Aktyvus ir pasyvus balansavimas: ličio baterijų sistemų vadovas

Renkantis aličio baterijų valdymo sistema, suprasdami techninius skirtumusaktyvus ir pasyvus balansavimasyra būtinas norint optimizuoti akumuliatoriaus veikimą.

Nors ličio baterijų paketai gaminami su labai suderintais parametrais, atskirose ląstelėse gali atsirasti įtampos neatitikimų veikimo metu dėl gamybos ar aplinkos temperatūros pokyčių. Kadangi bendrą akumuliatoriaus talpą riboja silpniausias elementas, toks disbalansas gali sumažinti naudojamą energiją ir sutrumpinti pakuotės tarnavimo laiką.

Norėdami išspręsti šią problemą,Copow LiFePO4 akumuliatoriaituri BMS, kurioje naudojami du skirtingi balansavimo metodai:pasyvus balansavimas, kuri išsklaido perteklinę energiją iš aukštesnės{0}}įtampos elementų kaip šilumą per rezistorius iraktyvus balansavimas, kuris perduoda energiją iš aukštesnės-tampos elementų į žemesnės-tampos elementus, naudodamas energijos kaupimo komponentus.

Šis straipsnisanalizuoja šių dviejų požiūrių skirtumus energijos efektyvumo, šilumos valdymo ir taikymo sąnaudų požiūriu, padėsiantis padaryti teisingą pasirinkimą pagal akumuliatoriaus talpą ir naudojimo scenarijų.

Kas yra baterijos elementų balansavimas ir kodėl tai svarbu ličio sistemose?

Ličio baterijos paprastai susideda iš kelių atskirų elementų, sujungtų nuosekliai(pavyzdžiui, „Tesla“ akumuliatoriaus bloke yra tūkstančiai elementų). Nors iš gamyklos šie elementai gali atrodyti identiški, dėl nedidelių gamybos procesų, aplinkos temperatūros ir senėjimo skirtumų įkrovimo ir iškrovimo metu jos elgiasi skirtingai.

Akumuliatoriaus balansavimas – tai elektroninių grandinių naudojimas įtampai reguliuoti arbakiekvienos atskiros ląstelės įkrovos būsenaakumuliatoriaus pakete, pašalinant šiuos skirtumus ir užtikrinant nuoseklų viso paketo veikimą.

Kodėl tai svarbu? („Kaušo efektas“)

Ličio baterijų sistemos veikimą lemia jossilpniausia ląstelė. Nesant balansavimo iškyla šios problemos:

• Ribotas įkrovimas (neužpildytas):Įkrovimo metu, jei vienas elementas pasiekia savo pajėgumą pirmas, sistema turi nustoti krauti visą paketą, kad būtų išvengta perkrovimo ir galimo sprogimo. Dėl to kiti elementai įkraunami tik iš dalies (pvz., 80%), o tai sumažina bendrą naudojamą talpą.
• Ribotas iškrovimas (neišsamus naudojimas):Iškrovimo metu, jei vienas elementas pirmiausia išsikrauna, sistema turi nutraukti maitinimą, kad apsaugotų tą elementą nuo pažeidimų. Tai reiškia, kad esate priversti sustoti, net jei kitose ląstelėse dar liko energijos.
• Sutrumpintas tarnavimo laikas:Celės, kurios nuolat „per{0}}stumiamos“ arba „išsikraunamos“, sensta daug greičiau, sukurdamos užburtą ratą, kuris galiausiai sugadina visą akumuliatorių.
• Pavojai saugai:Didelis disbalansas gali sukelti viršįtampą arba per mažą įtampą atskiruose elementuose, o tai gali suveiktiterminis pabėgimas (gaisras).

Įprasti balansavimo metodai

Aktyvus ir pasyvus balansavimas: paaiškinti pagrindiniai skirtumai

Aličio baterijų valdymo sistema, pasyvus balansavimasiraktyvus balansavimasyra dvi skirtingos įtampos reguliavimo strategijos.

Pagrindinis skirtumas tarp jų yra tai, kaip tvarkomas energijos perteklius:Pasyvus balansavimas aukštesnės -įtampos elementų energiją paverčia šiluma per rezistorius, kad būtų suderinta įtampa, o aktyvus balansavimas naudoja energijos kaupimo komponentus, kad energija iš aukštesnės-tampos elementų būtų perkelta į žemesnės{2}}įtampos elementus, taip užtikrinant vidinę energijos cirkuliaciją.

