Как балансирането на клетките удължава живота на батерията Po4?

Когато устройствата се нуждаят от дълготрайна, високопроизводителнаБатериен пакет LifePo4, те трябва да балансират всяка клетка. Защо батерията LifePo4 се нуждае от балансиране? Батериите LifePo4 са подложени на много характеристики, като например пренапрежение, поднапрежение, ток на презареждане и разреждане, термично претоварване и дисбаланс на напрежението на батерията. Един от най-важните фактори е дисбалансът на клетките, който променя напрежението на всяка клетка в пакета с течение на времето, като по този начин бързо намалява капацитета на батерията. Когато батерийният пакет LifePo4 е проектиран да използва множество клетки последователно, е важно електрическите характеристики да се проектират така, че постоянно да балансират напреженията на клетките. Това е не само за производителността на батерийния пакет, но и за оптимизиране на жизнения цикъл. Необходимостта от доктрина е, че балансирането на батерията се извършва преди и след сглобяването ѝ и трябва да се извършва през целия ѝ жизнен цикъл, за да се поддържа оптимална производителност! Използването на балансиране на батериите ни позволява да проектираме батерии с по-висок капацитет за приложения, защото балансирането позволява на батерията да достигне по-високо състояние на заряд (SOC). Можете да си представите свързването на много LifePo4 клетки последователно, сякаш теглите шейна с много теглещи кучета. Шейната може да бъде теглена с максимална ефективност само ако всички теглещи кучета се движат с еднаква скорост. При четири теглещи кучета, ако едното теглещо куче се движи бавно, тогава другите три теглещи кучета също трябва да намалят скоростта си, като по този начин намалят ефективността, а ако едното теглещо куче се движи по-бързо, то ще дърпа товара на другите три и ще се нарани. Следователно, когато множество LifePo4 клетки са свързани последователно, стойностите на напрежението на всички клетки трябва да са равни, за да се получи по-ефективен LifePo4 батериен пакет. Номиналното напрежение на батерията LifePo4 е само около 3.2V, но всистеми за съхранение на енергия в дома, преносими захранвания, индустриални, телекомуникационни, електрически превозни средства и микромрежови приложения, се нуждаем от много по-високо от номиналното напрежение. През последните години презареждащите се LifePo4 батерии играят ключова роля в батериите и системите за съхранение на енергия поради ниското си тегло, високата енергийна плътност, дългия живот, високия капацитет, бързото зареждане, ниските нива на саморазреждане и екологичността. Балансирането на клетките гарантира, че напрежението и капацитетът на всяка LifePo4 клетка са на едно и също ниво, в противен случай обхватът и животът на LiFePo4 батерията ще бъдат значително намалени и производителността на батерията ще се влоши! Следователно, балансирането на LifePo4 клетките е един от най-важните фактори за определяне на качеството на батерията. По време на работа ще се появи малка разлика в напрежението, но можем да го поддържаме в приемлив диапазон чрез балансиране на клетките. По време на балансирането, клетките с по-висок капацитет преминават през пълен цикъл на зареждане/разреждане. Без балансиране на клетките, клетката с най-бавен капацитет е слабо място. Балансирането на клетките е една от основните функции на системата за управление на сградата (BMS), заедно с мониторинга на температурата, зареждането и други функции, които спомагат за максимално удължаване на живота на батерията. Други причини за балансиране на батерията: Непълно използване на енергия от батерия LifePo4 Поглъщането на повече ток, отколкото е проектирана батерията, или късо съединение в батерията най-вероятно ще доведе до преждевременна повреда на батерията. Когато батерия LifePo4 се разрежда, по-слабите клетки ще се разредят по-бързо от здравите клетки и ще достигнат минимално напрежение по-бързо от другите клетки. Когато една клетка достигне минимално напрежение, цялата батерия също се изключва от товара. Това води до неизползван капацитет от енергия на батерията. Клетъчно разграждане Когато клетка LifePo4 е презаредена дори малко над препоръчителната си стойност, ефективността и животът на клетката се намаляват. Например, малко увеличение на зарядното напрежение от 3.2V на 3.25V ще изтощи батерията по-бързо с 30%. Така че, ако балансирането на клетките не е точно, дори малкото презареждане ще намали живота на батерията. Непълно зареждане на клетъчен пакет Батериите LifePo4 се зареждат с постоянен ток между 0,5 и 1,0 волта. Напрежението на батерията LifePo4 се повишава с напредването на зареждането, достигайки пикова точка, когато е напълно заредена, след което