يتكون نظام تخزين الطاقة الصناعي والتجاري من نظام البطاريات (بما في ذلك نظام إدارة البطاريات)، ونظام إدارة الطاقة، ونظام تحويل الطاقة، ونظام تكييف الهواء، ونظام الحماية من الحرائق، ونظام المراقبة والإنذار، وما إلى ذلك، حيث يتحمل نظام إدارة البطاريات ونظام إدارة الطاقة، باعتبارهما وحدة التحكم الأساسية لنظام تخزين الطاقة، المسؤولية المهمة لإدارة البطاريات وإدارة الطاقة على التوالي، وترتبط وظائفهما وأداؤهما وتوافق البرامج والأجهزة ارتباطًا مباشرًا بسلامة تطبيق نظام تخزين الطاقة وعائد الاستثمار.
نظام إدارة البطارية (BMS): من خلال تولي مسؤولية الاستشعار في النظام، يمكنه مراقبة أنظمة تخزين البطاريات والتحكم فيها لضمان سلامتها واستقرارها وأدائها.
نظام إدارة الطاقة (EMS): المسؤول عن اتخاذ القرارات في النظام، يشير بشكل عام إلى نظام إدارة الطاقة المتكامل للتنظيم والتحكم الذي تم إطلاقه لمحطات تخزين الطاقة ببطاريات الليثيوم، مما يحقق المراقبة والتشخيص في الوقت الحقيقي.
نظام تحويل الطاقة (PCS):مسؤول عن التنفيذ في النظام، وهو جزء أساسي من محطة تخزين الطاقة، حيث يتحكم في شحن وتفريغ البطاريات ويقوم بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر لتزويد الأحمال الكهربائية مباشرة في حالة عدم وجود شبكة كهربائية.
نظام إدارة البطارية (BMS)
الاسم الكامل لـ BMS هو نظام إدارة البطارية، وهو ما يعني النظام الفرعي المستخدم لإدارة نظام تخزين طاقة البطارية.
وظيفة
يتكون نظام إدارة البطارية (BMS) بشكل أساسي من وحدة مراقبة، ووحدة تحكم، ووحدة اتصال، وأجزاء أخرى. وتتمثل وظيفته الرئيسية في مراقبة حالة البطارية والتحكم بها في الوقت الفعلي، بما في ذلك جهد البطارية، والتيار، ودرجة الحرارة، وحالة الشحن، وغيرها من المعايير. بالإضافة إلى ذلك، يحمي نظام إدارة البطارية البطارية ويتحكم بها لضمان سلامتها وإطالة عمرها.
وذلك لمنع البطارية من الشحن الزائد والتفريغ الزائد، وبالتالي إطالة عمر البطارية وتحسين كفاءة استخدامها.
ليس هذا فحسب، بل يلعب نظام إدارة البطارية أيضًا دور تحليل البيانات، فهو يحتاج إلى حساب وتحليل حالة شحن البطارية (SOC) وحالة صحة البطارية (SOH)، من أجل مراقبة حالة البطارية، وبمجرد وجود أي معلومات غير طبيعية، سيتم الإبلاغ عنها في الوقت المناسب، حتى يعرف المستخدم أن البطارية بها خلل في الوقت المناسب.
هندسة الوعي متعدد الطبقات
في معظم أنظمة إدارة المباني، يوجد هيكل ثلاثي الطبقات.
1. الطبقة السفلية: وحدة إدارة البطارية التابعة (BMU)، وتتمثل وظيفتها الرئيسية في الحصول على بيانات جهد ودرجة حرارة خلايا البطارية، وهي المسؤولة عن تنفيذ استراتيجية معادلة شحن البطارية. يتم التواصل بين هذه الوحدة والطبقة الثانية عبر وصلة اتصال، عادةً باستخدام بروتوكول CAN أو الاتصال التسلسلي.
2. الطبقة الوسطى: وحدة التحكم الرئيسية BCU، وتتمثل وظائفها الرئيسية في جمع معلومات الجهد والتيار وعزل المجموعة، والتحكم في الموصلات لحماية حزمة البطارية، وجمع المعلومات من وحدة إدارة البطارية (BMU) للمرحلة الأولى، وتقدير حالة البطارية (SoX). تُجمع المعلومات وتُرسل إلى المرحلة الثالثة عبر وصلة اتصال، عادةً باستخدام CAN أو Ethernet.
