Cân bằng tế bào kéo dài tuổi thọ pin Po4 như thế nào?

Khi các thiết bị cần có hiệu suất cao, bền bỉBộ pin LifePo4, chúng cần phải cân bằng từng tế bào. Tại sao bộ pin LifePo4 cần cân bằng pin? Pin LifePo4 phải chịu nhiều đặc điểm như quá áp, thiếu áp, dòng điện quá tải và xả, nhiệt độ tăng cao và mất cân bằng điện áp pin. Một trong những yếu tố quan trọng nhất là mất cân bằng cell, làm thay đổi điện áp của từng cell trong bộ pin theo thời gian, do đó làm giảm nhanh dung lượng pin. Khi bộ pin LifePo4 được thiết kế để sử dụng nhiều cell nối tiếp, điều quan trọng là phải thiết kế các đặc điểm điện để cân bằng điện áp cell một cách nhất quán. Điều này không chỉ vì hiệu suất của bộ pin mà còn để tối ưu hóa vòng đời. Học thuyết cần thiết là việc cân bằng pin diễn ra trước và sau khi pin được lắp ráp và phải được thực hiện trong suốt vòng đời của pin để duy trì hiệu suất pin tối ưu! Việc sử dụng cân bằng pin cho phép chúng ta thiết kế pin có dung lượng cao hơn cho các ứng dụng vì cân bằng cho phép pin đạt được trạng thái sạc cao hơn (SOC). Bạn có thể tưởng tượng việc kết nối nhiều đơn vị Cell LifePo4 nối tiếp như thể bạn đang kéo một chiếc xe trượt tuyết với nhiều chó kéo xe trượt tuyết. Chiếc xe trượt tuyết chỉ có thể được kéo với hiệu suất tối đa nếu tất cả các chó kéo xe trượt tuyết đều chạy với cùng một tốc độ. Với bốn con chó kéo xe trượt tuyết, nếu một con chó kéo xe trượt tuyết chạy chậm, thì ba con chó kéo xe trượt tuyết khác cũng phải giảm tốc độ của chúng, do đó làm giảm hiệu suất và nếu một con chó kéo xe trượt tuyết chạy nhanh hơn, nó sẽ kéo tải của ba con chó kéo xe trượt tuyết khác và tự làm hại mình. Do đó, khi nhiều cell LifePo4 được kết nối nối tiếp, các giá trị điện áp của tất cả các cell phải bằng nhau để có được một bộ pin LifePo4 hiệu quả hơn. Pin LifePo4 danh nghĩa chỉ được đánh giá ở mức khoảng 3,2V, nhưng tronghệ thống lưu trữ năng lượng gia đình, nguồn điện di động, công nghiệp, viễn thông, xe điện và các ứng dụng lưới điện siêu nhỏ, chúng ta cần điện áp cao hơn nhiều so với điện áp danh định. Trong những năm gần đây, pin sạc LifePo4 đã đóng vai trò quan trọng trong pin điện và hệ thống lưu trữ năng lượng do trọng lượng nhẹ, mật độ năng lượng cao, tuổi thọ cao, dung lượng cao, sạc nhanh, mức độ tự xả thấp và thân thiện với môi trường. Cân bằng cell đảm bảo rằng điện áp và dung lượng của mỗi cell LifePo4 ở cùng một mức, nếu không, phạm vi và tuổi thọ của bộ pin LiFePo4 sẽ bị giảm đáng kể và hiệu suất của pin sẽ bị suy giảm! Do đó, cân bằng cell LifePo4 là một trong những yếu tố quan trọng nhất để xác định chất lượng của pin. Trong quá trình hoạt động, sẽ xảy ra một khoảng cách điện áp nhỏ, nhưng chúng ta có thể giữ nó trong phạm vi chấp nhận được bằng cách cân bằng cell. Trong quá trình cân bằng, các cell có dung lượng cao hơn sẽ trải qua chu kỳ sạc/xả đầy đủ. Nếu không cân bằng cell, cell có dung lượng chậm nhất sẽ là điểm yếu. Cân bằng cell là một trong những chức năng cốt lõi của BMS, cùng với chức năng theo dõi nhiệt độ, sạc và các chức năng khác giúp tối đa hóa