Como o balanceamento celular prolonga a vida útil da bateria LifePo4？

Quando os dispositivos precisam de um desempenho duradouro e de alto desempenhoBateria LifePo4, eles precisam equilibrar cada célula. Por que a bateria LifePo4 precisa de balanceamento de bateria？ As baterias LifePo4 estão sujeitas a muitas características, como sobretensão, subtensão, corrente de sobrecarga e descarga, fuga térmica e desequilíbrio de tensão da bateria. Um dos fatores mais importantes é o desequilíbrio celular, que altera a voltagem de cada célula do pacote ao longo do tempo, reduzindo rapidamente a capacidade da bateria. Quando a bateria LifePo4 é projetada para usar múltiplas células em série, é importante projetar as características elétricas para equilibrar consistentemente as tensões das células. Isto não se aplica apenas ao desempenho da bateria, mas também para otimizar o ciclo de vida. A necessidade da doutrina é que o balanceamento da bateria ocorre antes e depois da construção da bateria e deve ser feito durante todo o ciclo de vida da bateria para manter o desempenho ideal da bateria! O uso do balanceamento de bateria nos permite projetar baterias com maior capacidade para aplicações porque o balanceamento permite que a bateria atinja um estado de carga (SOC) mais elevado. Você pode imaginar conectar muitas unidades LifePo4 Cell em série, como se estivesse puxando um trenó com muitos cães de trenó. O trenó só pode ser puxado com máxima eficiência se todos os cães do trenó estiverem correndo na mesma velocidade. Com quatro cães de trenó, se um cão de trenó correr devagar, os outros três cães de trenó também deverão reduzir sua velocidade, reduzindo assim a eficiência, e se um cão de trenó correr mais rápido, acabará puxando a carga dos outros três cães de trenó e machucando a si mesmo. Portanto, quando múltiplas células LifePo4 são conectadas em série, os valores de tensão de todas as células devem ser iguais para obter uma bateria LifePo4 mais eficiente. A bateria nominal LifePo4 é avaliada em apenas cerca de 3,2 V, mas emsistemas de armazenamento de energia doméstica, fontes de alimentação portáteis, aplicações industriais, de telecomunicações, veículos elétricos e microrredes, precisamos de uma tensão muito superior à nominal. Nos últimos anos, as baterias recarregáveis ​​LifePo4 têm desempenhado um papel crítico em baterias de energia e sistemas de armazenamento de energia devido ao seu peso leve, alta densidade de energia, longa vida, alta capacidade, carregamento rápido, baixos níveis de autodescarga e respeito ao meio ambiente. O balanceamento de células garante que a tensão e a capacidade de cada célula LifePo4 estejam no mesmo nível, caso contrário, o alcance e a vida útil da bateria LiFePo4 serão bastante reduzidos e o desempenho da bateria será degradado! Portanto, o equilíbrio das células LifePo4 é um dos fatores mais importantes na determinação da qualidade da bateria. Durante a operação, ocorrerá um pequeno intervalo de tensão, mas podemos mantê-lo dentro de uma faixa aceitável por meio do balanceamento da célula. Durante o balanceamento, as células de maior capacidade passam por um ciclo completo de carga/descarga. Sem balanceamento celular, a célula com capacidade mais lenta é um ponto fraco. O equilíbrio celular é uma das principais funções do BMS, juntamente com o monitoramento da temperatura, carregamento e outras funções que ajudam a maximizar a vida útil da embalagem. Outras razões para o balanceamento da bateria: Bateria LifePo4 pcak uso incompleto de energia Absorver mais corrente do que a bateria foi projetada ou causar curto-circuito na bateria provavelmente causará falha prematura da bateria. Quando uma bateria LifePo4 está descarregando, as células mais fracas descarregarão mais rapidamente do que as células saudáveis ​​e atingirão a tensão mínima mais rapidamente do que outras células. Quando uma célula atinge a tensão mínima, toda a bateria também é desconectada da carga. Isso resulta em uma capacidade não utilizada de energia da bateria. Degradação celular Quando uma célula LifePo4 é sobrecarregada, mesmo que um pouco acima do valor sugerido, a eficácia e também o processo de vida da célula são reduzidos. Por exemplo, um pequeno aumento na tensão de carga de 3,2 V para 3,25 V irá quebrar a bateria mais rapidamente em 30%. Portanto, se o balanceamento das células não for preciso, uma pequena sobrecarga diminuirá a vida útil da bateria. Carregamento incompleto de um pacote de células As baterias LifePo4 são cobradas em uma corrente contínua entre taxas de 0,5 e 1,0. A tensão da bateria LifePo4 aumenta à medida que o carregamento avança e chega ao auge quando totalmente