چگونه Cell Balancing عمر بسته باتری LifePo4 را افزایش می دهد؟

زمانی که دستگاه ها نیاز به ماندگاری و کارایی بالا دارندبسته باتری LifePo4، آنها باید هر سلول را متعادل کنند. چرا بسته باتری LifePo4 به تعادل باتری نیاز دارد؟ باتری های LifePo4 تابع بسیاری از ویژگی ها مانند اضافه ولتاژ، کمبود ولتاژ، جریان بیش از حد شارژ و دشارژ، فرار حرارتی و عدم تعادل ولتاژ باتری هستند. یکی از مهم ترین عوامل عدم تعادل سلولی است که ولتاژ هر سلول در بسته را در طول زمان تغییر می دهد و در نتیجه ظرفیت باتری به سرعت کاهش می یابد. هنگامی که بسته باتری LifePo4 برای استفاده از چندین سلول به صورت سری طراحی شده است، طراحی مشخصات الکتریکی برای متعادل کردن ولتاژهای سلولی بسیار مهم است. این نه تنها برای عملکرد بسته باتری، بلکه برای بهینه سازی چرخه عمر است. نیاز به دکترین این است که تعادل باتری قبل و بعد از ساخت باتری اتفاق می افتد و باید در طول چرخه عمر باتری انجام شود تا عملکرد باتری بهینه حفظ شود! استفاده از متعادل کننده باتری به ما اجازه می دهد تا باتری هایی با ظرفیت بالاتر برای کاربردها طراحی کنیم زیرا تعادل به باتری اجازه می دهد تا به حالت شارژ بالاتر (SOC) دست یابد. شما می توانید تصور کنید که بسیاری از واحدهای LifePo4 Cell را به صورت سری به هم متصل کنید، گویی یک سورتمه با تعداد زیادی سگ سورتمه می کشید. سورتمه تنها در صورتی می‌تواند با حداکثر کارایی کشیده شود که همه سگ‌های سورتمه با سرعت یکسانی در حال دویدن باشند. با چهار سگ سورتمه، اگر یک سگ سورتمه آهسته بدود، سه سگ سورتمه دیگر نیز باید سرعت خود را کاهش دهند، در نتیجه کارایی آن کاهش می‌یابد، و اگر یک سگ سورتمه سریع‌تر بدود، بار سه سگ سورتمه دیگر را می‌کشد. به خود صدمه زدن بنابراین، هنگامی که چندین سلول LifePo4 به صورت سری متصل می شوند، مقادیر ولتاژ همه سلول ها باید برابر باشد تا بسته باتری LifePo4 کارآمدتر به دست آید. باتری اسمی LifePo4 تنها در حدود 3.2 ولت است، اما درسیستم های ذخیره انرژی خانگی، منابع تغذیه قابل حمل، صنعتی، مخابراتی، وسایل نقلیه الکتریکی و برنامه های ریزشبکه، ما به ولتاژ بسیار بالاتر از ولتاژ اسمی نیاز داریم. در سال‌های اخیر، باتری‌های قابل شارژ LifePo4 به دلیل وزن سبک، چگالی انرژی بالا، عمر طولانی، ظرفیت بالا، شارژ سریع، سطوح خود تخلیه پایین و سازگاری با محیط‌زیست نقش مهمی در باتری‌های برق و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ایفا کرده‌اند. بالانس سلولی تضمین می کند که ولتاژ و ظرفیت هر سلول LifePo4 در یک سطح باشد، در غیر این صورت، برد و طول عمر بسته باتری LiFePo4 بسیار کاهش می یابد و عملکرد باتری کاهش می یابد! بنابراین تعادل سلولی LifePo4 یکی از مهمترین عوامل در تعیین کیفیت باتری است. در حین کار، شکاف ولتاژ کمی رخ می دهد، اما می توانیم با استفاده از تعادل سلولی، آن را در محدوده قابل قبولی نگه داریم. در طول تعادل، سلول‌های با ظرفیت بالاتر یک چرخه شارژ/دشارژ کامل را پشت سر می‌گذارند. بدون تعادل سلولی، سلولی که کمترین ظرفیت را دارد یک نقطه ضعف است. تعادل سلولی یکی از عملکردهای اصلی BMS به همراه نظارت بر دما، شارژ و سایر عملکردهایی است که به حداکثر رساندن عمر بسته کمک می کند. دلایل دیگر برای بالانس باتری: باتری LifePo4 pcak مصرف انرژی ناقص است جذب جریان بیشتر از مقداری که باتری برای آن طراحی شده است