3. المستوى الأعلى: وحدة تحكم عامة لإدارة مجموعة البطاريات. تتمثل الوظيفة الرئيسية لهذا المستوى في جمع المعلومات المرسلة من وحدة التحكم بالبطاريات (BCU) من المستوى الثاني، وتخزينها وعرضها، وما إلى ذلك، مع وظيفة الإنذار في الوقت الفعلي، ووظيفة التحكم والتغذية الراجعة من قاطع الدائرة الرئيسي، ووظيفة الاتصال في الوقت الفعلي مع نظام التحكم بالبطاريات (PCS) ونظام إدارة الطاقة (EMS) والمراقبة المحلية.
المتطلبات الفنية
بالمقارنة مع نظام إدارة البطارية لبطاريات الطاقة في السيارات، فإن نظام إدارة البطارية لتخزين الطاقة يتميز ببنية أكثر تعقيدًا.
أولاً وقبل كل شيء، تختلف سعة البطارية ومستواها، كما أن إدارة نظام إدارة البطارية (BMS) لمستوى إمداد الطاقة أعلى، ويتطلب التوصيل على التوالي والتوازي عددًا أكبر من البطاريات.
تتطلب أنظمة إدارة البطاريات (BMS) متطلبات أعلى فيما يتعلق بالربط بالشبكة الكهربائية. أما بطارية الطاقة، فهي متصلة بالبطارية والنظام الإلكتروني للمركبة، لذا فإن المتطلبات التقنية أقل.
سوق
يوجد ثلاثة أنواع رئيسية من الشركات العاملة في سوق أنظمة إدارة البطاريات (BMS)، وهي: مصنّعو المركبات، ومصنّعو بطاريات الطاقة، ومنتجو أنظمة إدارة البطاريات المستقلون. يمارس مصنّعو المركبات ومصنّعو البطاريات أعمالهم إما من خلال البحث والتطوير المستقلين أو التعاون مع موردي أنظمة إدارة البطاريات. وتعتمد معظم الشركات المحلية الرائدة في مجال بطاريات الطاقة، مثل BYD وNingde Times وGuoxuan Gaoke وAVIC Li-power، نموذج BMS+PACK لتوفير حزم البطاريات وأنظمة إدارة البطاريات. أما منتجو أنظمة إدارة البطاريات المستقلون، فيضمّون حاليًا عددًا كبيرًا من الشركات، ويمكنهم تزويد قطاعات صناعية متعددة بمنتجاتهم.
تتمتع الشركات الرائدة في صناعة أنظمة إدارة البطاريات (BMS) في الصين حاليًا بمزايا واضحة، ففي عام 2022، بلغت حصة أكبر عشر شركات مصنعة لأنظمة إدارة البطاريات في الصين 76.1% من إجمالي القدرة المركبة لأنظمة إدارة البطاريات في قطاع الطاقة المتجددة. وتتصدر هذه الشركات قائمة الشركات الثلاث: BYD، وNingde Times، وTesla، وهي شركات مصنعة للسيارات والبطاريات على التوالي، بحصص بلغت 26.4%، و16.9%، و9%. أما حصة الشركات المصنعة المستقلة لأنظمة إدارة البطاريات فهي منخفضة نسبيًا، حيث احتلت شركة Li Xinneng، أكبر شركة مصنعة مستقلة لأنظمة إدارة البطاريات في الصين، المرتبة الرابعة من حيث الحصة، ولكن حصتها الإجمالية لم تتجاوز 6.7%.
الانتقال من الوظائف الأساسية إلى الوظائف المتقدمة
1. موثوقية أعلى
بما أن كل وحدة بطارية مزودة بنظام مراقبة وتحكم خاص بها، فإن موثوقية نظام إدارة البطاريات الموزع أعلى. حتى في حال تعطل بطارية واحدة، يمكن للبطاريات الأخرى الاستمرار في العمل بشكل طبيعي، ولن يتأثر الأداء العام للنظام بشكل كبير.
2. سهولة الصيانة والتحديث
نظراً لبساطة بنية نظام إدارة البطاريات الموزعة، يمكن لكل خلية بطارية العمل بشكل مستقل، مما يجعل الصيانة والتحديث سهلاً نسبياً. عند تعطل وحدة بطارية، يمكن استبدالها مباشرةً دون الحاجة إلى إيقاف النظام بأكمله للصيانة أو التحديث.
3. مرونة أكبر
يتوزع نظام المراقبة والتحكم في نظام إدارة البطاريات الموزعة داخل كل وحدة بطارية، مما يمنح النظام مرونة أكبر. ويمكن زيادة أو تقليل عدد خلايا البطارية وفقًا للاحتياج الفعلي، دون الحاجة إلى مراعاة تعقيد النظام ككل.