carregada e, consequentemente, cai. Pense em três células com 85 Ah, 86 Ah e 87 Ah respectivamente e 100 por cento de SoC, e todas as células são então liberadas e seu SoC também diminui. Você pode descobrir rapidamente que a célula 1 acaba sendo a primeira a ficar sem energia por ter a menor capacidade. Quando a energia é colocada nos conjuntos de células e a mesma existente está fluindo através das células, mais uma vez, a célula 1 fica para trás durante o carregamento e pode ser considerada totalmente carregada enquanto as outras duas células estão completamente carregadas. Isto significa que as células 1 têm uma Eficácia Coulométrica (CE) reduzida devido ao autoaquecimento da célula que resulta na desigualdade celular. Fuga Térmica O ponto mais terrível que pode ocorrer é a fuga térmica. Como entendemoscélulas de lítiosão muito sensíveis à sobrecarga e à descarga excessiva. Em um pacote de 4 células, se uma célula tiver 3,5 V enquanto as outras forem 3,2 V, a carga certamente cobrará todas as células juntas porque elas estão em série e também cobrará a célula de 3,5 V com tensão maior do que a recomendada porque os vários outras baterias ainda precisam ser carregadas. Isso leva à fuga térmica quando o preço da geração de calor interno ultrapassa a taxa na qual o calor pode ser liberado. Isso faz com que a bateria LifePo4 fique termicamente descontrolada. O que desencadeia o desequilíbrio das células nas baterias? Agora entendemos por que é essencial manter todas as células equilibradas em uma bateria. No entanto, para resolver o problema de forma adequada, deveríamos saber em primeira mão por que as células ficam desequilibradas. Conforme dito anteriormente, quando uma bateria é criada colocando as células em série, garante-se que todas as células permaneçam nos mesmos níveis de tensão. Portanto, uma bateria nova sempre terá células realmente balanceadas. No entanto, à medida que o pacote é colocado em uso, as células ficam desequilibradas devido ao cumprimento de fatores. Discrepância SOC Medir o SOC de uma célula é complicado; portanto, é muito complicado avaliar o SOC de células específicas em uma bateria. Um método ideal de harmonização de células deve corresponder às células do mesmo SOC em vez de exatamente os mesmos graus de tensão (OCV). Mas como é quase impossível que as células sejam combinadas apenas em termos de tensão ao fazer um pacote, a variante no SOC pode resultar em uma modificação no OCV no devido tempo. Variante de resistência interior É extremamente difícil encontrar células com a mesma resistência interna (IR) e à medida que a bateria envelhece, o IR da célula também se altera e, portanto, em uma bateria nem todas as células terão o mesmo IR. Como entendemos, o IR aumenta a insuscetibilidade interna da célula, o que determina a corrente que flui através de uma célula. Como o IR varia, a corrente através da célula e também sua tensão também ficam diferentes. Nível de temperatura A capacidade de faturamento e liberação da célula também depende da temperatura ao seu redor. Em um conjunto de baterias significativo, como em EVs ou painéis solares, as células são distribuídas em uma área residual e pode haver uma diferença de temperatura entre o próprio conjunto, criando uma célula para carregar ou descarregar mais rápido do que as células restantes, causando uma desigualdade. A partir dos fatores acima, fica claro que não podemos evitar que as células fiquem desequilibradas ao longo do procedimento. Assim, a única solução é utilizar um sistema externo que exija que as células se equilibrem novamente depois de ficarem desequilibradas. Este sistema é denominado Sistema de Balanceamento de Bateria. Como alcançar o equilíbrio da bateria LiFePo4? Sistema de gerenciamento de bateria (BMS) Geralmente a bateria LiFePo4 não consegue equilibrar a bateria por si só, isso pode ser conseguido porsistema de gerenciamento de bateria(BMS). O fabricante da bateria integrará a função de balanceamento da bateria e outras funções de proteção, como proteção contra sobretensão de carga, indicador SOC, alarme/proteção de superaquecimento, etc. nesta placa BMS. Carregador de bateria de íons de lítio com função de balanceamento Também conhecido como “carregador de bateria de equilíbrio”, o carregador integra uma função de equilíbrio para suportar diferentes baterias com diferentes contagens de strings (por exemplo, 1~6S). Mesmo que sua bateria não tenha uma placa BMS, você pode carregar sua bateria de íons de lítio com este carregador de bateria para obter o equilíbrio. Quadro de equilíbrio Ao usar um carregador de bateria balanceado, você também deve conectar o carregador e a bateria à placa de balanceamento