چگونه متعادل‌سازی سلول، عمر باتری LifePo4 را افزایش می‌دهد؟

وقتی دستگاه‌ها به دوام و کارایی بالا نیاز دارندباتری LifePo4، آنها باید هر سلول را متعادل کنند. چرا باتری LifePo4 نیاز به بالانس باتری دارد؟ باتری‌های LifePo4 در معرض ویژگی‌های بسیاری مانند ولتاژ بیش از حد، ولتاژ کم، جریان شارژ و دشارژ بیش از حد، فرار حرارتی و عدم تعادل ولتاژ باتری هستند. یکی از مهمترین عوامل، عدم تعادل سلولی است که ولتاژ هر سلول در بسته را با گذشت زمان تغییر می‌دهد و در نتیجه ظرفیت باتری را به سرعت کاهش می‌دهد. هنگامی که بسته باتری LifePo4 برای استفاده از چندین سلول به صورت سری طراحی می‌شود، طراحی ویژگی‌های الکتریکی برای متعادل کردن مداوم ولتاژ سلول‌ها مهم است. این امر نه تنها برای عملکرد بسته باتری، بلکه برای بهینه‌سازی چرخه عمر نیز ضروری است. نیاز به یک دکترین این است که متعادل‌سازی باتری قبل و بعد از ساخت باتری اتفاق می‌افتد و باید در طول چرخه عمر باتری انجام شود تا عملکرد بهینه باتری حفظ شود! استفاده از متعادل‌سازی باتری به ما این امکان را می‌دهد که باتری‌هایی با ظرفیت بالاتر برای کاربردها طراحی کنیم، زیرا متعادل‌سازی به باتری اجازه می‌دهد تا به حالت شارژ (SOC) بالاتری دست یابد. می‌توانید تصور کنید که بسیاری از واحدهای LifePo4 Cell را به صورت سری متصل می‌کنید، گویی سورتمه‌ای را با سگ‌های سورتمه‌ای زیادی می‌کشید. سورتمه تنها در صورتی می‌تواند با حداکثر راندمان کشیده شود که همه سگ‌های سورتمه با سرعت یکسانی حرکت کنند. با چهار سگ سورتمه، اگر یک سگ سورتمه به آرامی حرکت کند، سه سگ سورتمه دیگر نیز باید سرعت خود را کاهش دهند، در نتیجه راندمان کاهش می‌یابد و اگر یک سگ سورتمه سریع‌تر حرکت کند، در نهایت بار سه سگ سورتمه دیگر را می‌کشد و به خود آسیب می‌رساند. بنابراین، هنگامی که چندین سلول LifePo4 به صورت سری متصل می‌شوند، مقادیر ولتاژ همه سلول‌ها باید برابر باشد تا یک بسته باتری LifePo4 کارآمدتر به دست آید. باتری اسمی LifePo4 فقط حدود ۳.۲ ولت ولتاژ دارد، اما درسیستم‌های ذخیره انرژی خانگیدر منابع تغذیه قابل حمل، کاربردهای صنعتی، مخابراتی، خودروهای برقی و ریزشبکه، به ولتاژی بسیار بالاتر از ولتاژ اسمی نیاز داریم. در سال‌های اخیر، باتری‌های قابل شارژ LifePo4 به دلیل وزن سبک، چگالی انرژی بالا، عمر طولانی، ظرفیت بالا، شارژ سریع، سطح خود دشارژ پایین و سازگاری با محیط زیست، نقش مهمی در باتری‌های برق و سیستم‌های ذخیره انرژی ایفا کرده‌اند. متعادل‌سازی سلول تضمین می‌کند که ولتاژ و ظرفیت هر سلول LifePo4 در یک سطح باشند، در غیر این صورت، برد و طول عمر باتری LiFePo4 به شدت کاهش می‌یابد و عملکرد باتری تخریب می‌شود! بنابراین، تعادل سلول LifePo4 یکی از مهمترین عوامل در تعیین کیفیت باتری است. در حین کار، کمی شکاف ولتاژ ایجاد می‌شود، اما می‌توانیم با استفاده از متعادل‌سازی سلول، آن را در محدوده قابل قبولی نگه داریم. در طول متعادل‌سازی، سلول‌های با ظرفیت بالاتر، یک چرخه کامل شارژ/دشارژ را طی می‌کنند. بدون متعادل‌سازی سلول، سلولی که کمترین ظرفیت را دارد، نقطه ضعف محسوب می‌شود. متعادل‌سازی سلول، در کنار نظارت بر دما، شارژ و سایر عملکردهایی که به حداکثر رساندن عمر باتری کمک می‌کنند، یکی از عملکردهای اصلی BMS است. دلایل دیگر برای متعادل کردن باتری： باتری LifePo4 pcak مصرف انرژی ناقصی دارد جذب جریان بیشتر از