Όταν οι συσκευές χρειάζονται μακροχρόνια, υψηλής απόδοσηςΜπαταρία LifePo4, πρέπει να εξισορροπήσουν κάθε κύτταρο. 
Γιατί η μπαταρία LifePo4 χρειάζεται εξισορρόπηση μπαταρίας; Οι μπαταρίες LifePo4 υπόκεινται σε πολλά χαρακτηριστικά, όπως υπέρταση, υποτάση, ρεύμα υπερφόρτισης και εκφόρτισης, θερμική διαφυγή και ανισορροπία τάσης μπαταρίας. Ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες είναι η ανισορροπία των στοιχείων, η οποία αλλάζει την τάση κάθε στοιχείου στη συστοιχία με την πάροδο του χρόνου, μειώνοντας έτσι γρήγορα την χωρητικότητα της μπαταρίας. Όταν η συστοιχία μπαταριών LifePo4 έχει σχεδιαστεί για να χρησιμοποιεί πολλαπλά στοιχεία σε σειρά, είναι σημαντικό να σχεδιαστούν τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά για να εξισορροπούνται με συνέπεια οι τάσεις των στοιχείων. Αυτό δεν ισχύει μόνο για την απόδοση της συστοιχίας μπαταριών, αλλά και για τη βελτιστοποίηση του κύκλου ζωής τους. Η ανάγκη για θεωρία είναι ότι η εξισορρόπηση της μπαταρίας πραγματοποιείται πριν και μετά την κατασκευή της μπαταρίας και πρέπει να γίνεται καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής της, προκειμένου να διατηρείται η βέλτιστη απόδοση της μπαταρίας! Η χρήση της εξισορρόπησης μπαταριών μας επιτρέπει να σχεδιάζουμε μπαταρίες με μεγαλύτερη χωρητικότητα για εφαρμογές, επειδή η εξισορρόπηση επιτρέπει στην μπαταρία να επιτύχει υψηλότερη κατάσταση φόρτισης (SOC). Μπορείτε να φανταστείτε να συνδέετε πολλές μονάδες LifePo4 Cell σε σειρά σαν να τραβάτε ένα έλκηθρο με πολλά έλκηθρα. Το έλκηθρο μπορεί να τραβηχτεί με μέγιστη απόδοση μόνο εάν όλα τα έλκηθρα τρέχουν με την ίδια ταχύτητα. Με τέσσερα έλκηθρα, εάν ένα έλκηθρο τρέχει αργά, τότε τα άλλα τρία έλκηθρα πρέπει επίσης να μειώσουν την ταχύτητά τους, μειώνοντας έτσι την απόδοση, και εάν ένα έλκηθρο τρέχει πιο γρήγορα, θα καταλήξει να τραβάει το φορτίο των άλλων τριών έλκηθρα και να τραυματιστεί. Επομένως, όταν πολλά κελιά LifePo4 συνδέονται σε σειρά, οι τιμές τάσης όλων των κελιών θα πρέπει να είναι ίσες για να επιτευχθεί μια πιο αποτελεσματική μπαταρία LifePo4. 
Η ονομαστική τάση της μπαταρίας LifePo4 είναι μόνο περίπου 3,2V, αλλά σεσυστήματα αποθήκευσης ενέργειας για το σπίτι, φορητά τροφοδοτικά, βιομηχανικές εφαρμογές, τηλεπικοινωνίες, ηλεκτρικά οχήματα και εφαρμογές μικροδικτύων, χρειαζόμαστε πολύ υψηλότερη από την ονομαστική τάση. Τα τελευταία χρόνια, οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες LifePo4 έχουν διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στις μπαταρίες ισχύος και στα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας λόγω του μικρού βάρους, της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, της μεγάλης διάρκειας ζωής, της υψηλής χωρητικότητας, της γρήγορης φόρτισης, των χαμηλών επιπέδων αυτοεκφόρτισης και της φιλικότητάς τους προς το περιβάλλον. Η εξισορρόπηση των στοιχείων διασφαλίζει ότι η τάση και η χωρητικότητα κάθε στοιχείου LifePo4 βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, διαφορετικά, η εμβέλεια και η διάρκεια ζωής της