Come il bilanciamento delle celle prolunga la durata della batteria LifePo4?

Quando i dispositivi necessitano di una durata elevata e di alte prestazionipacco batteria LifePo4, devono bilanciare ogni cellula. Perché il pacco batteria LifePo4 ha bisogno di essere bilanciato? Le batterie LifePo4 sono soggette a numerose anomalie, come sovratensione, sottotensione, sovraccarica e corrente di scarica, runaway termico e squilibrio della tensione della batteria. Uno dei fattori più importanti è lo squilibrio delle celle, che nel tempo ne modifica la tensione, riducendone rapidamente la capacità. Quando il pacco batteria LifePo4 è progettato per utilizzare più celle in serie, è importante progettare le caratteristiche elettriche in modo da bilanciare costantemente le tensioni delle celle. Questo non solo per le prestazioni del pacco batteria, ma anche per ottimizzarne il ciclo di vita. La dottrina fondamentale è che il bilanciamento della batteria avviene prima e dopo la sua costruzione e deve essere eseguito durante tutto il suo ciclo di vita per mantenerne le prestazioni ottimali. L'uso del bilanciamento della batteria ci consente di progettare batterie con una capacità maggiore per le applicazioni, poiché il bilanciamento consente alla batteria di raggiungere uno stato di carica (SOC) più elevato. Si può immaginare di collegare in serie molte unità di celle LifePo4, come se si stesse trainando una slitta trainata da molti cani. La slitta può essere trainata con la massima efficienza solo se tutti i cani procedono alla stessa velocità. Con quattro cani, se uno procede lentamente, anche gli altri tre devono ridurre la loro velocità, riducendo così l'efficienza, e se un cane procede più velocemente, finirà per trainare il carico degli altri tre cani e danneggiarsi. Pertanto, quando più celle LifePo4 sono collegate in serie, i valori di tensione di tutte le celle devono essere uguali per ottenere un pacco batteria LifePo4 più efficiente. La batteria LifePo4 nominale è valutata a soli 3,2 V circa, ma insistemi di accumulo di energia domestica, alimentatori portatili, applicazioni industriali, di telecomunicazione, veicoli elettrici e microreti, abbiamo bisogno di una tensione molto superiore a quella nominale. Negli ultimi anni, le batterie ricaricabili LifePo4 hanno svolto un ruolo fondamentale nelle batterie di alimentazione e nei sistemi di accumulo di energia grazie alla loro leggerezza, elevata densità energetica, lunga durata, elevata capacità, ricarica rapida, bassi livelli di autoscarica e rispetto dell'ambiente. Il bilanciamento delle celle garantisce che tensione e capacità di ciascuna cella LifePo4 siano allo stesso livello, altrimenti l'autonomia e la durata del pacco batteria LiFePo4 si ridurranno notevolmente e le prestazioni della batteria saranno degradate! Pertanto, il bilanciamento delle celle LifePo4 è uno dei fattori più importanti per determinare la qualità della batteria. Durante il funzionamento, si verificherà un piccolo intervallo di tensione, ma è possibile mantenerlo entro un intervallo accettabile mediante il bilanciamento delle celle. Durante il bilanciamento, le celle con capacità più elevata subiscono un ciclo completo di carica/scarica. Senza il bilanciamento, la cella con la capacità più lenta rappresenta un punto debole. Il bilanciamento delle celle è una delle funzioni principali del BMS, insieme al monitoraggio della temperatura, alla carica e ad altre funzioni che contribuiscono a massimizzare la durata del pacco batteria. Altri motivi per il bilanciamento della batteria: Batteria LifePo4 pcak consumo energetico incompleto L'assorbimento di corrente superiore a quella per cui la batteria è progettata o il cortocircuito della stessa sono le cause più probabili di un guasto prematuro della stessa. Quando un pacco batteria LifePo4 si scarica, le celle più deboli si scaricheranno più velocemente delle celle sane e raggiungeranno la tensione minima più velocemente delle altre celle. Quando una cella raggiunge la tensione minima, l'intero pacco batteria viene scollegato dal carico. Ciò si traduce in una capacità inutilizzata di energia del pacco batteria. Degradazione cellulare Quando una cella LifePo4 viene sovraccaricata anche di poco oltre il valore consigliato, l'efficacia e la durata della cella si riducono. Ad esempio, un piccolo aumento della tensione di carica da 3,2 V a 3,25 V causerà una rottura della batteria più rapida del 30%. Quindi, se il bilanciamento delle celle non è accurato, anche un piccolo sovraccarico ridurrà la durata della batteria. Ricarica incompleta di un pacco di celle Le batterie LifePo4 sono fatturate a una corrente continua compresa tra 0,5 e 1,0. La tensione della batteria LifePo4 aumenta man mano che la carica prosegue, raggiungendo il picco massimo quando la carica è completa, per poi diminuire di conseguenza. Immaginate tre celle con rispettivamente 85 Ah, 86 Ah e 87 