Równoważenie baterii

Balanser baterii
Styki w akumulatorze do elektronarzędzi DeWalt 20V Max (18V XR w Europie). Styki C1–C4 są podłączone do poszczególnych ogniw w akumulatorze i służą ładowarce do bilansowania akumulatora.

Równoważenie baterii i redystrybucja baterii odnoszą się do technik, które poprawiają dostępną pojemność zestawu baterii z wieloma ogniwami (zwykle połączonymi szeregowo) i zwiększają żywotność każdej komórki. Balanser baterii lub regulator baterii to urządzenie elektryczne w zestawie baterii , które wykonuje równoważenie baterii. Wyważarki są często spotykane w akumulatorach litowo-jonowych do laptopów, pojazdów elektrycznych. itp.

Racjonalne uzasadnienie

Poszczególne ogniwa w pakiecie baterii mają naturalnie nieco inną pojemność, dlatego w trakcie cykli ładowania i rozładowania mogą znajdować się w różnych stanach naładowania (SOC). Różnice w wydajności wynikają z odchyleń produkcyjnych, różnic montażowych (np. ogniwa z jednej serii produkcyjnej zmieszane z innymi), starzenia się ogniw, zanieczyszczeń lub narażenia środowiska (np. niektóre ogniwa mogą być narażone na dodatkowe ciepło z pobliskich źródeł, takich jak silniki, elektronika itp.) i może zostać zaostrzony przez skumulowany efekt obciążeń pasożytniczych, takich jak obwody monitorujące ogniwa często spotykane w systemie zarządzania akumulatorami (BMS).

Równoważenie pakietu wieloogniwowego pomaga zmaksymalizować pojemność i żywotność pakietu, pracując nad utrzymaniem równoważnego stanu naładowania każdego ogniwa, w stopniu możliwym przy uwzględnieniu ich różnych pojemności, w jak najszerszym zakresie. Równoważenie jest konieczne tylko w przypadku pakietów zawierających więcej niż jedną komórkę w szeregu. Ogniwa równoległe będą naturalnie równoważone, ponieważ są bezpośrednio ze sobą połączone, ale grupy ogniw połączonych równolegle, połączonych szeregowo (okablowanie szeregowo-równoległe) muszą być zrównoważone między grupami ogniw.

Implikacje dla bezpieczeństwa

Aby zapobiec niepożądanym i często niebezpiecznym warunkom, system zarządzania baterią musi monitorować stan poszczególnych ogniw pod kątem parametrów operacyjnych, takich jak temperatura, napięcie, a czasami pobierany prąd – chociaż ten ostatni często jest mierzony tylko na opakowanie, a nie na ogniwo, być może z jednorazową ochroną na poziomie ogniwa przed nienormalnie wysokim prądem (na przykład w przypadku zwarcia lub innego stanu awarii).

Podczas normalnej pracy rozładowanie musi się zakończyć, gdy jakiekolwiek ogniwo po raz pierwszy się wyczerpie, nawet jeśli inne ogniwa mogą nadal utrzymywać znaczny ładunek. Podobnie ładowanie musi się zatrzymać, gdy dowolne ogniwo osiągnie maksymalne bezpieczne napięcie ładowania. Niezastosowanie się do tego może spowodować trwałe uszkodzenie ogniw lub, w skrajnych przypadkach, doprowadzić do odwrotnej polaryzacji ogniw, spowodować wewnętrzne gazowanie, niekontrolowany wzrost temperatury lub inne katastrofalne awarie. Jeśli ogniwa nie są zrównoważone, tak że górne i dolne odcięcie są co najmniej wyrównane ze stanem ogniwa o najniższej pojemności, energia, która może być pobrana z akumulatora i zwrócona do niego, będzie ograniczona.

Ogniwa akumulatorów litowo-jonowych są raczej bardziej wrażliwe na przeładowanie zestawu akumulatorów, przegrzanie, niewłaściwy poziom naładowania podczas przechowywania i inne formy złego traktowania niż większość powszechnie stosowanych chemikaliów akumulatorów (np. NiMH). Powodem jest to, że różne chemikalia baterii litowych są podatne na uszkodzenia chemiczne (np. zanieczyszczenie katody, rozpad molekularny itp.) przez bardzo niewielkie przepięcia (tj. miliwolty) podczas ładowania lub większy prąd ładowania, niż może tolerować chemia wewnętrzna przy w tym punkcie cyklu ładowania/rozładowania i tak dalej. Ciepło przyspiesza te niepożądane, ale jak dotąd nieuniknione reakcje chemiczne, a przegrzanie podczas ładowania potęguje te efekty.