спада. Представете си три клетки съответно с 85 Ah, 86 Ah и 87 Ah и 100% SoC, след което всички клетки се изтощават и техният SoC намалява. Бързо ще забележите, че клетка 1 е първата, която изчерпва енергията си, тъй като има най-нисък капацитет. Когато захранването се подаде към клетъчните пакети и същият ток тече през тях, клетка 1 отново се задържа по време на зареждане и може да се счита за напълно заредена, тъй като другите две клетки са напълно заредени. Това означава, че клетка 1 има намалена кулометрична ефективност (CE) поради самозагряването на клетката, което води до неравномерност на клетките. Термично бягство Най-ужасният момент, който може да се случи, е термичното изпускане. Както разбирамелитиеви клеткиса много чувствителни към презареждане, както и към презареждане. В пакет от 4 клетки, ако едната клетка е 3,5 V, а другите са 3,2 V, зарядът ще зареди всички клетки заедно, тъй като те са последователно, и ще зареди клетката 3,5 V с по-високо от препоръчителното напрежение, тъй като другите батерии все още се нуждаят от зареждане. Това води до термично претоварване, когато скоростта на вътрешното генериране на топлина надвиши скоростта, с която топлината може да се освободи. Това кара батерията LifePo4 да стане термично неконтролирана. Какво предизвиква дебалансиране на клетките в батерийните пакети? Сега разбираме защо е важно да се поддържа баланс на всички клетки в батерията. Но за да се справим правилно с проблема, трябва да знаем от първа ръка защо клетките се разбалансират. Както беше споменато по-рано, когато батерията се създава чрез последователно свързване на клетките, се гарантира, че всички клетки остават на едни и същи нива на напрежение. Така че нова батерия винаги ще има балансирани клетки. Но когато батерията се използва, клетките се разбалансират поради съответните фактори. Несъответствие в SOC Измерването на зарядното състояние (SOC) на клетка е сложно; следователно е много сложно да се измери SOC на специфични клетки в батерия. Оптималният метод за хармонизиране на клетките трябва да съответства на клетките с едно и също зарядно състояние (SOC), а не на точно еднакви степени на напрежение (OCV). Но тъй като е почти невъзможно клетките да бъдат съчетани само по отношение на напрежението при създаването на пакет, промяната в SOC може да доведе до промяна в OCV с течение на времето. Вариант на вътрешно съпротивление Изключително трудно е да се намерят клетки с еднакво вътрешно съпротивление (IR) и с напредване на възрастта на батерията, IR на клетката също се променя, следователно не всички клетки в един батериен пакет ще имат едно и също IR. Както разбираме, IR допринася за вътрешната устойчивост на клетката, което определя тока, протичащ през нея. Тъй като IR се променя, токът през клетката и нейното напрежение също се променят. Температурно ниво Способността за зареждане и освобождаване на клетката също зависи от температурата около нея. В големи батерии, като например в електрически превозни средства или слънчеви панели, клетките са разпределени в зона за отпадъчни води и може да има температурна разлика между самите батерии, което кара една клетка да се зарежда или разрежда по-бързо от останалите клетки, причинявайки неравенство. От горепосочените фактори става ясно, че не можем да предотвратим нарушаването на баланса на клетките по време на процедурата. Така че единственото решение е да се използва външна система, която изисква клетките да се балансират отново, след като са се разбалансирали. Тази система се нарича система за балансиране на батериите. Как да се постигне баланс на LiFePo4 батериен пакет? Система за управление на батериите (BMS) Обикновено LiFePo4 батерийният пакет не може да постигне балансиране на батерията самостоятелно, това може да се постигне чрезсистема за управление на батериите(BMS). Производителят на батерията ще интегрира функцията за балансиране на батерията и други защитни функции, като например защита от пренапрежение при зареждане, индикатор за зареденост (SOC), аларма/защита от прегряване и др. на тази BMS платка. Зарядно за литиево-йонни батерии с функция за балансиране Известно още като „балансиращо зарядно устройство за батерии“, зарядното устройство има вградена функция за балансиране, за да поддържа различни батерии с различен брой струни (напр. 1~6S). Дори ако батерията ви няма BMS платка, можете да зареждате литиево-йонната си батерия с това зарядно устройство, за да постигнете балансиране. Балансиращ съвет Когато използвате балансирано зарядно устройство за батерии, трябва също да свържете зарядното устройство и батерията си към балансиращата платка, като изберете специфичен контакт от балансиращата платка. Модул на защитната верига (PCM) PCM