tuổi thọ của bộ pin. Những lý do khác để cân bằng pin: Pin LifePo4 pcak sử dụng năng lượng không đầy đủ Hấp thụ nhiều dòng điện hơn mức pin được thiết kế hoặc làm chập pin có nhiều khả năng gây ra hỏng pin sớm. Khi một bộ pin LifePo4 đang xả, các cell yếu hơn sẽ xả nhanh hơn các cell khỏe mạnh và chúng sẽ đạt điện áp tối thiểu nhanh hơn các cell khác. Khi một cell đạt điện áp tối thiểu, toàn bộ bộ pin cũng bị ngắt khỏi tải. Điều này dẫn đến việc không sử dụng được dung lượng năng lượng của bộ pin. Sự thoái hóa tế bào Khi một cell LifePo4 bị sạc quá mức thậm chí chỉ một chút so với giá trị đề xuất của nó, hiệu quả và quá trình sống của cell cũng bị giảm. Ví dụ, một sự gia tăng nhỏ về điện áp sạc từ 3,2V lên 3,25V sẽ làm hỏng pin nhanh hơn 30%. Vì vậy, nếu cân bằng cell không chính xác, ngay cả việc sạc quá mức nhỏ cũng sẽ làm giảm thời gian sống của pin. Sạc không đầy đủ một bộ pin di động Pin LifePo4 được tính phí ở dòng điện liên tục trong khoảng từ 0,5 đến 1,0 tỷ lệ. Điện áp pin LifePo4 tăng lên khi quá trình sạc tiếp tục đạt đến đỉnh điểm khi được tính phí đầy đủ sau đó giảm xuống. Hãy nghĩ về ba ô có lần lượt là 85 Ah, 86 Ah và 87 Ah và 100 phần trăm SoC, và tất cả các ô sau đó được giải phóng và SoC của chúng giảm xuống. Bạn có thể nhanh chóng phát hiện ra rằng ô 1 là ô đầu tiên hết năng lượng vì nó có khả năng thấp nhất. Khi nguồn điện được đưa vào các khối pin cũng như dòng điện hiện tại đang chảy qua các pin, một lần nữa, pin 1 sẽ bị treo lại trong suốt quá trình sạc và có thể được coi là đã sạc đầy vì hai pin còn lại đã được sạc đầy. Điều này có nghĩa là pin 1 có Hiệu suất điện dung (CE) thấp hơn do pin tự làm nóng dẫn đến mất cân bằng pin. Nhiệt độ chạy trốn Điểm tồi tệ nhất có thể xảy ra là sự mất kiểm soát nhiệt. Như chúng ta đã hiểupin lithiumrất nhạy cảm với việc sạc quá mức cũng như xả quá mức. Trong một gói 4 cell, nếu một cell là 3,5 V trong khi các cell khác là 3,2 V thì điện tích chắc chắn sẽ sạc tất cả các cell lại với nhau vì chúng được nối tiếp và nó cũng sẽ sạc cell 3,5 V với điện áp lớn hơn mức khuyến nghị vì các pin khác vẫn cần được sạc. Điều này dẫn đến tình trạng mất kiểm soát nhiệt khi giá thành tạo nhiệt bên trong vượt quá tốc độ giải phóng nhiệt. Điều này khiến bộ pin LifePo4 trở nên không kiểm soát được nhiệt. Nguyên nhân nào gây ra hiện tượng mất cân bằng cell trong bộ pin? Bây giờ chúng ta hiểu tại sao việc giữ cho tất cả các cell cân bằng trong một bộ pin là điều cần thiết. Tuy nhiên, để giải quyết vấn đề một cách thích hợp, chúng ta cần biết lý do tại sao các cell mất cân bằng ngay từ đầu. Như đã nói ở trên, khi một bộ pin được tạo ra bằng cách đặt các cell nối tiếp, điều này đảm bảo rằng tất cả các cell đều ở cùng mức điện áp. Vì vậy, một bộ pin mới sẽ luôn có các cell cân bằng. Tuy nhiên, khi bộ pin được đưa vào sử dụng, các cell sẽ mất cân bằng do các yếu tố sau đây. Sự khác biệt của SOC Đo SOC của một cell rất phức tạp; do đó, việc đo SOC của các cell cụ thể trong một pin rất phức tạp. Một phương pháp điều hòa cell tối ưu phải khớp với các cell có