μπαταρίας LiFePo4 θα μειωθούν σημαντικά και η απόδοση της μπαταρίας θα υποβαθμιστεί! Επομένως, η ισορροπία των στοιχείων LifePo4 είναι ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες για τον προσδιορισμό της ποιότητας της μπαταρίας. Κατά τη λειτουργία, θα δημιουργηθεί ένα μικρό χάσμα τάσης, αλλά μπορούμε να το διατηρήσουμε εντός ενός αποδεκτού εύρους μέσω της εξισορρόπησης στοιχείων. Κατά την εξισορρόπηση, τα στοιχεία υψηλότερης χωρητικότητας υποβάλλονται σε έναν πλήρη κύκλο φόρτισης/εκφόρτισης. Χωρίς εξισορρόπηση στοιχείων, το στοιχείο με την πιο αργή χωρητικότητα αποτελεί αδύναμο σημείο. Η εξισορρόπηση στοιχείων είναι μία από τις βασικές λειτουργίες του BMS, μαζί με την παρακολούθηση της θερμοκρασίας, τη φόρτιση και άλλες λειτουργίες που βοηθούν στη μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής της συσκευασίας. Άλλοι λόγοι για την εξισορρόπηση της μπαταρίας: Η μπαταρία LifePo4 δεν χρησιμοποιεί επαρκώς ενέργεια Η απορρόφηση περισσότερου ρεύματος από αυτό για το οποίο έχει σχεδιαστεί η μπαταρία ή το βραχυκύκλωμα της μπαταρίας είναι πολύ πιθανό να προκαλέσει πρόωρη βλάβη της μπαταρίας. Όταν μια μπαταρία LifePo4 αποφορτίζεται, τα πιο αδύναμα στοιχεία θα αποφορτιστούν ταχύτερα από τα υγιή στοιχεία και θα φτάσουν στην ελάχιστη τάση ταχύτερα από άλλα στοιχεία. Όταν ένα στοιχείο φτάσει στην ελάχιστη τάση, ολόκληρη η μπαταρία αποσυνδέεται επίσης από το φορτίο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια αχρησιμοποίητη χωρητικότητα ενέργειας της μπαταρίας. Αποικοδόμηση κυττάρων Όταν μια μπαταρία LifePo4 υπερφορτίζεται έστω και λίγο πάνω από την προτεινόμενη τιμή, μειώνεται η αποτελεσματικότητα και η διάρκεια ζωής της. Για παράδειγμα, μια μικρή αύξηση στην τάση φόρτισης από 3,2V σε 3,25V θα καταστρέψει την μπαταρία πιο γρήγορα κατά 30%. Έτσι, εάν η εξισορρόπηση της μπαταρίας δεν είναι ακριβής, μια μικρή υπερφόρτιση θα μειώσει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Ατελής φόρτιση ενός πακέτου κινητής τηλεφωνίας Οι μπαταρίες LifePo4 τροφοδοτούνται με συνεχές ρεύμα μεταξύ 0,5 και 1,0. Η τάση της μπαταρίας LifePo4 αυξάνεται καθώς η φόρτιση συνεχίζεται για να φτάσει στο μέγιστο όταν φορτιστεί πλήρως και στη συνέχεια μειώνεται. Σκεφτείτε τρία στοιχεία με 85 Ah, 86 Ah και 87 Ah αντίστοιχα και 100% SoC, και όλα τα στοιχεία στη συνέχεια απελευθερώνονται και το SoC τους μειώνεται. Μπορείτε γρήγορα να διαπιστώσετε ότι το στοιχείο 1 καταλήγει να είναι το πρώτο που ξεμένει από ενέργεια, επειδή έχει τη χαμηλότερη χωρητικότητα. Όταν τροφοδοτούνται οι κυψέλες και το ίδιο ρεύμα ρέει μέσω των κυψελών, για άλλη μια φορά, το κύτταρο 1 κολλάει κατά τη διάρκεια της φόρτισης και μπορεί να θεωρηθεί πλήρως φορτισμένο καθώς τα άλλα δύο κελιά είναι πλήρως φορτισμένα. Αυτό σημαίνει ότι τα κελιά 1 έχουν μειωμένη Κουλομετρική Απόδοση (CE) λόγω της αυτοθέρμανσης του κελιού που οδηγεί σε ανομοιομορφία των κυψελών. Θερμική Απόδραση Το πιο τρομερό σημείο που μπορεί να συμβεί είναι η θερμική διαρροή. Όπως καταλαβαίνουμεκυψέλες λιθίουείναι πολύ ευαίσθητα στην