Når enheter trenger langvarig og høy ytelseLifePo4-batteripakke, de må balansere hver celle. 
Hvorfor trenger LifePo4-batteripakken batteribalansering? LifePo4-batterier er utsatt for mange egenskaper, som overspenning, underspenning, overlade- og utladningsstrøm, termisk runaway og ubalanse i batterispenningen. En av de viktigste faktorene er celleubalanse, som endrer spenningen til hver celle i pakken over tid, og dermed reduserer batterikapasiteten raskt. Når LifePo4-batteripakken er designet for å bruke flere celler i serie, er det viktig å designe de elektriske egenskapene for å balansere cellespenningene konsekvent. Dette er ikke bare for batteripakkens ytelse, men også for å optimalisere livssyklusen. Behovet for doktrine er at batteribalansering skjer før og etter at batteriet er bygget, og må gjøres gjennom hele batteriets livssyklus for å opprettholde optimal batteriytelse! Bruk av batteribalansering lar oss designe batterier med høyere kapasitet for applikasjoner fordi balansering lar batteriet oppnå en høyere ladetilstand (SOC). Du kan forestille deg å koble mange LifePo4-celleenheter i serie som om du drar en slede med mange sledehunder. Sleden kan bare trekkes med maksimal effektivitet hvis alle sledehundene kjører med samme hastighet. Med fire sledehunder, hvis én sledehund kjører sakte, må de tre andre sledehundene også redusere hastigheten, noe som reduserer effektiviteten, og hvis én sledehund kjører raskere, vil den ende opp med å trekke lasten til de tre andre sledehundene og skade seg selv. Derfor, når flere LifePo4-celler er koblet i serie, bør spenningsverdiene til alle cellene være like for å oppnå en mer effektiv LifePo4-batteripakke. 
Det nominelle LifePo4-batteriet er bare vurdert til omtrent 3,2 V, men ienergilagringssystemer for hjemmet, bærbare strømforsyninger, industri, telekom, elektriske kjøretøy og mikronettapplikasjoner, trenger vi mye høyere spenning enn den nominelle. I de senere årene har oppladbare LifePo4-batterier spilt en kritisk rolle i kraftbatterier og energilagringssystemer på grunn av deres lette vekt, høye energitetthet, lange levetid, høye kapasitet, hurtiglading, lave selvutladingsnivåer og miljøvennlighet. Cellebalansering sikrer at spenningen og kapasiteten til hver LifePo4-celle er på samme nivå, ellers vil rekkevidden og levetiden til LiFePo4-batteripakken bli kraftig redusert, og batteriets ytelse vil bli forringet! Derfor er LifePo4-cellebalanse en av de viktigste faktorene for å bestemme batteriets kvalitet. Under drift vil det oppstå et lite spenningsgap, men vi kan holde det innenfor et akseptabelt område ved hjelp av cellebalansering. Under balansering gjennomgår cellene med høyest kapasitet en full lade-/utladingssyklus. Uten cellebalansering er cellen med lavest kapasitet et svakt punkt. Cellebalansering er en av kjernefunksjonene til BMS-systemet, sammen med temperaturovervåking, lading og andre funksjoner som bidrar til å maksimere pakkens levetid. Andre grunner til batteribalansering: LifePo4-batteripakke ufullstendig energiforbruk Å absorbere mer strøm enn batteriet er beregnet for eller å kortslutte batteriet vil mest sannsynlig føre til for tidlig batterisvikt. Når en LifePo4-batteripakke utlades, vil svakere celler utlades raskere enn friske celler, og de vil nå minimumsspenningen raskere enn andre celler. Når en celle når minimumsspenningen, kobles også hele batteripakken fra lasten. Dette resulterer i en ubrukt kapasitet av batteripakkeenergi. Celle-nedbrytning Når en LifePo4-celle overlades, selv litt over anbefalt verdi, reduseres effektiviteten og levetiden til cellen. For eksempel vil en liten økning i ladespenningen fra 3,2 V til 3,25 V bryte ned batteriet raskere med 30 %. Så hvis cellebalanseringen ikke er nøyaktig, vil også mindre overlading redusere batteriets levetid. Ufullstendig lading av en cellepakke LifePo4-batterier faktureres med en kontinuerlig strøm på mellom 0,5 og 1,0 frekvenser. Spenningen på LifePo4-batteriet stiger etter hvert som ladingen fortsetter, og når toppen når den er fullstendig ladet, og deretter faller den. Tenk deg tre celler med henholdsvis 85 Ah, 86 Ah og 87 Ah og 100 prosent SoC, og alle cellene blir deretter utladet, og SoC-en deres synker. Du vil raskt oppdage at celle 1 er den første som går tom for strøm, siden den har den laveste kapasiteten. Når strøm settes på cellepakkene og den samme strømmen flyter gjennom cellene, henger celle 1 igjen tilbake under ladingen og kan anses som fulladet ettersom de to andre cellene er fulladet. Dette betyr at celle 1 har en lavere coulometrisk effektivitet (CE) på grunn av cellens selvoppvarming som fører til celleulikhet. Termisk runaway Det verste som kan skje er termisk runaway. Som vi forstår.litiumcellerer svært følsomme for overlading så vel som overutlading. I en pakke med 4 celler, hvis én celle er 3,5 V mens de andre er 3,2 V, vil ladningen belaste alle cellene samtidig fordi de er i serie, og den vil belaste 3,5 V-cellen til høyere enn anbefalt spenning fordi de andre batteriene fortsatt trenger lading. Dette fører til termisk runaway når hastigheten på intern varmeproduksjon overstiger hastigheten som varmen kan frigjøres med. Dette fører til at LifePo4-batteripakken blir termisk ukontrollert. Hva utløser celleubalanse i batteripakker? Nå forstår vi hvorfor det er viktig å holde alle cellene balansert i en batteripakke. Men for å løse problemet på riktig måte, må vi vite hvorfor cellene blir ubalanserte. Som nevnt tidligere, når en batteripakke lages ved å sette cellene i serie, sørges det for at alle cellene forblir på samme spenningsnivå. Så en ny batteripakke vil alltid ha balanserte celler. Men når pakken tas i bruk, kommer cellene ut av balanse på grunn av følgende faktorer. SOC-avvik Det er komplisert å måle SOC-en til en celle; derfor er det svært intrikat å måle SOC-en til spesifikke celler i et batteri. En optimal celleharmoniseringsmetode bør matche cellene med samme SOC i stedet for nøyaktig samme spenningsnivåer (OCV). Men siden det nesten ikke er mulig at celler matches kun på spenningsnivåer når man lager en pakke, kan varianten i SOC føre til en endring i OCV etter hvert. Variant av indre motstand Det er ekstremt vanskelig å finne celler med samme indre motstand (IR), og etter hvert som batteriet eldes, endres også cellens IR, og derfor vil ikke alle celler i et batteri ha samme IR. Som vi forstår, bidrar IR til cellens indre motstand, noe som bestemmer strømmen som strømmer gjennom en celle. Fordi IR varieres, endres også strømmen gjennom cellen og spenningen. Temperaturnivå Cellens fakturerings- og utladningskapasitet avhenger også av temperaturen rundt den. I en betydelig batteripakke, som i elbiler eller solcellepaneler, er cellene fordelt over et avfallsområde, og det kan være en temperaturforskjell mellom selve pakken, noe som fører til at én celle lades eller utlades raskere enn de resterende cellene, noe som forårsaker en ulikhet. Ut fra faktorene ovenfor er det tydelig at vi ikke kan forhindre at cellene kommer i ubalanse gjennom prosessen. Så den eneste løsningen er å bruke et eksternt system som krever at cellene balanseres igjen etter at de kommer i ubalanse. Dette systemet kalles batteribalanseringssystemet. 
Hvordan oppnå balanse i LiFePo4-batteripakken? Batteristyringssystem (BMS) Vanligvis kan ikke LiFePo4-batteripakken oppnå batteribalansering alene, det kan oppnås ved åbatteristyringssystem(BMS). Batteriprodusenten vil integrere batteribalanseringsfunksjonen og andre beskyttelsesfunksjoner som overspenningsvern, SOC-indikator, overtemperaturalarm/-beskyttelse osv. på dette BMS-kortet. Li-ion-batterilader med balanseringsfunksjon Laderen, også kjent som en «balansert batterilader», har en integrert balanseringsfunksjon for å støtte forskjellige batterier med ulikt antall strenger (f.eks. 1–6S). Selv om batteriet ikke har et BMS-kort, kan du lade litiumionbatteriet med denne batteriladeren for å oppnå balansering. Balansebrett Når du bruker en balansert batterilader, må du også koble laderen og batteriet til balanseringskortet ved å velge en bestemt kontakt fra balanseringskortet. Beskyttelseskretsmodul (PCM) PCM-kortet er et elektronisk kort som er koblet til LiFePo4-batteripakken, og hovedfunksjonen er å beskytte batteriet og brukeren mot funksjonsfeil. For å sikre sikker bruk må LiFePo4-batteriet operere under svært strenge spenningsparametere. Avhengig av batteriprodusent og kjemisk sammensetning varierer denne spenningsparameteren mellom 3,2 V per celle for utladede batterier og 3,65 V per celle for oppladbare batterier. PCM-kortet overvåker disse spenningsparametrene og kobler batteriet fra lasten eller laderen hvis de overskrides. Når det gjelder ett enkelt LiFePo4-batteri eller flere LiFePo4-batterier som er koblet parallelt, er dette enkelt å gjøre fordi PCM-kortet overvåker de individuelle spenningene. Når flere batterier er koblet i serie, må PCM-kortet imidlertid overvåke spenningen til hvert batteri. Typer batteribalansering Ulike batteribalanseringsalgoritmer er utviklet for LiFePo4-batteripakker. De er delt inn i passive og aktive batteribalanseringsmetoder basert på batterispenning og SOC. 
