Литиевые аккумуляторные батареи подобны двигателям, которые не требуют технического обслуживания.БМСБез функции балансировки это всего лишь сбор данных и не может считаться системой управления. Как активная, так и пассивная балансировка направлены на устранение несоответствий в аккумуляторной батарее, но принципы их реализации принципиально различаются.
Для ясности, в данной статье балансировка, инициированная BMS посредством алгоритмов, определяется как активная, а балансировка с использованием резисторов для рассеивания энергии — как пассивная. Активная балансировка подразумевает передачу энергии, тогда как пассивная — её рассеивание.
Основные принципы проектирования аккумуляторных батарей
- Зарядку необходимо прекратить, когда первый элемент полностью зарядится.
- Разрядку необходимо прекратить, когда разрядится первый элемент.
- Более слабые клетки стареют быстрее, чем более сильные.
- - элемент с самым слабым зарядом в конечном итоге ограничит возможности аккумуляторной батареи's полезная мощность (самое слабое звено).
- Градиент температур внутри аккумуляторной батареи делает элементы, работающие при более высоких средних температурах, слабее.
- Без балансировки разница напряжений между самыми слабыми и самыми мощными ячейками увеличивается с каждым циклом зарядки и разрядки. В конечном итоге напряжение одной ячейки приблизится к максимальному, а напряжение другой — к минимальному, что затрудняет зарядку и разрядку аккумулятора.
Из-за несоответствия ячеек с течением времени и меняющихся температурных условий в процессе установки балансировка ячеек имеет важное значение.
Литий-ионные аккумуляторы в основном сталкиваются с двумя типами несоответствия: несоответствием заряда и несоответствием ёмкости. Несоответствие заряда происходит, когда элементы одинаковой ёмкости постепенно меняют заряд. Несоответствие ёмкости происходит, когда одновременно используются элементы с разной начальной ёмкостью. Хотя элементы, как правило, хорошо соответствуют друг другу, если они производятся примерно в одно время с использованием схожих производственных процессов, несоответствие может возникать, если элементы изготовлены из неизвестных источников или имеют существенные различия в производстве.
Активная балансировка против пассивной балансировки
1. Цель
Аккумуляторные батареи состоят из множества последовательно соединённых ячеек, которые, скорее всего, не идентичны. Балансировка обеспечивает поддержание отклонений напряжения ячеек в ожидаемых пределах, обеспечивая общую удобство использования и управляемость, тем самым предотвращая повреждения и продлевая срок службы аккумулятора.
2. Сравнение дизайна
- Пассивная балансировка: обычно разрядка элементов с более высоким напряжением осуществляется с помощью резисторов, преобразуя избыточную энергию в тепло. Этот метод увеличивает время зарядки других элементов, но имеет более низкую эффективность.
- Активная балансировка: сложная технология, которая перераспределяет заряд внутри ячеек во время циклов заряда и разряда, сокращая время зарядки и увеличивая продолжительность разряда. Обычно она использует стратегии нижней балансировки во время разряда и стратегии верхней балансировки во время зарядки.
- Сравнение плюсов и минусов: Пассивная балансировка проще и дешевле, но менее эффективна, поскольку она расходует энергию в виде тепла и имеет более медленный эффект балансировки. Активная балансировка более эффективна, поскольку обеспечивает передачу энергии между ячейками, что повышает общую эффективность использования и ускоряет достижение баланса. Однако она требует сложных структур и более высоких затрат, а также сопряжена с трудностями интеграции таких систем в специализированные микросхемы.
Заключение
Концепция BMS изначально была разработана за рубежом, где ранние разработки микросхем были сосредоточены на измерении напряжения и температуры. Позднее была введена концепция балансировки, изначально с использованием методов резистивного разряда, интегрированных в микросхемы. В настоящее время этот подход широко распространен: такие компании, как TI, MAXIM и LINEAR, производят такие микросхемы, некоторые из которых интегрируют в них драйверы коммутаторов.
Согласно принципам и схемам пассивной балансировки, если сравнить аккумуляторную батарею с бочкой, то ячейки будут подобны клёпкам. Ячейки с более высокой энергией – это длинные доски, а с более низкой – короткие. Пассивная балансировка лишь «укорачивает» длинные доски, что приводит к потерям энергии и снижению эффективности. Этот метод имеет ограничения, включая значительное рассеивание тепла и медленную балансировку в батареях большой ёмкости.
Активная балансировка, напротив, «заполняет короткие планки», передавая энергию от ячеек с более высоким уровнем энергии к ячейкам с более низким, что приводит к повышению эффективности и более быстрому достижению баланса. Однако это приводит к проблемам со сложностью и стоимостью, связанным с проектированием коммутационных матриц и управлением приводами.
Учитывая компромиссы, пассивная балансировка может быть подходящей для ячеек с хорошей согласованностью, тогда как активная балансировка предпочтительнее для ячеек с большими расхождениями.
Время публикации: 27 августа 2024 г.
