Wie Cell Balancing die Lebensdauer des LifePo4-Akkus verlängert？

Wenn Geräte eine langlebige, leistungsstarke Leistung benötigenLifePo4-AkkuSie müssen jede Zelle ausgleichen. Warum der LifePo4-Akku einen Batterieausgleich benötigt? LifePo4-Batterien unterliegen vielen Eigenschaften wie Überspannung, Unterspannung, Überlade- und Entladestrom, thermischem Durchgehen und Batteriespannungsungleichgewicht. Einer der wichtigsten Faktoren ist das Zellungleichgewicht, das die Spannung jeder einzelnen Zelle im Akku mit der Zeit verändert und dadurch die Batteriekapazität schnell verringert. Wenn der LifePo4-Akku für die Verwendung mehrerer in Reihe geschalteter Zellen ausgelegt ist, ist es wichtig, die elektrischen Eigenschaften so zu gestalten, dass die Zellspannungen konsistent ausgeglichen werden. Dies dient nicht nur der Leistung des Akkupacks, sondern auch der Optimierung des Lebenszyklus. Die Notwendigkeit besteht darin, dass der Batterieausgleich vor und nach dem Bau der Batterie erfolgt und während des gesamten Lebenszyklus der Batterie durchgeführt werden muss, um eine optimale Batterieleistung aufrechtzuerhalten! Durch den Einsatz des Batterieausgleichs können wir Batterien mit höherer Kapazität für Anwendungen entwickeln, da der Akku durch den Ausgleich einen höheren Ladezustand (SOC) erreichen kann. Sie können sich vorstellen, viele LifePo4 Cell-Einheiten in Reihe zu schalten, als würden Sie einen Schlitten mit vielen Schlittenhunden ziehen. Der Schlitten kann nur dann mit maximaler Effizienz gezogen werden, wenn alle Schlittenhunde mit der gleichen Geschwindigkeit laufen. Wenn bei vier Schlittenhunden ein Schlittenhund langsam läuft, müssen auch die anderen drei Schlittenhunde ihre Geschwindigkeit reduzieren, was die Effizienz verringert, und wenn ein Schlittenhund schneller läuft, zieht er am Ende die Last der anderen drei Schlittenhunde und sich selbst verletzen. Wenn daher mehrere LifePo4-Zellen in Reihe geschaltet werden, sollten die Spannungswerte aller Zellen gleich sein, um einen effizienteren LifePo4-Akku zu erhalten. Die nominale LifePo4-Batterie hat nur eine Nennspannung von etwa 3,2 V, aber inEnergiespeichersysteme für Privathaushalte, tragbare Stromversorgungen, Industrie-, Telekommunikations-, Elektrofahrzeug- und Mikronetzanwendungen benötigen wir eine viel höhere Spannung als die Nennspannung. In den letzten Jahren haben wiederaufladbare LifePo4-Batterien aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen Energiedichte, ihrer langen Lebensdauer, ihrer hohen Kapazität, ihres schnellen Ladevorgangs, ihrer geringen Selbstentladung und ihrer Umweltfreundlichkeit eine entscheidende Rolle in Leistungsbatterien und Energiespeichersystemen gespielt. Durch den Zellausgleich wird sichergestellt, dass Spannung und Kapazität jeder LifePo4-Zelle auf dem gleichen Niveau sind. Andernfalls wird die Reichweite und Lebensdauer des LiFePo4-Akkupacks stark reduziert und die Akkuleistung wird beeinträchtigt! Daher ist das Gleichgewicht der LifePo4-Zellen einer der wichtigsten Faktoren für die Qualität der Batterie. Im Betrieb entsteht eine kleine Spannungslücke, die wir aber durch Cell-Balancing in einem akzeptablen Bereich halten können. Während des Ausgleichs durchlaufen die Zellen mit höherer Kapazität einen vollständigen Lade-/Entladezyklus. Ohne Zellausgleich ist die Zelle mit der langsamsten Kapazität eine Schwachstelle. Der Zellausgleich ist eine der Kernfunktionen des BMS, zusammen mit der Temperaturüberwachung, dem Laden und anderen Funktionen, die dazu beitragen, die Lebensdauer des Akkus zu maximieren. Andere Gründe für den