電池平衡如何延長 LifePo4 電池組壽命？

當設備需要持久、高效能LifePo4電池組，它們需要平衡每個電池。 為什麼LifePo4電池組需要電池平衡？ LifePo4 電池容易受到多種特性影響，例如過壓、欠壓、過充和放電電流、熱失控以及電池電壓不平衡。其中一個最重要的因素是電池不平衡，它會隨著時間推移改變電池組中每個電池的電壓，從而迅速降低電池容量。當 LifePo4 電池組設計為使用多個串聯電池時，重要的是設計電氣特性以始終平衡電池電壓。這不僅是為了提高電池組的效能，也是為了優化生命週期。需要遵循的原則是，電池平衡發生在電池製造之前和之後，並且必須在電池的整個生命週期中進行，以保持最佳電池性能！ 使用電池平衡技術使我們能夠為應用設計出容量更高的電池，因為平衡可以使電池達到更高的充電狀態 (SOC)。你可以想像將許多 LifePo4 電池單元串聯起來，就像你用許多隻雪橇犬拉雪橇一樣。只有當所有雪橇犬都以相同的速度奔跑時，才能以最大效率拉動雪橇。在四隻雪橇犬的情況下，如果一隻雪橇犬跑得慢，那麼其他三隻雪橇犬也必須降低速度，從而降低效率，而如果一隻雪橇犬跑得更快，它最終會拉動其他三隻雪橇犬的負荷並傷害自己。因此，當多個 LifePo4 電池單元串聯連接時，所有電池的電壓值應該相等，才能獲得更有效率的 LifePo4 電池組。 標稱的 LifePo4 電池額定電壓僅 3.2V，但在家庭儲能係統、便攜式電源、工業、電信、電動車和微電網應用，我們需要的電壓遠高於標稱電壓。近年來，可充電磷酸鋰電池由於重量輕、能量密度高、壽命長、容量高、充電速度快、自放電率低、環保等特點，在動力電池和儲能係統中發揮著至關重要的作用。電池平衡可確保每個磷酸鋰電池的電壓和容量處於同一水平，否則磷酸鐵鋰電池組的續航里程和壽命將大大縮短，電池性能也會下降！因此，磷酸鐵鋰電池平衡是決定電池品質的最重要因素之一。在電池運行過程中，會出現一點電壓差距，但我們可以透過電池平衡將其保持在可接受的範圍內。 在平衡過程中，容量較高的電池會經歷完整的充電/放電循環。如果沒有電池平衡，容量最低的電池就會成為弱點。電池平衡是BMS的核心功能之一，此外還有溫度監控、充電和其他有助於最大限度延長電池組壽命的功能。 電池平衡的其他原因： LifePo4電池組能量利用不完全 吸收的電流超過電池的設計承受能力或電池短路最有可能導致電池過早失效。當磷酸鐵鋰電池組放電時，電量較弱的電池會比電量正常的電池放電更快，而且它們會比其他電池更快達到最低電壓。當某個電池達到最低電壓時，整個電池組也會與負載斷開連接。這會導致電池組能量的閒置。 細胞降解 如果磷酸鐵鋰電池過度充電，即使只是略微超過其建議值，也會降低電池的效率和使用壽命。例如，充電電壓從 3.2V 略微升高到 3.25V，電池的損壞速度就會加快 30%。因此，如果電池平衡不準確，輕微的過充也會縮短電池壽命。 電池組充電不完全 LifePo4 電池的充電電流在 0.5 到 1.0 倍之間。隨著充電的進行，LifePo4 電池電壓會上升，在充滿電後達到峰值，然後下降。假設有三顆電池，容量分別為 85 Ah、86 Ah 和 87 Ah，SoC 為 100%，然後所有電池都被釋放，SoC 隨之下降。您可以很快發現，由於容量最低，1 號電池最先耗盡電量。 當電池組通電且電流流經電池時，電池1在充電過程中會再次延遲，並且由於其他兩個電池已充滿電，因此可能被視為已充滿電。這意味著由於電池自熱導致電池電量不均等，電池1的庫侖效率 (CE) 會降低。 熱失控 最糟糕的情況是熱失控。我們知道鋰電池對過度充電和過度放電非常敏感。在一個由4個電池組成的電池組中，如果其中一個電池的電壓為3.5 V，而其他電池的電壓為3.2 V，由於它們是串聯的，因此所有電池都會同時充電，並且由於其他電池仍需充電，3.5 V電池的電壓將高於建議電壓。當內部產熱速率超過熱釋放速率時，就會導致熱失控。這會導致LifePo4電池組的溫度失控。 什麼原因會導致電池組中的電池不平衡？ 現在我們明白了為什麼保持電池組中所有電池單元的平衡至關重要。但要正確解決這個問題，我們必須先了解電池單元不平衡的原因。如前所述，當電池單元串聯起來組成電池組時，需要確保所有電池單元的電壓等級相同。因此，新電池組的電池單元始終是平衡的。然而，隨著電池組的投入使用，由於以下因素，電池單元可能會失去平衡。 SOC差異 測量單電池的SOC非常複雜；因此，測量電池組中特定單電池的SOC非常複雜。最佳的電池匹配方法應該可以匹配SOC相同的單電池，而不是電壓(OCV)完全相同的單電池。但由於在組裝電池組時幾乎不可能僅根據電壓匹配單電池，SOC的變化最終可能會導致OCV的變化。 