Como o balanceamento celular prolonga a vida útil da bateria LifePo4?

Quando os dispositivos precisam de um desempenho duradouro e altoPacote de bateria LifePo4, eles precisam equilibrar cada célula. Por que a bateria LifePo4 precisa de balanceamento de bateria? As baterias LifePo4 estão sujeitas a diversas características, como sobretensão, subtensão, corrente de sobrecarga e descarga, fuga térmica e desequilíbrio de tensão. Um dos fatores mais importantes é o desequilíbrio das células, que altera a tensão de cada célula do conjunto ao longo do tempo, reduzindo rapidamente a capacidade da bateria. Quando o conjunto de baterias LifePo4 é projetado para usar múltiplas células em série, é importante projetar as características elétricas para equilibrar consistentemente as tensões das células. Isso não visa apenas o desempenho do conjunto de baterias, mas também a otimização do seu ciclo de vida. A necessidade da doutrina é que o balanceamento da bateria ocorra antes e depois da construção e deve ser feito ao longo de todo o seu ciclo de vida para manter o desempenho ideal! O uso do balanceamento de baterias nos permite projetar baterias com maior capacidade para aplicações porque o balanceamento permite que a bateria atinja um estado de carga (SOC) mais alto. Você pode imaginar conectar muitas unidades de células LifePo4 em série como se estivesse puxando um trenó com muitos cães de trenó. O trenó só pode ser puxado com a máxima eficiência se todos os cães de trenó estiverem correndo na mesma velocidade. Com quatro cães de trenó, se um cão de trenó corre lentamente, os outros três cães de trenó também devem reduzir sua velocidade, reduzindo assim a eficiência, e se um cão de trenó corre mais rápido, ele acabará puxando a carga dos outros três cães de trenó e se machucando. Portanto, quando várias células LifePo4 são conectadas em série, os valores de tensão de todas as células devem ser iguais para obter uma bateria LifePo4 mais eficiente. A bateria nominal LifePo4 é avaliada em apenas cerca de 3,2 V, mas emsistemas de armazenamento de energia residencial, fontes de alimentação portáteis, aplicações industriais, de telecomunicações, veículos elétricos e microrredes, precisamos de uma tensão muito maior do que a nominal. Nos últimos anos, as baterias recarregáveis ​​LifePo4 têm desempenhado um papel crítico em baterias de energia e sistemas de armazenamento de energia devido ao seu peso leve, alta densidade energética, longa vida útil, alta capacidade, carregamento rápido, baixos níveis de autodescarga e respeito ao meio ambiente. O balanceamento de células garante que a tensão e a capacidade de cada célula LifePo4 estejam no mesmo nível; caso contrário, o alcance e a vida útil da bateria LiFePo4 serão bastante reduzidos e o desempenho da bateria será degradado! Portanto, o balanceamento de células LifePo4 é um dos fatores mais importantes na determinação da qualidade da bateria. Durante a operação, ocorrerá uma pequena diferença de tensão, mas podemos mantê-la dentro de uma faixa aceitável por meio do balanceamento de células. Durante o balanceamento, as células de maior capacidade passam por um ciclo completo de carga/descarga. Sem o balanceamento das células, a célula com a menor capacidade é um ponto fraco. O balanceamento das células é uma das principais funções do BMS, juntamente com o monitoramento de temperatura, o carregamento e outras funções que ajudam a maximizar a vida útil da bateria. Outros motivos para balanceamento de bateria: Bateria LifePo4 pcak uso incompleto de energia Absorver mais corrente do que a capacidade da bateria ou causar curto-circuito na bateria pode causar falha prematura da bateria. Quando uma bateria LifePo4 está descarregando, as células mais fracas descarregam mais rápido do que as células saudáveis ​​e atingem a tensão mínima mais rápido do que as outras células. Quando uma célula atinge a tensão mínima, toda a bateria também é desconectada da carga. Isso resulta em uma capacidade não utilizada de energia da bateria. Degradação celular Quando uma célula LifePo4 é sobrecarregada, mesmo que um pouco acima do seu valor recomendado, a eficácia e a vida útil da célula são reduzidas. Por exemplo, um pequeno aumento na tensão de carga de 3,2 V para 3,25 V danificará a bateria em 30% mais rápido. Portanto, se o balanceamento da célula não for preciso, uma pequena sobrecarga também reduzirá a vida útil da bateria. Carregamento incompleto de uma bateria de celular As baterias LifePo4 são carregadas a uma corrente contínua entre 0,5 e 1,0. A tensão da bateria LifePo4 aumenta à medida que a carga avança, atingindo o pico quando totalmente