¿Cómo el balanceo de celdas extiende la vida útil de la batería LifePo4?

Cuando los dispositivos necesitan un rendimiento alto y duraderoPaquete de baterías LifePo4, necesitan equilibrar cada célula. ¿Por qué el paquete de baterías LifePo4 necesita equilibrio de batería? Las baterías LifePo4 están sujetas a diversas características, como sobretensión, subtensión, corriente de sobrecarga y descarga, embalamiento térmico y desequilibrio de tensión. Uno de los factores más importantes es el desequilibrio de celdas, que modifica el voltaje de cada celda del paquete con el tiempo, reduciendo rápidamente la capacidad de la batería. Cuando el paquete de baterías LifePo4 está diseñado para usar múltiples celdas en serie, es importante diseñar las características eléctricas para equilibrar consistentemente los voltajes de las celdas. Esto no solo beneficia el rendimiento del paquete, sino también la optimización de su ciclo de vida. La doctrina fundamental es que el balanceo de la batería se realiza antes y después de su fabricación y debe realizarse durante toda su vida útil para mantener un rendimiento óptimo. El uso del balanceo de baterías nos permite diseñar baterías con mayor capacidad para aplicaciones, ya que permite que la batería alcance un mayor estado de carga (SOC). Imagine conectar muchas unidades de celdas LifePo4 en serie como si estuviera tirando de un trineo con muchos perros. El trineo solo se puede tirar con la máxima eficiencia si todos los perros corren a la misma velocidad. Con cuatro perros de trineo, si uno corre despacio, los otros tres también deben reducir su velocidad, lo que reduce la eficiencia, y si un perro corre más rápido, terminará tirando de la carga de los otros tres y se lesionará. Por lo tanto, cuando se conectan varias celdas LifePo4 en serie, los valores de voltaje de todas las celdas deben ser iguales para obtener una batería LifePo4 más eficiente. La batería nominal LifePo4 tiene una capacidad nominal de solo 3,2 V, pero ensistemas de almacenamiento de energía para el hogarEn aplicaciones industriales, de telecomunicaciones, de vehículos eléctricos y de microrredes, se requiere un voltaje mucho mayor que el nominal. En los últimos años, las baterías recargables LifePo4 han desempeñado un papel fundamental en baterías de energía y sistemas de almacenamiento de energía gracias a su ligereza, alta densidad energética, larga vida útil, alta capacidad, carga rápida, bajos niveles de autodescarga y respeto al medio ambiente. El balanceo de celdas garantiza que el voltaje y la capacidad de cada celda LifePo4 se mantengan al mismo nivel; de lo contrario, la autonomía y la vida útil de la batería LiFePo4 se reducirían considerablemente, y el rendimiento de la batería se vería afectado. Por lo tanto, el balanceo de celdas LifePo4 es uno de los factores más importantes para determinar la calidad de la batería. Durante el funcionamiento, se producirá una pequeña brecha de voltaje, pero podemos mantenerla dentro de un rango aceptable mediante el balanceo de celdas. Durante el balanceo, las celdas de mayor capacidad se someten a un ciclo completo de carga/descarga. Sin balanceo, la celda con menor capacidad se convierte en un punto débil. El balanceo es una de las funciones principales del BMS, junto con la monitorización de temperatura, la carga y otras funciones que ayudan a maximizar la vida útil del paquete. Otras razones para equilibrar la batería: Uso incompleto de energía de la batería LifePo4 Absorber más corriente de la que la batería puede soportar o provocar un cortocircuito es muy probable que cause una falla prematura. Cuando una batería LifePo4 se descarga, las celdas más débiles se descargan más rápido que las sanas y alcanzan el voltaje mínimo más rápido que otras celdas. Cuando una celda alcanza el voltaje mínimo, toda la batería se desconecta de la carga. Esto resulta en una capacidad de energía no utilizada. degradación celular Cuando una celda LifePo4 se sobrecarga, incluso ligeramente por encima de su valor recomendado, su eficacia y vida útil se reducen. Por ejemplo, un pequeño aumento en el voltaje de carga de 3,2 V a 3,25 V acelerará la degradación de la batería en un 30 %. Por lo tanto, si el balanceo de celdas no es preciso, una pequeña sobrecarga también reducirá la vida útil de la batería. Carga incompleta de un paquete de celdas Las baterías LifePo4 se facturan con una corriente continua de entre 0,5 y 1,0. El voltaje de la batería LifePo4 aumenta a medida que la carga continúa, alcanzando su punto máximo cuando está completamente cargada y, posteriormente, disminuye. Imagine tres celdas con 85 Ah, 86 Ah y 87 Ah respectivamente