电池平衡如何延长 LifePo4 电池组寿命？

当设备需要持久、高性能LifePo4电池组，它们需要平衡每个电池。 为什么LifePo4电池组需要电池平衡？ LifePo4 电池易受多种特性影响，例如过压、欠压、过充和放电电流、热失控以及电池电压不平衡。其中一个最重要的因素是电池不平衡，它会随时间推移改变电池组中每个电池的电压，从而迅速降低电池容量。当 LifePo4 电池组设计为使用多个串联电池时，重要的是设计电气特性以始终平衡电池电压。这不仅是为了提高电池组的性能，也是为了优化生命周期。需要遵循的原则是，电池平衡发生在电池制造之前和之后，并且必须在电池的整个生命周期中进行，以保持最佳电池性能！ 使用电池平衡技术使我们能够为应用设计出容量更高的电池，因为平衡可以使电池达到更高的充电状态 (SOC)。你可以想象将许多 LifePo4 电池单元串联起来，就像你用许多只雪橇犬拉雪橇一样。只有当所有雪橇犬都以相同的速度奔跑时，才能以最大效率拉动雪橇。在四只雪橇犬的情况下，如果一只雪橇犬跑得慢，那么其他三只雪橇犬也必须降低速度，从而降低效率，而如果一只雪橇犬跑得更快，它最终会拉动其他三只雪橇犬的负载并伤害自己。因此，当多个 LifePo4 电池单元串联连接时，所有电池的电压值应该相等，才能获得更高效的 LifePo4 电池组。 标称的 LifePo4 电池额定电压仅为 3.2V，但在家庭储能系统、便携式电源、工业、电信、电动汽车和微电网应用，我们需要的电压远高于标称电压。近年来，可充电磷酸铁锂电池由于重量轻、能量密度高、寿命长、容量高、充电速度快、自放电率低、环保等特点，在动力电池和储能系统中发挥着至关重要的作用。电池平衡可以确保每个磷酸铁锂电池的电压和容量处于同一水平，否则磷酸铁锂电池组的续航里程和寿命将大大缩短，电池性能也会下降！因此，磷酸铁锂电池平衡是决定电池质量的最重要因素之一。在电池运行过程中，会出现一点电压差距，但我们可以通过电池平衡将其保持在可接受的范围内。 在平衡过程中，容量较高的电池会经历完整的充电/放电循环。如果没有电池平衡，容量最低的电池就会成为薄弱环节。电池平衡是BMS的核心功能之一，此外还有温度监控、充电和其他有助于最大限度延长电池组寿命的功能。 电池平衡的其他原因： LifePo4电池组能量利用不完全 吸收的电流超过电池的设计承受能力或电池短路最有可能导致电池过早失效。当磷酸铁锂电池组放电时，电量较弱的电池会比电量正常的电池放电更快，并且它们会比其他电池更快达到最低电压。当某个电池达到最低电压时，整个电池组也会与负载断开连接。这会导致电池组能量的闲置。 细胞降解 如果磷酸铁锂电池过度充电，即使只是略微超过其建议值，也会降低电池的效率和使用寿命。例如，充电电压从 3.2V 略微升高到 3.25V，电池的损坏速度就会加快 30%。因此，如果电池平衡不准确，轻微的过充也会缩短电池寿命。 电池组充电不完全 LifePo4 电池的充电电流在 0.5 到 1.0 倍率之间。随着充电的进行，LifePo4 电池电压会上升，在充满电后达到峰值，然后下降。假设有三块电池，容量分别为 85 Ah、86 Ah 和 87 Ah，SoC 为 100%，然后所有电池都被释放，SoC 随之下降。您可以很快发现，由于容量最低，1 号电池最先耗尽电量。 当电池组通电且电流流经电池时，电池1在充电过程中会再次延迟，并且由于其他两个电池已充满电，因此可能被视为已充满电。这意味着由于电池自热导致电池电量不均等，电池1的库仑效率 (CE) 会降低。 热失控 最糟糕的情况是热失控。我们知道锂电池对过度充电和过度放电非常敏感。在一个由4个电池组成的电池组中，如果其中一个电池的电压为3.5 V，而其他电池的电压为3.2 V，由于它们是串联的，因此所有电池都会同时充电，并且由于其他电池仍需充电，3.5 V电池的电压将高于建议电压。当内部产热速率超过热量释放速率时，就会导致热失控。这会导致LifePo4电池组的温度失控。 什么原因导致电池组中的电池不平衡？ 现在我们明白了为什么保持电池组中所有电池单元的平衡至关重要。但要正确解决这个问题，我们必须首先了解电池单元不平衡的原因。如前所述，当将电池单元串联起来组成电池组时，需要确保所有电池单元的电压水平相同。因此，新电池组的电池单元始终是平衡的。然而，随着电池组的投入使用，由于以下因素，电池单元可能会失去平衡。 SOC差异 测量单电池的SOC非常复杂；因此，测量电池组中特定单电池的SOC非常复杂。最佳的电池匹配方法应该匹配SOC相同的单电池，而不是电压(OCV)完全相同的单电池。但由于在组装电池组时几乎不可能仅根据电压匹配单电池，SOC的变化最终可能会导致OCV的变化。 