خطرات باتری‌های لیتیومی خورشیدی با عملکرد نامناسب چیست؟

چگالی انرژی باتری لیتیوم-یون بالا است، به دلایل ایمنی، حجم کلی خیلی بزرگ طراحی نخواهد شد، اما تعدادی سلول فسفات آهن لیتیوم منفرد از طریق کانکتورهای رسانا به صورت سری و موازی به یک منبع تغذیه متصل می‌شوند و یک ماژول باتری لیتیوم خورشیدی را تشکیل می‌دهند، با این حال، این امر باید با مشکل سازگاری روبرو شود.

ناسازگاریباتری لیتیوم خورشیدیپارامترها معمولاً شامل ظرفیت، مقاومت داخلی، ناهماهنگی ولتاژ مدار باز، ناهماهنگی عملکرد سلول باتری هستند که در فرآیند تولید شکل می‌گیرند و در فرآیند استفاده بیشتر تشدید می‌شوند. در یک بسته باتری مشابه درون سلول، ضعیف‌تر همیشه ضعیف‌تر و با سرعت بیشتری ضعیف‌تر می‌شود و درجه پراکندگی پارامترها بین سلول مونومری، با عمیق‌تر شدن درجه پیری و بزرگتر شدن، افزایش می‌یابد.

مطالعه مرتبط: پایداری باتری لیتیوم خورشیدی چیست؟

این مقاله به معرفی سلول‌های ناسازگار هنگام استفاده به صورت سری و با هم، آسیب‌هایی که به مجموعه باتری لیتیوم-یون وارد می‌شود و نحوه برخورد با مشکل ناسازگاری باتری‌های لیتیوم خورشیدی می‌پردازد.

خطرات باتری‌های لیتیومی خورشیدی ناسازگار چیست؟

از دست دادن ظرفیت ذخیره‌سازی باتری لیتیومی خورشیدی

در طراحی باتری لیتیومی خورشیدی، ظرفیت کلی با "اصل بشکه" مطابقت دارد، ظرفیت بدترین سلول فسفات آهن لیتیوم، ظرفیت کل باتری لیتیومی خورشیدی را تعیین می‌کند. به منظور جلوگیری از شارژ و دشارژ بیش از حد، سیستم مدیریت باتری منطق زیر را اتخاذ خواهد کرد:

هنگام تخلیه: وقتی کمترین ولتاژ تک سلولی به ولتاژ قطع تخلیه می‌رسد، کل باتری تخلیه را متوقف می‌کند.
در حین شارژ: هنگامی که بالاترین ولتاژ به ولتاژ قطع شارژ برسد، شارژ متوقف می‌شود.

علاوه بر این، هنگامی که سلول باتری با ظرفیت کمتر به صورت سری با سلول باتری با ظرفیت بزرگتر استفاده می‌شود، سلول باتری با ظرفیت کمتر همیشه به طور کامل دشارژ می‌شود، در حالی که سلول باتری با ظرفیت بزرگتر همیشه بخشی از ظرفیت خود را استفاده می‌کند، در نتیجه ظرفیت کل بسته باتری همیشه بخشی از ظرفیت خود را در حالت آماده به کار دارد.

کاهش عمر مفید باتری‌های لیتیومی خورشیدی

به طور مشابه، طول عمر یکباتری خورشیدی لیتیومیبه سلول فسفات آهن لیتیوم با کوتاه‌ترین طول عمر بستگی دارد. احتمالاً سلولی که کوتاه‌ترین طول عمر را دارد، سلول فسفات آهن لیتیوم با ظرفیت کم است. سلول LiFePO4 با ظرفیت کمتر احتمالاً اولین سلولی است که به پایان عمر خود می‌رسد زیرا هر بار به طور کامل شارژ و دشارژ می‌شود. هنگامی که به عنوان گروهی از سلول‌های فسفات آهن لیتیوم جوش داده می‌شوند، کل باتری لیتیوم خورشیدی نیز به پایان عمر خود خواهد رسید.