Batterieausgleich: Der Energieverbrauch des LifePo4-Akkus ist unvollständig Die Aufnahme von mehr Strom als die Batterie ausgelegt ist oder ein Kurzschluss der Batterie führt höchstwahrscheinlich zu einem vorzeitigen Batterieausfall. Wenn ein LifePo4-Akku entladen wird, entladen sich schwächere Zellen schneller als gesunde Zellen und erreichen schneller die Mindestspannung als andere Zellen. Erreicht eine Zelle die Mindestspannung, wird auch der gesamte Akku vom Verbraucher getrennt. Dies führt zu einer ungenutzten Kapazität an Akkupack-Energie. Zellabbau Wenn eine LifePo4-Zelle auch nur geringfügig über den empfohlenen Wert hinaus aufgeladen wird, werden die Wirksamkeit und die Lebensdauer der Zelle verringert. Beispielsweise führt eine geringfügige Erhöhung der Ladespannung von 3,2 V auf 3,25 V zu einer um 30 % schnelleren Entladung der Batterie. Wenn also der Zellenausgleich nicht korrekt ist, verkürzt auch eine geringfügige Überladung die Lebensdauer der Batterie. Unvollständiger Ladevorgang eines Zellenpakets LifePo4-Batterien werden mit einem Dauerstrom zwischen 0,5 und 1,0 abgerechnet. Die Spannung des LifePo4-Akkus steigt mit zunehmender Ladung, erreicht bei voller Ladung ihren Höhepunkt und sinkt anschließend. Stellen Sie sich drei Zellen mit jeweils 85 Ah, 86 Ah und 87 Ah und 100 Prozent SoC vor, und alle Zellen werden danach freigegeben und ihr SoC sinkt. Sie können schnell feststellen, dass Zelle 1 am Ende als erste die Energie ausgeht, da sie über die geringste Kapazität verfügt. Wenn Strom an die Zellenpakete angelegt wird und der Strom durch die Zellen fließt, bleibt Zelle 1 während des Ladevorgangs zurück und gilt als vollständig geladen, da die beiden anderen Zellen vollständig aufgeladen sind. Dies bedeutet, dass die Zellen 1 aufgrund der Selbsterhitzung der Zelle, die zu einer Zellungleichheit führt, eine verringerte coulometrische Wirksamkeit (CE) aufweisen. Thermal Runaway Das Schlimmste, was passieren kann, ist das thermische Durchgehen. Wie wir verstehenLithiumzellenreagieren sehr empfindlich auf Überladung und Tiefentladung. Wenn in einem Paket mit vier Zellen eine Zelle 3,5 V und die anderen 3,2 V haben, werden beim Laden alle Zellen zusammen berechnet, da sie in Reihe geschaltet sind, und die 3,5-V-Zelle wird aufgrund der verschiedenen Spannungen mit einer höheren als der empfohlenen Spannung belastet Andere Batterien müssen noch aufgeladen werden. Dies führt zu einem thermischen Durchgehen, wenn der Preis der inneren Wärmeerzeugung die Geschwindigkeit übersteigt, mit der die Wärme abgegeben werden kann. Dies führt dazu, dass der LifePo4-Akku thermisch unkontrolliert wird. Welche Auslöser sind Zellungleichgewichte in Akkupacks? Jetzt verstehen wir, warum es wichtig ist, alle Zellen in einem Akkupack im Gleichgewicht zu halten. Um das Problem jedoch angemessen anzugehen, müssen wir aus erster Hand wissen, warum die Zellen aus dem Gleichgewicht geraten. Wie bereits erwähnt, wird bei der Erstellung eines Batteriesatzes durch Reihenschaltung der Zellen sichergestellt, dass alle Zellen auf dem gleichen Spannungsniveau bleiben. Ein frischer Akku verfügt also immer über ausgeglichene Zellen. Doch wenn die Packung verwendet wird, geraten die Zellen aufgrund der entsprechenden Faktoren aus dem Gleichgewicht. SOC-Diskrepanz Die Messung des SOC einer Zelle ist kompliziert; Daher ist es sehr kompliziert, den Ladezustand bestimmter Zellen in einer Batterie zu messen. Eine optimale Zellharmonisierungsmethode sollte die Zellen mit dem gleichen SOC und nicht mit genau den gleichen Spannungsgraden (OCV) abgleichen. Da es jedoch fast unmöglich