cùng SOC thay vì cùng một mức điện áp (OCV). Nhưng vì hầu như không thể khớp cell chỉ dựa trên các điều khoản điện áp khi tạo một bộ pin, nên sự thay đổi trong SOC có thể dẫn đến sự thay đổi trong OCV theo thời gian. Biến thể kháng cự bên trong Rất khó để tìm được các cell có cùng Điện trở trong (IR) và khi pin cũ đi, IR của cell cũng bị thay đổi và do đó trong một bộ pin không phải tất cả các cell đều có cùng IR. Như chúng ta đã biết, IR làm tăng độ không cảm ứng bên trong của cell, từ đó xác định dòng điện chạy qua cell. Vì IR thay đổi nên dòng điện chạy qua cell và điện áp của nó cũng khác nhau. Mức nhiệt độ Khả năng sạc và giải phóng của cell cũng phụ thuộc vào nhiệt độ xung quanh nó. Trong một bộ pin lớn như trong EV hoặc mảng năng lượng mặt trời, các cell được phân bổ trên một vùng chất thải và có thể có sự khác biệt về nhiệt độ giữa chính bộ pin, tạo ra một cell sạc hoặc xả nhanh hơn các cell còn lại, gây ra sự mất cân bằng. Từ các yếu tố trên, rõ ràng là chúng ta không thể ngăn chặn các tế bào mất cân bằng trong suốt quá trình. Vì vậy, biện pháp khắc phục duy nhất là sử dụng một hệ thống bên ngoài yêu cầu các tế bào phải cân bằng lại một lần nữa sau khi chúng mất cân bằng. Hệ thống này được gọi là Hệ thống cân bằng pin. Làm thế nào để đạt được sự cân bằng của pin LiFePo4? Hệ thống quản lý pin (BMS) Nhìn chung, bộ pin LiFePo4 không thể tự cân bằng pin, nó có thể đạt được bằng cáchhệ thống quản lý pin(BMS). Nhà sản xuất pin sẽ tích hợp chức năng cân bằng pin và các chức năng bảo vệ khác như bảo vệ quá áp, chỉ báo SOC, báo động/bảo vệ quá nhiệt, v.v. trên bo mạch BMS này. Bộ sạc pin Li-ion có chức năng cân bằng Còn được gọi là “bộ sạc pin cân bằng”, bộ sạc tích hợp chức năng cân bằng để hỗ trợ các loại pin khác nhau với số lượng chuỗi khác nhau (ví dụ: 1~6S). Ngay cả khi pin của bạn không có bảng BMS, bạn vẫn có thể sạc pin Li-ion bằng bộ sạc pin này để đạt được sự cân bằng. Bảng cân bằng Khi sử dụng bộ sạc pin cân bằng, bạn cũng phải kết nối bộ sạc và pin với bảng cân bằng bằng cách chọn ổ cắm cụ thể từ bảng cân bằng. Mô-đun mạch bảo vệ (PCM) Bo mạch PCM là một bo mạch điện tử được kết nối với bộ pin LiFePo4 và chức năng chính của nó là bảo vệ pin và người dùng khỏi sự cố trục trặc. Để đảm bảo sử dụng an toàn, pin LiFePo4 phải hoạt động theo các thông số điện áp rất nghiêm ngặt. Tùy thuộc vào nhà sản xuất pin và hóa chất, thông số điện áp này thay đổi trong khoảng 3,2 V cho mỗi cell đối với pin đã xả và 3,65 V cho mỗi cell đối với pin sạc. Bo mạch PCM theo dõi các thông số điện áp này và ngắt kết nối pin khỏi tải hoặc bộ sạc nếu vượt quá. Trong trường hợp một pin LiFePo4 hoặc nhiều pin LiFePo4 được kết nối song song, điều này dễ dàng thực hiện được vì bo mạch PCM theo dõi điện áp riêng lẻ. Tuy nhiên, khi nhiều pin được kết nối nối tiếp, bo mạch PCM phải theo dõi điện áp của từng pin. Các loại cân bằng pin Nhiều thuật toán cân bằng pin khác nhau đã được phát triển cho bộ pin LiFePo4. Nó được chia thành các phương pháp cân bằng pin thụ động và chủ động dựa trên điện áp pin và SOC. Cân