內部抵抗變體 要找到內阻 (IR) 相同的電池極為困難，而且隨著電池老化，電池的內阻也會發生變化，因此在電池組中，並非所有電池的內阻都相同。眾所周知，內阻會影響電池內部的抗磁化能力，而這決定了流過電池的電流。由於內阻不同，流過電池的電流及其電壓也會有所不同。 溫度等級 電池的充電和放電能力也取決於其周圍的溫度。在大型電池組中，例如電動車或太陽能電池陣列，電池單元分佈在一塊廢棄區域，且電池組本身可能存在溫度差異，導致某個電池單元的充電或放電速度比其餘電池單元更快，從而造成不平衡。 從以上因素來看，我們顯然無法阻止電池在整個過程中不平衡。因此，唯一的補救措施是使用外部系統，該系統在電池失衡後要求它們再次達到平衡狀態。這個系統被稱為電池平衡系統。 如何實現LiFePo4電池組平衡？ 電池管理系統（BMS） 一般情況下，LiFePo4 電池組無法自行實現電池平衡，可透過以下方式實現電池管理系統（BMS）。電池製造商會將電池平衡功能和其他保護功能（如充電過壓保護、SOC指示器、過溫警報/保護等）整合在此BMS板上。 具有平衡功能的鋰離子電池充電器 這款充電器也稱為“平衡電池充電器”，整合了平衡功能，可支援不同串數（例如 1 至 6 串）的電池。即使您的電池沒有 BMS 板，您也可以使用此充電器為鋰離子電池充電，以實現平衡。 平衡板 當您使用平衡電池充電器時，您還必須透過從平衡板中選擇特定的插座將充電器和電池連接到平衡板。 保護電路模組（PCM） PCM板是連接到LiFePo4電池組的電子板，其主要功能是保護電池和使用者免受故障。 為了確保安全使用，LiFePo4 電池必須在非常嚴格的電壓參數下運作。根據電池製造商和化學成分的不同，此電壓參數在放電電池的每節電池 3.2 V 和可充電電池的每節電池 3.65 V 之間變化。 PCM 板會監控這些電壓參數，如果超過這些參數，則會中斷電池與負載或充電器的連接。 對於單一 LiFePo4 電池或多顆 LiFePo4 電池並聯的情況，由於 PCM 板會監控各個電池的電壓，因此很容易實現。但是，當多個電池串聯時，PCM 板必須監控每個電池的電壓。 電池平衡的類型 目前，針對LiFePo4電池組已經開發出各種電池平衡演算法。根據電池電壓和SOC，電池平衡演算法分為被動平衡方法和主動平衡方法。 被動電池平衡 被動電池平衡技術透過電阻元件將充滿電的LiFePo4電池中的多餘電荷分離，並使所有電池單元的電量與最低的LiFePo4電池電量相似。該技術更可靠，使用的組件更少，從而降低了系統總成本。然而，由於能量以熱量的形式耗散，造成能量損失，因此該技術會降低系統效率。因此，該技術適用於低功耗應用。 主動電池平衡 主動充電平衡是解決 LiFePo4 電池相關挑戰的解決方案。主動電池平衡技術將高能量 LiFePo4 電池的電荷釋放到低能量 LiFePo4 電池中。與被動電池平衡技術相比，該技術可節省 LiFePo4 電池模組中的電能，從而提高系統效率，並縮短 LiFePo4 電池組電池之間的平衡時間，從而允許更高的充電電流。即使在 LiFePo4 電池組處於靜止狀態時，即使是完全匹配的 LiFePo4 電池也會以不同的速率損失電量，因為自放電速率會隨著溫度梯度而變化：電池溫度升高 10°C 就會使自放電速率翻倍。然而，主動充電平衡可以使電池單元恢復平衡，即使它們處於靜止狀態。然而，此技術電路複雜，會增加系統總成本。因此，主動電池平衡適用於高功率應用。根據儲能元件（例如電容器、電感器/變壓器和電子轉換器）的不同，有各種主動平衡電路拓撲結構。 總體而言，主動電池管理系統 (VBA) 降低了 LiFePo4 電池組的總成本，因為它無需為了補償 LiFePo4 電池之間的差異和老化不均勻而增加電池單元尺寸。當舊電池單元更換為新電池單元，且 LiFePo4 電池組內部存在顯著差異時，主動電池管理變得至關重要。由於主動電池管理系統允許在 LiFePo4 電池組中安裝參數差異較大的電池單元，因此可以提高生產良率，同時降低保固和維護成本。因此，主動電池管理系統有利於提高電池組的效能、可靠性和安全性，同時有助於降低成本。 總結 為了最大限度地減少電池電壓漂移的影響，必須適當地調節不平衡。任何平衡解決方案的目標都是使LiFePo4電池組能夠以預期的性能水平運行，並延長其可用容量。 電池平衡不僅對提高效能很重要，而且電池的生命​​週期它還為磷酸鐵鋰電池組增加了安全係數。這是提高電池安全性和延長電池壽命的新興技術之一。由於新的電池平衡技術可以追蹤單一磷酸鋰電池所需的平衡量，因此可以延長磷酸鋰鐵電池組的使用壽命並提高電池的整體安全性。