Όταν οι συσκευές χρειάζονται μακροχρόνια, υψηλή απόδοσηΠακέτο μπαταρίας LifePo4, πρέπει να ισορροπούν κάθε κύτταρο. 
Γιατί η μπαταρία LifePo4 χρειάζεται εξισορρόπηση της μπαταρίας; Οι μπαταρίες LifePo4 υπόκεινται σε πολλά χαρακτηριστικά όπως υπέρταση, χαμηλή τάση, ρεύμα υπερφόρτισης και εκφόρτισης, θερμική διαρροή και ανισορροπία τάσης μπαταρίας. Ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες είναι η ανισορροπία της κυψέλης, η οποία αλλάζει την τάση κάθε στοιχείου στη συσκευασία με την πάροδο του χρόνου, μειώνοντας έτσι γρήγορα τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Όταν η μπαταρία LifePo4 έχει σχεδιαστεί για να χρησιμοποιεί πολλαπλές κυψέλες σε σειρά, είναι σημαντικό να σχεδιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά για να εξισορροπούνται σταθερά οι τάσεις των στοιχείων. Αυτό δεν είναι μόνο για την απόδοση της μπαταρίας, αλλά και για τη βελτιστοποίηση του κύκλου ζωής. Η ανάγκη για δόγμα είναι ότι η εξισορρόπηση της μπαταρίας συμβαίνει πριν και μετά την κατασκευή της μπαταρίας και πρέπει να γίνεται σε όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής της μπαταρίας, προκειμένου να διατηρηθεί 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 σκυλιά έλκηθρου. Το έλκηθρο μπορεί να τραβηχτεί με μέγιστη απόδοση μόνο εάν όλα τα σκυλιά έλκηθρου τρέχουν με την ίδια ταχύτητα. Με τέσσερα σκυλιά έλκηθρου, εάν ένας σκύλος έλκηθρου τρέχει αργά, τότε και τα άλλα τρία σκυλιά έλκηθρου πρέπει επίσης να μειώσουν την ταχύτητά τους, μειώνοντας έτσι την απόδοση, και εάν ένας σκύλος έλκηθρου τρέχει πιο γρήγορα, θα καταλήξει να τραβήξει το φορτίο των άλλων τριών έλκηθρων και πληγώνει τον εαυτό του. Επομένως, όταν πολλαπλές κυψέλες LifePo4 είναι συνδεδεμένες σε σειρά, οι τιμές τάσης όλων των κυψελών θα πρέπει να είναι ίσες προκειμένου να ληφθεί μια πιο αποτελεσματική μπαταρία LifePo4. 
Η ονομαστική μπαταρία LifePo4 είναι μόνο περίπου 3,2 V, αλλά σεοικιακά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, φορητά τροφοδοτικά, βιομηχανικές, τηλεπικοινωνιακές, ηλεκτρικά οχήματα και εφαρμογές μικροδικτύων, χρειαζόμαστε πολύ υψηλότερη από την ονομαστική τάση. Τα τελευταία χρόνια, οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες LifePo4 έχουν παίξει 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 φιλικότητας προς το περιβάλλον. Η εξισορρόπηση κυψέλης διασφαλίζει ότι η τάση και η χωρητικότητα κάθε κυψέλης LifePo4 είναι στο ίδιο επίπεδο, διαφορετικά, η εμβέλεια και η διάρκεια ζωής της μπαταρίας LiFePo4 θα μειωθεί σημαντικά και η απόδοση της μπαταρίας θα υποβαθμιστεί! Επομένως, η ισορροπία κυψελών LifePo4 είναι ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες για τον καθορισμό της ποιότητας της μπαταρίας. Κατά τη λειτουργία, θα προκύψει ένα μικρό διάκενο τάσης, αλλά μπορούμε να το διατηρήσουμε σε ένα