כיצד איזון תאים מאריך את חיי חבילת סוללות LifePo4?

כאשר מכשירים זקוקים לביצועים גבוהים ועמידים לאורך זמןחבילת סוללות LifePo4, הם צריכים לאזן כל תא. מדוע סוללות LifePo4 זקוקות לאיזון? סוללות LifePo4 כפופות למאפיינים רבים כגון מתח יתר, תת-מתח, זרם טעינה ופריקה יתר, בריחה תרמית וחוסר איזון במתח הסוללה. אחד הגורמים החשובים ביותר הוא חוסר איזון בתאים, אשר משנה את המתח של כל תא בחבילה לאורך זמן, ובכך מפחית במהירות את קיבולת הסוללה. כאשר חבילת סוללות LifePo4 מתוכננת להשתמש בתאים מרובים בטור, חשוב לתכנן את המאפיינים החשמליים כדי לאזן באופן עקבי את מתחי התאים. זה לא רק למען ביצועי חבילת הסוללה, אלא גם כדי לייעל את מחזור החיים. הצורך בדוקטרינה הוא שאיזון הסוללה מתרחש לפני ואחרי בניית הסוללה וחייב להיעשות לאורך מחזור החיים של הסוללה על מנת לשמור על ביצועי סוללה אופטימליים! השימוש באיזון סוללות מאפשר לנו לתכנן סוללות בעלות קיבולת גבוהה יותר עבור יישומים מכיוון שאיזון מאפשר לסוללה להגיע למצב טעינה (SOC) גבוה יותר. ניתן לדמיין חיבור יחידות רבות של תאי LifePo4 בטור כאילו הייתם מושכים מזחלת עם כלבי מזחלת רבים. ניתן לגרור את המזחלת ביעילות מרבית רק אם כל כלבי המזחלת פועלים באותה מהירות. עם ארבעה כלבי מזחלת, אם כלב מזחלת אחד פועל לאט, אז שלושת כלבי המזחלת האחרים חייבים גם הם להפחית את מהירותם, ובכך להפחית את היעילות, ואם כלב מזחלת אחד פועל מהר יותר, הוא בסופו של דבר ימשוך את עומס שלושת כלבי המזחלת האחרים ויפגע בעצמו. לכן, כאשר תאי LifePo4 מרובים מחוברים בטור, ערכי המתח של כל התאים צריכים להיות שווים על מנת לקבל חבילת סוללות LifePo4 יעילה יותר. סוללת LifePo4 הנומינלית מדורגת בכ-3.2 וולט בלבד, אך במערכות אגירת אנרגיה ביתיות, ספקי כוח ניידים, תעשייה, טלקום, רכב חשמלי ויישומים ברשתות מיקרו, אנו זקוקים למתח גבוה בהרבה מהנומינלי. בשנים האחרונות, סוללות LifePo4 נטענות מילאו תפקיד קריטי בסוללות חשמל ומערכות אחסון אנרגיה בשל משקלן הקל, צפיפות האנרגיה הגבוהה, אורך החיים הארוך, הקיבולת הגבוהה, טעינה מהירה, רמות פריקה עצמית נמוכות וידידותיות לסביבה. איזון תאים מבטיח שהמתח והקיבולת של כל תא LifePo4 יהיו באותה רמה, אחרת, טווח הפעולה ואורך החיים של חבילת סוללות LiFePo4 יופחתו באופן משמעותי, וביצועי הסוללה ייפגעו! לכן, איזון תאי LifePo4 הוא אחד הגורמים החשובים ביותר בקביעת איכות הסוללה. במהלך הפעולה, יתרחש פער מתח קטן, אך נוכל לשמור עליו בטווח מקובל באמצעות איזון תאים. במהלך האיזון, התאים בעלי הקיבולת הגבוהה יותר עוברים מחזור טעינה/פריקה מלא. ללא איזון תאים, התא בעל הקיבולת האיטית ביותר מהווה נקודת תורפה. איזון תאים הוא אחד מתפקידי הליבה של מערכת ה-BMS, יחד עם ניטור טמפרטורה, טעינה ופונקציות אחרות המסייעות למקסם את חיי