رفتار منابع ولتاژ در حالت موازی

منابع ولتاژ موازی در سیستم‌های دنیای واقعی

فهرست مطالب

1. اطلاعات نویسنده
2. مقدمه
3. پیچیدگی‌های دنیای واقعی منابع ولتاژ موازی
4. کاربردها و معماری‌های دنیای واقعی
5. تکنیک‌های کاهش اثرات و محافظت
6. رفتار باتری‌های موازی در سیستم‌های ارزان‌قیمت
7. نتیجه‌گیری
8. منابع

اطلاعات نویسنده

نام: روزبه صالح آبادی
وابستگی: گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه فردوسی مشهد
تماس: roozbehsa3@gmail.com

مقدمه

منابع ولتاژ متصل شده به صورت موازی معمولاً در بسیاری از سیستم‌های دنیای واقعی که یک منبع واحد نمی‌تواند تقاضای جریان کل را برآورده کند، استفاده می‌شوند. این پیکربندی‌ها به ویژه در محاسبات با کارایی بالا، وسایل نقلیه الکتریکی و تنظیمات انرژی خورشیدی اهمیت دارند. با این حال، برخلاف مدل‌های ایده‌آل در تئوری مدار، پیاده‌سازی‌های عملی شامل اجزای غیرایده‌آل و چالش‌های مختلفی هستند که مهندسان باید آن‌ها را حل کنند. این تحقیق بر رفتار منابع ولتاژ دنیای واقعی در حالت موازی، استفاده از آن‌ها در کاربردها و تکنیک‌های توسعه یافته برای مدیریت محدودیت‌های آن‌ها تمرکز دارد.

پیچیدگی‌های دنیای واقعی منابع ولتاژ موازی

2.1 عدم تطابق ولتاژ و جریان‌های گردشی

در عمل، هیچ دو منبع ولتاژی دقیقاً یکسان نیستند. حتی تفاوت‌های جزئی در ولتاژ خروجی آن‌ها - مثلاً 12.0 ولت و 12.2 ولت - می‌تواند منجر به جریان‌های گردشی ناخواسته شود. این جریان‌های داخلی از منبع با ولتاژ بالاتر به منبع با ولتاژ پایین‌تر جریان می‌یابند، اغلب از طریق مدارهای داخلی، که باعث تلفات انرژی، تولید گرما و احتمالاً آسیب می‌شوند.

محاسبه مثال

دو منبع را در نظر بگیرید:

ولتاژ خروجی ترکیبی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

\[V_{\text{out}} = \frac{\frac{V_A}{R_A} + \frac{V_B}{R_B}}{\frac{1}{R_A} + \frac{1}{R_B}}\]

با جایگذاری مقادیر:

\[V_{\text{out}} = \frac{\frac{12.2}{0.1} + \frac{12.0}{0.1}}{\frac{1}{0.1} + \frac{1}{0.1}} = 12.1\,V\]

جریان‌های هر منبع به صورت زیر هستند:

\[I_A = \frac{V_A - V_{\text{out}}}{R_A} = \frac{12.2 - 12.1}{0.1} = 1.0\,A\] \[I_B = \frac{V_B - V_{\text{out}}}{R_B} = \frac{12.0 - 12.1}{0.1} = -1.0\,A\]

این نشان می‌دهد که منبع B جریان را می‌کشد (مصرف می‌کند)، که می‌تواند به باتری‌ها یا منابع تغذیه‌ای که برای جریان دوطرفه طراحی نشده‌اند، آسیب برساند.

2.2 تقسیم نابرابر بار

در حالت ایده‌آل، هر منبع ولتاژ باید بخش مساوی از جریان بار را تأمین کند. در واقعیت، تفاوت‌ها در مقاومت داخلی و طراحی باعث می‌شود یک منبع بار بیشتری نسبت به دیگری حمل کند. این عدم تعادل منجر تخریب زودهنگام و کاهش بازدهی می‌شود.

