Dlaczego prawidłowe równoważenie ogniw jest konieczne w zestawach akumulatorów Komentarz autora: Anton Beck, kierownik ds. produktów akumulatorowych, Epec

Komentarz wniesiony przez Antona Becka, kierownika ds. baterii,Epec

Gdy pakiet baterii litowych jest zaprojektowany z wykorzystaniem wielu ogniw połączonych szeregowo, bardzo ważne jest zaprojektowanie funkcji elektronicznych, aby stale równoważyć napięcia ogniw.Dotyczy to nie tylko wydajności akumulatora, ale także optymalnych cykli życia.

Wykorzystanie balansowania ogniw umożliwia nam zaprojektowanie baterii o większej pojemności dla danej aplikacji, ponieważ balansowanie pozwala na osiągnięcie przez baterię wyższego stanu naładowania (SOC).Wiele firm decyduje się na niestosowanie równoważenia komórek na początku projektowania, aby obniżyć koszty, ale bez inwestycji w sprzęt i oprogramowanie do równoważenia komórek, projekt nie pozwala, aby SOC zbliżył się do 100 procent.

Co to jest brak równowagi komórkowej?
Jeśli ogniwa litowe są przegrzane lub przeładowane, są podatne na przyspieszoną degradację ogniw.Mogą zapalić się, a nawet eksplodować, ponieważ może wystąpić niestabilna temperatura, jeśli napięcie ogniwa litowo-jonowego przekroczy 4,2 V nawet o kilkaset miliwoltów.

Każde opakowanie, które projektujemy i produkujemy w Epec, ma obwód zabezpieczający przed przepięciem (czasem nawet zapasowy), który jest zgodny ze standardowym balansowaniem ogniw, które zapobiegnie wystąpieniu takiego zdarzenia.W wieloogniwowym zestawie baterii, który jest powszechnie używany w laptopach i sprzęcie medycznym, umieszczanie ogniw w szeregu stwarza możliwość nierównowagi ogniw, czyli wolniejszej, ale trwałej degradacji baterii.

Co to jest równoważenie komórek?
Równoważenie ogniw to proces wyrównywania napięć i stanu naładowania między ogniwami, gdy są one w pełni naładowane.Żadne dwie komórki nie są identyczne.Zawsze występują niewielkie różnice w stanie naładowania, szybkości samorozładowania, pojemności, impedancji i charakterystyce temperaturowej.Dzieje się tak, nawet jeśli ogniwa są tego samego modelu, tego samego producenta i tej samej partii produkcyjnej.Producenci będą sortować ogniwa według podobnego napięcia, aby dopasować je jak najbliżej, ale nadal występują niewielkie różnice w impedancji, pojemności i szybkości samorozładowania poszczególnych ogniw, które mogą ostatecznie prowadzić do rozbieżności napięcia w czasie.

Większość typowych ładowarek akumulatorów wykrywa pełne naładowanie, sprawdzając, czy napięcie całego ciągu ogniw osiągnęło punkt regulacji napięcia.Napięcia poszczególnych ogniw mogą się różnić, o ile nie przekraczają limitów ochrony przed przepięciami.Jednak słabe ogniwa (o mniejszej pojemności / wyższej impedancji wewnętrznej) mają tendencję do wykazywania wyższego napięcia niż pozostałe ogniwa szeregowe przy pełnym zakończeniu ładowania.Ogniwa te są następnie dodatkowo osłabiane przez ciągłe cykle przeładowania.Wyższe napięcie słabszych ogniw po zakończeniu ładowania powoduje przyspieszoną degradację pojemności.Jeśli maksymalne zalecane napięcie ładowania zostanie przekroczone nawet o 10 procent, spowoduje to wzrost szybkości degradacji o 30 procent.

Po stronie rozładowania słabe ogniwa mają zwykle niższe napięcie niż inne ogniwa, albo ze względu na wyższą rezystancję wewnętrzną, albo szybszą szybkość rozładowania wynikającą z mniejszej pojemności.Oznacza to, że jeśli którekolwiek ze słabych ogniw uderzy w ogniwo pod limitem ochrony napięcia, podczas gdy napięcie pakietu jest nadal wystarczające do zasilania systemu, pełna pojemność akumulatora nigdy nie zostanie wykorzystana, ponieważ ochrona pakietu zapobiegnie nadmiernemu rozładowaniu (co mogłoby uszkodzić ogniwa) poprzez zatrzymanie rozładowywania całego pakietu, gdy napięcie jednego ogniwa spadnie poniżej progu napięcia ogniwa (zwykle około 2,7 V).

Techniki równoważenia komórek
Podstawowym rozwiązaniem balansowania ogniw jest wyrównywanie napięcia i stanu naładowania ogniw w stanie pełnego naładowania.Równoważenie komórek jest zwykle podzielone na dwa typy:

1. Bierny
2. Aktywny

Pasywne równoważenie komórek
Metoda pasywnego równoważenia komórek jest dość prosta i prosta.Rozładuj ogniwa przez rozproszeniową drogę obejściową.To obejście może być zintegrowane lub zewnętrzne w stosunku do układu scalonego (IC).Takie podejście jest korzystne w niskonakładowych aplikacjach systemowych.Fakt, że 100% nadwyżki energii z ogniwa o wyższej energii jest rozpraszane w postaci ciepła, sprawia, że ​​metoda pasywna jest mniej preferowana do stosowania podczas rozładowania ze względu na oczywisty wpływ na czas pracy akumulatora.

Aktywne równoważenie komórek
Aktywne równoważenie ogniw, które wykorzystuje pojemnościowy lub indukcyjny transfer ładunku do przenoszenia ładunku między ogniwami akumulatora, jest znacznie bardziej wydajne, ponieważ energia jest przenoszona tam, gdzie jest potrzebna, a nie wyrzucana.Oczywiście kompromisem dla tej zwiększonej wydajności jest potrzeba dodatkowych komponentów po wyższych kosztach.

Streszczenie
Równoważenie ogniw jest ważne nie tylko dla poprawy wydajności i cyklu życia baterii, ale dodaje element bezpieczeństwa do baterii.Jedną z pojawiających się technologii zwiększania bezpieczeństwa baterii i wydłużania jej żywotności jest zaawansowane równoważenie ogniw.Ponieważ nowe technologie równoważenia ogniw śledzą ilość równoważenia potrzebną dla poszczególnych ogniw, wydłuża się żywotność zestawów baterii i zwiększa się ogólne bezpieczeństwo baterii.