selecionando um soquete específico na placa de balanceamento. Módulo de Circuito de Proteção (PCM) A placa PCM é uma placa eletrônica conectada à bateria LiFePo4 e sua principal função é proteger a bateria e o usuário contra mau funcionamento. Para garantir um uso seguro, a bateria LiFePo4 deve operar sob parâmetros de tensão muito rigorosos. Dependendo do fabricante da bateria e da química, este parâmetro de tensão varia entre 3,2 V por célula para baterias descarregadas e 3,65 V por célula para baterias recarregáveis. a placa PCM monitora esses parâmetros de tensão e desconecta a bateria da carga ou carregador se eles forem excedidos. No caso de uma única bateria LiFePo4 ou de múltiplas baterias LiFePo4 conectadas em paralelo, isso é facilmente realizado porque a placa PCM monitora as tensões individuais. No entanto, quando várias baterias são conectadas em série, a placa PCM deve monitorar a tensão de cada bateria. Tipos de balanceamento de bateria Vários algoritmos de balanceamento de bateria foram desenvolvidos para baterias LiFePo4. Ele é dividido em métodos de balanceamento de bateria passivos e ativos com base na tensão da bateria e no SOC. Balanceamento passivo de bateria A técnica de balanceamento passivo de bateria separa o excesso de carga de uma bateria LiFePo4 totalmente energizada por meio de elementos resistivos e fornece a todas as células uma carga semelhante à carga mais baixa da bateria LiFePo4. Esta técnica é mais confiável e utiliza menos componentes, reduzindo assim o custo geral do sistema. Porém, a tecnologia reduz a eficiência do sistema à medida que a energia é dissipada na forma de calor que gera perda de energia. Portanto, esta tecnologia é adequada para aplicações de baixo consumo de energia. Balanceamento ativo da bateria O balanceamento de carga ativo é uma solução para os desafios associados às baterias LiFePo4. A técnica de balanceamento de célula ativa descarrega a carga da bateria LiFePo4 de maior energia e a transfere para a bateria LiFePo4 de menor energia. Em comparação com a tecnologia de balanceamento de células passivas, esta técnica economiza energia no módulo de bateria LiFePo4, aumentando assim a eficiência do sistema, e requer menos tempo para equilibrar as células da bateria LiFePo4, permitindo correntes de carga mais altas. Mesmo quando a bateria LiFePo4 está em repouso, mesmo as baterias LiFePo4 perfeitamente combinadas perdem carga em taxas diferentes porque a taxa de autodescarga varia dependendo do gradiente de temperatura: um aumento de 10°C na temperatura da bateria já dobra a taxa de autodescarga . No entanto, o equilíbrio ativo de carga pode restaurar o equilíbrio das células, mesmo que estejam em repouso. No entanto, esta técnica possui circuitos complexos, o que aumenta o custo geral do sistema. Portanto, o balanceamento de células ativas é adequado para aplicações de alta potência. Existem várias topologias de circuitos de balanceamento ativo classificadas de acordo com os componentes de armazenamento de energia, como capacitores, indutores/transformadores e conversores eletrônicos. No geral, o sistema de gerenciamento ativo de bateria reduz o custo geral da bateria LiFePo4 porque não requer superdimensionamento das células para compensar a dispersão e o envelhecimento desigual entre as baterias LiFePo4. O gerenciamento ativo da bateria torna-se crítico quando células antigas são substituídas por células novas e há variações significativas na bateria LiFePo4. Como os sistemas de gerenciamento ativo de baterias possibilitam a instalação de células com grandes variações de parâmetros em conjuntos de baterias LiFePo4, o rendimento da produção aumenta enquanto os custos de garantia e manutenção diminuem. Portanto, os sistemas ativos de gerenciamento de bateria beneficiam o desempenho, a confiabilidade e a segurança da bateria, ao mesmo tempo que ajudam a reduzir custos. Resumir Para minimizar os efeitos do desvio de tensão da célula, os desequilíbrios devem ser moderados adequadamente. O objetivo de qualquer solução de balanceamento é permitir que a bateria LiFePo4 opere no nível de desempenho pretendido e ampliar sua capacidade disponível. O balanceamento da bateria não é importante apenas para melhorar o desempenho eciclo de vida das baterias, também adiciona um fator de segurança ao pacote de bateria LiFePo4. Uma das tecnologias emergentes para melhorar a segurança da bateria e prolongar a vida útil da bateria. À medida que a nova tecnologia de balanceamento de bateria rastreia a quantidade de balanceamento necessária para células LiFePo4 individuais, ela prolonga a vida útil da bateria LiFePo4 e aumenta a segurança geral da bateria.