carregada e, consequentemente, diminui. Imagine três células com 85 Ah, 86 Ah e 87 Ah, respectivamente, e 100% de SoC, e todas as células são então descarregadas e seu SoC diminui. Você pode descobrir rapidamente que a célula 1 acaba sendo a primeira a ficar sem energia, pois tem a menor capacidade. Quando a energia é aplicada aos conjuntos de células e a mesma corrente flui através delas, novamente, a célula 1 fica retida durante o carregamento e pode ser considerada totalmente carregada, já que as outras duas células estão totalmente carregadas. Isso significa que a célula 1 tem uma Eficiência Coulométrica (EC) reduzida devido ao autoaquecimento da célula, o que resulta em desequilíbrio celular. Fuga Térmica O pior ponto que pode acontecer é a fuga térmica. Como sabemoscélulas de lítiosão muito sensíveis à sobrecarga e à descarga excessiva. Em um conjunto de 4 células, se uma célula tiver 3,5 V enquanto as outras tiverem 3,2 V, a carga certamente cobrará todas as células juntas, pois estão em série, e cobrará a célula de 3,5 V com uma tensão maior do que a recomendada, pois as outras baterias ainda precisam ser carregadas. Isso leva à fuga térmica quando a taxa de geração de calor interno ultrapassa a taxa na qual o calor pode ser liberado. Isso faz com que o conjunto de baterias LifePo4 fique termicamente descontrolado. O que causa o desequilíbrio celular em baterias? Agora entendemos por que manter todas as células balanceadas em uma bateria é essencial. No entanto, para abordar o problema adequadamente, precisamos entender por que as células ficam desbalanceadas. Como mencionado anteriormente, quando uma bateria é construída colocando as células em série, garante-se que todas as células permaneçam nos mesmos níveis de tensão. Portanto, uma bateria nova sempre terá células balanceadas. No entanto, à medida que a bateria é colocada em uso, as células se desequilibram devido aos seguintes fatores. Discrepância SOC Medir o SOC de uma célula é complicado; portanto, é muito complexo medi-lo de células específicas em uma bateria. Um método ideal de harmonização de células deve corresponder às células do mesmo SOC em vez de exatamente aos mesmos graus de tensão (OCV). Mas, como é quase impossível que as células sejam correspondidas apenas em termos de tensão ao compor um conjunto, a variação no SOC pode resultar em uma modificação no OCV no devido tempo. Variante de resistência interna É extremamente difícil encontrar células com a mesma Resistência Interna (RI) e, à medida que a bateria envelhece, a RI da célula também se altera e, portanto, em uma bateria, nem todas as células terão a mesma RI. Como sabemos, a RI contribui para a resistência interna da célula, que determina a corrente que flui através dela. Como a RI varia, a corrente através da célula e sua voltagem também se tornam diferentes. Nível de temperatura A capacidade de carga e descarga da célula também depende da temperatura ao seu redor. Em um conjunto de baterias grande, como em veículos elétricos ou painéis solares, as células são distribuídas por uma área de descarte e pode haver uma diferença de temperatura entre o conjunto, fazendo com que uma célula carregue ou descarregue mais rápido do que as demais, causando uma desigualdade. Pelos fatores acima, fica claro que não podemos evitar que as células fiquem desequilibradas durante o procedimento. Portanto, a única solução é usar um sistema externo que exija que as células se equilibrem novamente após o desequilíbrio. Esse sistema é chamado de Sistema de Balanceamento de Bateria. Como atingir o equilíbrio da bateria LiFePo4? Sistema de gerenciamento de bateria (BMS) Geralmente, a bateria LiFePo4 não consegue atingir o equilíbrio da bateria por si só, isso pode ser alcançado porsistema de gerenciamento de bateria(BMS). O fabricante da bateria integrará a função de balanceamento da bateria e outras funções de proteção, como proteção contra sobretensão, indicador SOC, alarme/proteção contra superaquecimento, etc., nesta placa BMS. Carregador de bateria de íons de lítio com função de balanceamento Também conhecido como "carregador de bateria balanceado", o carregador integra uma função de balanceamento para suportar diferentes baterias com diferentes contagens de strings (por exemplo, 1 a 6 S). Mesmo que sua bateria não tenha uma placa BMS, você pode carregar sua bateria de íons de lítio com este carregador para obter o balanceamento. Prancha de equilíbrio Ao usar um carregador de bateria balanceado, você também deve conectar o carregador e a bateria à placa de balanceamento, selecionando um soquete específico na placa de balanceamento. Módulo de Circuito