2.3 جریان معکوس و تغذیه برگشتی

اگر یک منبع به دلیل خرابی داخلی یا تخلیه، افت ولتاژ داشته باشد، منابع دیگر ممکن است جریان را به داخل آن برانند. این می‌تواند یک منبع تغذیه را به یک بار ناخواسته تبدیل کند و در موارد شدید آتش‌سوزی یا انفجار را به همراه داشته باشد.

کاربردها و معماری‌های دنیای واقعی

3.1 سیستم‌های خودرویی

استارت زدن با کابل (Jump-start) یک کاربرد مستقیم از منابع ولتاژ موازی است. وقتی دو باتری 12 ولتی به هم متصل می‌شوند، باتری سالم‌تر، باتری ضعیف‌تر را تقویت می‌کند. اگر ولتاژها تطابق نداشته باشند، جریان‌های ورودی بالا می‌تواند رخ دهد.

خودروهای مدرن شامل آلترناتورهای هوشمند و مدارهای محافظتی برای مدیریت چنین خطراتی هستند. محافظت در برابر جریان معکوس و فیوزها به جلوگیری از تغذیه برگشتی و اطمینان از ایمنی کمک می‌کنند.

3.2 وسایل نقلیه الکتریکی (EVs)

وسایل نقلیه الکتریکی از هزاران سلول لیتیوم-یون استفاده می‌کنند که هم به صورت سری و هم موازی پیکربندی شده‌اند. مسیرهای موازی اجازه خروجی جریان بالا را می‌دهند که برای موتورهای قدرتمند ضروری است. برای مثال، یک بسته باتری معمولی با کارایی بالا برای وسایل نقلیه الکتریکی ممکن است 96 سلول به صورت موازی در هر رشته داشته باشد.

سیستم مدیریت باتری (BMS) عملکرد متعادل در این مسیرها را تضمین می‌کند. این سیستم ولتاژ، دما و جریان را مانیتور می‌کند و شارژ یا دشارژ هر سلول را برای جلوگیری از خرابی و بهبود طول عمر تنظیم می‌کند.

شرکت‌هایی مانند تسلا، برخی از وسایل نقلیه الکتریکی خود را با مدار 48 ولت به جای 12 ولت سنتی تولید می‌کنند. دلایل پشت این تصمیم مهم است، اما مهم‌ترین نکات می‌تواند این باشد که با افزایش ولتاژ، جریان را کاهش می‌دهیم. بنابراین گرمای کمتری از طریق سیم‌های خود دریافت می‌کنیم، که به معنای استفاده کمتر از سیم در سیستم است.

3.3 سیستم‌های انرژی خورشیدی

در سیستم‌های خورشیدی خارج از شبکه، پنل‌های خورشیدی به صورت موازی connected می‌شوند تا ولتاژ ثابت حفظ شود در حالی که ظرفیت جریان افزایش می‌یابد. این setup به چندین پنل اجازه می‌دهد تا انرژی کافی برای شارژ باتری یا کارکرد اینورتر تأمین کنند.

سایه‌اندازی یا تخریب یک پنل بر خروجی جریان تأثیر می‌گذارد. برای کاهش این اثر، دیودهای بای‌پس در پنل‌ها گنجانده شده‌اند تا از جریان معکوس از پنل‌های دیگر جلوگیری کنند. کنترل‌کننده‌های ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) بار را تنظیم می‌کنند تا توان استخراج شده از آرایه را به حداکثر برسانند.

3.4 مراکز داده و منابع تغذیه افزونه

در مراکز داده، چندین منبع تغذیه به صورت موازی سیم‌کشی می‌شوند تا هم توان افزایش یافته و هم افزونگی را فراهم کنند. اگر یک واحد منبع تغذیه fail کند، واحدهای دیگر بار را بدون وقفه حفظ می‌کنند. تقسیم بار و محافظت در برابر جریان معکوس بسیار critical هستند.