یا کوتاه کردن باتری به احتمال زیاد باعث خرابی زودرس باتری می شود. هنگامی که بسته باتری LifePo4 در حال تخلیه است، سلول‌های ضعیف‌تر سریع‌تر از سلول‌های سالم تخلیه می‌شوند و سریع‌تر از سلول‌های دیگر به حداقل ولتاژ می‌رسند. هنگامی که یک سلول به حداقل ولتاژ می رسد، کل بسته باتری نیز از بار جدا می شود. این منجر به ظرفیت استفاده نشده انرژی بسته باتری می شود. تخریب سلولی هنگامی که یک سلول LifePo4 حتی کمی بیش از ارزش پیشنهادی خود بیش از حد شارژ می شود، کارایی آن و همچنین روند زندگی سلول کاهش می یابد. به عنوان مثال، افزایش جزئی در ولتاژ شارژ از 3.2 ولت به 3.25 ولت، باتری را تا 30 درصد سریعتر خراب می کند. بنابراین اگر تعادل سلولی دقیق نباشد، شارژ بیش از حد جزئی نیز باعث کاهش طول عمر باتری می شود. شارژ ناقص یک بسته سلولی باتری های LifePo4 با جریان پیوسته بین 0.5 تا 1.0 صورتحساب می شوند. ولتاژ باتری LifePo4 وقتی شارژ می شود بالا می رود تا زمانی که به طور کامل صورتحساب می شود و در نتیجه کاهش می یابد. به سه سلول با 85 Ah، 86 Ah و 87 Ah و 100 درصد SoC فکر کنید، و همه سلول ها پس از آن آزاد می شوند و همچنین SoC آنها کاهش می یابد. شما می توانید به سرعت متوجه شوید که سلول 1 با توجه به اینکه کمترین قابلیت را دارد، اولین سلولی است که انرژی تمام می کند. هنگامی که برق روی بسته‌های سلولی قرار می‌گیرد و همینطور همان موجود از طریق سلول‌ها جریان می‌یابد، یک بار دیگر، سلول 1 در طول شارژ معلق می‌شود و ممکن است به عنوان شارژ کامل در نظر گرفته شود زیرا دو سلول مختلف دیگر کاملاً شارژ می‌شوند. این بدان معناست که سلول‌های 1 به دلیل خودگرم شدن سلول که منجر به نابرابری سلولی می‌شود، اثر کولومتریک (CE) کاهش یافته است. فرار حرارتی وحشتناک ترین نقطه ای که می تواند رخ دهد فرار حرارتی است. همانطور که می فهمیمسلول های لیتیومینسبت به شارژ بیش از حد و همچنین تخلیه بیش از حد بسیار حساس هستند. در یک بسته 4 سلولی اگر یک سلول 3.5 ولت باشد در حالی که سلول های مختلف 3.2 ولت باشد، مطمئناً شارژ تمام سلول ها را با هم محاسبه می کند، زیرا آنها به صورت سری هستند و همچنین سلول 3.5 ولت را بیش از ولتاژ توصیه شده محاسبه می کند. باتری های دیگر هنوز نیاز به شارژ دارند. این منجر به فرار حرارتی می شود زمانی که قیمت تولید گرمای داخلی از سرعتی که گرما می تواند آزاد شود فراتر می رود. این باعث می شود بسته باتری LifePo4 از نظر حرارتی کنترل نشود. چه عواملی باعث عدم تعادل سلول در بسته های باتری می شود؟ اکنون می‌دانیم که چرا حفظ تعادل تمام سلول‌ها در یک بسته باتری ضروری است. با این حال، برای پرداختن به مشکل باید بدانیم که چرا سلول ها دست اول نامتعادل هستند. همانطور که قبلاً گفته شد، هنگامی که یک بسته باتری با قرار دادن سلول ها در سری ایجاد می شود، اطمینان حاصل می شود که تمام سلول ها در همان سطوح ولتاژ باقی می مانند. بنابراین یک بسته باتری تازه همیشه سلول های واقعا متعادلی خواهد داشت. با این حال، با استفاده از بسته، سلول ها به دلیل رعایت فاکتورها از تعادل خارج می شوند. اختلاف SOC اندازه گیری SOC یک سلول پیچیده است. از این رو اندازه گیری SOC سلول های خاص در باتری بسیار پیچیده است. یک روش هماهنگ سازی سلولی بهینه باید با سلول های همان SOC به جای ولتاژ دقیقاً یکسان (OCV) درجه مطابقت داشته باشد. اما از آنجایی که تقریباً نمی‌توان