Когда системам хранения энергии необходима активная балансировка (и когда достаточно пассивной)

Проблема ежедневной езды на велосипеде: пассивная балансировка не была разработана.

Аккумулятор от потребительского электровелосипеда используется, возможно, раз в день, а часто и реже. Электроинструмент используется короткими импульсами. В большинстве случаев при использовании литиевых батарей аккумулятору дается достаточно времени для покоя, и любой небольшой дисбаланс между ячейками медленно корректируется в фоновом режиме. Пассивная балансировка — обычно около 100 мА, подаваемое на самую сильную ячейку во время максимального заряда — отлично подходит для такого режима работы.

Система хранения энергии устроена иначе. Домашний аккумулятор, подключенный к солнечной батарее, ежедневно и ежегодно подвергается глубоким циклам зарядки/разрядки. Коммерческая система хранения энергии может работать несколько раз в день. За тысячи циклов даже небольшие различия между элементами — производственные допуски, незначительные различия в возрасте, температурные градиенты в 16-элементном аккумуляторном блоке — накапливаются, приводя к измеримому дрейфу напряжения. Аккумуляторный блок перестает быть однородной цепочкой и начинает вести себя как самый слабый элемент. Общая емкость блока падает, дисбаланс увеличивается, и в конечном итоге система управления батареей (BMS) вынуждена преждевременно отключиться, чтобы защитить самый слабый элемент, оставляя полезную емкость невостребованной.

Именно этот тип отказа заставляет покупателей систем хранения энергии переходить к активной балансировке. Вопрос не в том, лучше ли активная балансировка в целом, а в том, достаточно ли интенсивный режим работы вашего проекта, чтобы пассивная балансировка не справлялась.

Что на самом деле делает пассивная балансировка на 100 мА (и в чем ее недостатки для ESS)?

Пассивная балансировка работает за счет сжигания избыточной энергии из элементов, которые первыми достигают полного заряда, в виде небольшого количества тепла на шунтирующем резисторе. Типичного тока пассивной балансировки в 100 мА достаточно для компенсации дрейфа, накапливающегося в условиях меньшей нагрузки, — но он имеет два структурных ограничения, которые важны для хранения:

• Оно действует только при максимальном заряде.Пассивная система требует, чтобы элементы достигли порога балансировки (обычно высокого уровня заряда), прежде чем она сможет их выровнять. В режиме частичного заряда, когда полная зарядка происходит редко, пассивная балансировка имеет меньше возможностей для эффективной работы.
• Скорость этого процесса невелика по сравнению с дрейфом, который может накапливаться ежедневно.В некоторых режимах работы систем накопления энергии дисбаланс может накапливаться быстрее, чем пассивная система балансировки на 100 мА, применяемая только в ограниченном диапазоне в момент максимального заряда, способна его исправить, поэтому разрыв может увеличиваться в течение нескольких месяцев, а не уменьшаться.

Для приложений с малым циклом работы пассивная балансировка хорошо согласовывает рабочий цикл и вносит наименьший вклад в стоимость. Проблема, в частности, для систем накопления энергии (ESS) заключается в несоответствии между скоростью дрейфа и скоростью коррекции при высоком рабочем цикле.

Что дает активное балансирование (и в чем заключается его реальная ценность)?

Активная балансировка работает за счет передачи энергии от элементов с более высоким напряжением к элементам с более низким напряжением — как правило, через индуктивную или емкостную цепь передачи — вместо того, чтобы сжигать ее в виде тепла. Из этого вытекают два практических следствия:

• Более высокий балансировочный ток.В то время как пассивная балансировка составляет около 100 мА, в системах управления батареями (BMS) с активной балансировкой она обычно находится в диапазоне 1 А — коррекция на порядок быстрее.
• Оно может работать с более широким диапазоном уровней SOC.Это важно не только на пике заряда. Это имеет значение при хранении, где батарея редко может находиться в состоянии 100% заряда.