de Proteção (PCM) A placa PCM é uma placa eletrônica que é conectada ao conjunto de baterias LiFePo4 e sua principal função é proteger a bateria e o usuário contra mau funcionamento. Para garantir o uso seguro, a bateria LiFePo4 deve operar sob parâmetros de tensão muito rigorosos. Dependendo do fabricante e da composição química da bateria, esse parâmetro de tensão varia entre 3,2 V por célula para baterias descarregadas e 3,65 V por célula para baterias recarregáveis. A placa PCM monitora esses parâmetros de tensão e desconecta a bateria da carga ou do carregador caso sejam excedidos. No caso de uma única bateria LiFePo4 ou de várias baterias LiFePo4 conectadas em paralelo, isso é facilmente realizado porque a placa PCM monitora as tensões individuais. No entanto, quando várias baterias são conectadas em série, a placa PCM deve monitorar a tensão de cada bateria. Tipos de balanceamento de bateria Diversos algoritmos de balanceamento de baterias foram desenvolvidos para baterias LiFePo4. Eles são divididos em métodos de balanceamento passivo e ativo, com base na tensão da bateria e no SOC. Balanceamento passivo de bateria A técnica de balanceamento passivo de baterias separa o excesso de carga de uma bateria LiFePo4 totalmente energizada por meio de elementos resistivos, fornecendo a todas as células uma carga semelhante à da bateria LiFePo4 com a menor carga possível. Essa técnica é mais confiável e utiliza menos componentes, reduzindo assim o custo geral do sistema. No entanto, a tecnologia reduz a eficiência do sistema, pois a energia é dissipada na forma de calor, gerando perda de energia. Portanto, essa tecnologia é adequada para aplicações de baixa potência. Balanceamento ativo da bateria O balanceamento ativo de carga é uma solução para os desafios associados às baterias LiFePo4. A técnica de balanceamento ativo de células descarrega a carga da bateria LiFePo4 de maior energia e a transfere para a bateria LiFePo4 de menor energia. Comparada à tecnologia de balanceamento passivo de células, essa técnica economiza energia no módulo de bateria LiFePo4, aumentando assim a eficiência do sistema, e requer menos tempo para o balanceamento entre as células do conjunto de baterias LiFePo4, permitindo correntes de carga mais altas. Mesmo quando o conjunto de baterias LiFePo4 está em repouso, até mesmo baterias LiFePo4 perfeitamente combinadas perdem carga em taxas diferentes porque a taxa de autodescarga varia dependendo do gradiente de temperatura: um aumento de 10 °C na temperatura da bateria já dobra a taxa de autodescarga. No entanto, o balanceamento ativo de carga pode restaurar as células ao equilíbrio, mesmo se elas estiverem em repouso. No entanto, essa técnica possui circuitos complexos, o que aumenta o custo geral do sistema. Portanto, o balanceamento ativo de células é adequado para aplicações de alta potência. Existem várias topologias de circuitos de balanceamento ativo classificadas de acordo com os componentes de armazenamento de energia, como capacitores, indutores/transformadores e conversores eletrônicos. No geral, o sistema de gerenciamento ativo de baterias reduz o custo total do conjunto de baterias LiFePo4, pois não requer o superdimensionamento das células para compensar a dispersão e o envelhecimento desigual entre as baterias LiFePo4. O gerenciamento ativo de baterias torna-se crítico quando células antigas são substituídas por novas e há variações significativas dentro do conjunto de baterias LiFePo4. Como os sistemas de gerenciamento ativo de baterias permitem a instalação de células com grandes variações de parâmetros em conjuntos de baterias LiFePo4, o rendimento da produção aumenta, enquanto os custos de garantia e manutenção diminuem. Portanto, os sistemas de gerenciamento ativo de baterias beneficiam o desempenho, a confiabilidade e a segurança do conjunto de baterias, além de ajudar a reduzir custos. Resumir Para minimizar os efeitos da deriva de tensão da célula, os desequilíbrios devem ser devidamente moderados. O objetivo de qualquer solução de balanceamento é permitir que a bateria LiFePo4 opere em seu nível de desempenho pretendido e ampliar sua capacidade disponível. O balanceamento da bateria não é importante apenas para melhorar o desempenho eciclo de vida das baterias, também adiciona um fator de segurança à bateria LiFePo4. Uma das tecnologias emergentes para melhorar a segurança e prolongar a vida útil da bateria. Como a nova tecnologia de balanceamento de bateria monitora a quantidade de balanceamento necessária para cada célula LiFePo4, ela prolonga a vida útil da bateria LiFePo4 e melhora a segurança geral da bateria.