Балансировка батареи

Балансировка аккумуляторов и перераспределение аккумуляторов относятся к методам, которые улучшают доступную емкость аккумуляторной батареи с несколькими элементами (обычно последовательно) и увеличивают срок службы каждого элемента. ^[1] Балансировщик батареи или регулятор батареи — это электрическое устройство в аккумуляторном блоке, которое выполняет балансировку батареи. ^[2] Балансиры часто встречаются в блоках литий-ионных аккумуляторов для портативных компьютеров, электромобилей. и т. д.

Обоснование

Отдельные элементы аккумуляторной батареи, естественно, имеют несколько разную емкость и поэтому в ходе циклов зарядки и разрядки могут находиться в разном состоянии заряда (SOC). Изменения в мощности происходят из-за производственных отклонений, отклонений в сборке (например, элементы из одного производственного цикла смешаны с другими), старения элементов, примесей или воздействия окружающей среды (например, некоторые элементы могут подвергаться дополнительному нагреву от близлежащих источников, таких как двигатели, электроника). и т. д.), и может усугубляться совокупным эффектом паразитных нагрузок, таких как схемы мониторинга элементов, часто встречающиеся в системе управления батареями (BMS).

Балансировка многоэлементного блока помогает максимизировать емкость и срок службы аккумулятора, поддерживая эквивалентный уровень заряда каждого элемента, насколько это возможно, учитывая их разную емкость, в максимально широком диапазоне. Балансировка необходима только для пакетов, содержащих более одной ячейки последовательно. Параллельные ячейки естественным образом балансируются, поскольку они напрямую соединены друг с другом, но группы параллельно соединенных ячеек, соединенных последовательно (параллельно-последовательная проводка), должны быть сбалансированы между группами ячеек.

Последствия для безопасности

Чтобы предотвратить нежелательные и часто опасные условия, система управления батареями должна контролировать состояние отдельных ячеек на предмет рабочих характеристик, таких как температура, напряжение и иногда потребляемый ток, хотя последний часто измеряется только для каждой упаковки, а не для каждой ячейки. возможно, с одноразовой защитой на уровне ячейки от аномально высокого тока (например, при коротком замыкании или другом сбое).

При нормальной работе разрядка должна прекратиться, когда какой-либо элемент впервые разряжается, даже если другие элементы все еще могут сохранять значительный заряд. Аналогично, зарядка должна прекратиться, когда какой-либо элемент достигнет максимально безопасного зарядного напряжения. Невыполнение любого из этих требований может привести к необратимому повреждению элементов или, в крайних случаях, может привести к изменению полярности элементов, вызвать внутреннее газовыделение, тепловой разгон или другие катастрофические отказы. Если элементы не сбалансированы, так что верхняя и нижняя границы отсечки, по крайней мере, совпадают с состоянием элемента с наименьшей емкостью, энергия, которая может быть взята из батареи и возвращена в нее, будет ограничена.

Поскольку химия лития часто позволяет создавать гибкие мембранные структуры, литиевые элементы можно размещать в гибких, но герметичных пакетах, что обеспечивает более высокую плотность упаковки внутри аккумуляторной батареи. При неправильном обращении с литиевым элементом некоторые продукты распада (обычно химические вещества или добавки электролита) выделяют газы. Такие клетки станут «опухшими» и будут на грани выхода из строя. В герметичных литий-ионных батареях цилиндрического формата такое же выделение газов вызывает довольно большие давления (сообщается о 800+ фунтах на квадратный дюйм). ^{[ нужна ссылка ]}); такие ячейки могут взорваться, если не оснащены механизмом сброса давления. Опасность усугубляется тем, что многие химические составы литиевых элементов включают в себя углеводородные химические вещества. ^{[ нужна ссылка ]} (точная природа которых обычно является запатентованной), и они легковоспламеняющиеся. Таким образом, помимо риска неправильного обращения с элементом, который может привести к взрыву, простая невзрывоопасная утечка может вызвать пожар.

Большинство химических элементов аккумуляторов имеют менее драматичные и менее опасные режимы отказа. Химические вещества в большинстве батарей часто в той или иной степени токсичны, но редко являются взрывоопасными или легковоспламеняющимися. ^{[ нужна ссылка ]}; многие из них вызывают коррозию, поэтому рекомендуется не оставлять батареи внутри оборудования на длительное время, поскольку батареи могут протечь и повредить оборудование. Свинцово-кислотные аккумуляторы являются исключением, поскольку при их зарядке выделяется газообразный водород, который может взорваться при воздействии источника воспламенения (например, зажженной сигареты), и такой взрыв приведет к разбрызгиванию серной кислоты во всех направлениях. Поскольку он вызывает коррозию и потенциально ослепляет, это представляет особую опасность.

Технология

Балансировка может быть активной или пассивной . ^[3] Термин «регулятор батареи» обычно относится только к устройствам, выполняющим пассивную балансировку.