В результате реализации проекта ESS (системы накопления энергии) дрейф напряжения ячеек можно корректировать со скоростью, которая более точно соответствует скорости его накопления. Активная балансировка помогает поддерживать стабильность батареи на протяжении всего срока службы, снижая вероятность того, что полезная емкость будет потеряна из-за самой слабой ячейки. Важно помнить: эффективность балансировки в процессе эксплуатации зависит от остальной части системы — соответствия батареи и ячеек в начале работы, распределения тепла по всей цепочке и того, в какой точке диапазона SOC разрешена балансировка. Конкретные данные по балансировке для данной конфигурации батареи следует уточнять у инженерной группы, а не полагаться только на данные из технической документации.

Когда достаточно пассивной балансировки (не следует переоценивать характеристики)

Активная балансировка не является стандартным обновлением. Для широкого спектра применений пассивная балансировка действительно является оптимальным решением:

• Системы резервного питания малой мощности, которые редко включаются и выключаются.
• Источники бесперебойного питания для телекоммуникаций, работающие преимущественно в режиме ожидания и редко подвергающиеся глубокому разряду.
• Небольшие системы хранения энергии для потребителей, где экономические показатели проекта не оправдывают дополнительные затраты на систему управления зданием (BMS).
• Хорошо подобранные ячейки с высокой начальной устойчивостью, где дрейф накапливается медленно.

Использование активной балансировки в таких приложениях увеличивает стоимость без соразмерной выгоды. Хороший поставщик подскажет, когда пассивная балансировка является оптимальным решением для вашего проекта, и тревожным сигналом является поставщик, который рекомендует активную балансировку для каждого проекта без четкого технического обоснования, привязанного к вашему рабочему циклу.

Когда активная балансировка нагрузки оправдана для вашего проекта по хранению данных.

Условия рабочего цикла, которые склоняют чашу весов в сторону активного режима для накопления энергии, достаточно специфичны. Если ваш проект соответствует нескольким из этих условий, стоит указать активное балансирование:

• Ежедневная глубокая велопрогулка.В системах хранения энергии, работающих в паре с солнечной энергией и ежедневно и ежегодно значительно разряжающихся, колебания емкости накапливаются быстрее, чем периодическая балансировка при подзарядке может их скорректировать.
• Ожидаемый срок службы — несколько лет.Чем дольше предполагается работа системы, тем больше совокупного дрейфа помогает предотвратить активная балансировка.
• Более крупные варианты комплектации.В цепочке из 16 элементов больше мест для возникновения дрейфа, чем в цепочке из 8 элементов, поскольку большее количество элементов, соединенных последовательно, увеличивает вероятность колебаний от элемента к элементу по всей цепочке. Аккумуляторные батареи с напряжением 48 В (15-16 элементов) и выше выигрывают от более быстрой коррекции.
• Архитектура параллельного пакета.Активная балансировка работает на уровне отдельных ячеек внутри каждой упаковки — она не выравнивает баланс между параллельными упаковками, но помогает каждой отдельной упаковке поддерживать внутреннюю согласованность, что обеспечивает более предсказуемое поведение при совместной работе нескольких упаковок в банке.
• Работа в режиме частичного цикла.Если ваш режим хранения редко позволяет полностью зарядить аккумулятор (сглаживание пиковых нагрузок, оптимизация собственного потребления), то зависимость пассивной балансировки от оптимального времени зарядки становится реальным ограничением.

Справочник быстрого выбора

Вкратце, вот как обычно соотносятся активная и пассивная балансировка в типичных областях применения. Рассматривайте это как отправную точку для вашего запроса предложений, а не как замену подбору балансировки в соответствии с вашим конкретным рабочим циклом:

Таблица служит отправной точкой; указывайте параметры, исходя из фактического профиля рабочего цикла, а не только из названия приложения.

DALY Активная балансировка для систем хранения данных

Для проектов, где активная балансировка является необходимым параметром, линейка систем управления батареями DALY 4-го поколения обеспечивает ее изначально. Вариант LK обеспечивает активную балансировку с током 1 А для стандартных бытовых конфигураций хранения энергии; вариант LM-B обеспечивает активную балансировку с током 2 А для систем с более высоким током и большей емкостью. Оба варианта поддерживают 8-16S LFP и архитектуру параллельных блоков, распространенную в бытовых и небольших коммерческих системах хранения энергии, масштабируясь до 16 блоков параллельно (около 160 кВт·ч на сеть) для проектов, которые со временем увеличиваются.