υπερφόρτιση καθώς και στην υπερεκφόρτιση. Σε μια συσκευασία 4 μπαταριών, εάν η μία μπαταρία είναι 3,5 V ενώ οι άλλες είναι 3,2 V, η φόρτιση θα φορτίσει όλες τις μπαταρίες μαζί επειδή είναι σε σειρά και θα φορτίσει την μπαταρία 3,5 V με τάση υψηλότερη από την συνιστώμενη, επειδή οι άλλες μπαταρίες χρειάζονται ακόμα φόρτιση. Αυτό οδηγεί σε θερμική διαφυγή όταν το ποσοστό εσωτερικής παραγωγής θερμότητας υπερβαίνει τον ρυθμό με τον οποίο μπορεί να απελευθερωθεί η θερμότητα. Αυτό προκαλεί τη θερμική ανεξέλεγκτη λειτουργία της μπαταρίας LifePo4. Τι προκαλεί την ανισορροπία των κυψελών στις μπαταρίες; Τώρα καταλαβαίνουμε γιατί είναι απαραίτητο να διατηρούμε όλα τα στοιχεία σε ισορροπία σε μια μπαταρία. Ωστόσο, για να αντιμετωπίσουμε σωστά το πρόβλημα, θα πρέπει να γνωρίζουμε από πρώτο χέρι γιατί τα στοιχεία παρουσιάζουν αστάθεια. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, όταν μια μπαταρία κατασκευάζεται τοποθετώντας τα στοιχεία σε σειρά, διασφαλίζεται ότι όλα τα στοιχεία παραμένουν στα ίδια επίπεδα τάσης. Έτσι, μια νέα μπαταρία θα έχει πάντα ισορροπημένα στοιχεία. Ωστόσο, καθώς η μπαταρία τίθεται σε χρήση, τα στοιχεία χάνουν την ισορροπία τους λόγω των ακόλουθων παραγόντων. Απόκλιση SOC Η μέτρηση του SOC ενός κελιού είναι περίπλοκη. Ως εκ τούτου, είναι πολύ περίπλοκο να μετρηθεί το SOC συγκεκριμένων κελιών σε μια μπαταρία. Μια βέλτιστη μέθοδος εναρμόνισης κελιών θα πρέπει να ταιριάζει με τα κελιά του ίδιου SOC αντί για τα ίδια ακριβώς επίπεδα τάσης (OCV). Αλλά επειδή είναι σχεδόν αδύνατο τα κελιά να ταιριάζουν μόνο ως προς την τάση κατά την κατασκευή μιας συστοιχίας, η παραλλαγή στο SOC μπορεί να οδηγήσει σε μια τροποποίηση στο OCV μελλοντικά. Παραλλαγή εσωτερικής αντίστασης Είναι εξαιρετικά δύσκολο να βρεθούν στοιχεία με την ίδια εσωτερική αντίσταση (IR) και καθώς η μπαταρία γερνάει, το IR του στοιχείου αλλάζει επίσης και επομένως σε μια μπαταρία δεν θα έχουν όλα τα στοιχεία το ίδιο IR. Όπως καταλαβαίνουμε, το IR προσθέτει στην εσωτερική αντοχή του στοιχείου, η οποία καθορίζει το ρεύμα που ρέει μέσα από ένα στοιχείο. Επειδή το IR μεταβάλλεται, το ρεύμα μέσω του στοιχείου και η τάση του επίσης διαφέρουν. Επίπεδο θερμοκρασίας Η ικανότητα φόρτισης και απελευθέρωσης της κυψέλης εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία γύρω της. Σε μια σημαντική συστοιχία μπαταριών, όπως στα ηλεκτρικά οχήματα ή στις ηλιακές συστοιχίες, τα στοιχεία κατανέμονται σε μια περιοχή απορριμμάτων και μπορεί να υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της ίδιας της συστοιχίας, με αποτέλεσμα ένα στοιχείο να φορτίζει ή να εκφορτίζεται ταχύτερα από τα υπόλοιπα στοιχεία, προκαλώντας ανισότητα. Από τους παραπάνω παράγοντες, είναι σαφές ότι δεν μπορούμε να αποτρέψουμε την ανισορροπία των κυψελών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Επομένως, η μόνη λύση είναι να χρησιμοποιήσουμε ένα εξωτερικό σύστημα που απαιτεί από τα κυψέλες να επανέλθουν σε ισορροπία αφού χάσουν την ισορροπία τους. Αυτό το σύστημα ονομάζεται Σύστημα Εξισορρόπησης Μπαταρίας. 