αποδεκτό εύρος μέσω της εξισορρόπησης κυψέλης. Κατά τη διάρκεια της εξισορρόπησης, οι κυψέλες μεγαλύτερης χωρητικότητας υποβάλλονται σε πλήρη κύκλο φόρτισης/εκφόρτισης. Χωρίς εξισορρόπηση κυψελών, το στοιχείο με την πιο αργή χωρητικότητα είναι ένα αδύναμο σημείο. Η εξισορρόπηση κυψελών είναι μία από τις βασικές λειτουργίες του BMS, μαζί με την παρακολούθηση της θερμοκρασίας, τη φόρτιση και άλλες λειτουργίες που συμβάλλουν στη μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής του πακέτου. Άλλοι λόγοι για την εξισορρόπηση της μπαταρίας: Η μπαταρία LifePo4 pcak ατελής χρήση ενέργειας Η απορρόφηση περισσότερου ρεύματος από ό,τι έχει σχεδιαστεί για την μπαταρία ή το βραχυκύκλωμα της μπαταρίας είναι πολύ πιθανό να προκαλέσει πρόωρη βλάβη της μπαταρίας. Όταν αποφορτίζεται μια μπαταρία LifePo4, τα ασθενέστερα κύτταρα θα εκφορτίζονται γρηγορότερα από τα υγιή κύτταρα και θα φτάσουν την ελάχιστη τάση γρηγορότερα από άλλες κυψέλες. Όταν μια κυψέλη 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 ένα κύτταρο LifePo4 υπερφορτίζεται έστω και λίγο πάνω από την προτεινόμενη αξία του, η αποτελεσματικότητα και επίσης η διαδικασία ζωής του κυττάρου μειώνεται. Για παράδειγμα, μια μικρή αύξηση της τάσης φόρτισης από 3,2 V σε 3,25 V θα καταστρέψει την μπαταρία γρηγορότερα κατά 30%. Έτσι, εάν η εξισορρόπηση κυψέλης δεν είναι ακριβής, επίσης η μικρή υπερφόρτιση θα μειώσει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Ατελής Φόρτιση Πακέτο Κυψέλης Οι μπαταρίες LifePo4 χρεώνονται με συνεχές ρεύμα μεταξύ 0,5 και 1,0. Η τάση της μπαταρίας LifePo4 αυξάνεται καθώς η φόρτιση προχωρά για να φτάσει στο ανώτατο όριο όταν χρεωθεί πλήρως και, κατά συνέπεια, πέφτει. Σκεφτείτε τρία κελιά με 85 Ah, 86 Ah και 87 Ah αντίστοιχα και 100 τοις εκατό SoC, και όλα τα κύτταρα απελευθερώνονται μετά από αυτό και επίσης μειώνεται το SoC τους. Μπορείτε να μάθετε γρήγορα ότι το κελί 1 καταλήγει να είναι το πρώτο που ξεμένει από ενέργεια δεδομένου ότι έχει τη χαμηλότερη ικανότητα. Όταν τίθεται ρεύμα στις συσκευασίες κυψελών καθώς και το ίδιο υπάρχον ρέει μέσω των κυψελών, για άλλη μια φορά, το κελί 1 κρέμεται πίσω κατά τη διάρκεια της φόρτισης και μπορεί να ληφθεί υπόψη πλήρως φορτισμένο καθώς οι διάφορες άλλες δύο κυψέλες είναι πλήρως φορτισμένες. Αυτό σημαίνει ότι τα κύτταρα 1 έχουν μειωμένη κουλομετρική αποτελεσματικότητα (CE) λόγω της αυτοθέρμανσης του στοιχείου που έχει ως αποτέλεσμα την ανισότητα των κυττάρων. Θερμική φυγή Το πιο απαίσιο σημείο που μπορεί να συμβεί είναι η θερμική φυγή. Όπως καταλαβαίνουμεκύτταρα λιθίουείναι πολύ ευαίσθητα στην υπερφόρτιση καθώς και στην υπερφόρτιση. Σε ένα πακέτο 4 κυψελών εάν το ένα στοιχείο είναι 3,5 V ενώ το άλλο είναι 3,2 V, η χρέωση σίγουρα θα χρεώσει όλα τα κύτταρα μαζί επειδή είναι σε σειρά και επίσης θα χρεώσει το στοιχείο 3,5 V σε