کنترل‌کننده‌های مدیریت توان هوشمند تضمین می‌کنند که هر منبع تغذیه به طور مساوی مشارکت می‌کند، در حالی که قابلیت‌های تعویض داغ (hot-swapping) امکان جایگزینی بدون downtime را فراهم می‌کنند.

تکنیک‌های کاهش اثرات و محافظت

مهندسان از چندین استراتژی برای جلوگیری از آسیب و عدم بازدهی در پیکربندی‌های ولتاژ موازی استفاده می‌کنند. در زیر روش‌های کلیدی و توضیح نحوه کار آن‌ها آورده شده است.

4.1 دیودهای OR-ing و کنترل‌کننده‌های دیود ایده‌آل

دیودهای OR-ing به صورت سری با هر منبع ولتاژ قرار می‌گیرند. آن‌ها اجازه می‌دهند جریان از هر منبع به بار جریان یابد اما از جریان معکوس به یک منبع با ولتاژ پایین‌تر جلوگیری می‌کنند. با این حال، دیودهای معمولی افت ولتاژ و گرما introduce می‌کنند.

برای غلبه بر این، کنترل‌کننده‌های دیود ایده‌آل از MOSFET‌های controlled توسط IC های dedicated برای شبیه‌سازی یک دیود با تقریباً بدون افت ولتاژ استفاده می‌کنند. این IC ها شرایط جریان مستقیم در مقابل معکوس را detect کرده و MOSFET را بر این اساس روشن یا خاموش می‌کنند و بازدهی را بهبود می‌بخشند.

4.2 کنترل‌کننده‌های تقسیم بار فعال

مدارهای تقسیم بار فعال از فیدبک برای مانیتور کردن خروجی جریان هر منبع تغذیه استفاده می‌کنند. یک کنترل‌کننده dedicated ولتاژ خروجی را کمی adjust می‌کند تا همه منابع جریان مساوی یا متناسبی را تحویل دهند.

این سیستم‌ها اغلب شامل مقاومت‌های شنت برای سنجش جریان و تقویت‌کننده‌های عملیاتی یا کنترل‌کننده‌های دیجیتال برای مدیریت حلقه فیدبک هستند. این روش تعادل حرارتی را تضمین می‌کند و طول عمر مؤلفه را延长 می‌دهد.

4.3 سیستم‌های مدیریت باتری (BMS)

یک BMS در وسایل نقلیه الکتریکی یا سیستم‌های UPS، سلول‌های باتری انفرادی را مانیتور و مدیریت می‌کند. این سیستم تضمین می‌کند که هر سلول به طور یکنواخت شارژ و دشارژ می‌شود توسط:

• اندازه‌گیری ولتاژ و دمای سلول
• متعادل کردن سلول‌ها با استفاده از روش‌های غیرفعال (مقاومتی) یا فعال (توزیع مجدد شارژ)
• قطع کردن سلول‌های faulty یا dangerous

این از عدم تعادل جلوگیری می‌کند و طول عمر کلی باتری را در حالی که ایمنی را بهبود می‌بخشد، prolong می‌کند.

UPS چگونه به سادگی کار می‌کند:

یک منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) از باتری‌ها به عنوان منابع ولتاژ موازی برای تأمین توان اضطراری وقتی که برق اصلی قطع می‌شود، استفاده می‌کند. تحت شرایط عادی، UPS باتری‌ها را شارژ می‌کند و توان را به بار تأمین می‌کند. وقتی قطعی برق رخ می‌دهد، UPS فوراً به برق باتری switch می‌کند تا دستگاه‌ها بدون وقفه به کار خود ادامه دهند.

UPS همچنین شامل مدارهایی برای متعادل کردن سلول‌های باتری، جلوگیری از جریان معکوس و قطع ایمن سلول‌های faulty است. این تحویل توان پیوسته و قابل اطمینان را در کاربردهای critical مانند مراکز داده، بیمارستان‌ها و سیستم‌های ارتباطی تضمین می‌کند.