آنچه باتری برای آن طراحی شده است یا اتصال کوتاه باتری، بیشترین احتمال را برای خرابی زودرس باتری دارد. هنگامی که یک باتری LifePo4 در حال دشارژ شدن است، سلول‌های ضعیف‌تر سریع‌تر از سلول‌های سالم دشارژ می‌شوند و سریع‌تر از سایر سلول‌ها به حداقل ولتاژ می‌رسند. هنگامی که یک سلول به حداقل ولتاژ می‌رسد، کل باتری نیز از بار جدا می‌شود. این امر منجر به ظرفیت بلااستفاده‌ای از انرژی باتری می‌شود. تخریب سلول وقتی یک سلول LifePo4 حتی کمی بیشتر از مقدار پیشنهادی آن بیش از حد شارژ شود، اثربخشی و همچنین طول عمر سلول کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، افزایش جزئی ولتاژ شارژ از ۳.۲ ولت به ۳.۲۵ ولت، باتری را ۳۰٪ سریع‌تر خراب می‌کند. بنابراین اگر بالانس سلول دقیق نباشد، حتی شارژ بیش از حد جزئی نیز طول عمر باتری را کاهش می‌دهد. شارژ ناقص بسته سلولی باتری‌های LifePo4 با جریان مداوم بین ۰.۵ تا ۱.۰ شارژ می‌شوند. ولتاژ باتری LifePo4 با ادامه شارژ افزایش می‌یابد و وقتی به طور کامل شارژ می‌شود، به طور خودکار کاهش می‌یابد. سه سلول با ظرفیت‌های ۸۵ آمپر ساعت، ۸۶ آمپر ساعت و ۸۷ آمپر ساعت و ۱۰۰ درصد SoC را در نظر بگیرید، و همه سلول‌ها پس از آن آزاد می‌شوند و SoC آنها کاهش می‌یابد. به سرعت متوجه خواهید شد که سلول ۱ اولین سلولی است که انرژی آن تمام می‌شود زیرا کمترین ظرفیت را دارد. وقتی به بسته‌های سلولی برق وصل می‌شود و همان جریان از طریق سلول‌ها جریان می‌یابد، سلول ۱ دوباره در حین شارژ متوقف می‌شود و می‌توان آن را کاملاً شارژ شده در نظر گرفت، زیرا دو سلول دیگر کاملاً شارژ شده‌اند. این بدان معناست که سلول‌های ۱ به دلیل خودگرمایی سلول که منجر به نابرابری سلولی می‌شود، بازده کولومتری (CE) کمتری دارند. فرار حرارتی وحشتناک‌ترین اتفاقی که می‌تواند رخ دهد، فرار حرارتی است. همانطور که می‌دانیمسلول‌های لیتیومیبه شارژ بیش از حد و همچنین دشارژ بیش از حد بسیار حساس هستند. در یک بسته ۴ سلولی، اگر یک سلول ۳.۵ ولت و سلول دیگر ۳.۲ ولت باشد، شارژ قطعاً تمام سلول‌ها را با هم شارژ می‌کند زیرا آنها به صورت سری قرار دارند و همچنین سلول ۳.۵ ولتی را به ولتاژی بالاتر از ولتاژ توصیه شده شارژ می‌کند زیرا باتری‌های دیگر هنوز نیاز به شارژ دارند. این امر منجر به فرار حرارتی می‌شود، زمانی که میزان تولید گرمای داخلی از میزان آزاد شدن گرما بیشتر شود. این امر باعث می‌شود که باتری LifePo4 از نظر حرارتی غیرقابل کنترل شود. چه چیزی باعث عدم تعادل سلولی در باتری‌ها می‌شود؟ حالا متوجه می‌شویم که چرا متعادل نگه داشتن همه سلول‌ها در یک باتری ضروری است. اما برای پرداختن مناسب به این مشکل، باید بدانیم که چرا سلول‌ها از ابتدا نامتعادل می‌شوند. همانطور که قبلاً گفته شد، وقتی یک باتری با قرار دادن سلول‌ها به صورت سری ساخته می‌شود، اطمینان حاصل می‌شود که همه سلول‌ها در سطوح ولتاژ یکسانی باقی می‌مانند. بنابراین یک باتری نو همیشه سلول‌های متعادلی خواهد داشت. اما با شروع به کار باتری، سلول‌ها به دلیل عوامل زیر از تعادل خارج می‌شوند. اختلاف مرکز عملیات امنیتی (SOC) اندازه‌گیری SOC یک سلول پیچیده است؛ از این رو، سنجش SOC سلول‌های خاص در یک باتری بسیار پیچیده است. یک روش بهینه هماهنگ‌سازی سلول باید سلول‌های SOC یکسان را به جای درجه ولتاژ (OCV) دقیقاً یکسان، مطابقت دهد. اما از آنجایی که تقریباً غیرممکن است که سلول‌ها