τάση μεγαλύτερη από την προτεινόμενη Άλλες μπαταρίες εξακολουθούν να χρειάζονται φόρτιση. Αυτό οδηγεί σε θερμική διαφυγή όταν η τιμή της εσωτερικής παραγωγής θερμότητας ξεπερνά τον ρυθμό με τον οποίο μπορεί να απελευθερωθεί η θερμότητα. Αυτό κάνει το πακέτο μπαταριών LifePo4 να γίνει θερμικά μη ελεγχόμενο. Τι πυροδοτεί την ανισορροπία κυψελών σε πακέτα μπαταριών; Τώρα καταλαβαίνουμε γιατί είναι απαραίτητο να κρατάμε ισορροπημένα όλα τα κύτταρα σε μια μπαταρία. Ωστόσο, για να αντιμετωπιστεί σωστά το πρόβλημα, θα πρέπει να γνωρίζουμε γιατί τα κύτταρα αποκτούν μη ισορροπημένη από πρώτο χέρι. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, όταν δημιουργείται μια μπαταρία τοποθετώντας τις κυψέλες σε σειρά, διασφαλίζεται ότι όλες οι κυψέλες παραμένουν στα ίδια επίπεδα τάσης. Έτσι, μια νέα μπαταρία θα έχει πάντα πραγματικά ισορροπημένα κύτταρα. Ωστόσο, καθώς το πακέτο τίθεται σε χρήση, τα κύτταρα βγαίνουν εκτός ισορροπίας λόγω της συμμόρφωσης με παράγοντες. Ασυμφωνία SOC Η μέτρηση του SOC ενός κυττάρου είναι περίπλοκη. Ως εκ τούτου, είναι πολύ περίπλοκο να μετρηθεί το SOC συγκεκριμένων κυψελών σε μια μπαταρία. Μια βέλτιστη μέθοδος εναρμόνισης κυψελών θα πρέπει να ταιριάζει με τις κυψέλες του ίδιου SOC αντί για τους ίδιους ακριβώς βαθμούς τάσης (OCV). Αλλά επειδή είναι σχεδόν αδύνατον οι κυψέλες να ταιριάζουν μόνο με όρους τάσης κατά την κατασκευή ενός πακέτου, η παραλλαγή στο SOC μπορεί να οδηγήσει σε τροποποίηση του OCV σε εύθετο χρόνο. Παραλλαγή εσωτερικής αντίστασης Είναι εξαιρετικά δύσκολο να βρεθούν κύτταρα ίδιας εσωτερικής αντίστασης (IR) και καθώς γερνάει η μπαταρία, το IR της κυψέλης αλλάζει επιπλέον, καθώς και επομένως σε μια μπαταρία δεν θα έχουν όλες οι κυψέλες το ίδιο IR. Όπως καταλαβαίνουμε το IR προσθέτει στην εσωτερική αναισθησία της κυψέλης, η οποία καθορίζει την τρέχουσα ροή μέσω μιας κυψέλης. Επειδή το IR μεταβάλλεται, το ρεύμα μέσω της κυψέλης και επίσης η τάση του γίνεται επίσης διαφορετική. Επίπεδο θερμοκρασίας Η ικανότητα χρέωσης και απελευθέρωσης του στοιχείου εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία γύρω από αυτό. Σε ένα σημαντικό πακέτο μπαταριών, όπως στα EV ή στις ηλιακές συστοιχίες, οι κυψέλες κατανέμονται σε μια περιοχή απορριμμάτων και μπορεί να υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του ίδιου του πακέτου, δημιουργώντας ένα στοιχείο να φορτίζει ή να αποφορτίζεται γρηγορότερα από τα υπόλοιπα στοιχεία, προκαλώντας ανισότητα. Από τους παραπάνω παράγοντες, είναι σαφές ότι δεν μπορούμε να αποτρέψουμε την ανισορροπία των κυττάρων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Έτσι, η μόνη λύση είναι να χρησιμοποιήσετε ένα εξωτερικό σύστημα που απαιτεί από τα κύτταρα να εξισορροπηθούν και πάλι αφού αποκτήσουν μη ισορροπία. Αυτό το σύστημα ονομάζεται Σύστημα Εξισορρόπησης Μπαταριών. 
