توصيل البطاريات المنزلية على التوالي مقابل التوصيل على التوازي: ما الذي يحدد التوافق؟

يمكن أن يكون لبطاريتين من الليثيوم نفس الجهد الاسمي والسعة المقدرة، لكنهما لا تزالان غير مناسبتين للتوصيل المباشر.

لا يقتصر الاختلاف على مواصفات لوحة الاسم فحسب، بل يشمل أيضاً تصميم نظام إدارة البطارية (BMS)، وحدود الشحن والتفريغ، ومتطلبات الاتصال، والتكوينات المعتمدة من قبل الشركة المصنعة، وكلها تؤثر على إمكانية تشغيل البطاريات معاً.

في مجال تخزين الطاقة المنزلية، يُعدّ فهم هذه القيود أمرًا بالغ الأهمية عند تقييم نظام البطاريات أو إضافة وحدات بطاريات جديدة. تُعتبر المبادئ الكهربائية الأساسية للتوصيلات المتسلسلة والمتوازية واضحة، ولكن تطبيقها على منتجات البطاريات الجاهزة يتطلب دراسة متأنية لكيفية تصميم كل منتج للعمل.

التوصيل على التوالي مقابل التوصيل على التوازي: ما الذي يتغير كهربائياً؟

تؤثر التوصيلات المتسلسلة والمتوازية على الجهد وسعة الأمبير-ساعة بشكل مختلف. يوفر فهم هذه الاختلافات نقطة انطلاق لتقييم تصميم البطارية المقترح.

كيف تعمل التوصيلات المتسلسلة

عند توصيل البطاريات المتوافقة على التوالي، تتجمع جهودها الاسمية معًا، بينما تظل سعتها بالأمبير-ساعة دون تغيير بشكل عام.

على سبيل المثال، من الناحية النظرية، يمكن لبطاريتين 51.2 فولت و100 أمبير أن تشكلا مجموعة بطاريات 102.4 فولت و100 أمبير، مع ما يقرب من 10.24 كيلوواط ساعة من الطاقة الاسمية المجمعة.

يؤدي هذا الترتيب إلى زيادة الجهد الكلي. مع ذلك، لا تُثبت الحسابات أن بطاريتين منزليتين جاهزتين بجهد 51.2 فولت مُعتمدتان للتوصيل على التوالي. يجب أن يدعم تصميم نظام إدارة البطارية (BMS) ومتطلبات العزل والقيود التقنية الأخرى التكوين المقصود.

كيف تعمل الاتصالات المتوازية

عند توصيل البطاريات المتوافقة على التوازي، يظل جهدها الاسمي كما هو بينما تزداد سعتها بالأمبير/ساعة.

باستخدام نفس المثال، فإن بطاريتين 51.2 فولت و100 أمبير متصلة على التوازي ستشكل نظريًا مجموعة بطاريات 51.2 فولت و200 أمبير، مع ما يقرب من 10.24 كيلوواط ساعة من الطاقة الاسمية المجمعة.

يظل جهد النظام دون تغيير، لكن السعة الإجمالية المقدرة لمجموعة البطاريات تزداد.

مقارنة التوصيلات المتسلسلة والمتوازية

عند استخدام نفس العدد من البطاريات المتطابقة والمتوافقة، يوفر كلا الترتيبين تقريبًا نفس الطاقة الاسمية المجمعة. ويكمن الاختلاف في كيفية توصيل هذه الطاقة من حيث الجهد والتيار.

تعتمد الطاقة الفعلية القابلة للاستخدام على مواصفات البطارية، وظروف التشغيل، وفقدان الطاقة في النظام، ونطاق التشغيل المسموح به.

1. منتجات البطاريات الكاملة ليست هي نفسها الخلايا الفردية

من مصادر الارتباك الشائعة افتراض أن مبادئ التوصيل المستخدمة لخلايا البطارية الفردية يمكن تطبيقها مباشرة على منتجات بطاريات الليثيوم النهائية.

تُجمع الخلايا الفردية في حزمة بطارية كجزء من تصميم كهربائي محدد. قد يشتمل المنتج النهائي على نظام إدارة البطارية، وأجهزة حماية، ووظائف مراقبة، ومكونات أخرى تحدد حدود تشغيله.