نظام إدارة الطاقة (EMS)
نظام إدارة الطاقة (EMS)، المعروف أيضًا بنظام إدارة الطاقة، على الرغم من أن نسبته من إجمالي نظام تخزين الطاقة ليست كبيرة، إلا أنه يُعدّ مكونًا أساسيًا بالغ الأهمية فيه. ويشير عمومًا إلى نظام إدارة الطاقة المتكامل الذي يُعنى بتنظيم ومراقبة محطات الطاقة التي تعمل ببطاريات الليثيوم.
منظمة
يتضمن نظام إدارة الطاقة عدة أجزاء، وسيتم عرضها كما يلي.
1. المراقبة وجمع البيانات: يقوم نظام إدارة الطاقة بمراقبة توليد الطاقة وتخزينها واستهلاكها في منشأة تخزين الطاقة في الوقت الفعلي من خلال أجهزة الاستشعار وأجهزة القياس. وهو قادر على جمع بيانات متنوعة، تشمل حالة شحن البطارية وتفريغها، ودرجة الحرارة، والجهد، والتيار، وما إلى ذلك.
2. تحليل البيانات وتحسينها: يعتمد نظام إدارة الطاقة على تقنيات تحليل البيانات المتقدمة لمعالجة البيانات المُجمّعة وتحليلها، وذلك لفهم حالة عمل نظام الطاقة وأدائه. ومن خلال تحليل البيانات، يُمكن تحديد المشكلات المحتملة في نظام الطاقة وتقديم اقتراحات للتحسين، مثل تعديل استراتيجيات الشحن والتفريغ، وتحسين كفاءة استخدام الطاقة.
3. جدولة الطاقة والتحكم بها: يستطيع نظام إدارة الطاقة جدولة الطاقة والتحكم بها بذكاء بناءً على الطلب الفعلي على الطاقة وتشغيل النظام. كما يمكنه تنظيم عمليات شحن وتفريغ مرافق تخزين الطاقة بشكل مناسب وفقًا لتوقعات الطلب، وحالة أسعار الكهرباء، وحمل الشبكة، وعوامل أخرى، وذلك لتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة وتوفيرها.
4. كشف الأعطال والحماية: يستطيع نظام إدارة الطاقة الكشف الفوري عن حالات الأعطال في منشأة تخزين الطاقة، مثل التفريغ الزائد للبطارية، والشحن الزائد، واختلال درجة الحرارة، وإرسال إنذارات بشأنها، وذلك لضمان التشغيل الآمن للمنشأة. كما يمكن ربطه بنظام شبكة التوزيع لتحقيق التحكم عن بُعد وحماية منشآت تخزين الطاقة.
يُعد تحسين استراتيجية التشغيل وتصميم استراتيجية التحكم النقطة الأساسية
يُعد تصميم استراتيجية التشغيل الأمثل واستراتيجية التحكم النقطة الأساسية والصعوبة في منتجات EMS.
بالنظر إلى خصائص شحن وتفريغ تخزين الطاقة، وتكاليف شحن وتفريغ وحدة تخزين الطاقة، وفوائد تطبيق تخزين الطاقة، وفي ظل تلبية متطلبات التحكم في إرسال الشبكة، فإن تصميم استراتيجيات التشغيل والتحكم المُحسَّنة يمكن أن يعزز الفوائد الاقتصادية لتشغيل نظام تخزين الطاقة ويحسن المؤشرات الفنية المختلفة.
تعمل منتجات نظام إدارة الطاقة بشكل عام كجسر بين نظام تخزين الطاقة وأنظمة المعلومات ذات المستوى الأعلى.
يمكن لنظام تخزين الطاقة أن ينضم إلى جدولة الشبكة، وجدولة محطة الطاقة الافتراضية، والتفاعل بين "المصدر والشبكة والحمل والتخزين"، وما إلى ذلك من خلال نظام إدارة الطاقة.
تتشابه منتجات إدارة الطاقة وجدولة الشبكة وغيرها من التنسيقات الوثيقة، وفي الوظيفة يوجد تشابه معين، وتحتاج الشركة إلى فهم خصائص تشغيل الشبكة، وتتعمق شركات تكنولوجيا المعلومات الخاصة بالشبكة في تراكم المعرفة والخبرة، ويمكنها تشكيل القدرة على إعادة الاستخدام، مما يمنحها ميزة معينة.
