Comment l'équilibrage des cellules prolonge la durée de vie de la batterie LifePo4 ?

Lorsque les appareils ont besoin d'une solution durable et performanteBatterie LifePo4, ils doivent équilibrer chaque cellule. Pourquoi la batterie LifePo4 a besoin d'être équilibrée ? Les batteries LifePo4 sont soumises à de nombreuses caractéristiques telles que la surtension, la sous-tension, le courant de surcharge et de décharge, l'emballement thermique et le déséquilibre de tension de la batterie. L'un des facteurs les plus importants est le déséquilibre des cellules, qui modifie la tension de chaque cellule du pack au fil du temps, réduisant ainsi rapidement la capacité de la batterie. Lorsque la batterie LifePo4 est conçue pour utiliser plusieurs cellules en série, il est important de concevoir les caractéristiques électriques pour équilibrer de manière cohérente les tensions des cellules. Il ne s'agit pas seulement d'améliorer les performances de la batterie, mais également d'optimiser son cycle de vie. La nécessité d'une doctrine est que l'équilibrage de la batterie se produit avant et après la construction de la batterie et doit être effectué tout au long du cycle de vie de la batterie afin de maintenir des performances optimales ! L'utilisation de l'équilibrage de batterie nous permet de concevoir des batteries avec une capacité plus élevée pour les applications, car l'équilibrage permet à la batterie d'atteindre un état de charge (SOC) plus élevé. Vous pouvez imaginer connecter plusieurs unités LifePo4 Cell en série comme si vous tiriez un traîneau avec plusieurs chiens de traîneau. Le traîneau ne peut être tiré avec une efficacité maximale que si tous les chiens de traîneau courent à la même vitesse. Avec quatre chiens de traîneau, si un chien de traîneau court lentement, alors les trois autres chiens de traîneau doivent également réduire leur vitesse, réduisant ainsi l'efficacité, et si un chien de traîneau court plus vite, il finira par tirer la charge des trois autres chiens de traîneau et se blesser. Par conséquent, lorsque plusieurs cellules LifePo4 sont connectées en série, les valeurs de tension de toutes les cellules doivent être égales afin d'obtenir une batterie LifePo4 plus efficace. La batterie nominale LifePo4 est évaluée à seulement environ 3,2 V, mais ensystèmes de stockage d'énergie domestique, alimentations portables, applications industrielles, de télécommunications, de véhicules électriques et de micro-réseaux, nous avons besoin d'une tension bien supérieure à la tension nominale. Ces dernières années, les batteries rechargeables LifePo4 ont joué un rôle essentiel dans les batteries de puissance et les systèmes de stockage d'énergie en raison de leur légèreté, de leur densité énergétique élevée, de leur longue durée de vie, de leur capacité élevée, de leur charge rapide, de leurs faibles niveaux d'autodécharge et de leur respect de l'environnement. L'équilibrage des cellules garantit que la tension et la capacité de chaque cellule LifePo4 sont au même niveau, sinon la portée et la durée de vie de la batterie LiFePo4 seront considérablement réduites et les performances de la batterie seront dégradées ! Par conséquent, l’équilibre des cellules LifePo4 est l’un des facteurs les plus importants pour déterminer la qualité de la batterie. Pendant le fonctionnement, un léger écart de tension se produira, mais nous pouvons le maintenir dans une plage acceptable grâce à l'équilibrage des cellules. Lors de l'équilibrage, les cellules de plus grande capacité subissent un cycle complet de charge/décharge. Sans équilibrage des cellules, la cellule ayant la capacité la plus lente est un point faible. L'équilibrage des cellules est l'une des fonctions essentielles du BMS, avec la surveillance de la température, la charge et d'autres fonctions qui contribuent à maximiser la durée de vie du pack. Autres raisons d'équilibrage de la batterie : Batterie LifePo4 pcak consommation d'énergie incomplète Absorber plus de courant que ce pour quoi la batterie est conçue ou court-circuiter la batterie est très susceptible de provoquer une panne prématurée de la batterie. Lorsqu'une batterie LifePo4 se décharge, les cellules les plus faibles se déchargeront plus rapidement que les cellules saines et atteindront la tension minimale plus rapidement que les autres cellules. Lorsqu'une cellule atteint la tension minimale, l'ensemble de la batterie est également déconnecté de la charge. Cela entraîne une capacité inutilisée de l’énergie de la batterie. Dégradation cellulaire Lorsqu'une cellule LifePo4 est surchargée, même un peu au-dessus de sa valeur suggérée, l'efficacité et le processus de vie de la cellule sont également réduits. À titre d'exemple, une légère augmentation de la tension de charge de 3,2 V à 3,25 V décomposera la batterie plus rapidement de 30 %. Ainsi, si l’équilibrage des cellules n’est pas précis, une surcharge mineure réduira la durée de vie de la batterie. Charge incomplète d'un pack de cellules Les batteries LifePo4 sont facturées à un courant continu compris entre 0,5 et 1,0. La tension de la batterie LifePo4 augmente à mesure que la charge atteint