است که هم ایمن‌تر و هم هوشمندتر باشند؛ سیستمی که بتواند حداکثر عمر و کارایی را از باتری LiFePO₄ بیرون بکشد و مسیر استفاده گسترده‌تر از انرژی‌های تجدیدپذیر را هموار کند.

منبع: researchgate.net

تاریخ انتشار: می 2022