החבילה. סיבות נוספות לאיזון סוללות: צריכת אנרגיה שלמה של סוללות LifePo4 ספיגת זרם גדול יותר מהכמות שהסוללה מתוכננת לה או קצר בסוללה עלולים לגרום לכשל מוקדם של הסוללה. כאשר חבילת סוללות LifePo4 מתרוקנת, תאים חלשים יותר ייפרקו מהר יותר מתאים בריאים, והם יגיעו למתח המינימלי מהר יותר מתאים אחרים. כאשר תא מגיע למתח המינימלי, כל חבילת הסוללה מנותקת גם היא מהעומס. התוצאה היא קיבולת לא מנוצלת של אנרגיית חבילת הסוללה. פירוק תאים כאשר תא LifePo4 נטען יתר על המידה, אפילו קצת מעבר לערך המומלץ, היעילות וגם תהליך חיי התא פוחתים. לדוגמה, עלייה קלה במתח הטעינה מ-3.2V ל-3.25V תגרום לסוללה להתפרק מהר יותר ב-30%. לכן, אם איזון התא אינו מדויק, גם טעינת יתר קלה תקצר את זמן חיי הסוללה. טעינה לא מלאה של חבילת תאים סוללות LifePo4 מחויבות בזרם רציף של בין 0.5 ל-1.0. מתח סוללת LifePo4 עולה ככל שהטעינה מתקדמת ומגיע לשיא כאשר היא מחויבת במלואה ואז יורד. דמיינו שלושה תאים עם 85 Ah, 86 Ah ו-87 Ah בהתאמה ו-100 אחוז SoC, וכל התאים משוחררים לאחר מכן וה-SoC שלהם יורד. ניתן לגלות במהירות שתא 1 הוא הראשון להיגמר לו האנרגיה מכיוון שיש לו את הקיבולת הנמוכה ביותר. כאשר מתח מופעל על חבילות התאים ואותו זרם זורם דרך התאים, שוב, תא 1 נשאר מאוחר במהלך הטעינה ויכול להיחשב טעון במלואו מכיוון ששני התאים האחרים טעונים במלואם. משמעות הדבר היא שלתא 1 יש יעילות קולומטרית (CE) נמוכה יותר עקב החימום העצמי של התא שגורם לאי-שוויון בתאים. בריחה תרמית הנקודה הנוראית ביותר שיכולה להתרחש היא בריחה תרמית. כפי שאנו מביניםתאי ליתיוםרגישים מאוד לטעינת יתר וגם לפריקה יתר. בחבילה של 4 תאים, אם תא אחד הוא 3.5 וולט בעוד שהאחרים הם 3.2 וולט, המטען יחייב את כל התאים יחד מכיוון שהם בטור, והוא יחייב את תא ה-3.5 וולט למתח גבוה מהמומלץ מכיוון שהסוללות האחרות עדיין זקוקות לטעינה. זה מוביל לניתוק תרמי כאשר קצב ייצור החום הפנימי עולה על קצב שחרור החום. זה גורם לסוללת LifePo4 להפוך ללא מבוקרת תרמית. מה גורם לחוסר איזון תאים בחבילות סוללות? כעת אנו מבינים מדוע שמירה על איזון כל התאים בחבילת סוללות חיונית. אך כדי לטפל בבעיה כראוי, עלינו לדעת ממקור ראשון מדוע התאים יוצאים מאיזון. כפי שצוין קודם לכן, כאשר חבילת סוללות נוצרת על ידי חיבור התאים בטור, מוודאים שכל התאים יישארו באותן רמות מתח. לכן, חבילת סוללות חדשה תמיד תכיל תאים מאוזנים. אך כאשר החבילה מופעלת, התאים יוצאים מאיזון בגלל הגורמים הבאים. אי התאמה ב-SOC מדידת ה-SOC של תא היא מורכבת; לכן, מדידת ה-SOC של תאים ספציפיים בסוללה היא מורכבת מאוד. שיטת הרמוניזציה אופטימלית של תאים צריכה להתאים את התאים בעלי אותו SOC במקום את אותן דרגות מתח (OCV) בדיוק. אך מכיוון שכמעט בלתי אפשרי להתאים תאים רק מבחינת מתח בעת יצירת