Ah e il 100% di SoC: tutte le celle vengono quindi rilasciate e il loro SoC diminuisce. Potete notare rapidamente che la cella 1 è la prima a esaurirsi, poiché ha la capacità più bassa. Quando viene applicata energia ai pacchi di celle e la stessa corrente scorre attraverso le celle, ancora una volta, la cella 1 rimane indietro durante la carica e può essere considerata completamente carica poiché le altre due celle sono completamente cariche. Ciò significa che la cella 1 ha una ridotta efficienza coulometrica (CE) a causa dell'autoriscaldamento della cella che causa disuguaglianza tra le celle. Instabilità termica Il punto più terribile che può verificarsi è la fuga termica. Come abbiamo capitocelle al litioSono molto sensibili sia alla sovraccarica che alla sovrascarica. In un pacco di 4 celle, se una cella ha una tensione di 3,5 V mentre le altre sono a 3,2 V, la carica verrà addebitata a tutte le celle insieme perché sono in serie e la cella da 3,5 V verrà addebitata a una tensione superiore a quella consigliata perché le altre batterie devono ancora essere caricate. Questo porta a una fuga termica quando la velocità di generazione del calore interno supera la velocità con cui il calore può essere rilasciato. Questo fa sì che il pacco batterie LifePo4 diventi termicamente incontrollato. Cosa provoca lo sbilanciamento delle celle nei pacchi batteria? Ora capiamo perché mantenere tutte le celle bilanciate in un pacco batteria sia essenziale. Tuttavia, per affrontare il problema in modo appropriato, dobbiamo capire in prima persona perché le celle si sbilanciano. Come accennato in precedenza, quando un pacco batteria viene creato collegando le celle in serie, si garantisce che tutte le celle rimangano allo stesso livello di tensione. Quindi, un pacco batteria nuovo avrà sempre celle bilanciate. Tuttavia, man mano che il pacco viene utilizzato, le celle si sbilanciano a causa di diversi fattori. Discrepanza SOC Misurare lo stato di carica (SOC) di una cella è complicato; di conseguenza, è molto complesso valutare lo stato di carica (SOC) di specifiche celle in una batteria. Un metodo di armonizzazione ottimale delle celle dovrebbe far corrispondere le celle con lo stesso stato di carica (SOC) anziché con gli stessi livelli di tensione (OCV). Tuttavia, poiché è quasi impossibile che le celle siano abbinate solo in termini di tensione durante la produzione di un pacco, la variazione dello stato di carica (SOC) potrebbe comportare una modifica dell'OCV a tempo debito. Variante di resistenza interna È estremamente difficile trovare celle con la stessa resistenza interna (IR) e, con l'invecchiamento della batteria, anche la resistenza interna della cella si altera, quindi in un pacco batteria non tutte le celle avranno la stessa resistenza interna. Come sappiamo, la resistenza interna contribuisce all'insensibilità interna della cella, che determina il flusso di corrente al suo interno. Poiché la resistenza interna varia, anche la corrente che attraversa la cella e la sua tensione cambiano. Livello di temperatura La capacità di ricarica e rilascio della cella dipende anche dalla temperatura circostante. In un pacco batteria di grandi dimensioni, come quello dei veicoli elettrici o dei pannelli solari, le celle sono distribuite su un'area di scarico e può esserci una differenza di temperatura tra i singoli pacchi, che porta una cella a caricarsi o scaricarsi più velocemente delle altre, creando una disuguaglianza. Da quanto detto sopra, è chiaro che non possiamo impedire che le celle si sbilancino durante la procedura. Pertanto, l'unica soluzione è utilizzare un sistema esterno che richieda alle celle di riequilibrarsi dopo che si sono sbilanciate. Questo sistema è chiamato "Battery Balancing System". Come ottenere l'equilibrio del pacco batterie LiFePo4? Sistema di gestione della batteria (BMS) Generalmente il pacco batteria LiFePo4 non può raggiungere da solo il bilanciamento della batteria, ma può essere ottenuto tramitesistema di gestione della batteria(BMS). Il produttore della batteria integrerà la funzione di bilanciamento della batteria e altre funzioni di protezione come la protezione da sovratensione di carica, l'indicatore SOC, l'allarme/protezione da sovratemperatura, ecc. su questa scheda BMS. Caricabatterie per batterie agli ioni di litio con funzione di bilanciamento Noto anche come "caricabatterie bilanciato", il caricabatterie integra una funzione di bilanciamento per supportare batterie diverse con un numero di stringhe diverso (ad esempio, da 1 a 6 celle). Anche se la batteria non è dotata di una scheda BMS, è possibile caricare la batteria agli ioni di litio con questo caricabatterie per ottenere il bilanciamento. Tavola di bilanciamento Quando si utilizza un caricabatterie bilanciato, è necessario collegare anche il caricabatterie e la batteria alla scheda di bilanciamento selezionando una presa specifica sulla