y un SoC del 100 %, y todas las celdas se liberan y su SoC disminuye. Se puede observar rápidamente que la celda 1 es la primera en quedarse sin energía, ya que tiene la capacidad más baja. Cuando se aplica energía a los paquetes de celdas y la misma corriente fluye a través de ellas, la celda 1 se queda atrás durante la carga y puede considerarse completamente cargada, al igual que las otras dos. Esto significa que la celda 1 tiene una eficiencia culombimétrica (CE) reducida debido a su autocalentamiento, lo que provoca una desigualdad celular. Fuga térmica El peor problema que puede ocurrir es la fuga térmica. Como sabemos...celdas de litioSon muy sensibles a la sobrecarga y la sobredescarga. En un paquete de 4 celdas, si una celda es de 3,5 V y las otras de 3,2 V, la carga cargará todas las celdas juntas, ya que están en serie, y cargará la celda de 3,5 V a un voltaje superior al recomendado, ya que las demás baterías aún necesitan cargarse. Esto provoca un descontrol térmico cuando la tasa de generación de calor interno supera la velocidad a la que se puede liberar el calor. Esto provoca un descontrol térmico en el paquete de baterías LifePo4. ¿Qué desencadena el desequilibrio celular en los paquetes de baterías? Ahora entendemos por qué es esencial mantener todas las celdas equilibradas en un paquete de baterías. Sin embargo, para abordar el problema adecuadamente, debemos comprender directamente por qué las celdas se desequilibran. Como se mencionó anteriormente, al crear un paquete de baterías colocando las celdas en serie, se garantiza que todas mantengan los mismos niveles de voltaje. Por lo tanto, un paquete de baterías nuevo siempre tendrá celdas equilibradas. Sin embargo, a medida que el paquete se utiliza, las celdas se desequilibran debido a los siguientes factores. Discrepancia SOC Medir el SOC de una celda es complejo; por lo tanto, es muy complejo calcular el SOC de celdas específicas en una batería. Un método óptimo de armonización de celdas debería coincidir las celdas con el mismo SOC, en lugar de con los mismos niveles de voltaje (OCV). Sin embargo, dado que es casi imposible que las celdas coincidan solo en términos de voltaje al crear un paquete, la variación en el SOC puede resultar en una modificación en el OCV con el tiempo. Variante de resistencia interior Es extremadamente difícil encontrar celdas con la misma resistencia interna (IR). A medida que la batería envejece, la IR de la celda también se altera, por lo que no todas las celdas de un paquete de baterías tienen la misma IR. Como sabemos, la IR aumenta la resistencia interna de la celda, lo que determina la corriente que fluye a través de ella. Debido a que la IR varía, la corriente a través de la celda y su voltaje también varían. Nivel de temperatura La capacidad de carga y descarga de la celda también depende de la temperatura circundante. En un paquete de baterías grande, como el de los vehículos eléctricos o los paneles solares, las celdas se distribuyen en un área de desechos y puede haber una diferencia de temperatura entre ellas, lo que provoca que una celda se cargue o descargue más rápido que las demás, lo que genera una desigualdad. De los factores mencionados, se desprende claramente que no podemos evitar el desequilibrio celular durante el procedimiento. Por lo tanto, la única solución es utilizar un sistema externo que reequilibre las células tras el desequilibrio. Este sistema se denomina Sistema de Equilibrado de Baterías. ¿Cómo lograr el equilibrio del paquete de baterías LiFePo4? Sistema de gestión de baterías (BMS) Generalmente, el paquete de baterías LiFePo4 no puede lograr el equilibrio de la batería por sí solo, se puede lograr mediantesistema de gestión de batería(BMS). El fabricante de la batería integrará la función de balanceo de batería y otras funciones de protección, como protección contra sobretensión de carga, indicador de estado de carga (SOC), alarma/protección contra sobretemperatura, etc., en esta placa BMS. Cargador de batería de iones de litio con función de equilibrio También conocido como "cargador de batería equilibrado", este cargador integra una función de equilibrio para admitir diferentes baterías con diferentes números de cadenas (p. ej., 1 a 6 s). Incluso si su batería no tiene una placa BMS, puede cargar su batería de iones de litio con este cargador para equilibrarla. Tabla de equilibrio Cuando utilice un cargador de batería equilibrado, también deberá conectar el cargador y la batería a la placa de equilibrio seleccionando un enchufe específico de la placa de equilibrio. Módulo de circuito de protección (PCM) La placa PCM es una placa