Полная BMS может включать в себя активную балансировку, а также мониторинг температуры, зарядку и другие функции, позволяющие максимально продлить срок службы аккумуляторной батареи. ^[4]

Балансировка батарей может выполняться преобразователями постоянного тока в одну из трех топологий:

От ячейки к батарее
Батарея к ячейке
Двунаправленный

Обычно мощность, потребляемая каждым преобразователем постоянного тока в постоянный, на несколько порядков ниже мощности, потребляемой аккумуляторной батареей в целом.

Пассивная балансировка

При пассивной балансировке энергия извлекается из наиболее заряженной ячейки и рассеивается в виде тепла, обычно через резисторы .

Пассивная балансировка выравнивает состояние заряда в некоторой фиксированной точке - обычно либо «максимально сбалансированная», когда все ячейки одновременно достигают 100% SOC; или «нижний баланс», когда все ячейки одновременно достигают минимального уровня SOC. Этого можно добиться путем отбора энергии из ячеек с более высоким уровнем заряда (например, контролируемое короткое замыкание через резистор или транзистор) или путем шунтирования энергии по пути, параллельному ячейке во время цикла заряда, чтобы меньше (обычно регулируемый постоянный) ток потребляется ячейкой. Пассивная балансировка по своей сути является расточительной: часть энергии аккумулятора расходуется в виде тепла ради выравнивания состояния заряда между элементами. Накопление отходящего тепла также может ограничивать скорость, с которой может происходить балансировка.

Активная балансировка

При активной балансировке энергия извлекается из наиболее заряженной ячейки и передается наименее заряженной ячейке, обычно через конденсаторные, индукторные или преобразователи постоянного тока . ^[5]

Активная балансировка пытается перераспределить энергию от элементов с полным зарядом к элементам с более низким уровнем заряда. Энергию можно отобрать из ячейки с более высоким SOC, подключив резервуарный конденсатор, включенный в цепь ячейки, затем отсоединив конденсатор и снова подключив его к ячейке с более низким SOC, или через преобразователь постоянного тока, подключенный ко всей батарее. . Из-за неэффективности некоторая энергия по-прежнему тратится в виде тепла, но не в такой же степени. Несмотря на очевидные преимущества, дополнительные затраты и сложность топологии с активной балансировкой могут быть существенными и не всегда имеют смысл в зависимости от приложения.

В другом варианте, который иногда используется в аккумуляторных блоках электрических велосипедов, используется многоконтактный разъем с резистором и диодом, включенными последовательно на каждом узле: поскольку падения известны, зарядное устройство затем подает либо подходящий разрядный ток, либо заряжает слабые элементы до тех пор, пока все они не будут показывать одинаковое значение. напряжение нагруженных клемм. Преимущество этого заключается в небольшом уменьшении веса упаковки и уменьшении паразитного притяжения, а также в обеспечении возможности многоточечной балансировки.

См. также

Ссылки

^ ДельРосси, Рич (2002). «Руководство по проектированию балансировки ячеек AN231» (PDF) . Микрочип Технология Инк .
^ Байпасный регулятор, управляемый напряжением, с цифровым интерфейсом . Manzanitamicro.com (22 февраля 2006 г.). Проверено 27 апреля 2013 г.
^ Вэнь, Сыхуа (сентябрь 2009 г.). «Балансировка ячеек увеличивает время работы и срок службы батареи» (PDF) . Журнал аналоговых приложений : 14.
^ Системы управления батареями и мониторинга BMS . Mpoweruk.com. Проверено 27 апреля 2013 г.
^ Дяо, Вэйпин; и др. (июль 2017 г.). «Активное выравнивание элементов аккумуляторной батареи на основе максимизации остаточной доступной энергии». Прикладная энергетика . 210 :9. doi : 10.1016/j.apenergy.2017.07.137 .

Дальнейшее чтение

Патенты

Патент США 384447 , Э. Жюльен, Регулирующий коммутатор для вторичной батареи.

[1] ДельРосси, Рич (2002). «Руководство по проектированию балансировки ячеек AN231» (PDF) . Микрочип Технология Инк .

[2] Байпасный регулятор, управляемый напряжением, с цифровым интерфейсом . Manzanitamicro.com (22 февраля 2006 г.). Проверено 27 апреля 2013 г.

[3] Вэнь, Сыхуа (сентябрь 2009 г.). «Балансировка ячеек увеличивает время работы и срок службы батареи» (PDF) . Журнал аналоговых приложений : 14.

[4] Системы управления батареями и мониторинга BMS . Mpoweruk.com. Проверено 27 апреля 2013 г.

[5] Дяо, Вэйпин; и др. (июль 2017 г.). «Активное выравнивание элементов аккумуляторной батареи на основе максимизации остаточной доступной энергии». Прикладная энергетика . 210 :9. doi : 10.1016/j.apenergy.2017.07.137 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]