платката е електронна платка, която е свързана към LiFePo4 батерията и основната ѝ функция е да предпазва батерията и потребителя от неизправност. За да се осигури безопасна употреба, LiFePo4 батерията трябва да работи при много строги параметри на напрежението. В зависимост от производителя на батерията и химичния състав, този параметър на напрежението варира между 3,2 V на клетка за разредени батерии и 3,65 V на клетка за презареждащи се батерии. PCM платката следи тези параметри на напрежението и изключва батерията от товара или зарядното устройство, ако те бъдат превишени. В случай на една LiFePo4 батерия или няколко LiFePo4 батерии, свързани паралелно, това се постига лесно, защото PCM платката следи отделните напрежения. Когато обаче няколко батерии са свързани последователно, PCM платката трябва да следи напрежението на всяка батерия. Видове балансиране на батериите За LiFePo4 батерийни пакети са разработени различни алгоритми за балансиране на батерии. Те са разделени на пасивни и активни методи за балансиране на батерии, базирани на напрежението на батерията и нивото на заряд (SOC). Пасивно балансиране на батерията Техниката за пасивно балансиране на батерията отделя излишния заряд от напълно заредена LiFePo4 батерия чрез резистивни елементи и дава на всички клетки заряд, подобен на този на най-ниско заредената LiFePo4 батерия. Тази техника е по-надеждна и използва по-малко компоненти, като по този начин намалява общата цена на системата. Технологията обаче намалява ефективността на системата, тъй като енергията се разсейва под формата на топлина, която генерира енергийни загуби. Следователно, тази технология е подходяща за приложения с ниска консумация на енергия. Активно балансиране на батерията Активното балансиране на заряда е решение на предизвикателствата, свързани с LiFePo4 батериите. Техниката за активно балансиране на клетките разрежда заряда от LiFePo4 батерията с по-висока енергия и го прехвърля към LiFePo4 батерията с по-ниска енергия. В сравнение с технологията за пасивно балансиране на клетките, тази техника спестява енергия в LiFePo4 батерийния модул, като по този начин повишава ефективността на системата и изисква по-малко време за балансиране между клетките на LiFePo4 батерийния пакет, което позволява по-високи токове на зареждане. Дори когато LiFePo4 батерийният пакет е в покой, дори перфектно съчетаните LiFePo4 батерии губят заряд с различна скорост, тъй като скоростта на саморазреждане варира в зависимост от температурния градиент: повишаване на температурата на батерията с 10°C вече удвоява скоростта на саморазреждане. Активното балансиране на заряда обаче може да възстанови равновесието на клетките, дори ако те са в покой. Тази техника обаче има сложна схема, което увеличава общата цена на системата. Следователно, активното балансиране на клетките е подходящо за приложения с висока мощност. Съществуват различни топологии на вериги за активно балансиране, класифицирани според компонентите за съхранение на енергия, като кондензатори, индуктори/трансформатори и електронни преобразуватели. Като цяло, системата за активно управление на батериите намалява общата цена на LiFePo4 батерийния пакет, тъй като не изисква преоразмеряване на клетките, за да се компенсира дисперсията и неравномерното стареене между LiFePo4 батериите. Активното управление на батериите става критично, когато старите клетки се заменят с нови и има значителни вариации в рамките на LiFePo4 батерийния пакет. Тъй като активните системи за управление на батериите позволяват инсталирането на клетки с големи вариации в параметрите на LiFePo4 батерийните пакети, добивите се увеличават, а разходите за гаранция и поддръжка намаляват. Следователно, активните системи за управление на батериите са от полза за производителността, надеждността и безопасността на батерийния пакет, като същевременно спомагат за намаляване на разходите. Обобщете За да се сведат до минимум ефектите от дрейфа на напрежението на клетката, дисбалансите трябва да бъдат правилно коригирани. Целта на всяко балансиращо решение е да позволи на LiFePo4 батерийния пакет да работи на предвиденото ниво на производителност и да разшири наличния си капацитет. Балансирането на батерията е важно не само за подобряване на производителността ижизнен цикъл на батериите, това също така добавя фактор за безопасност към LiFePo4 батерийния пакет. Една от нововъзникващите технологии за подобряване на безопасността на батериите и удължаване на живота им. Тъй като новата технология за балансиране на батериите проследява необходимото количество балансиране за отделните LiFePo4 клетки, тя удължава живота на LiFePo4 батерийния пакет и подобрява цялостната безопасност на батерията.