بطاريات تخزين الطاقة المنزلية هي منتجات متكاملة مصممة لتطبيقات محددة. تسمح أطرافها الخارجية بالتوصيلات الكهربائية، ولكن هذا لا يعني أنها تدعم جميع ترتيبات التوصيل الممكنة.

على سبيل المثال، قد لا تكون البطارية المصممة للتوصيل المتوازي مناسبة للتوصيل التسلسلي. وقد يدعم منتج آخر عددًا محددًا فقط من الوحدات المتوازية، أو يتطلب إعدادات اتصال خاصة عند تشغيل عدة بطاريات معًا.

هذا التمييز مهم لأن النتيجة الكهربائية النظرية للوصلة ليست هي نفسها تكوين المنتج المعتمد.

قبل دمج البطاريات، يجب أن يكون السؤال الأول هو ما إذا كانت النماذج المحددة مصممة ومعتمدة للعمل معًا في الترتيب المقترح.

2. كيف يؤثر تصميم نظام إدارة البطارية على توافق البطارية

يُعد نظام إدارة البطارية أحد العوامل الرئيسية التي تحدد ما إذا كان من الممكن استخدام بطارية الليثيوم في تكوين متعدد البطاريات.

بحسب المنتج، قد يقوم نظام إدارة البطارية بمراقبة جهد الخلية والتيار ودرجة الحرارة، وإدارة حدود الشحن والتفريغ، وموازنة الخلايا، وإطلاق استجابات وقائية عندما تقع ظروف التشغيل خارج النطاقات المسموح بها.

لا تجعل هذه الوظائف البطارية مناسبة تلقائيًا لكل ترتيب توصيل على التوالي أو التوازي.

قيود توصيل السلسلة

يؤدي التوصيل التسلسلي إلى زيادة جهد النظام الكلي. يجب أن يكون نظام إدارة البطارية (BMS) والمكونات الكهربائية المرتبطة به مناسبًا للترتيب المقصود.

إذا وصلت إحدى البطاريات إلى عتبة الحماية وتوقفت عن العمل، فقد تتأثر سلسلة البطاريات بأكملها. كما يجب أن يبقى الجهد الكلي ضمن النطاق المسموح به للعكس والشاحن ونظام العزل والمعدات الأخرى المتصلة.

إن حقيقة أن البطارية الفردية تحتوي على نظام إدارة البطارية (BMS) لا تعني أن تصميم الحماية الخاص بها يدعم التشغيل التسلسلي.

لهذا السبب، تسمح بعض طرازات البطاريات المنزلية بالتوصيل المتوازي، لكنها تمنع التوصيل على التوالي. ويعتمد هذا القيد تحديداً على تصميم المنتج واستخداماته المعتمدة.

قيود الاتصال المتوازي

تُثير العمليات المتوازية اعتبارات مختلفة.

على الرغم من أن البطاريات تتشارك في الحمل، إلا أن التيار قد لا يتوزع بالتساوي في جميع الظروف. فالاختلافات في جهد الأطراف، والمقاومة الداخلية، وحالة البطارية، وترتيب التوصيل، كلها عوامل تؤثر على مقدار التيار الذي توفره أو تستقبله كل وحدة.

قد يؤدي فصل البطارية نتيجةً لحدث حماية في نظام إدارة البطارية إلى تغيير الحمل على الوحدات المتبقية. لذا، يجب ضبط النظام ضمن حدود التيار المسموح بها للبطاريات والمعدات المرتبطة بها.

بالنسبة للبطاريات المتوافقة، قد يحدد المصنع متطلبات الشحن الأولي، ومطابقة حالة الشحن، وترتيبات الأسلاك، والحد الأقصى لتيار التشغيل.

ينبغي التأكد من هذه المتطلبات قبل التوصيل بدلاً من استبدالها بقاعدة عامة تفترض أن جميع بطاريات الليثيوم تتصرف بنفس الطريقة.

3. لماذا لا يكفي مطابقة الجهد والسعة؟

قد تختلف بطاريتان لهما نفس الجهد الاسمي والسعة المقدرة في الخصائص التقنية المهمة.

حدود الشحن والتفريغ

قد يختلف الحد الأقصى لتيار الشحن، وتيار التفريغ المستمر، وظروف التشغيل المسموح بها بين المنتجات ذات المواصفات الرئيسية المتشابهة.