هنگام ساخت یک بسته باتری، فقط از نظر ولتاژ با هم مطابقت داشته باشند، تغییر در SOC ممکن است در زمان مناسب منجر به تغییر در OCV شود. نوع مقاومت داخلی پیدا کردن سلول‌هایی با مقاومت داخلی (IR) یکسان بسیار دشوار است و با افزایش سن باتری، IR سلول نیز تغییر می‌کند و بنابراین در یک بسته باتری، همه سلول‌ها IR یکسانی نخواهند داشت. همانطور که می‌دانیم، IR به مقاومت داخلی سلول می‌افزاید که جریان عبوری از سلول را تعیین می‌کند. از آنجا که IR تغییر می‌کند، جریان عبوری از سلول و همچنین ولتاژ آن نیز متفاوت می‌شود. سطح دما قابلیت شارژ و آزادسازی سلول به دمای اطراف آن نیز بستگی دارد. در یک بسته باتری بزرگ مانند خودروهای برقی یا آرایه‌های خورشیدی، سلول‌ها در یک منطقه خالی توزیع شده‌اند و ممکن است بین خود بسته اختلاف دما وجود داشته باشد که باعث می‌شود یک سلول سریع‌تر از سلول‌های دیگر شارژ یا دشارژ شود و باعث ایجاد نابرابری شود. از عوامل فوق، مشخص است که ما نمی‌توانیم از عدم تعادل سلول‌ها در طول فرآیند جلوگیری کنیم. بنابراین، تنها راه حل، استفاده از یک سیستم خارجی است که سلول‌ها را پس از عدم تعادل، دوباره متعادل می‌کند. این سیستم، سیستم متعادل‌سازی باتری نامیده می‌شود. چگونه به تعادل باتری LiFePo4 دست یابیم؟ سیستم مدیریت باتری (BMS) به طور کلی، باتری LiFePo4 نمی‌تواند به خودی خود به تعادل باتری دست یابد، اما می‌توان آن را با ...سیستم مدیریت باتری(BMS). تولیدکننده باتری، عملکرد متعادل‌سازی باتری و سایر عملکردهای حفاظتی مانند حفاظت در برابر شارژ بیش از حد ولتاژ، نشانگر SOC، هشدار/حفاظت در برابر دمای بیش از حد و غیره را در این برد BMS ادغام خواهد کرد. شارژر باتری لیتیوم-یونی با عملکرد متعادل‌سازی این شارژر که با نام «شارژر باتری متعادل» نیز شناخته می‌شود، یک عملکرد متعادل‌سازی را برای پشتیبانی از باتری‌های مختلف با تعداد رشته‌های مختلف (مثلاً ۱ تا ۶ سل) در خود جای داده است. حتی اگر باتری شما برد BMS نداشته باشد، می‌توانید باتری لیتیوم-یونی خود را با این شارژر باتری شارژ کنید تا به تعادل برسید. تخته تعادل وقتی از شارژر باتری متعادل استفاده می‌کنید، باید شارژر و باتری خود را نیز با انتخاب یک سوکت خاص از برد متعادل‌کننده به برد متعادل‌کننده متصل کنید. ماژول مدار حفاظت (PCM) برد PCM یک برد الکترونیکی است که به پک باتری LiFePo4 متصل است و وظیفه اصلی آن محافظت از باتری و کاربر در برابر نقص عملکرد است. برای اطمینان از استفاده ایمن، باتری LiFePo4 باید تحت پارامترهای ولتاژ بسیار دقیقی کار کند. بسته به سازنده و ساختار شیمیایی باتری، این پارامتر ولتاژ بین 3.2 ولت در هر سلول برای باتری‌های دشارژ شده و 3.65 ولت در هر سلول برای باتری‌های قابل شارژ متغیر است. برد PCM این پارامترهای ولتاژ را رصد می‌کند و در صورت تجاوز از آنها، باتری را از بار یا شارژر جدا می‌کند. در مورد یک باتری LiFePo4 یا چندین باتری LiFePo4 که به صورت موازی متصل شده‌اند، این کار به راحتی انجام می‌شود زیرا برد PCM ولتاژهای تک تک باتری‌ها را کنترل می‌کند. با این حال، هنگامی که چندین باتری به صورت سری متصل می‌شوند، برد PCM باید ولتاژ هر باتری را کنترل کند. انواع متعادل‌سازی باتری الگوریتم‌های مختلفی برای متعادل‌سازی باتری برای باتری LiFePo4 توسعه داده شده است که بر اساس ولتاژ باتری و SOC به روش‌های متعادل‌سازی باتری غیرفعال و