В любом предварительном обсуждении перед запросом предложений стоит отметить два момента: балансировка производительности при развертывании зависит от остальной части системы, как обсуждалось выше, а конкретные данные конфигурации — включая логику запуска балансировки, окно SOC и рекомендации по согласованию ячеек и блоков — это то, что команда инженеров будет прорабатывать с вами в рамках проекта, а не то, что следует предполагать, исходя из технической документации.

Часто задаваемые вопросы

Q1Всегда ли активная балансировка при токе 1 А лучше, чем пассивная при токе 100 мА?

Не всегда — что считать лучше зависит от того, как ваш рабочий цикл влияет на аккумулятор. Для приложений, где дрейф накапливается медленно (резервное питание с низкой нагрузкой, неглубокий цикл работы), пассивная коррекция 100 мА решает проблему и добавляет наименьшие затраты. Для приложений, где дрейф накапливается быстрее, чем 100 мА могут его скорректировать (ежедневный глубокий цикл работы в хранилище), активная коррекция 1 А решает проблему лучше. Подбирайте метод балансировки в соответствии с вашим рабочим циклом, а не наоборот.

Q2Продлевает ли активная балансировка срок службы велокомпрессора?

Срок службы — это свойство самих элементов, а не то, что создается балансировкой. Активная балансировка помогает батарее достичь номинального срока службы элементов, снижая риск того, что дисбаланс выведет отдельные элементы за пределы их безопасного рабочего диапазона. Максимальный срок службы определяется элементами; балансировка помогает приблизиться к этому максимальному сроку, а не ограничиваться самым слабым элементом. Конкретные данные о сроке службы для вашей конфигурации обсуждаются на уровне проекта с инженерной группой.

Q3Если я не уверен, нужен ли моему проекту активный или пассивный режим, что мне следует сделать?

Предоставьте поставщику информацию о вашем рабочем цикле: суточную глубину циклов, ожидаемое количество циклов в год, целевой срок службы, размер аккумуляторной батареи и вероятность регулярной полной зарядки системы. Поставщик, который указывает характеристики, основываясь на этой информации, а не по умолчанию выбирая более дорогой вариант, заслуживает серьезного внимания. Если вы не можете предоставить обоснование технических характеристик, которое бы соответствовало вашему рабочему циклу, именно эти данные вам необходимы до отправки запроса на коммерческое предложение.

О программе DALY

Компания DALY разрабатывает и производит системы управления литий-ионными батареями для OEM-производителей, производителей аккумуляторных блоков и интеграторов, продукция которой используется более чем в 130 странах. Основанная в 2015 году, компания DALY работает в соответствии со стандартами ISO 9001 / ISO 14001, а также соответствует требованиям CE и RoHS; линейка систем хранения энергии имеет статус признанного компонента UL (не полную системную сертификацию UL — это различие важно для проектов в Северной Америке), и предоставляется документация, подтверждающая сертификацию на уровне блока или системы в целом.

Выбираете ли вы активную балансировку баланса для своего проекта хранения данных?

Если вы планируете проект по созданию системы хранения солнечной энергии, домашней аккумуляторной батареи или малой коммерческой системы хранения энергии и хотите правильно определить параметры балансировки, команда инженеров DALY может проанализировать ваш рабочий цикл и помочь вам подобрать подход к системе управления батареей (BMS) в соответствии с ним.

• Укажите свой рабочий цикл: глубину суточного цикла, ожидаемый срок службы, размер аккумуляторной батареи, параллельную конфигурацию.
• Запросить документацию по техническим характеристикам 4-го поколения LK / LM-B
• Электронная почта:dalybms@dalyelec.com

Страница продукта «Активная балансировка»:https://www.dalybms.com/active-balancing-products/