son paroxysme une fois complètement facturée, puis diminue ensuite. Pensez à trois cellules avec respectivement 85 Ah, 86 Ah et 87 Ah et 100 % de SoC, et toutes les cellules sont ensuite libérées et leur SoC diminue également. Vous découvrirez rapidement que la cellule 1 finit par être la première à manquer d’énergie étant donné qu’elle a la capacité la plus faible. Lorsque l'alimentation est mise sur les packs de cellules et que le même courant circule à travers les cellules, encore une fois, la cellule 1 reste en retrait pendant la charge et peut être considérée comme complètement chargée alors que les deux autres cellules sont complètement chargées. Cela signifie que les cellules 1 ont une efficacité coulométrique (CE) réduite en raison de l'auto-échauffement de la cellule qui entraîne une inégalité entre les cellules. Emballement thermique Le pire qui puisse arriver est l’emballement thermique. Comme nous comprenonspiles au lithiumsont très sensibles à la surcharge ainsi qu’à la décharge excessive. Dans un pack de 4 cellules, si une cellule est de 3,5 V tandis que les autres sont de 3,2 V, la charge facturera certainement toutes les cellules ensemble car elles sont en série et facturera également la cellule de 3,5 V à une tension supérieure à celle conseillée car les différentes d'autres batteries ont encore besoin d'être rechargées. Cela conduit à un emballement thermique lorsque le prix de la génération de chaleur interne dépasse le taux auquel la chaleur peut être libérée. Cela fait que la batterie LifePo4 devient thermiquement incontrôlée. Qu'est-ce qui déclenche le déséquilibre des cellules dans les batteries ? Nous comprenons maintenant pourquoi il est essentiel de maintenir l’équilibre de toutes les cellules d’une batterie. Pourtant, pour résoudre le problème de manière appropriée, nous devons savoir de première main pourquoi les cellules sont déséquilibrées. Comme indiqué précédemment, lorsqu'une batterie est créée en plaçant les cellules en série, on s'assure que toutes les cellules restent aux mêmes niveaux de tension. Ainsi, une batterie neuve aura toujours des cellules réellement équilibrées. Pourtant, au fur et à mesure que le pack est utilisé, les cellules se déséquilibrent en raison des facteurs qui s'y conforment. Écart SOC Mesurer le SOC d’une cellule est compliqué ; il est donc très complexe d’évaluer le SOC de cellules spécifiques dans une batterie. Une méthode d'harmonisation optimale des cellules doit faire correspondre les cellules du même SOC au lieu d'avoir exactement les mêmes degrés de tension (OCV). Mais comme il est presque impossible que les cellules soient adaptées uniquement en termes de tension lors de la fabrication d'un pack, la variante du SOC pourrait entraîner une modification de l'OCV en temps voulu. Variante de résistance intérieure Il est extrêmement difficile de trouver des cellules de même résistance interne (IR) et à mesure que la batterie vieillit, l'IR de la cellule est également modifié et, par conséquent, dans une batterie, toutes les cellules n'auront pas le même IR. Comme nous le comprenons, l'IR ajoute à l'insensibilité interne de la cellule, ce qui détermine le courant circulant à travers une cellule. Parce que l'IR varie, le courant via la cellule ainsi que sa tension deviennent également différents. Niveau de température La capacité de facturation et de libération de la cellule dépend également de la température qui l'entoure. Dans un bloc de batterie important comme dans les véhicules électriques ou les panneaux solaires, les cellules sont réparties sur une zone de déchets et il peut y avoir une différence de température entre le bloc lui-même, ce qui permet à une cellule de se charger ou de se décharger plus rapidement que les cellules restantes, provoquant une inégalité. D’après les facteurs ci-dessus, il est clair que nous ne pouvons pas empêcher les cellules de se déséquilibrer tout au long de la procédure. Ainsi, la seule solution est d’utiliser un système extérieur qui oblige les cellules à se rééquilibrer après un déséquilibre. Ce système s’appelle le système d’équilibrage de batterie. Comment équilibrer la batterie LiFePo4 ? Système de gestion de batterie (BMS) Généralement, la batterie LiFePo4 ne peut pas réaliser l'équilibrage de la batterie par elle-même, cela peut être réalisé ensystème de gestion de batterie(BMS). Le fabricant de la batterie intégrera la fonction d'équilibrage de la batterie et d'autres fonctions de protection telles que la protection contre les surtensions de charge, l'indicateur SOC, l'alarme/protection contre la surchauffe, etc. sur cette carte BMS. Chargeur de batterie Li-ion avec fonction d'équilibrage Également connu sous le nom de « chargeur de batterie d'équilibre », le chargeur intègre une fonction d'équilibre pour prendre en charge différentes batteries avec différents nombres de chaînes (par exemple 1~6S). Même si votre batterie ne dispose pas de carte BMS, vous pouvez charger votre batterie Li-ion avec ce chargeur de batterie pour réaliser l'équilibrage. Planche d'équilibrage Lorsque vous utilisez un chargeur de batterie équilibré, vous devez également