سلول‌ها را تنها از نظر ولتاژ در هنگام ساخت یک پک با هم تطبیق داد، نوع SOC ممکن است منجر به تغییر در OCV در زمان مناسب شود. نوع مقاومت داخلی یافتن سلول‌هایی با مقاومت داخلی (IR) یکسان بسیار دشوار است و با افزایش سن باتری، IR سلول نیز تغییر می‌کند و همچنین در یک بسته باتری همه سلول‌ها IR یکسانی ندارند. همانطور که می دانیم IR به عدم حساسیت درونی سلول می افزاید که جریان جریان را از طریق یک سلول تعیین می کند. از آنجایی که IR متغیر است جریان از طریق سلول و همچنین ولتاژ آن نیز متفاوت می شود. سطح دما قابلیت صدور صورت حساب و آزادسازی سلول به دمای اطراف آن نیز بستگی دارد. در یک بسته باتری قابل توجه مانند خودروهای برقی یا آرایه‌های خورشیدی، سلول‌ها در یک منطقه زباله توزیع می‌شوند و ممکن است تفاوت دما بین خود بسته وجود داشته باشد که باعث می‌شود یک سلول سریع‌تر از سلول‌های باقی‌مانده شارژ یا تخلیه شود و باعث نابرابری شود. با توجه به عوامل فوق، واضح است که ما نمی توانیم از عدم تعادل سلول ها در طول عمل جلوگیری کنیم. بنابراین، تنها راه حل، استفاده از یک سیستم بیرونی است که سلول ها را ملزم می کند تا پس از عدم تعادل، یک بار دیگر متعادل شوند. این سیستم را سیستم متعادل کننده باتری می نامند. چگونه به تعادل بسته باتری LiFePo4 برسیم؟ سیستم مدیریت باتری (BMS) به طور کلی بسته باتری LiFePo4 نمی تواند به خودی خود تعادل باتری را به دست آورد، می توان آن را به دست آوردسیستم مدیریت باتری(BMS). سازنده باتری عملکرد متعادل کننده باتری و سایر عملکردهای حفاظتی مانند حفاظت از شارژ بیش از ولتاژ، نشانگر SOC، هشدار/حفاظت بیش از حد دما و غیره را در این برد BMS یکپارچه می کند. شارژر باتری لیتیوم یون با عملکرد متعادل کننده همچنین به عنوان "شارژر باتری تعادل" شناخته می شود، این شارژر یک عملکرد تعادل را برای پشتیبانی از باتری های مختلف با تعداد رشته های مختلف (به عنوان مثال 1~6S) یکپارچه می کند. حتی اگر باتری شما دارای برد BMS نباشد، می توانید باتری لیتیوم یونی خود را با این شارژر باتری شارژ کنید تا به تعادل برسید. هیئت تعادل هنگامی که از شارژر باتری متعادل استفاده می کنید، باید با انتخاب یک سوکت خاص از برد بالانس، شارژر و باتری خود را به برد بالانس متصل کنید. ماژول مدار حفاظتی (PCM) برد PCM یک برد الکترونیکی است که به بسته باتری LiFePo4 متصل می شود و وظیفه اصلی آن محافظت از باتری و کاربر در برابر خرابی است. برای اطمینان از استفاده ایمن، باتری LiFePo4 باید تحت پارامترهای ولتاژ بسیار دقیق کار کند. بسته به سازنده باتری و مواد شیمیایی، این پارامتر ولتاژ بین 3.2 ولت در هر سلول برای باتری های تخلیه شده و 3.65 ولت در هر سلول برای باتری های قابل شارژ متفاوت است. برد PCM این پارامترهای ولتاژ را کنترل می کند و در صورت افزایش بیش از حد، باتری را از بار یا شارژر جدا می کند. در مورد یک باتری LiFePo4 یا چندین باتری LiFePo4 که به صورت موازی وصل شده اند، این کار به راحتی انجام می شود زیرا برد PCM ولتاژهای فردی را نظارت می کند. با این حال، هنگامی که چندین باتری به صورت سری متصل می شوند، برد PCM باید ولتاژ هر باتری را کنترل کند. انواع تعادل باتری الگوریتم های مختلف متعادل کننده باتری برای بسته باتری LiFePo4 توسعه یافته است. بر اساس ولتاژ باتری و SOC به روش های متعادل کننده باتری غیرفعال و فعال تقسیم می شود. تعادل باتری