bằng pin thụ động Kỹ thuật cân bằng pin thụ động tách điện tích dư thừa từ pin LiFePo4 được cấp điện đầy đủ thông qua các thành phần điện trở và cung cấp cho tất cả các ô điện tích tương tự như điện tích pin LiFePo4 thấp nhất. Kỹ thuật này đáng tin cậy hơn và sử dụng ít thành phần hơn, do đó giảm chi phí hệ thống tổng thể. Tuy nhiên, công nghệ này làm giảm hiệu quả của hệ thống vì năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt tạo ra tổn thất năng lượng. Do đó, công nghệ này phù hợp với các ứng dụng công suất thấp. Cân bằng pin chủ động Cân bằng điện tích chủ động là giải pháp cho những thách thức liên quan đến pin LiFePo4. Kỹ thuật cân bằng cell chủ động xả điện tích từ pin LiFePo4 năng lượng cao hơn và chuyển sang pin LiFePo4 năng lượng thấp hơn. So với công nghệ cân bằng cell thụ động, kỹ thuật này tiết kiệm năng lượng trong mô-đun pin LiFePo4, do đó tăng hiệu quả của hệ thống và cần ít thời gian hơn để cân bằng giữa các cell pin LiFePo4, cho phép dòng điện sạc cao hơn. Ngay cả khi pin LiFePo4 ở trạng thái nghỉ, ngay cả pin LiFePo4 được ghép nối hoàn hảo cũng mất điện ở các tốc độ khác nhau vì tốc độ tự xả thay đổi tùy thuộc vào độ dốc nhiệt độ: nhiệt độ pin tăng 10°C đã làm tăng gấp đôi tốc độ tự xả. Tuy nhiên, cân bằng điện tích chủ động có thể khôi phục trạng thái cân bằng của các cell, ngay cả khi chúng ở trạng thái nghỉ. Tuy nhiên, kỹ thuật này có mạch phức tạp, làm tăng tổng chi phí của hệ thống. Do đó, cân bằng cell chủ động phù hợp với các ứng dụng công suất cao. Có nhiều cấu trúc mạch cân bằng chủ động khác nhau được phân loại theo các thành phần lưu trữ năng lượng, chẳng hạn như tụ điện, cuộn cảm/máy biến áp và bộ chuyển đổi điện tử. Nhìn chung, hệ thống quản lý pin chủ động làm giảm tổng chi phí của bộ pin LiFePo4 vì nó không yêu cầu phải tăng kích thước của các cell để bù đắp cho sự phân tán và lão hóa không đồng đều giữa các pin LiFePo4. Quản lý pin chủ động trở nên quan trọng khi các cell cũ được thay thế bằng các cell mới và có sự thay đổi đáng kể trong bộ pin LiFePo4. Vì hệ thống quản lý pin chủ động giúp lắp đặt các cell có sự thay đổi lớn về thông số trong bộ pin LiFePo4, nên năng suất sản xuất tăng lên trong khi chi phí bảo hành và bảo dưỡng giảm xuống. Do đó, hệ thống quản lý pin chủ động mang lại lợi ích cho hiệu suất, độ tin cậy và tính an toàn của bộ pin, đồng thời giúp giảm chi phí. Tóm tắt Để giảm thiểu tác động của sự trôi điện áp của cell, sự mất cân bằng phải được điều tiết hợp lý. Mục tiêu của bất kỳ giải pháp cân bằng nào là cho phép bộ pin LiFePo4 hoạt động ở mức hiệu suất mong muốn và mở rộng dung lượng khả dụng của nó. Việc cân bằng pin không chỉ quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất vàvòng đời của pin, nó cũng bổ sung thêm hệ số an toàn cho bộ pin LiFePo4. Một trong những công nghệ mới nổi giúp cải thiện độ an toàn của pin và kéo dài tuổi thọ pin. Khi công nghệ cân bằng pin mới theo dõi lượng cân bằng cần thiết cho từng cell LiFePo4, nó sẽ kéo dài tuổi thọ của bộ pin LiFePo4 và tăng cường độ an toàn tổng thể của pin.