رفتار باتری‌های موازی در سیستم‌های ارزان‌قیمت

در بسیاری از سیستم‌های کم‌هزینه (مثلاً پاور بانک‌های پایه، بسته‌های DIY، چراغ قوه‌ها)، سلول‌ها به صورت موازی بدون مدارهای مجتمع (IC) پیشرفته برای مدیریت جریان قرار می‌گیرند. با این وجود، آن‌ها اغلب به دلیل عوامل زیر به طور ایمن عمل می‌کنند:

1. استفاده از باتری‌های یکسان

• تولیدکنندگان معمولاً از سلول‌های همان chemistry، مدل و batch تولید استفاده می‌کنند.
• تطابق ظرفیت، مقاومت داخلی و وضعیت شارژ، تفاوت‌های ولتاژی که باعث جریان‌های گردشی مضر می‌شوند را کاهش می‌دهد.

2. محدود کردن طبیعی جریان توسط مقاومت داخلی

• هر سلول مقداری مقاومت داخلی دارد.
• وقتی به صورت موازی connected می‌شوند، این مقاومت محدود می‌کند که چقدر جریان می‌تواند بین سلول‌ها circulate کند.
• فرمول:

\[I_{circ} = \frac{V_1 - V_2}{R_{int1} + R_{int2}}\]

این حتی با عدم تطابق‌های جزئی از خرابی فوری جلوگیری می‌کند.

3. پیش شرط‌سازی قبل از مونتاژ

• سلول‌ها قبل از اتصال به صورت موازی به همان ولتاژ شارژ می‌شوند.
• این از جریان‌های ورودی بزرگ در لحظه اتصال جلوگیری می‌کند.

4. محافظت‌های ساده به جای IC ها

• برخی طراحی‌ها شامل دیودهای شاتکی پایه یا مقاومت‌های کوچک برای جلوگیری از جریان معکوس هستند.
• در دستگاه‌های بسیار ساده، حتی بدون این موارد، تفاوت‌های کوچک ولتاژ و مقاومت طبیعی برای جلوگیری از آسیب کافی هستند.

5. چرا آن‌ها فوراً fail نمی‌کنند

• اگر سلول‌ها یکسان و closely matched باشند، تفاوت ولتاژ minimal است، بنابراین فقط جریان‌های equalization کوچکی جریان می‌یابند.
• با گذشت زمان، عدم تعادل ممکن است رخ دهد، اما در محصولات مصرفی ارزان (با طول عمر نسبتاً کوتاه)، این معمولاً یک مشکل جدی ایجاد نمی‌کند.

نتیجه‌گیری

منابع ولتاژ متصل شده به صورت موازی، کاربردهای جریان بالا، افزونگی و مقیاس‌پذیری ماژولار را enable می‌کنند. با این حال، محدودیت‌های عملی مانند عدم تطابق ولتاژ، مقاومت داخلی و تخریب مؤلفه، پیچیدگی‌هایی را introduce می‌کنند که در تئوری مدار ایده‌آل وجود ندارند.

با ادغام فناوری‌های مدرن مانند تقسیم بار فعال، سیستم‌های مدیریت باتری و کنترل‌کننده‌های دیود ایده‌آل، مهندسان عملکرد قابل اطمینان را حتی در حضور عدم تطابق‌های مؤلفه یا خرابی تضمین می‌کنند. این استراتژی‌ها برای عملکرد و ایمنی سیستم‌های ranging از وسایل نقلیه الکتریکی تا آرایه‌های خورشیدی و مراکز داده mission-critical اساسی هستند.

منابع

Battery University: Series and Parallel Battery Configurations YouTube: Parallel Voltage Sources Explained YouTube: Practical Aspects of Parallel Connections Alternative Energy Tutorials: Parallel Connected Solar Panels Belfuse: Power Supplies in Series or Parallel YouTube: Real-World Parallel Systems