ist, dass Zellen bei der Herstellung eines Packs nur hinsichtlich der Spannung angepasst werden, kann die Variante im SOC zu gegebener Zeit zu einer Änderung des OCV führen. Innenwiderstandsvariante Es ist äußerst schwierig, Zellen mit dem gleichen Innenwiderstand (IR) zu finden, und mit zunehmendem Alter der Batterie verändert sich auch der IR der Zelle, sodass in einem Akku nicht alle Zellen den gleichen IR haben. Wie wir wissen, trägt die IR zur inneren Unempfindlichkeit der Zelle bei, die den durch eine Zelle fließenden Strom bestimmt. Da der IR variiert, ändert sich auch der Strom durch die Zelle und auch ihre Spannung. Temperaturniveau Die Füll- und Abgabefähigkeit der Zelle hängt auch von der Umgebungstemperatur ab. In einem großen Batteriepaket, wie etwa in Elektrofahrzeugen oder Solaranlagen, sind die Zellen über einen Abfallbereich verteilt und es kann zu Temperaturunterschieden innerhalb des Pakets selbst kommen, wodurch eine Zelle schneller geladen oder entladen wird als die übrigen Zellen, was zu einer Ungleichheit führt. Aus den oben genannten Faktoren geht hervor, dass wir nicht verhindern können, dass die Zellen während des Eingriffs aus dem Gleichgewicht geraten. Die einzige Lösung besteht also darin, ein äußeres System zu nutzen, das die Zellen dazu bringt, wieder ins Gleichgewicht zu kommen, nachdem sie aus dem Gleichgewicht geraten sind. Dieses System wird als Battery Balancing System bezeichnet. Wie erreicht man das Gleichgewicht des LiFePo4-Akkus? Batteriemanagementsystem (BMS) Im Allgemeinen kann ein LiFePo4-Akku den Batterieausgleich nicht alleine erreichen, sondern kann durch erreicht werdenBatteriemanagementsystem(BMS). Der Batteriehersteller integriert die Batterieausgleichsfunktion und andere Schutzfunktionen wie Ladeüberspannungsschutz, SOC-Anzeige, Übertemperaturalarm/-schutz usw. auf dieser BMS-Platine. Li-Ionen-Akkuladegerät mit Ausgleichsfunktion Das Ladegerät wird auch als „Balance-Batterieladegerät“ bezeichnet und verfügt über eine Balance-Funktion, um verschiedene Batterien mit unterschiedlicher Saitenanzahl (z. B. 1~6S) zu unterstützen. Auch wenn Ihre Batterie nicht über eine BMS-Platine verfügt, können Sie Ihre Li-Ionen-Batterie mit diesem Batterieladegerät aufladen, um einen Ausgleich zu erreichen. Balancierbrett Wenn Sie ein ausgeglichenes Batterieladegerät verwenden, müssen Sie auch das Ladegerät und Ihre Batterie an die Ausgleichsplatine anschließen, indem Sie eine bestimmte Buchse auf der Ausgleichsplatine auswählen. Schutzschaltungsmodul (PCM) Die PCM-Platine ist eine elektronische Platine, die mit dem LiFePo4-Akku verbunden ist und deren Hauptfunktion darin besteht, den Akku und den Benutzer vor Fehlfunktionen zu schützen. Um eine sichere Verwendung zu gewährleisten, muss der LiFePo4-Akku unter sehr strengen Spannungsparametern betrieben werden. Je nach Batteriehersteller und Chemie variiert dieser Spannungsparameter zwischen 3,2 V pro Zelle bei entladenen Batterien und 3,65 V pro Zelle bei wiederaufladbaren Batterien. Die PCM-Platine überwacht diese Spannungsparameter und trennt bei Überschreitung die Batterie vom Verbraucher bzw. Ladegerät. Im Falle einer einzelnen LiFePo4-Batterie oder mehrerer parallel geschalteter LiFePo4-Batterien ist dies einfach zu bewerkstelligen, da die PCM-Platine die einzelnen Spannungen überwacht. Wenn jedoch mehrere Batterien in Reihe geschaltet sind, muss die PCM-Platine die Spannung jeder Batterie überwachen. Arten des Batterieausgleichs Für LiFePo4-Akkus wurden verschiedene Batterieausgleichsalgorithmen entwickelt. Es ist in passive und aktive Batterieausgleichsmethoden