electrónica que está conectada al paquete de baterías LiFePo4 y su función principal es proteger la batería y al usuario contra fallas de funcionamiento. Para garantizar un uso seguro, la batería LiFePo4 debe funcionar bajo parámetros de voltaje muy estrictos. Según el fabricante y la composición química de la batería, este parámetro de voltaje varía entre 3,2 V por celda para baterías descargadas y 3,65 V por celda para baterías recargables. La placa PCM monitorea estos parámetros de voltaje y desconecta la batería de la carga o del cargador si se exceden. En el caso de una o varias baterías LiFePo4 conectadas en paralelo, esto se logra fácilmente porque la placa PCM monitorea los voltajes individuales. Sin embargo, cuando se conectan varias baterías en serie, la placa PCM debe monitorear el voltaje de cada una. Tipos de equilibrado de batería Se han desarrollado diversos algoritmos de balanceo de baterías para baterías LiFePo4. Estos se dividen en métodos pasivos y activos, basados ​​en el voltaje y el estado de carga de la batería. Equilibrado pasivo de la batería La técnica de balanceo pasivo de baterías separa el exceso de carga de una batería LiFePo4 completamente energizada mediante elementos resistivos y proporciona a todas las celdas una carga similar a la carga mínima de la batería LiFePo4. Esta técnica es más fiable y utiliza menos componentes, lo que reduce el coste total del sistema. Sin embargo, esta tecnología reduce la eficiencia del sistema, ya que la energía se disipa en forma de calor, lo que genera pérdidas energéticas. Por lo tanto, esta tecnología es adecuada para aplicaciones de baja potencia. Equilibrio activo de la batería El balanceo de carga activo es una solución a los desafíos asociados con las baterías LiFePo4. La técnica de balanceo de celdas activo descarga la carga de la batería LiFePo4 de mayor energía y la transfiere a la batería LiFePo4 de menor energía. En comparación con la tecnología de balanceo de celdas pasivo, esta técnica ahorra energía en el módulo de la batería LiFePo4, lo que aumenta la eficiencia del sistema, y ​​requiere menos tiempo para equilibrar las celdas del paquete de baterías LiFePo4, lo que permite corrientes de carga más altas. Incluso cuando el paquete de baterías LiFePo4 está en reposo, incluso las baterías LiFePo4 perfectamente adaptadas pierden carga a diferentes velocidades, ya que la tasa de autodescarga varía según el gradiente de temperatura: un aumento de 10 °C en la temperatura de la batería ya duplica la tasa de autodescarga. Sin embargo, el balanceo de carga activo puede restaurar el equilibrio de las celdas, incluso si están en reposo. No obstante, esta técnica tiene circuitos complejos, lo que aumenta el costo total del sistema. Por lo tanto, el balanceo de celdas activo es adecuado para aplicaciones de alta potencia. Existen varias topologías de circuitos de equilibrio activo clasificadas según los componentes de almacenamiento de energía, como condensadores, inductores/transformadores y convertidores electrónicos. En general, el sistema de gestión activa de baterías reduce el coste total de los paquetes de baterías LiFePo4, ya que no requiere sobredimensionar las celdas para compensar la dispersión y el envejecimiento irregular de las baterías. La gestión activa de baterías se vuelve crucial cuando se sustituyen celdas antiguas por nuevas y existe una variación significativa dentro del paquete de baterías LiFePo4. Dado que los sistemas de gestión activa de baterías permiten instalar celdas con grandes variaciones de parámetros en los paquetes de baterías LiFePo4, se aumenta el rendimiento de la producción y se reducen los costes de garantía y mantenimiento. Por lo tanto, los sistemas de gestión activa de baterías mejoran el rendimiento, la fiabilidad y la seguridad del paquete de baterías, a la vez que ayudan a reducir costes. Resumir Para minimizar los efectos de la deriva de voltaje de la celda, los desequilibrios deben moderarse adecuadamente. El objetivo de cualquier solución de equilibrio es permitir que la batería LiFePo4 funcione a su nivel de rendimiento previsto y ampliar su capacidad disponible. El equilibrio de la batería no solo es importante para mejorar el rendimiento yciclo de vida de las bateríasAdemás, añade un factor de seguridad al paquete de baterías de LiFePo4. Esta es una de las tecnologías emergentes para mejorar la seguridad de las baterías y prolongar su vida útil. Dado que la nueva tecnología de balanceo de baterías controla el nivel de balanceo requerido para cada celda de LiFePo4, prolonga la vida útil del paquete de baterías de LiFePo4 y mejora la seguridad general de la batería.