Ponieważ chemia litu często pozwala na elastyczne struktury membranowe, ogniwa litowe można umieszczać w elastycznych, choć szczelnych torebkach, co pozwala na większą gęstość upakowania w zestawie akumulatorów. Kiedy ogniwo litowe jest źle traktowane, niektóre produkty rozpadu (zwykle chemikalia elektrolityczne lub dodatki) odgazowują się. Takie komórki staną się „spuchnięte” i są bardzo bliskie zniszczenia. W uszczelnionych cylindrycznych akumulatorach litowo-jonowych to samo odgazowanie spowodowało raczej duże ciśnienie (zgłoszono ponad 800 psi [ potrzebne źródło ] ); takie ogniwa mogą eksplodować, jeśli nie są wyposażone w mechanizm obniżający ciśnienie. Dodatkowe niebezpieczeństwo polega na tym, że wiele chemii ogniw litowych zawiera związki węglowodorowe [ potrzebne źródło ] (których dokładny charakter jest zwykle zastrzeżony), a te są łatwopalne. Dlatego oprócz ryzyka niewłaściwego obchodzenia się z ogniwami, które może spowodować eksplozję, zwykły niewybuchowy wyciek może spowodować pożar.

Większość chemii akumulatorów ma mniej dramatyczne i mniej niebezpieczne tryby awarii. Chemikalia w większości akumulatorów są często do pewnego stopnia toksyczne, ale rzadko są wybuchowe lub łatwopalne [ potrzebne źródło ] ; wiele z nich jest żrących, dlatego zaleca się unikanie pozostawiania baterii wewnątrz sprzętu przez dłuższy czas, ponieważ baterie mogą wyciec i uszkodzić sprzęt. Wyjątkiem są akumulatory kwasowo-ołowiowe, których ładowanie generuje gazowy wodór, który może eksplodować w kontakcie ze źródłem zapłonu (np. zapalonym papierosem), a taki wybuch rozpryskuje kwas siarkowy we wszystkich kierunkach. Ponieważ jest to żrące i potencjalnie oślepiające, jest to szczególne niebezpieczeństwo.

Technologia

Różne stany naładowania w pakiecie baterii. Komórka 5 ma mniejszą pojemność. Komórka 5 ma wysoki współczynnik samorozładowania

Równoważenie może być aktywne lub pasywne . Termin regulator baterii zwykle odnosi się tylko do urządzeń, które wykonują pasywne równoważenie.

Pełny BMS może obejmować aktywne równoważenie, monitorowanie temperatury, ładowanie i inne funkcje maksymalizujące żywotność zestawu baterii.

Bilansowanie baterii może być realizowane za pomocą przetwornic DC-DC , w jednej z 3 topologii:

  • Ogniwo do akumulatora
  • Bateria do ogniwa
  • Dwukierunkowy

Zazwyczaj moc obsługiwana przez każdy konwerter DC-DC jest o kilka rzędów wielkości mniejsza niż moc obsługiwana przez akumulator jako całość.

Równoważenie pasywne

W równoważeniu pasywnym energia jest pobierana z najbardziej naładowanego ogniwa i rozpraszana w postaci ciepła, zwykle przez rezystory .

Równoważenie pasywne wyrównuje stan naładowania w pewnym stałym punkcie - zwykle albo „wyważone od góry”, przy czym wszystkie ogniwa osiągają jednocześnie 100% SOC; lub „zrównoważony od dołu”, przy czym wszystkie komórki osiągają jednocześnie minimalne SOC. Można to osiągnąć poprzez odprowadzanie energii z ogniw o wyższym stanie naładowania (np. kontrolowane zwarcie przez rezystor lub tranzystor) lub bocznikowanie energii ścieżką równoległą do ogniwa podczas cyklu ładowania, tak aby mniej (zwykle regulowana stała) prąd jest pobierany przez ogniwo. Równoważenie pasywne jest z natury marnotrawstwem, ponieważ część energii pakietu jest zużywana jako ciepło w celu wyrównania stanu naładowania między ogniwami. Nagromadzenie ciepła odpadowego może również ograniczać szybkość, z jaką może nastąpić równoważenie.

Aktywne równoważenie

przetwornice kondensatorowe, indukcyjne lub DC-DC .

Aktywne równoważenie ma na celu redystrybucję energii z ogniw w pełni naładowanych do ogniw o niższym stanie naładowania. Energia może być usuwana z ogniwa przy wyższym SOC poprzez włączenie kondensatora rezerwowego do obwodu z ogniwem, a następnie odłączenie kondensatora i ponowne podłączenie go do ogniwa o niższym SOC lub przez przetwornicę DC-DC podłączoną w całym pakiecie . Ze względu na nieefektywność część energii jest nadal marnowana w postaci ciepła, ale nie w takim samym stopniu. Pomimo oczywistych zalet, dodatkowy koszt i złożoność aktywnej topologii równoważenia mogą być znaczne i nie zawsze mają sens w zależności od aplikacji.

Inny wariant, czasami używany w zestawach akumulatorów EAPC, wykorzystuje złącze wielostykowe z rezystorem i diodą szeregowo na każdym węźle: ponieważ krople są znane, ładowarka przykłada odpowiedni prąd rozładowania lub ładuje słabe ogniwa, dopóki wszystkie nie odczytają tego samego obciążenia napięcie końcowe. Ma to tę zaletę, że nieznacznie zmniejsza wagę opakowania i obniża pasożytnicze ciągnięcie, a także umożliwia wielopunktowe wyważanie.

Zobacz też

Dalsza lektura

Patenty

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Battery_balancing&oldid=1139297018 ”