1. Darbo principų palyginimas

• Pasyvus balansavimas (disipatyvus):Tai kaipišliejantvandens perteklius iš per pilnų butelių. Jis naudoja perjungimo grandinę, prijungtą prie arezistorius. Energijos perteklius iš aukštesnės įtampos elementų paverčiamas įkarštisir išsisklaido tol, kol jų lygis sutampa su likusiomis ląstelėmis.
• Aktyvus balansavimas (perskirstomas):Tai kaippilantvandens perteklių iš pilno butelio į tuščią. Jame naudojami kondensatoriai, induktoriai arba transformatoriai kaip „saugojimo talpyklos“.perkėlimasįkraunama iš aukštos{0}}tampos elementų į žemos-tampos elementus, perskirstant energiją visame pakete.

2. Pagrindiniai skirtumai iš pirmo žvilgsnio

3. Kodėl ne visur naudojamas aktyvus balansavimas?

Jei aktyvus balansavimas yra greitesnis ir taupo energiją, kodėl dauguma BMS įrenginių vis dar naudoja pasyvų balansavimą?

• Kainų{0}}efektyvumas:Pasyvus balansavimas yra labai pigus. Daugeliui naujų baterijų, kurių elementų konsistencija yra didelė, kasdienei priežiūrai pakanka nedidelės pasyvaus balansavimo srovės.
• Patikimumas:Čia galioja taisyklė „daugiau dalių, daugiau problemų“. Aktyvios balansavimo grandinės yra sudėtingos, todėl galimų gedimų dažnis yra didesnis, palyginti su paprastais, patvariais rezistoriais.
• Dydis / pėdsakas:Aktyvaus balansavimo moduliai dažnai yra nepatogūs ir netinka išmaniesiems telefonams, nešiojamiesiems kompiuteriams ar lengviems akumuliatoriams.

4. Kada aktyvus balansavimas yra „žaidimų keitiklis“?

Aktyvus balansavimas turi aiškų pranašumą dviem konkrečiais scenarijais:

• Didelės talpos ląstelės:Masyviam 280 Ah elementui 100 mA pasyvus balansas gali užtrukti kelias savaites, kad būtų ištaisytas 1 % nuokrypis. Aktyvus balansuotojas gali tai padaryti per valandas.
• Senstančios / atnaujintos baterijos:Ląstelėms senstant, jų pajėgumai skiriasi. Aktyvus balansavimas gali veiktiiškrovimo metu, perduodanti galią iš „stiprių“ elementų į „silpnus“, žymiai prailginant senesnio paketo tikrąjį vairavimo atstumą arba veikimo laiką.

Praktiniai inžineriniai akumuliatorių balansavimo iššūkiai realiose srityse

Inžinerinėje praktikoje baterijų balansavimo įgyvendinimas yra daug sudėtingesnis nei pagrindinė įkrovimo ir iškrovimo logika. Inžinieriai turi spręsti realius-pasaulio iššūkius, tokius kaip aplinkos temperatūros svyravimai, dinaminiai srovės šuoliai irelektroninių komponentų tarnavimo laikas.

Siekiant užtikrinti sistemos stabilumą, balansavimo strategijos turi prisitaikyti prie įvairaus darbo krūvio ir optimizuoti grandinės efektyvumo ir šilumos išsklaidymo{0}}kompensaciją. Šis sudėtingumas reiškia, kad balansavimo logika turi ne tik valdyti atskiras įtampos vertes, bet ir atsižvelgti į akumuliatoriaus senėjimo kreives bei ilgalaikį aparatinės įrangos patikimumą.

1. Tikslus balansavimo laikas (SoC aptikimo problema)

Dinaminėmis veikimo sąlygomis labai sunku nustatyti, kuri ląstelė turi „didelį“ krūvį.

• Statiniai ir dinaminiai trukdžiai:Įkrovimo ir iškrovimo metu akumuliatoriai patiria įtampos kritimą dėl vidinės varžos (IR). Jei įtampa matuojama transporto priemonei įsibėgėjant arba kylant nuokalne (didelė-srovės iškrova), šiek tiek didesnę vidinę varžą turinčio elemento įtampa gali staigiai nukristi, net jei jo tikrasis įkrovimas nėra mažas.
• Įtampos plokščiakalnio iššūkis: Ličio geležies fosfato baterijosturi itin plokščią įtampos kreivę. Tarp maždaug20% ir 80%įkrovos būsena, įtampa beveik nesikeičia{0}}kartais tik kelis milivoltus. Esant tokioms sąlygoms,standartinis BMSjutiklio tikslumas (paprastai ±10 mV) stengiasi nustatyti, ar ląstelė tikrai nesubalansuota.
• Inžinerinė strategija:Daugumoje praktinių sistemų balansavimas atliekamas tik įkrovimo ciklo pabaigoje, kai įtampos kreivė pradeda smarkiai kilti.