غیرفعال تکنیک متعادل‌سازی باتری غیرفعال، شارژ اضافی را از یک باتری کاملاً پرانرژی LiFePo4 از طریق عناصر مقاومتی جدا می‌کند و به همه سلول‌ها شارژی مشابه با کمترین شارژ باتری LiFePo4 می‌دهد. این تکنیک قابل اعتمادتر است و از اجزای کمتری استفاده می کند، بنابراین هزینه کلی سیستم را کاهش می دهد. با این حال، این فناوری کارایی سیستم را کاهش می دهد زیرا انرژی به شکل گرما هدر می رود که باعث اتلاف انرژی می شود. بنابراین، این فناوری برای کاربردهای کم مصرف مناسب است. متعادل کننده باتری فعال متعادل‌سازی شارژ فعال راه‌حلی برای چالش‌های مرتبط با باتری‌های LiFePo4 است. تکنیک متعادل کننده سلول فعال، شارژ را از باتری با انرژی بالاتر LiFePo4 تخلیه می کند و آن را به باتری کم انرژی LiFePo4 منتقل می کند. در مقایسه با فناوری تعادل سلولی غیرفعال، این تکنیک باعث صرفه جویی در انرژی در ماژول باتری LiFePo4 می شود، در نتیجه کارایی سیستم را افزایش می دهد و به زمان کمتری برای تعادل بین سلول های بسته باتری LiFePo4 نیاز دارد که جریان شارژ بالاتری را امکان پذیر می کند. حتی زمانی که بسته باتری LiFePo4 در حالت استراحت است، حتی باتری‌های کاملاً منطبق با LiFePo4 با نرخ‌های مختلف شارژ را از دست می‌دهند زیرا نرخ خود تخلیه بسته به گرادیان دما متفاوت است: افزایش 10 درجه سانتی‌گراد در دمای باتری، سرعت خود تخلیه را دو برابر می‌کند. . با این حال، متعادل کردن بار فعال می تواند سلول ها را به تعادل بازگرداند، حتی اگر در حالت استراحت باشند. با این حال، این تکنیک دارای مدارهای پیچیده است که هزینه کلی سیستم را افزایش می دهد. بنابراین، متعادل کننده سلول فعال برای کاربردهای با توان بالا مناسب است. توپولوژی های مختلف مدار متعادل کننده فعال وجود دارد که بر اساس اجزای ذخیره انرژی، مانند خازن ها، سلف ها/ترانسفورماتورها و مبدل های الکترونیکی طبقه بندی می شوند. به طور کلی، سیستم مدیریت باتری فعال هزینه کلی بسته باتری LiFePo4 را کاهش می دهد زیرا برای جبران پراکندگی و پیری نابرابر در بین باتری های LiFePo4 نیازی به بزرگ کردن سلول ها نیست. مدیریت فعال باتری زمانی حیاتی می شود که سلول های قدیمی با سلول های جدید جایگزین شوند و تنوع قابل توجهی در بسته باتری LiFePo4 وجود داشته باشد. از آنجایی که سیستم‌های مدیریت باتری فعال امکان نصب سلول‌هایی با تغییرات پارامترهای زیاد در بسته‌های باتری LiFePo4 را می‌دهند، بازده تولید افزایش می‌یابد در حالی که هزینه‌های گارانتی و نگهداری کاهش می‌یابد. بنابراین، سیستم های مدیریت باتری فعال از عملکرد، قابلیت اطمینان و ایمنی بسته باتری سود می برند و در عین حال به کاهش هزینه ها کمک می کنند. خلاصه کنید به منظور به حداقل رساندن اثرات رانش ولتاژ سلول، عدم تعادل باید به درستی تعدیل شود. هدف هر راه حل متعادل کننده این است که به بسته باتری LiFePo4 اجازه دهد تا در سطح عملکرد مورد نظر خود کار کند و ظرفیت موجود خود را افزایش دهد. بالانس باتری نه تنها برای بهبود عملکرد وچرخه عمر باتری ها، همچنین یک ضریب ایمنی را به بسته باتری LiFePo4 اضافه می کند. یکی از فناوری های نوظهور برای بهبود ایمنی باتری و افزایش عمر باتری. از آنجایی که فناوری جدید متعادل کننده باتری میزان تعادل مورد نیاز برای سلول های LiFePo4 منفرد را ردیابی می کند، عمر بسته باتری LiFePo4 را افزایش می دهد و ایمنی کلی باتری را افزایش می دهد.