scheda di bilanciamento. Modulo di circuito di protezione (PCM) La scheda PCM è una scheda elettronica collegata al pacco batteria LiFePo4 e la sua funzione principale è quella di proteggere la batteria e l'utente da eventuali malfunzionamenti. Per garantire un utilizzo sicuro, la batteria LiFePo4 deve funzionare con parametri di tensione molto rigorosi. A seconda del produttore e della composizione chimica della batteria, questo parametro di tensione varia tra 3,2 V per cella per le batterie scariche e 3,65 V per cella per le batterie ricaricabili. La scheda PCM monitora questi parametri di tensione e scollega la batteria dal carico o dal caricabatterie in caso di superamento. Nel caso di una singola batteria LiFePo4 o di più batterie LiFePo4 collegate in parallelo, questo è facilmente realizzabile poiché la scheda PCM monitora le singole tensioni. Tuttavia, quando più batterie sono collegate in serie, la scheda PCM deve monitorare la tensione di ciascuna batteria. Tipi di bilanciamento della batteria Sono stati sviluppati diversi algoritmi di bilanciamento per i pacchi batteria LiFePo4. Si dividono in metodi di bilanciamento passivi e attivi, basati sulla tensione della batteria e sullo stato di carica (SOC). Bilanciamento passivo della batteria La tecnica di bilanciamento passivo della batteria separa la carica in eccesso da una batteria LiFePo4 completamente carica attraverso elementi resistivi e fornisce a tutte le celle una carica simile a quella della batteria LiFePo4 con la carica più bassa. Questa tecnica è più affidabile e utilizza meno componenti, riducendo così i costi complessivi del sistema. Tuttavia, questa tecnologia riduce l'efficienza del sistema poiché l'energia viene dissipata sotto forma di calore, generando perdite di energia. Pertanto, questa tecnologia è adatta ad applicazioni a bassa potenza. Bilanciamento attivo della batteria Il bilanciamento attivo della carica è una soluzione alle problematiche associate alle batterie LiFePo4. La tecnica di bilanciamento attivo delle celle scarica la carica dalla batteria LiFePo4 ad alta energia e la trasferisce alla batteria LiFePo4 a bassa energia. Rispetto alla tecnologia di bilanciamento passivo delle celle, questa tecnica consente di risparmiare energia nel modulo batteria LiFePo4, aumentando così l'efficienza del sistema, e richiede meno tempo per il bilanciamento tra le celle del pacco batteria LiFePo4, consentendo correnti di carica più elevate. Anche quando il pacco batteria LiFePo4 è a riposo, anche batterie LiFePo4 perfettamente accoppiate perdono carica a velocità diverse poiché la velocità di autoscarica varia a seconda del gradiente di temperatura: un aumento di 10 °C della temperatura della batteria raddoppia già la velocità di autoscarica. Tuttavia, il bilanciamento attivo della carica può ripristinare l'equilibrio delle celle, anche se sono a riposo. Questa tecnica, tuttavia, presenta circuiti complessi, che aumentano il costo complessivo del sistema. Pertanto, il bilanciamento attivo delle celle è adatto per applicazioni ad alta potenza. Esistono varie topologie di circuiti di bilanciamento attivo classificate in base ai componenti di accumulo di energia, quali condensatori, induttori/trasformatori e convertitori elettronici. Nel complesso, il sistema di gestione attiva della batteria riduce il costo complessivo del pacco batteria LiFePo4 poiché non richiede il sovradimensionamento delle celle per compensare la dispersione e l'invecchiamento non uniforme tra le batterie LiFePo4. La gestione attiva della batteria diventa critica quando le vecchie celle vengono sostituite con celle nuove e si verificano variazioni significative all'interno del pacco batteria LiFePo4. Poiché i sistemi di gestione attiva della batteria consentono di installare celle con ampie variazioni nei parametri dei pacchi batteria LiFePo4, la resa produttiva aumenta e i costi di garanzia e manutenzione diminuiscono. Pertanto, i sistemi di gestione attiva della batteria migliorano le prestazioni, l'affidabilità e la sicurezza del pacco batteria, contribuendo al contempo a ridurre i costi. Riassumere Per ridurre al minimo gli effetti della deriva della tensione di cella, gli squilibri devono essere adeguatamente moderati. L'obiettivo di qualsiasi soluzione di bilanciamento è consentire al pacco batteria LiFePo4 di funzionare al livello di prestazioni previsto e di estendere la sua capacità disponibile. Il bilanciamento della batteria non è importante solo per migliorare le prestazioni eciclo di vita delle batterieAggiunge inoltre un fattore di sicurezza al pacco batteria LiFePo4. Una delle tecnologie emergenti per migliorare la sicurezza e prolungare la durata delle batterie. Poiché la nuova tecnologia di bilanciamento della batteria tiene traccia della quantità di bilanciamento necessaria per le singole celle LiFePo4, ne prolunga la durata e ne migliora la sicurezza complessiva.