Литиевые аккумуляторные батареи подобны двигателям, которые не требуют обслуживания;БМССистема, не имеющая функции балансировки, является лишь устройством сбора данных и не может считаться системой управления. Как активная, так и пассивная балансировка направлены на устранение несоответствий внутри аккумуляторного блока, но принципы их реализации принципиально различны.
Для ясности, в данной статье балансировка, инициируемая системой управления батареей (BMS) с помощью алгоритмов, определяется как активная балансировка, тогда как балансировка, использующая резисторы для рассеивания энергии, называется пассивной балансировкой. Активная балансировка включает передачу энергии, тогда как пассивная балансировка включает рассеивание энергии.
Основные принципы проектирования аккумуляторных батарей
- Зарядка должна прекратиться, когда первая ячейка будет полностью заряжена.
- Разрядка должна прекратиться, когда первая ячейка будет полностью разряжена.
- Более слабые клетки стареют быстрее, чем более сильные.
- — Ячейка с самым слабым зарядом в конечном итоге ограничит возможности аккумуляторной батареи.'полезная мощность (самое слабое звено).
- Системный температурный градиент внутри аккумуляторного блока приводит к снижению эффективности элементов, работающих при более высоких средних температурах.
- Без балансировки разница напряжений между самым слабым и самым сильным элементами увеличивается с каждым циклом зарядки и разрядки. В конечном итоге один элемент приблизится к максимальному напряжению, а другой — к минимальному, что ухудшит возможности батареи по зарядке и разрядке.
Из-за несоответствия характеристик ячеек с течением времени и изменяющихся температурных условий при установке, балансировка ячеек имеет важное значение.
Литий-ионные батареи в основном сталкиваются с двумя типами несоответствия: несоответствием при зарядке и несоответствием емкости. Несоответствие при зарядке возникает, когда элементы одинаковой емкости постепенно различаются по заряду. Несоответствие емкости происходит, когда вместе используются элементы с разной начальной емкостью. Хотя элементы, как правило, хорошо подобраны, если они произведены примерно в одно и то же время с использованием схожих производственных процессов, несоответствия могут возникать из-за элементов неизвестного происхождения или существенных различий в производстве.
Активная балансировка против пассивной балансировки
1. Цель
Аккумуляторные батареи состоят из множества последовательно соединенных элементов, которые, как правило, не являются идентичными. Балансировка обеспечивает поддержание отклонений напряжения элементов в пределах ожидаемых диапазонов, сохраняя общую работоспособность и управляемость, тем самым предотвращая повреждения и продлевая срок службы батареи.
2. Сравнение конструкций
- Пассивная балансировка: Обычно разрядка элементов с более высоким напряжением осуществляется с помощью резисторов, при этом избыточная энергия преобразуется в тепло. Этот метод увеличивает время зарядки других элементов, но имеет меньшую эффективность.
- Активная балансировка: сложная технология, которая перераспределяет заряд внутри элементов во время циклов зарядки и разрядки, сокращая время зарядки и увеличивая продолжительность разрядки. Обычно она использует стратегии нижней балансировки во время разрядки и стратегии верхней балансировки во время зарядки.
- Сравнение преимуществ и недостатков: Пассивная балансировка проще и дешевле, но менее эффективна, поскольку она расходует энергию в виде тепла и оказывает более медленное балансирующее воздействие. Активная балансировка более эффективна, поскольку передает энергию между ячейками, что повышает общую эффективность использования и позволяет быстрее достичь баланса. Однако она предполагает сложные конструкции и более высокие затраты, а также сложности с интеграцией таких систем в специализированные интегральные схемы.
Заключение
Концепция BMS (системы управления батареями) первоначально разрабатывалась за рубежом, при этом ранние разработки интегральных схем были сосредоточены на обнаружении напряжения и температуры. Позже была внедрена концепция балансировки, первоначально с использованием методов резистивного разряда, интегрированных в ИС. Этот подход сейчас широко распространен, и такие компании, как TI, MAXIM и LINEAR, производят подобные микросхемы, некоторые из которых интегрируют драйверы переключателей в свои чипы.
Исходя из принципов пассивной балансировки и соответствующих схем, если сравнить аккумуляторный блок с бочкой, то элементы будут подобны рейкам. Элементы с более высокой энергией — это длинные доски, а элементы с более низкой энергией — короткие доски. Пассивная балансировка лишь «укорачивает» длинные доски, что приводит к потерям энергии и снижению эффективности. Этот метод имеет ограничения, включая значительное рассеивание тепла и медленное действие балансировки в аккумуляторных блоках большой емкости.
Активная балансировка, напротив, «заполняет пробелы», передавая энергию от ячеек с более высокой энергией к ячейкам с более низкой энергией, что приводит к повышению эффективности и более быстрому достижению балансировки. Однако она вносит сложности и увеличивает стоимость, создавая проблемы при проектировании матриц переключателей и управлении приводами.
Учитывая компромиссы, пассивная балансировка может быть подходящей для клеток с хорошей однородностью, тогда как активная балансировка предпочтительнее для клеток с большими расхождениями.
Дата публикации: 27 августа 2024 г.