Passiv batteribalansering Den passive batteribalanseringsteknikken separerer overflødig ladning fra et fullt oppladet LiFePo4-batteri gjennom resistive elementer og gir alle celler en lignende ladning som det laveste LiFePo4-batteriet. Denne teknikken er mer pålitelig og bruker færre komponenter, noe som reduserer den totale systemkostnaden. Teknologien reduserer imidlertid systemets effektivitet ettersom energien avgis i form av varme som genererer energitap. Derfor er denne teknologien egnet for lavstrømsapplikasjoner. 
Aktiv batteribalansering Aktiv ladebalansering er en løsning på utfordringene knyttet til LiFePo4-batterier. Den aktive cellebalanseringsteknikken utlader ladningen fra LiFePo4-batteriet med høyere energi og overfører den til LiFePo4-batteriet med lavere energi. Sammenlignet med passiv cellebalanseringsteknologi sparer denne teknikken energi i LiFePo4-batterimodulen, noe som øker systemets effektivitet, og krever mindre tid for å balansere mellom LiFePo4-batteripakkens celler, noe som gir høyere ladestrømmer. Selv når LiFePo4-batteripakken er i ro, mister selv perfekt matchede LiFePo4-batterier lading med ulik hastighet fordi selvutladningshastigheten varierer avhengig av temperaturgradienten: en økning på 10 °C i batteritemperaturen dobler allerede selvutladningshastigheten. Aktiv ladebalansering kan imidlertid gjenopprette celler til likevekt, selv om de er i ro. Denne teknikken har imidlertid komplekse kretser, noe som øker den totale systemkostnaden. Derfor er aktiv cellebalansering egnet for applikasjoner med høy effekt. Det finnes forskjellige aktive balanseringskretstopologier klassifisert i henhold til energilagringskomponenter, for eksempel kondensatorer, induktorer/transformatorer og elektroniske omformere. Totalt sett reduserer det aktive batteristyringssystemet den totale kostnaden for LiFePo4-batteripakken fordi det ikke krever overdimensjonering av cellene for å kompensere for spredning og ujevn aldring blant LiFePo4-batteriene. Aktiv batteristyring blir kritisk når gamle celler byttes ut med nye celler, og det er betydelig variasjon innenfor LiFePo4-batteripakken. Siden aktive batteristyringssystemer gjør det mulig å installere celler med store parametervariasjoner i LiFePo4-batteripakker, øker produksjonsutbyttet mens garanti- og vedlikeholdskostnadene synker. Derfor forbedrer aktive batteristyringssystemer ytelsen, påliteligheten og sikkerheten til batteripakken, samtidig som de bidrar til å redusere kostnadene. Oppsummer For å minimere effekten av cellespenningsdrift, må ubalanser modereres på riktig måte. Målet med enhver balanseringsløsning er å la LiFePo4-batteripakken fungere med tiltenkt ytelsesnivå og utvide den tilgjengelige kapasiteten. Batteribalansering er ikke bare viktig for å forbedre ytelsen ogbatterienes livssyklus, det legger også til en sikkerhetsfaktor for LiFePo4-batteripakken. En av de nye teknologiene for å forbedre batterisikkerheten og forlenge batterilevetiden. Ettersom den nye batteribalanseringsteknologien sporer mengden balansering som kreves for individuelle LiFePo4-celler, forlenger den levetiden til LiFePo4-batteripakken og forbedrer den generelle batterisikkerheten.
Publisert: 08. mai 2024