لا يؤدي توصيل بطاريتين إلى جعل حدود كل منهما متطابقة. يجب أن يظل التكوين الكامل ضمن الحدود المحددة للبطاريات والإلكترونيات المتصلة بها.

حالة البطارية ومستوى شحنها

تُعد حالة كل بطارية عاملاً آخر يجب مراعاته.

عند توصيل البطاريات على التوازي، قد يؤدي اختلاف الجهد بين طرفيها إلى تدفق تيار معادلة بينهما. ويعتمد فرق الجهد المسموح به وأي إجراءات تحضيرية مطلوبة على تعليمات الشركة المصنعة.

في التكوين التسلسلي، قد تساهم الاختلافات في حالة البطارية أو حالة الشحن في عدم التوازن أثناء التشغيل.

لهذه الأسباب، قد يحدد المصنّعون متطلبات تتعلق بعمر البطارية، والشحن الأولي، وحالة الشحن، أو تركيبات الطرازات. وتكتسب هذه المتطلبات أهمية خاصة عند إضافة بطاريات إلى نظام قائم.

نماذج ومصنعون مختلفون

لا يضمن تطابق الجهد والسعة إمكانية تشغيل البطاريات من طرازات أو مصنعين مختلفين معًا.

قد تستخدم المنتجات تصميمات مختلفة لأنظمة إدارة البطاريات، وحدود شحن مختلفة، وعتبات حماية مختلفة، وبروتوكولات اتصال مختلفة، أو إعدادات تحكم مختلفة. هذه الاختلافات قد تؤثر على كل من تشغيل البطارية وطريقة إدارة العاكس للنظام.

قد يوافق بعض المصنّعين على تركيبات محددة من الطرازات، بينما قد يقيّد آخرون تشغيل البطاريات المتعددة بسلسلة منتجات محددة.

لذلك ينبغي التأكد من التوافق باستخدام أرقام الطراز الدقيقة والتكوين المعتمد من قبل الشركة المصنعة، بدلاً من استنتاجه من التصنيفات الكهربائية المماثلة وحدها.

4. بروتوكولات الاتصال والحد الأقصى لكمية البطارية

تتصل العديد من بطاريات تخزين الطاقة المنزلية بالعكس من خلال واجهات مثل CAN أو RS485. في أنظمة البطاريات المتعددة، قد يكون الاتصال مطلوبًا أيضًا بين البطاريات الفردية أو من خلال ترتيب تحكم معين.

بحسب المنتج، قد يتطلب التشغيل الصحيح إعدادات اتصال محددة، أو إصدارات برامج ثابتة، أو عناوين بطارية، أو وحدة رئيسية معينة.

ومع ذلك، فإن وجود منفذ اتصال واحد لا يضمن أن تستخدم البطاريتان نفس البروتوكول أو أنهما تستطيعان تبادل المعلومات المطلوبة للتشغيل المنسق.

قبل تركيب البطاريات، تأكد من أن التكوين المقصود يدعم ما يلي:

• بروتوكول الاتصال والإعدادات المطلوبة.
• نماذج البطاريات المدعومة وطريقة التحكم في العاكس.
• أي متطلبات محددة للبرامج الثابتة أو الوحدة الرئيسية.
• الحد الأقصى المسموح به من قبل الشركة المصنعة لعدد وحدات البطارية.

لماذا تختلف سعة البطارية القصوى باختلاف الطراز؟

لا يجوز تطبيق الحد الأقصى لعدد البطاريات المتوازية المحدد لسلسلة بطاريات معينة تلقائيًا على سلسلة أخرى. كما أن الموافقة على التشغيل المتوازي لا تعني الموافقة على التشغيل على التوالي أو على الترتيبات المشتركة بين التوصيل المتوازي والتوالي.

تؤدي إضافة الوحدات إلى زيادة إجمالي الطاقة الاسمية، ولكن سعة النظام القابلة للاستخدام والإنتاج المتاح يعتمدان على التكوين المسموح به وتصنيفات النظام الكامل.

الحد الصحيح هو الحد الموثق لطراز البطارية المحدد والترتيب المعتمد.