فعال تقسیم می‌شوند. متعادل‌سازی غیرفعال باتری تکنیک متعادل‌سازی غیرفعال باتری، بار اضافی را از یک باتری LiFePo4 کاملاً پرانرژی از طریق عناصر مقاومتی جدا می‌کند و به همه سلول‌ها بار مشابهی با کمترین شارژ باتری LiFePo4 می‌دهد. این تکنیک قابل اعتمادتر است و از اجزای کمتری استفاده می‌کند، بنابراین هزینه کلی سیستم را کاهش می‌دهد. با این حال، این فناوری با اتلاف انرژی به شکل گرما که باعث اتلاف انرژی می‌شود، راندمان سیستم را کاهش می‌دهد. بنابراین، این فناوری برای کاربردهای کم‌مصرف مناسب است. متعادل‌سازی فعال باتری متعادل‌سازی بار فعال، راه‌حلی برای چالش‌های مرتبط با باتری‌های LiFePo4 است. تکنیک متعادل‌سازی سلول فعال، بار را از باتری LiFePo4 با انرژی بالاتر تخلیه کرده و آن را به باتری LiFePo4 با انرژی کمتر منتقل می‌کند. در مقایسه با فناوری متعادل‌سازی سلول غیرفعال، این تکنیک باعث صرفه‌جویی در انرژی در ماژول باتری LiFePo4 می‌شود، در نتیجه راندمان سیستم را افزایش می‌دهد و به زمان کمتری برای متعادل‌سازی بین سلول‌های باتری LiFePo4 نیاز دارد و جریان‌های شارژ بالاتری را فراهم می‌کند. حتی زمانی که باتری LiFePo4 در حالت استراحت است، حتی باتری‌های LiFePo4 کاملاً منطبق، بار را با نرخ‌های متفاوتی از دست می‌دهند، زیرا نرخ خود-دشارژ بسته به گرادیان دما متفاوت است: افزایش 10 درجه سانتیگراد در دمای باتری، نرخ خود-دشارژ را دو برابر می‌کند. با این حال، متعادل‌سازی بار فعال می‌تواند سلول‌ها را حتی اگر در حالت استراحت باشند، به حالت تعادل بازگرداند. با این حال، این تکنیک دارای مدار پیچیده‌ای است که هزینه کلی سیستم را افزایش می‌دهد. بنابراین، متعادل‌سازی سلول فعال برای کاربردهای توان بالا مناسب است. توپولوژی‌های مختلف مدار متعادل‌سازی فعال وجود دارد که بر اساس اجزای ذخیره انرژی، مانند خازن‌ها، سلف‌ها/ترانسفورماتورها و مبدل‌های الکترونیکی، طبقه‌بندی می‌شوند. در مجموع، سیستم مدیریت باتری فعال، هزینه کلی باتری LiFePo4 را کاهش می‌دهد زیرا نیازی به اندازه بزرگ سلول‌ها برای جبران پراکندگی و فرسودگی ناهموار در بین باتری‌های LiFePo4 ندارد. مدیریت باتری فعال زمانی حیاتی می‌شود که سلول‌های قدیمی با سلول‌های جدید جایگزین می‌شوند و تغییرات قابل توجهی در باتری LiFePo4 وجود دارد. از آنجایی که سیستم‌های مدیریت باتری فعال، نصب سلول‌ها با تغییرات پارامتری زیاد در باتری‌های LiFePo4 را ممکن می‌سازند، بازده تولید افزایش می‌یابد در حالی که هزینه‌های گارانتی و نگهداری کاهش می‌یابد. بنابراین، سیستم‌های مدیریت باتری فعال، ضمن کمک به کاهش هزینه‌ها، از عملکرد، قابلیت اطمینان و ایمنی باتری بهره می‌برند. خلاصه کنید برای به حداقل رساندن اثرات رانش ولتاژ سلول، عدم تعادل باید به درستی تعدیل شود. هدف از هر راه حل متعادل سازی، این است که به باتری LiFePo4 اجازه داده شود تا در سطح عملکرد مورد نظر خود کار کند و ظرفیت موجود خود را افزایش دهد. متعادل کردن باتری نه تنها برای بهبود عملکرد مهم است وچرخه عمر باتری‌ها، همچنین یک ضریب ایمنی به بسته باتری LiFePo4 اضافه می‌کند. یکی از فناوری‌های نوظهور برای بهبود ایمنی باتری و افزایش عمر باتری. از آنجایی که فناوری جدید متعادل‌سازی باتری، میزان متعادل‌سازی مورد نیاز برای سلول‌های LiFePo4 را ردیابی می‌کند، عمر بسته باتری LiFePo4 را افزایش داده و ایمنی کلی باتری را افزایش می‌دهد.