Πώς να επιτύχετε την ισορροπία της μπαταρίας LiFePo4; Σύστημα διαχείρισης μπαταριών (BMS) Γενικά η μπαταρία LiFePo4 δεν μπορεί να επιτύχει την εξισορρόπηση της μπαταρίας από μόνη της, μπορεί να επιτευχθεί μεσύστημα διαχείρισης μπαταρίας(BMS). Ο κατασκευαστής της μπαταρίας θα ενσωματώσει τη λειτουργία εξισορρόπησης της μπαταρίας και άλλες λειτουργίες προστασίας, όπως προστασία φόρτισης έναντι τάσης, ένδειξη SOC, συναγερμός/προστασία έναντι θερμοκρασίας κ.λπ. σε αυτήν την πλακέτα BMS. Φορτιστής μπαταρίας Li-ion με λειτουργία εξισορρόπησης Γνωστός και ως "φορτιστής μπαταριών ισορροπίας", 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 Li-ion με αυτόν τον φορτιστή μπαταρίας για να επιτύχετε την 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 κάτω από πολύ αυστηρές παραμέτρους τάσης. Ανάλογα με τον κατασκευαστή της μπαταρίας και τη χημεία, 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 το φορτιστή σε περίπτωση υπέρβασης. Στην περίπτωση μιας μπαταρίας LiFePo4 ή πολλαπλών μπαταριών LiFePo4 συνδεδεμένων παράλληλα, αυτό επιτυγχάνεται εύκολα επειδή η πλακέτα PCM παρακολουθεί τις μεμονωμένες τάσεις. Ωστόσο, όταν πολλές μπαταρίες συνδέονται σε σειρά, η πλακέτα PCM πρέπει να παρακολουθεί την τάση κάθε μπαταρίας. Τύποι εξισορρόπησης μπαταριών Για το πακέτο μπαταριών LiFePo4 έχουν αναπτυχθεί διάφοροι αλγόριθμοι εξισορρόπησης μπαταριών. Χωρίζεται σε παθητικές και ενεργητικές μεθόδους εξισορρόπησης μπαταρίας με βάση την τάση της μπαταρίας και το SOC. 
Παθητική εξισορρόπηση μπαταρίας Η τεχνική παθητικής εξισορρόπησης της μπαταρίας διαχωρίζει την υπερβολική φόρτιση από μια πλήρως ενεργοποιημένη μπαταρία LiFePo4 μέσω στοιχείων αντίστασης και δίνει σε όλες τις κυψέλες παρόμοια φόρτιση 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 προκαλεί απώλεια ενέργειας. Επομένως, αυτή η τεχνολογία είναι κατάλληλη για εφαρμογές χαμηλής ισχύος. 