Πώς να επιτύχω ισορροπία μεταξύ της μπαταρίας LiFePo4; Σύστημα Διαχείρισης Μπαταριών (BMS) Γενικά, η μπαταρία LiFePo4 δεν μπορεί να επιτύχει εξισορρόπηση μπαταρίας από μόνη της, μπορεί να επιτευχθεί μεσύστημα διαχείρισης μπαταριών(BMS). Ο κατασκευαστής της μπαταρίας θα ενσωματώσει τη λειτουργία εξισορρόπησης της μπαταρίας και άλλες λειτουργίες προστασίας, όπως προστασία από υπερφόρτιση, ένδειξη SOC, συναγερμό/προστασία από υπερθέρμανση κ.λπ. σε αυτήν την πλακέτα BMS. Φορτιστής μπαταρίας ιόντων λιθίου με λειτουργία εξισορρόπησης Γνωστός και ως «φορτιστής μπαταριών εξισορρόπησης», ο φορτιστής ενσωματώνει μια λειτουργία εξισορρόπησης για να υποστηρίζει διαφορετικές μπαταρίες με διαφορετικό αριθμό στοιχειοσειρών (π.χ. 1~6S). Ακόμα κι αν η μπαταρία σας δεν διαθέτει πλακέτα BMS, μπορείτε να φορτίσετε την μπαταρία ιόντων λιθίου με αυτόν τον φορτιστή μπαταρίας για να επιτύχετε εξισορρόπηση. Πίνακας εξισορρόπησης Όταν χρησιμοποιείτε έναν ισορροπημένο φορτιστή μπαταρίας, πρέπει επίσης να συνδέσετε τον φορτιστή και την μπαταρία σας στην πλακέτα εξισορρόπησης επιλέγοντας μια συγκεκριμένη υποδοχή από την πλακέτα εξισορρόπησης. Μονάδα κυκλώματος προστασίας (PCM) Η πλακέτα PCM είναι μια ηλεκτρονική πλακέτα που συνδέεται με την μπαταρία LiFePo4 και η κύρια λειτουργία της είναι να προστατεύει την μπαταρία και τον χρήστη από δυσλειτουργία. Για να διασφαλιστεί η ασφαλής χρήση, η μπαταρία LiFePo4 πρέπει να λειτουργεί υπό πολύ αυστηρές παραμέτρους τάσης. Ανάλογα με τον κατασκευαστή και τη χημική σύνθεση της μπαταρίας, αυτή η παράμετρος τάσης κυμαίνεται μεταξύ 3,2 V ανά στοιχείο για αποφορτισμένες μπαταρίες και 3,65 V ανά στοιχείο για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Η πλακέτα PCM παρακολουθεί αυτές τις παραμέτρους τάσης και αποσυνδέει την μπαταρία από το φορτίο ή τον φορτιστή σε περίπτωση υπέρβασής τους. Στην περίπτωση μίας μόνο μπαταρίας LiFePo4 ή πολλαπλών μπαταριών LiFePo4 συνδεδεμένων παράλληλα, αυτό επιτυγχάνεται εύκολα επειδή η πλακέτα PCM παρακολουθεί τις μεμονωμένες τάσεις. Ωστόσο, όταν συνδέονται πολλές μπαταρίες σε σειρά, η πλακέτα PCM πρέπει να παρακολουθεί την τάση κάθε μπαταρίας. Τύποι εξισορρόπησης μπαταρίας Έχουν αναπτυχθεί διάφοροι αλγόριθμοι εξισορρόπησης μπαταριών για τη συστοιχία μπαταριών LiFePo4. Χωρίζεται σε παθητικές και ενεργητικές μεθόδους εξισορρόπησης μπαταριών με βάση την τάση της μπαταρίας και το SOC. 
Παθητική εξισορρόπηση μπαταρίας Η τεχνική παθητικής εξισορρόπησης μπαταρίας διαχωρίζει το πλεονάζον φορτίο από μια πλήρως ενεργοποιημένη μπαταρία LiFePo4 μέσω στοιχείων αντίστασης και δίνει σε όλα τα στοιχεία παρόμοιο φορτίο με τη χαμηλότερη φόρτιση μπαταρίας LiFePo4. Αυτή η τεχνική είναι πιο αξιόπιστη και χρησιμοποιεί λιγότερα εξαρτήματα, μειώνοντας έτσι το συνολικό κόστος του συστήματος. Ωστόσο, η τεχνολογία μειώνει την απόδοση του συστήματος καθώς η ενέργεια διαχέεται με τη μορφή θερμότητας που δημιουργεί απώλεια ενέργειας. Επομένως, αυτή η τεχνολογία είναι κατάλληλη για εφαρμογές χαμηλής ισχύος. 