basierend auf Batteriespannung und SOC unterteilt. Passiver Batterieausgleich Die passive Batterieausgleichstechnik trennt die überschüssige Ladung einer voll aufgeladenen LiFePo4-Batterie durch Widerstandselemente und gibt allen Zellen eine ähnliche Ladung wie die niedrigste LiFePo4-Batterieladung. Diese Technik ist zuverlässiger und benötigt weniger Komponenten, wodurch die Gesamtsystemkosten gesenkt werden. Allerdings verringert die Technologie die Effizienz des Systems, da Energie in Form von Wärme abgeführt wird, die zu Energieverlusten führt. Daher eignet sich diese Technologie für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Aktiver Batterieausgleich Der aktive Ladungsausgleich ist eine Lösung für die Herausforderungen, die mit LiFePo4-Batterien verbunden sind. Die aktive Zellausgleichstechnik entlädt die Ladung von der LiFePo4-Batterie mit höherer Energie und überträgt sie auf die LiFePo4-Batterie mit niedrigerer Energie. Im Vergleich zur passiven Zellausgleichstechnologie spart diese Technik Energie im LiFePo4-Batteriemodul, erhöht so die Effizienz des Systems und erfordert weniger Zeit für den Ausgleich zwischen den Zellen des LiFePo4-Batteriepacks, was höhere Ladeströme ermöglicht. Auch wenn der LiFePo4-Akku im Ruhezustand ist, verlieren selbst perfekt aufeinander abgestimmte LiFePo4-Akkus unterschiedlich schnell an Ladung, da die Geschwindigkeit der Selbstentladung je nach Temperaturgradient variiert: Eine Erhöhung der Batterietemperatur um 10 °C verdoppelt bereits die Geschwindigkeit der Selbstentladung . Durch den aktiven Ladungsausgleich können Zellen jedoch auch im Ruhezustand wieder ins Gleichgewicht gebracht werden. Diese Technik weist jedoch komplexe Schaltkreise auf, was die Gesamtsystemkosten erhöht. Daher eignet sich der aktive Zellausgleich für Hochleistungsanwendungen. Es gibt verschiedene Topologien aktiver Ausgleichsschaltungen, die nach Energiespeicherkomponenten wie Kondensatoren, Induktivitäten/Transformatoren und elektronischen Wandlern klassifiziert sind. Insgesamt reduziert das aktive Batteriemanagementsystem die Gesamtkosten des LiFePo4-Akkupacks, da keine Überdimensionierung der Zellen erforderlich ist, um Streuung und ungleichmäßige Alterung zwischen den LiFePo4-Akkus auszugleichen. Aktives Batteriemanagement wird von entscheidender Bedeutung, wenn alte Zellen durch neue Zellen ersetzt werden und es erhebliche Unterschiede innerhalb des LiFePo4-Akkupacks gibt. Da aktive Batteriemanagementsysteme den Einbau von Zellen mit großen Parametervariationen in LiFePo4-Akkupacks ermöglichen, steigen die Produktionsausbeuten, während Garantie- und Wartungskosten sinken. Daher verbessern aktive Batteriemanagementsysteme die Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit des Batteriepakets und tragen gleichzeitig zur Kostensenkung bei. Zusammenfassen Um die Auswirkungen der Zellspannungsdrift zu minimieren, müssen Ungleichgewichte ordnungsgemäß abgemildert werden. Das Ziel jeder Ausgleichslösung besteht darin, dem LiFePo4-Akkupack den Betrieb auf dem vorgesehenen Leistungsniveau zu ermöglichen und seine verfügbare Kapazität zu erweitern. Der Batterieausgleich ist nicht nur für die Verbesserung der Leistung wichtigLebenszyklus von Batterien, es fügt auch einen Sicherheitsfaktor zum LiFePo4-Akku hinzu. Eine der neuen Technologien zur Verbesserung der Batteriesicherheit und Verlängerung der Batterielebensdauer. Da die neue Batterieausgleichstechnologie den erforderlichen Ausgleich für einzelne LiFePo4-Zellen verfolgt, verlängert sie die Lebensdauer des LiFePo4-Akkus und erhöht die allgemeine Batteriesicherheit.