חבילה, השינוי ב-SOC עשוי לגרום לשינוי ב-OCV בהמשך. גרסת התנגדות פנימית קשה מאוד למצוא תאים בעלי התנגדות פנימית (IR) זהה, וככל שהסוללה מזדקנת, ההתנגדות הפנימית של התא משתנה גם כן, ולכן בסוללה לא לכל התאים תהיה אותה התנגדות פנימית. כפי שאנו מבינים, ההתנגדות הפנימית מוסיפה להתנגדות הפנימית של התא, מה שקובע את זרימת הזרם דרך התא. מכיוון שההתנגדות הפנימית משתנה, הזרם דרך התא וגם המתח שלו משתנים. רמת טמפרטורה יכולת החיוב והשחרור של התא תלויה גם בטמפרטורה סביבו. בחבילת סוללות משמעותית כמו ברכבים חשמליים או מערכי שמש, התאים מפוזרים על פני אזור פסולת וייתכן הפרש טמפרטורות בין החבילה עצמה, מה שגורם לתא אחד להיטען או לפרוק מהר יותר מהתאים הנותרים ולגרום לאי שוויון. מהגורמים הנ"ל, ברור שלא ניתן למנוע תאים להגיע לחוסר איזון במהלך התהליך. לכן, הפתרון היחיד הוא להשתמש במערכת חיצונית הדורשת מהתאים להגיע לאיזון שוב לאחר שהם מגיעים לחוסר איזון. מערכת זו נקראת מערכת איזון הסוללות. כיצד להשיג איזון בין חבילת סוללות LiFePo4? מערכת ניהול סוללות (BMS) באופן כללי, חבילת סוללות LiFePo4 אינה יכולה להשיג איזון סוללה בפני עצמה, ניתן להשיג זאת על ידימערכת ניהול סוללות(BMS). יצרן הסוללה ישלב את פונקציית איזון הסוללה ופונקציות הגנה אחרות כגון הגנה מפני מתח יתר של טעינה, מחוון SOC, אזעקת/הגנה מפני טמפרטורת יתר וכו' בלוח BMS זה. מטען סוללות ליתיום-יון עם פונקציית איזון המטען, המכונה גם "מטען סוללות איזון", משלב פונקציית איזון לתמיכה בסוללות שונות עם ספירת מיתרים שונה (למשל 1~6S). גם אם לסוללה שלכם אין לוח BMS, תוכלו לטעון את סוללת הליתיום-יון שלכם באמצעות מטען סוללות זה כדי להשיג איזון. לוח איזון כאשר משתמשים במטען סוללות מאוזן, עליכם גם לחבר את המטען והסוללה ללוח האיזון על ידי בחירת שקע ספציפי מלוח האיזון. מודול מעגל הגנה (PCM) לוח ה-PCM הוא לוח אלקטרוני המחובר לחבילת סוללות LiFePo4 ותפקידו העיקרי הוא להגן על הסוללה והמשתמש מפני תקלה. כדי להבטיח שימוש בטוח, סוללת LiFePo4 חייבת לפעול תחת פרמטרי מתח מחמירים מאוד. בהתאם ליצרן הסוללה ולכימיה, פרמטר מתח זה משתנה בין 3.2 וולט לתא עבור סוללות ריקות ל-3.65 וולט לתא עבור סוללות נטענות. לוח ה-PCM מנטר את פרמטרי המתח הללו ומנתק את הסוללה מהמטען או מהמטען אם הם חורגים. במקרה של סוללת LiFePo4 אחת או מספר סוללות LiFePo4 המחוברות במקביל, ניתן להשיג זאת בקלות מכיוון שלוח ה-PCM מנטר את המתחים השונים. עם זאת, כאשר מספר סוללות מחוברות בטור, לוח ה-PCM חייב לנטר את המתח של כל סוללה. סוגי איזון סוללות פותחו אלגוריתמים שונים לאיזון סוללות עבור חבילות סוללות LiFePo4. הן מחולקות לשיטות איזון סוללות פסיביות ואקטיביות המבוססות על מתח הסוללה ו-SOC. איזון סוללה פסיבי טכניקת איזון סוללות פסיבי מפרידה