افزایش مقاومت داخلی باتری‌های خورشیدی

وقتی جریان یکسانی از سلول‌هایی با مقاومت داخلی متفاوت عبور می‌کند، سلول LiFePO4 با مقاومت داخلی بالاتر، گرمای بیشتری تولید می‌کند. این امر منجر به دمای بالای سلول خورشیدی می‌شود که سرعت تخریب را افزایش داده و مقاومت داخلی را بیشتر می‌کند. یک جفت بازخورد منفی بین مقاومت داخلی و افزایش دما ایجاد می‌شود که تخریب سلول‌هایی با مقاومت داخلی بالا را تسریع می‌کند.

سه پارامتر فوق کاملاً مستقل نیستند و سلول‌های بسیار فرسوده مقاومت داخلی بالاتری دارند و ظرفیت آنها بیشتر تخریب می‌شود. اگرچه این پارامترها بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند، اما به طور جداگانه جهت تأثیر مربوطه را توضیح می‌دهند و به درک بهتر آسیب‌های ناشی از ناهماهنگی باتری لیتیوم خورشیدی کمک می‌کنند.

چگونه با ناسازگاری باتری خورشیدی لیتیومی مقابله کنیم؟

مدیریت حرارتی

در پاسخ به این مشکل که سلول‌های فسفات آهن لیتیوم با مقاومت داخلی ناهمگون، مقادیر متفاوتی گرما تولید می‌کنند، می‌توان یک سیستم مدیریت حرارتی را برای تنظیم اختلاف دما در کل بسته باتری تعبیه کرد تا اختلاف دما در یک محدوده کوچک حفظ شود. به این ترتیب، حتی اگر سلولی که گرمای بیشتری تولید می‌کند، همچنان افزایش دمای بالایی داشته باشد، از سلول‌های دیگر جدا نمی‌شود و سطح فرسودگی تفاوت قابل توجهی نخواهد داشت. سیستم‌های مدیریت حرارتی رایج شامل سیستم‌های خنک‌کننده هوا و خنک‌کننده مایع هستند.

مرتب‌سازی

هدف از مرتب‌سازی، جداسازی پارامترها و دسته‌های مختلف سلول‌های باتری لیتیوم آهن فسفات از طریق انتخاب است، حتی اگر دسته‌ای از سلول‌های باتری لیتیوم آهن فسفات یکسان باشند، اما باید پارامترهای غلظت نسبی سلول‌های باتری لیتیوم آهن فسفات در یک بسته باتری نیز بررسی شوند. روش‌های مرتب‌سازی شامل مرتب‌سازی استاتیک و مرتب‌سازی دینامیک است.

برابری

به دلیل ناهماهنگی سلول‌های فسفات آهن لیتیوم، ولتاژ ترمینال برخی از سلول‌ها از سایر سلول‌ها جلوتر خواهد بود و زودتر به آستانه کنترل می‌رسد و در نتیجه ظرفیت کل سیستم کاهش می‌یابد. عملکرد متعادل‌سازی سیستم مدیریت باتری BMS می‌تواند این مشکل را به خوبی حل کند.

وقتی یک سلول باتری لیتیوم آهن فسفات اولین سلولی است که به ولتاژ قطع شارژ می‌رسد، در حالی که بقیه ولتاژ سلول باتری لیتیوم آهن فسفات عقب می‌ماند، BMS عملکرد متعادل‌سازی شارژ یا دسترسی به مقاومت را شروع می‌کند تا بخشی از توان سلول باتری لیتیوم آهن فسفات ولتاژ بالا را تخلیه کند یا انرژی را به سلول باتری لیتیوم آهن فسفات ولتاژ پایین منتقل کند. به این ترتیب، شرایط قطع شارژ برداشته می‌شود، فرآیند شارژ دوباره شروع می‌شود و باتری می‌تواند با توان بیشتری شارژ شود.