Ενεργή εξισορρόπηση μπαταρίας Η ενεργητική εξισορρόπηση φόρτισης αποτελεί λύση στις προκλήσεις που σχετίζονται με τις μπαταρίες LiFePo4. Η τεχνική ενεργητικής εξισορρόπησης στοιχείων αποφορτίζει το φορτίο από την μπαταρία LiFePo4 υψηλότερης ενέργειας και το μεταφέρει στην μπαταρία LiFePo4 χαμηλότερης ενέργειας. Σε σύγκριση με την τεχνολογία παθητικής εξισορρόπησης στοιχείων, αυτή η τεχνική εξοικονομεί ενέργεια στη μονάδα μπαταρίας LiFePo4, αυξάνοντας έτσι την απόδοση του συστήματος και απαιτεί λιγότερο χρόνο για την εξισορρόπηση μεταξύ των στοιχείων της συστοιχίας μπαταριών LiFePo4, επιτρέποντας υψηλότερα ρεύματα φόρτισης. Ακόμα και όταν η συστοιχία μπαταριών LiFePo4 είναι σε ηρεμία, ακόμη και οι τέλεια ταιριασμένες μπαταρίες LiFePo4 χάνουν φορτίο με διαφορετικούς ρυθμούς, επειδή ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης ποικίλλει ανάλογα με την κλίση της θερμοκρασίας: μια αύξηση 10°C στη θερμοκρασία της μπαταρίας ήδη διπλασιάζει τον ρυθμό αυτοεκφόρτισης. Ωστόσο, η ενεργητική εξισορρόπηση φόρτισης μπορεί να επαναφέρει τα στοιχεία σε ισορροπία, ακόμη και αν βρίσκονται σε ηρεμία. Ωστόσο, αυτή η τεχνική έχει πολύπλοκα κυκλώματα, γεγονός που αυξάνει το συνολικό κόστος του συστήματος. Επομένως, η ενεργητική εξισορρόπηση στοιχείων είναι κατάλληλη για εφαρμογές υψηλής ισχύος. Υπάρχουν διάφορες τοπολογίες κυκλωμάτων ενεργητικής εξισορρόπησης που ταξινομούνται ανάλογα με τα εξαρτήματα αποθήκευσης ενέργειας, όπως πυκνωτές, επαγωγείς/μετασχηματιστές και ηλεκτρονικοί μετατροπείς. Συνολικά, το ενεργό σύστημα διαχείρισης μπαταριών μειώνει το συνολικό κόστος της μπαταρίας LiFePo4, επειδή δεν απαιτεί υπερμεγέθη κυψέλες για να αντισταθμιστεί η διασπορά και η ανομοιόμορφη γήρανση μεταξύ των μπαταριών LiFePo4. Η ενεργή διαχείριση μπαταριών καθίσταται κρίσιμη όταν τα παλιά κυψέλες αντικαθίστανται με νέα κυψέλες και υπάρχει σημαντική διακύμανση εντός της μπαταρίας LiFePo4. Δεδομένου ότι τα ενεργά συστήματα διαχείρισης μπαταριών καθιστούν δυνατή την εγκατάσταση κυψελών με μεγάλες διακυμάνσεις παραμέτρων σε συστοιχίες μπαταριών LiFePo4, η απόδοση παραγωγής αυξάνεται ενώ το κόστος εγγύησης και συντήρησης μειώνεται. Επομένως, τα ενεργά συστήματα διαχείρισης μπαταριών ωφελούν την απόδοση, την αξιοπιστία και την ασφάλεια της μπαταρίας, ενώ παράλληλα συμβάλλουν στη μείωση του κόστους. Συνοψίζω Προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι επιπτώσεις της απόκλισης τάσης των κυψελών, οι ανισορροπίες πρέπει να μετριάζονται σωστά. Ο στόχος οποιασδήποτε λύσης εξισορρόπησης είναι να επιτρέψει στην μπαταρία LiFePo4 να λειτουργεί στο προβλεπόμενο επίπεδο απόδοσης και να επεκτείνει τη διαθέσιμη χωρητικότητά της. Η εξισορρόπηση της μπαταρίας δεν είναι σημαντική μόνο για τη βελτίωση της απόδοσης καικύκλος ζωής των μπαταριών, προσθέτει επίσης έναν παράγοντα ασφαλείας στην μπαταρία LiFePo4. Μία από τις αναδυόμενες τεχνολογίες για τη βελτίωση της ασφάλειας της μπαταρίας και την παράταση της διάρκειας ζωής της. Καθώς η νέα τεχνολογία εξισορρόπησης μπαταριών παρακολουθεί την ποσότητα εξισορρόπησης που απαιτείται για μεμονωμένα στοιχεία LiFePo4, παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας LiFePo4 και βελτιώνει τη συνολική ασφάλεια της μπαταρίας.
Ώρα δημοσίευσης: 8 Μαΐου 2024