内部抵抗变体 找到内阻 (IR) 相同的电池极其困难，而且随着电池老化，电池的内阻也会发生变化，因此在电池组中，并非所有电池的内阻都相同。众所周知，内阻会影响电池内部的抗磁化能力，而这决定了流过电池的电流。由于内阻不同，流过电池的电流及其电压也会有所不同。 温度等级 电池的充电和放电能力也取决于其周围的温度。在大型电池组中，例如电动汽车或太阳能电池阵列，电池单元分布在一块废弃区域，并且电池组本身可能存在温度差异，导致某个电池单元的充电或放电速度比其余电池单元更快，从而造成不平衡。 从以上因素来看，我们显然无法阻止电池在整个过程中出现不平衡。因此，唯一的补救措施是使用一个外部系统，该系统在电池失衡后要求它们再次达到平衡状态。这个系统被称为电池平衡系统。 如何实现LiFePo4电池组平衡？ 电池管理系统（BMS） 一般情况下，LiFePo4 电池组无法自行实现电池平衡，可以通过以下方式实现电池管理系统（BMS）。电池制造商会将电池平衡功能和其他保护功能（如充电过压保护、SOC指示器、过温警报/保护等）集成在此BMS板上。 具有平衡功能的锂离子电池充电器 这款充电器也称为“平衡电池充电器”，集成了平衡功能，可支持不同串数（例如 1 至 6 串）的电池。即使您的电池没有 BMS 板，您也可以使用此充电器为锂离子电池充电，实现平衡。 平衡板 当您使用平衡电池充电器时，您还必须通过从平衡板中选择特定的插座将充电器和电池连接到平衡板。 保护电路模块（PCM） PCM板是连接到LiFePo4电池组的电子板，其主要功能是保护电池和用户免受故障。 为了确保安全使用，LiFePo4 电池必须在非常严格的电压参数下运行。根据电池制造商和化学成分的不同，该电压参数在放电电池的每节电池 3.2 V 和可充电电池的每节电池 3.65 V 之间变化。PCM 板会监控这些电压参数，如果超过这些参数，则会断开电池与负载或充电器的连接。 对于单块 LiFePo4 电池或多块 LiFePo4 电池并联的情况，由于 PCM 板会监控各个电池的电压，因此很容易实现。但是，当多块电池串联时，PCM 板必须监控每块电池的电压。 电池平衡的类型 目前，针对LiFePo4电池组已经开发出各种电池平衡算法。根据电池电压和SOC，电池平衡算法分为被动平衡方法和主动平衡方法。 被动电池平衡 无源电池平衡技术通过电阻元件将充满电的LiFePo4电池中的多余电荷分离，并使所有电池单元的电量与最低的LiFePo4电池电量相似。该技术更可靠，使用的组件更少，从而降低了系统总成本。然而，由于能量以热量的形式耗散，造成能量损失，因此该技术会降低系统效率。因此，该技术适用于低功耗应用。 主动电池平衡 主动充电平衡是解决 LiFePo4 电池相关挑战的一种解决方案。主动电池平衡技术将高能量 LiFePo4 电池的电荷释放到低能量 LiFePo4 电池中。与被动电池平衡技术相比，该技术可以节省 LiFePo4 电池模块中的电能，从而提高系统效率，并缩短 LiFePo4 电池组电池之间的平衡时间，从而允许更高的充电电流。即使在 LiFePo4 电池组处于静止状态时，即使是完全匹配的 LiFePo4 电池也会以不同的速率损失电量，因为自放电速率会随着温度梯度而变化：电池温度升高 10°C 就会使自放电速率翻倍。然而，主动充电平衡可以使电池单元恢复平衡，即使它们处于静止状态。然而，该技术电路复杂，会增加系统总成本。因此，主动电池平衡适用于高功率应用。根据储能元件（例如电容器、电感器/变压器和电子转换器）的不同，有各种主动平衡电路拓扑结构。 总体而言，主动电池管理系统 (VBA) 降低了 LiFePo4 电池组的总成本，因为它无需为了补偿 LiFePo4 电池之间的差异和老化不均匀而增大电池单元尺寸。当旧电池单元更换为新电池单元，且 LiFePo4 电池组内部存在显著差异时，主动电池管理变得至关重要。由于主动电池管理系统允许在 LiFePo4 电池组中安装参数差异较大的电池单元，因此可以提高生产良率，同时降低保修和维护成本。因此，主动电池管理系统有利于提高电池组的性能、可靠性和安全性，同时有助于降低成本。 总结 为了最大限度地减少电池电压漂移的影响，必须适当调节不平衡。任何平衡解决方案的目标都是使LiFePo4电池组能够以预期的性能水平运行，并延长其可用容量。 电池平衡不仅对提高性能很重要，而且电池的生命周期它还为磷酸铁锂电池组增加了安全系数。这是提高电池安全性和延长电池寿命的新兴技术之一。由于新的电池平衡技术可以跟踪单个磷酸铁锂电池所需的平衡量，因此可以延长磷酸铁锂电池组的使用寿命并提高电池的整体安全性。