Ενεργή εξισορρόπηση μπαταρίας Η ενεργή εξισορρόπηση φόρτισης είναι μια λύση στις προκλήσεις που σχετίζονται με τις μπαταρίες LiFePo4. Η τεχνική ενεργού εξισορρόπησης κυψελών αποφορτίζει τη φόρτιση από την μπαταρία LiFePo4 υψηλότερης ενέργειας και τη μεταφέρει στην μπαταρία LiFePo4 χαμηλότερης ενέργειας. Σε σύγκριση με την τεχνολογία παθητικής εξισορρόπησης κυψελών, αυτή η τεχνική εξοικονομεί ενέργεια στη μονάδα μπαταρίας LiFePo4, αυξάνοντας έτσι την απόδοση του συστήματος και απαιτεί λιγότερο χρόνο για να ισορροπήσει μεταξύ των κυψελών της μπαταρίας LiFePo4, επιτρέποντας υψηλότερα ρεύματα φόρτισης. Ακόμη και όταν το πακέτο μπαταριών LiFePo4 είναι σε ηρεμία, ακόμη και οι απόλυτα ταιριασμένες μπαταρίες LiFePo4 χάνουν τη φόρτισή τους με διαφορετικούς ρυθμούς, επειδή ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης ποικίλλει ανάλογα με την κλίση θερμοκρασίας: μια αύξηση 10°C στη θερμοκρασία της μπαταρίας ήδη διπλασιάζει τον ρυθμό αυτοεκφόρτισης . Ωστόσο, η ενεργητική εξισορρόπηση φορτίου μπορεί να επαναφέρει τα κύτταρα σε ισορροπία, ακόμη και αν βρίσκονται σε ηρεμία. Ωστόσο, αυτή η τεχνική έχει πολύπλοκα κυκλώματα, τα οποία αυξάνουν το συνολικό κόστος του συστήματος. Επομένως, η ενεργή εξισορρόπηση κυψελών είναι κατάλληλη για εφαρμογές υψηλής ισχύος. Υπάρχουν διάφορες τοπολογίες ενεργών κυκλωμάτων εξισορρόπησης που ταξινομούνται σύμφωνα με 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 των κυψελών για να αντισταθμιστεί η διασπορά και η ανομοιόμορφη γήρανση μεταξύ των μπαταριών LiFePo4. Η ενεργή διαχείριση της μπαταρίας γίνεται κρίσιμη όταν οι παλιές κυψέλες αντικαθίστανται με νέες και υπάρχει σημαντική διαφοροποίηση στο πακέτο μπαταριών LiFePo4. Δεδομένου ότι τα ενεργά συστήματα διαχείρισης μπαταριών καθιστούν δυνατή την εγκατάσταση κυψελών με μεγάλες παραλλαγές παραμέτρων στα πακέτα μπαταριών LiFePo4, οι αποδόσεις παραγωγής αυξάνονται ενώ το κόστος εγγύησης και συντήρησης μειώνεται. Επομένως, τα ενεργά συστήματα διαχείρισης μπαταριών ωφελούν την απόδοση, την αξιοπιστία και την ασφάλεια της μπαταρίας, ενώ συμβάλλουν στη μείωση του κόστους. Συνοψίζω Προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι επιπτώσεις της μετατόπισης τάσης κυψέλης, οι ανισορροπίες πρέπει να μετριάζονται σωστά. Ο στόχος οποιασδήποτε λύσης εξισορρόπησης είναι να επιτρέψει στη μπαταρία LiFePo4 να λειτουργεί στο προβλεπόμενο επίπεδο απόδοσης και να επεκτείνει τη διαθέσιμη χωρητικότητά της. Η εξισορρόπηση της μπαταρίας δεν είναι μόνο σημαντική για τη βελτίωση της απόδοσης καικύκλος ζωής των μπαταριών, προσθέτει επίσης έναν παράγοντα ασφαλείας στο πακέτο μπαταριών LiFePo4. Μία από τις αναδυόμενες τεχνολογίες για τη βελτίωση της ασφάλειας της μπαταρίας και την παράταση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας. Καθώς η νέα τεχνολογία εξισορρόπησης μπαταριών παρακολουθεί την ποσότητα εξισορρόπησης που απαιτείται για μεμονωμένες κυψέλες LiFePo4, επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας LiFePo4 και ενισχύει τη συνολική ασφάλεια της μπαταρίας.
Ώρα δημοσίευσης: Μάιος-08-2024