connecter le chargeur et votre batterie à la carte d'équilibrage en sélectionnant une prise spécifique dans la carte d'équilibrage. Module de circuit de protection (PCM) La carte PCM est une carte électronique connectée à la batterie LiFePo4 et sa fonction principale est de protéger la batterie et l'utilisateur contre les dysfonctionnements. Pour garantir une utilisation en toute sécurité, la batterie LiFePo4 doit fonctionner sous des paramètres de tension très stricts. Selon le fabricant de la batterie et la composition chimique, ce paramètre de tension varie entre 3,2 V par cellule pour les batteries déchargées et 3,65 V par cellule pour les batteries rechargeables. la carte PCM surveille ces paramètres de tension et déconnecte la batterie de la charge ou du chargeur en cas de dépassement. Dans le cas d'une seule batterie LiFePo4 ou de plusieurs batteries LiFePo4 connectées en parallèle, cela est facile à réaliser car la carte PCM surveille les tensions individuelles. Cependant, lorsque plusieurs batteries sont connectées en série, la carte PCM doit surveiller la tension de chaque batterie. Types d’équilibrage de batterie Divers algorithmes d'équilibrage de batterie ont été développés pour la batterie LiFePo4. Il est divisé en méthodes d’équilibrage de batterie passives et actives basées sur la tension de la batterie et le SOC. Équilibrage passif de la batterie La technique d'équilibrage passif de la batterie sépare la charge excédentaire d'une batterie LiFePo4 entièrement alimentée par des éléments résistifs et donne à toutes les cellules une charge similaire à la charge de batterie LiFePo4 la plus basse. Cette technique est plus fiable et utilise moins de composants, réduisant ainsi le coût global du système. Cependant, la technologie réduit l’efficacité du système car l’énergie est dissipée sous forme de chaleur qui génère une perte d’énergie. Cette technologie est donc adaptée aux applications à faible consommation. Équilibrage actif de la batterie L'équilibrage de charge actif est une solution aux défis associés aux batteries LiFePo4. La technique d'équilibrage actif des cellules décharge la charge de la batterie LiFePo4 à plus haute énergie et la transfère à la batterie LiFePo4 à plus faible énergie. Par rapport à la technologie d'équilibrage passif des cellules, cette technique permet d'économiser de l'énergie dans le module de batterie LiFePo4, augmentant ainsi l'efficacité du système, et nécessite moins de temps pour équilibrer les cellules de la batterie LiFePo4, permettant ainsi des courants de charge plus élevés. Même lorsque la batterie LiFePo4 est au repos, même les batteries LiFePo4 parfaitement adaptées perdent leur charge à des rythmes différents car le taux d'autodécharge varie en fonction du gradient de température : une augmentation de 10°C de la température de la batterie double déjà le taux d'autodécharge. . Cependant, l’équilibrage actif des charges peut rétablir l’équilibre des cellules, même si elles sont au repos. Cependant, cette technique comporte des circuits complexes, ce qui augmente le coût global du système. Par conséquent, l’équilibrage actif des cellules convient aux applications à haute puissance. Il existe différentes topologies de circuits d'équilibrage actif classées en fonction des composants de stockage d'énergie, tels que les condensateurs, les inductances/transformateurs et les convertisseurs électroniques. Dans l'ensemble, le système de gestion active de la batterie réduit le coût global de la batterie LiFePo4 car il ne nécessite pas de surdimensionnement des cellules pour compenser la dispersion et le vieillissement inégal des batteries LiFePo4. La gestion active de la batterie devient critique lorsque les anciennes cellules sont remplacées par de nouvelles cellules et qu'il existe des variations significatives au sein de la batterie LiFePo4. Étant donné que les systèmes de gestion active des batteries permettent d'installer des cellules avec de grandes variations de paramètres dans les packs de batteries LiFePo4, les rendements de production augmentent tandis que les coûts de garantie et de maintenance diminuent. Par conséquent, les systèmes de gestion active de la batterie améliorent les performances, la fiabilité et la sécurité de la batterie, tout en contribuant à réduire les coûts. Résumer Afin de minimiser les effets de la dérive de tension des cellules, les déséquilibres doivent être correctement modérés. L'objectif de toute solution d'équilibrage est de permettre à la batterie LiFePo4 de fonctionner à son niveau de performance prévu et d'étendre sa capacité disponible. L'équilibrage de la batterie n'est pas seulement important pour améliorer les performances etcycle de vie des batteries, il ajoute également un facteur de sécurité au pack batterie LiFePo4. L'une des technologies émergentes permettant d'améliorer la sécurité des batteries et de prolonger leur durée de vie. Comme la nouvelle technologie d'équilibrage de batterie suit la quantité d'équilibrage requise pour les cellules LiFePo4 individuelles, elle prolonge la durée de vie de la batterie LiFePo4 et améliore la sécurité globale de la batterie.