Research on Fault Diagnosis and Control Strategies for Power Batteries

لقد أحدثت المركبات الكهربائية تحولاً في طريقة تفكيرنا في النقل، حيث استبدلت زئير المحرك بالهمهمة الصامتة للكهرباء. وفي قلب هذه الثورة تكمن بطارية الطاقة، وهي حزمة طاقة ضخمة ومعقدة يجب إدارتها بدقة متناهية. فإذا تعطلت هذه البطارية، تتوقف السيارة؛ وإذا تعطلت بشكل خطير، فقد تشكل خطراً جسيماً على السائق والركاب. ولمنع حدوث ذلك، تم تجهيز كل مركبة كهربائية بـ "عقل" يسمى نظام إدارة البطارية. يراقب هذا النظام البطارية باستمرار، بحثاً عن علامات المشاكل مثل التسربات الكهربائية أو انقطاع خطوط الاتصال بين أجزائها الداخلية. ويتمثل التحدي الذي يواجه المهندسين في أن هذه الأنظمة تعمل في بيئة فوضوية مليئة بالضجيج والظروف غير المتوقعة؛ إذ يمكن لتقلب طفيف في الجهد أو خلل لحظي في الإشارة أن يبدو وكأنه فشل كبير، مما يؤدي إلى إنذارات كاذبة تزعج السائقين، أو والأسوأ من ذلك، قد يتسبب في تفويت خطر حقيقي قد يؤدي إلى نشوب حريق. والهدف هو العثور على الإشارة الحقيقية وسط الضجيج، والتمييز بين مجرد ومضة عابرة لا تضر وبين أزمة حقيقية بيقين مطلق.

وقد عالج باحثون من جامعة غوانغدونغ بوليتكنيك نورمال وشركة جي إيه سي أيون الجديدة للسيارات الكهربائية (GAC AION New Energy Automobile Co., Ltd) هذه المشكلة عبر تطوير طريقة جديدة لتفكير "عقل" البطارية. فبدلاً من الاعتماد على قواعد جامدة وصارمة غالباً ما تعاني أمام الفوضى الواقعية، قدموا منهجاً يعتمد على "المنطق الضبابي" (fuzzy theory). وببساو بساطة، يسمح هذا النهج للنظام بالتعامل مع عدم اليقين تماماً كما يفعل الخبير البشري. فبدلاً من التساؤل: "هل الجهد عند خط الخطر تماماً؟"، يسأل النظام: "ما مدى قربه من خط الخطر، وكيف يقارن ذلك بعلامات الخلل الأخرى؟". ومن خلال موازنة عوامل متعددة معاً — مثل درجة الحرارة، والتيار، وجودة الإشارة — يمكن للنظام اتخاذ حكم أكثر دقة حول ما إذا كان هناك خلل يحدث بالفعل. وقد صُممت هذه الطريقة خصيصاً لرصد نوعين من أخطر أنواع الأعطال: أعطال العزل، حيث تتسرب الكهرباء من البطارية نحو هيكل السيارة المعدني، وأعطال الاتصال، حيث تتوقف الأجزاء الداخلية للبطارية عن التواصل مع بعضها البعض بشكل صحيح.

ولاختبار فكرتهم، بنى الفريق نموذج محاكاة متطوراً ثم وضعه قيد الاختبار على مركبات كهربائية فعلية. لقد خلقوا سيناريوهات أدخلوا فيها أعطالاً بشكل متعمد، مثل توصيل مقاوم لتمثيل تسرب كهربائي أو قطع إشارات الاتصال بين وحدات البطارية. وأظهرت النتائج أن نظام المنطق الضبابي الخاص بهم كان فعالاً بشكل ملحوظ في تحديد هذه المشكلات. وعندما قارن الباحثون النظام الجديد بالأساليب القياسية القديمة، وجدوا تحسناً واضحاً في الدقة؛ فبالنسبة لأعطال العزل، قفزت القدرة على تحديد المشكلة بشكل صحيح من حوالي 81% إلى أكثر من 92%. وبالنسبة لأعطال الاتصال، ارتفعت الدقة من حوالي 91% إلى ما يقرب من 98%. وهذا يعني أن النظام الجديد أقل عرضة لتفويت خطر حقيقي أو اتهام بطارية سليمة بأنها معطلة خطأً.

ومع ذلك، فإن هذه الزيادة في السلامة تأتي مع مقايضة صغيرة. فبسبب استغراق النظام الضبابي وقتاً لموازنة جميع العوامل المختلفة وإجراء فحوصات متعددة للتأكد، فإنه يستغرق وقتاً أطول قليلاً لاتخاذ القرار. وقد وجد الباحثون أن الوقت المستغرق لتأكيد العطل زاد بنحو 4.6 ثانية مقارنة بالأساليب الأسرع والأقل دقة. وفي سياق قيادة سيارة على الطريق السريع، يعد هذا الوقت الإضافي ضئيلاً، لكنه تكلفة ضرورية لمستوى السلامة الأعلى. فالنظام مصمم للانتظار لفترة كافية ليكون متأكداً، مما يضمن أنه عندما يطلق الإنذار أخيراً، يكون الخلل حقيقياً. وبمجرد تأكيد العطل، يتخذ النظام إجراءً فورياً، مثل تحديد الطاقة التي يمكن للسيارة استخدامها أو إيقاف تشغيل البطارية تماماً لمنع نشوب حريق، مع إبقاء السائق على اطلاع دائم.

كما رسمت الدراسة مساراً دقيقاً لكيفية التعامل مع هذه الأعطال بمجرد اكتشافها. فإذا وجد النظام تسرباً في العزل، فإنه يتحقق مما إذا كانت المشكلة داخل حزمة البطارية أو في الأسلاك الخارجية؛ فإذا كانت بالداخل، يجب فتح حزمة البطارية وإصلاحها، وإذا كانت بالخارج، يتم إصلاح المكونات الخارجية. وبالمثل، إذا انقطعت خطوط الاتصال، يتحقق النظام مما إذا كانت المشكلة مجرد خلل مؤقت أو فشل دائم في أحد المستشعرات. وفي كل حالة، يساعد نظام المنطق الضبابي السيارة على اتخاذ الإجراء الصحيح، موازناً بين السلامة والحاجة إلى استمرار حركة المركبة. وخلص الباحثون إلى أنه بينما يتطلب هذا النهج المزيد من وقت المعالجة، فإن التحسن الكبير في الدقة يجعله أداة حيوية لمستقبل المركبات الكهربائية. ومع تقدم الصناعة، فإن الجمع بين هذا النوع من التشخيص الذكي والمرن مع كميات هائلة من البيانات الواقعية يعد بجعل السيارات الكهربائية أكثر أماناً وموثوقية للجميع.