5. ما يجب فحصه قبل توصيل بطاريات التخزين المنزلية

قبل الانتهاء من تحديد تكوين البطارية، يجب التحقق من المتطلبات التالية مقابل وثائق المنتج ذات الصلة.

يجب إتمام هذه الفحوصات قبل التركيب أو التوصيل. ويتعين على الفنيين المؤهلين اتباع تعليمات الشركة المصنعة ومتطلبات السلامة الكهربائية ذات الصلة.

الأسئلة الشائعة

هل يمكن توصيل بطاريتين من الليثيوم بنفس الجهد على التوازي؟

ليس بالضرورة. يُعدّ توافق الجهد أحد اعتبارات التوافق فقط. يجب أن تستوفي البطاريات أيضًا متطلبات الشركة المصنّعة فيما يتعلق بمجموعات الطرازات، وحدود الشحن والتفريغ، وتشغيل نظام إدارة البطارية، وإجراءات التوصيل.

هل يمكن توصيل بطاريتين ليثيوم بجهد 51.2 فولت على التوالي؟

لا يُسمح باستخدام هذا الترتيب إلا إذا كانت منتجات البطاريات المحددة معتمدة صراحةً له. العديد من منتجات البطاريات المنزلية منخفضة الجهد مصممة للتوصيل المتوازي، وليست معتمدة للتوصيل التسلسلي. لا يُفترض أن الجهد المُجمّع الأعلى متوافق مع نظام إدارة البطاريات (BMS) أو المعدات المرتبطة به.

هل يمكن توصيل أنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم على التوازي؟

لا توجد إجابة واحدة تناسب جميع المنتجات. حتى عند تطابق الجهد والسعة، قد تستخدم البطاريات المختلفة أنظمة إدارة بطارية (BMS) أو حدود شحن أو بروتوكولات اتصال غير متوافقة. لذا، لا يُنصح باستخدام التركيبة المقترحة إلا إذا كانت مدعومة بتعليمات الشركة المصنعة.

كم عدد بطاريات التخزين المنزلية التي يمكن توصيلها على التوازي؟

تعتمد الكمية القصوى على طراز البطارية وتكوين النظام المعتمد لها. راجع الوثائق الفنية للشركة المصنعة لمعرفة العدد المسموح به من الوحدات، ومتطلبات العاكس، وترتيبات الاتصال، وأي حدود أخرى سارية.

هل التوصيل على التوالي أم التوصيل على التوازي أفضل لتخزين الطاقة في المنازل؟

لا يُعد أيٌّ من الترتيبين أفضل بشكلٍ مطلق. يعتمد التكوين المناسب على جهد النظام المطلوب، ومواصفات العاكس، وتصميم البطارية، وموافقة الشركة المصنّعة. في العديد من أنظمة الطاقة المنزلية منخفضة الجهد، يُستخدم التوسيع المتوازي لزيادة سعة التخزين مع الحفاظ على جهد البطارية الاسمي، ولكن يجب دائمًا إعطاء الأولوية لتعليمات المنتج المُختار على القواعد العامة.

خاتمة

تؤدي التوصيلات المتسلسلة والمتوازية إلى نتائج مختلفة في الجهد الكهربائي وسعة الأمبير/ساعة، ولكن هذه المبادئ الكهربائية وحدها لا يمكنها تحديد ما إذا كانت بطاريتان ليثيوم منزليتان جاهزتان متوافقتان أم لا.

يؤثر تصميم نظام إدارة البطارية، وحدود الشحن والتفريغ، ومتطلبات الاتصال، وحالة البطارية، وتكوينات النظام المعتمدة، جميعها على مدى ملاءمة الاتصال المقترح.

بالنسبة لتخزين الطاقة المنزلية، ينبغي التأكد من التوافق باستخدام طرازات البطاريات المحددة، والمعدات المرتبطة بها، ووثائق الشركة المصنعة. يُعدّ توافق الجهد والسعة نقطة انطلاق مفيدة، ولكنه ليس دليلاً قاطعاً على إمكانية تشغيل البطاريات معاً.

يبدأ التكوين المُحكم بخيارات التوصيل المعتمدة للمنتج وحدوده التقنية. ويساعد التحقق من هذه المتطلبات قبل التثبيت على تقليل عدم اليقين في التكوين ويدعم التشغيل الموثوق للنظام.