את המטען העודף מסוללת LiFePo4 מלאה באמצעות אלמנטים התנגדותיים ומעניקה לכל התאים מטען דומה למטען סוללת LiFePo4 הנמוך ביותר. טכניקה זו אמינה יותר ומשתמשת בפחות רכיבים, ובכך מפחיתה את עלות המערכת הכוללת. עם זאת, הטכנולוגיה מפחיתה את יעילות המערכת מכיוון שאנרגיה מתפזרת בצורת חום שיוצר אובדן אנרגיה. לכן, טכנולוגיה זו מתאימה ליישומים בעלי צריכת אנרגיה נמוכה. איזון סוללה אקטיבי איזון מטען אקטיבי הוא פתרון לאתגרים הקשורים לסוללות LiFePo4. טכניקת איזון התאים האקטיבי פורקת את המטען מסוללת LiFePo4 בעלת האנרגיה הגבוהה יותר ומעבירה אותו לסוללת LiFePo4 בעלת האנרגיה הנמוכה יותר. בהשוואה לטכנולוגיית איזון תאים פסיבי, טכניקה זו חוסכת אנרגיה במודול סוללת LiFePo4, ובכך מגבירה את יעילות המערכת, ודורשת פחות זמן לאיזון בין תאי חבילת סוללות LiFePo4, מה שמאפשר זרמי טעינה גבוהים יותר. אפילו כאשר חבילת סוללות LiFePo4 נמצאת במנוחה, אפילו סוללות LiFePo4 תואמות בצורה מושלמת מאבדות מטען בקצב שונה מכיוון שקצב הפריקה העצמית משתנה בהתאם לדרגת הטמפרטורה: עלייה של 10 מעלות צלזיוס בטמפרטורת הסוללה כבר מכפילה את קצב הפריקה העצמית. עם זאת, איזון מטען אקטיבי יכול להחזיר תאים לשיווי משקל, גם אם הם במנוחה. עם זאת, לטכניקה זו יש מעגלים מורכבים, מה שמגדיל את העלות הכוללת של המערכת. לכן, איזון תאים אקטיבי מתאים ליישומים בעלי הספק גבוה. ישנן טופולוגיות שונות של מעגלי איזון אקטיבי המסווגות לפי רכיבי אחסון אנרגיה, כגון קבלים, סלילים/שנאים וממירים אלקטרוניים. בסך הכל, מערכת ניהול סוללות אקטיבית מפחיתה את העלות הכוללת של חבילת סוללות LiFePo4 מכיוון שהיא אינה דורשת גודל יתר של התאים כדי לפצות על פיזור והזדקנות לא אחידה בין סוללות LiFePo4. ניהול סוללות אקטיבי הופך קריטי כאשר תאים ישנים מוחלפים בתאים חדשים ויש שונות משמעותית בתוך חבילת סוללות LiFePo4. מכיוון שמערכות ניהול סוללות אקטיביות מאפשרות להתקין תאים עם וריאציות פרמטרים גדולות בחבילות סוללות LiFePo4, תפוקות הייצור עולות בעוד שעלויות האחריות והתחזוקה יורדות. לכן, מערכות ניהול סוללות אקטיביות מועילות לביצועים, לאמינות ולבטיחות של חבילת הסוללות, תוך סיוע בהפחתת עלויות. לְסַכֵּם על מנת למזער את השפעות סחף מתח התא, יש למתן כראוי את חוסר האיזון. המטרה של כל פתרון איזון היא לאפשר לסוללת LiFePo4 לפעול ברמת הביצועים המיועדת לה ולהרחיב את הקיבולת הזמינה שלה. איזון סוללה חשוב לא רק לשיפור הביצועים וגםמחזור החיים של סוללות, זה גם מוסיף גורם בטיחותי לחבילת סוללות LiFePo4. אחת הטכנולוגיות המתפתחות לשיפור בטיחות הסוללה והארכת חיי הסוללה. מכיוון שטכנולוגיית איזון הסוללות החדשה עוקבת אחר כמות האיזון הנדרשת עבור תאי LiFePo4 בודדים, היא מאריכה את חיי חבילת סוללות LiFePo4 ומשפרת את בטיחות הסוללה הכוללת.