2. Šiluminio valdymo ir šilumos išsklaidymo iššūkiai

Šilumos valdymas yra pagrindinis pasyviųjų balansavimo sistemų rūpestis.

• Vietinis perkaitimas:Pasyvus balansavimas per rezistorius išsklaido energijos perteklių kaip šilumą. Kai vienu metu subalansuojamos kelios ląstelės, BMS plokštės rezistorių matrica gali generuoti daug šilumos. Prasta šiluminė konstrukcija gali pakelti BMS temperatūrą, o tai gali sukelti apsaugą nuo per didelės temperatūros arba pagreitinti netoliese esančių ląstelių senėjimą ir sukelti atvirkštinį disbalansą.
• Energijos tankis ir erdvė:Svoriui-jautriuose įrenginiuose, pvz., dronuose, yra mažai vietos dideliems radiatoriams, o tai riboja didžiausią leistiną balansavimo srovę.

3. Elektromagnetiniai trukdžiai (EMI / EMC problemos)

EMI ypač ryškus aktyviosiose balansavimo sistemose.

• Aukšto{0}}dažnio perjungimo triukšmas:Aktyvus balansavimas apima DC{0}}DC konvertavimą arba aukšto-dažnio kondensatoriaus perjungimą (paprastai nuo šimtų kHz iki MHz). Tai sukelia didelių elektromagnetinių trukdžių, turinčių įtakos BMS atrankos lustų tikslumui, todėl įtampos rodmenys gali svyruoti ir gali būti priimti neteisingi balansavimo sprendimai.
• Dizaino sudėtingumas:Inžinieriai turi pasikliauti pažangiais PCB išdėstymais, ekranavimu ir filtravimo grandinėmis, kad izoliuotų matavimo signalų triukšmą.

4. Kompromisai{1}}: kaina, dydis ir patikimumas

• Komponentų skaičius:Aktyviam balansavimui reikia daug induktorių, transformatorių arba MOSFET. 100 ląsteliųenergijos kaupimo sistema, jei kiekvienai ląstelei reikia aktyvaus balansavimo, komponentų skaičius padaugėja ir žymiai sumažėjavidutinis laikas tarp gedimų (MTBF).
• Ramioji srovė (sav{0}}suvartojimas):Pati balansavimo grandinė sunaudoja energiją. Prasta konstrukcija gali ištuštinti sveikas ląsteles ilgai-saugant, o tai gali sukelti „giliosios iškrovos“ žalą.

5. Ląstelių nuoseklumo evoliucija (dinaminis senėjimas)

• Dvigubas talpos ir pasipriešinimo disbalansas:Baterijoms senstant kai kurios ląstelės praranda talpą, o kitos patiria didesnį vidinį pasipriešinimą.
• Inžinerijos spąstai:Jei balansavimas pagrįstas tik įtampa, įkrovimo metu sistema gali išlyginti elementą A. Tačiau iškrovimo metu ląstelė A gali atsilikti greičiausiai dėl mažesnės talpos. Sistema nuolat judina energiją pirmyn ir atgal, nepaisydama pagrindinio pajėgumų skirtumo-reiškinio, žinomo kaip„balansuojantis svyravimas“.

„Geriausia Copow LiFePO4 baterijų balansavimo praktika“.

„Copow“ paprastai laikosi tokio kompromisinio požiūrio:

• Labai{0}}tikslus mėginių ėmimas:Norėdami tiksliai išmatuoti įtampą, naudokite 1 mV-lygio tikslumo-ar dar didesnį- analoginius priekinės{0}}(AFE) lustus.
• Hibridinė strategija:Pasyvus balansavimas yra numatytasis silpnos -srovės,-ilgalaikės priežiūros sprendimas; senstančioms sistemoms ar itin-didelės-talpos paketams aktyvus balansavimas pridedamas kaip priedas.
• Algoritminis modeliavimas:Norėdami įvertinti, naudokite išplėstinį Kalmano filtrą (EKF) arba neuroninio tinklo algoritmus kartu su srovės integravimu (kulonų skaičiavimu).SoCo ne pasikliauti vien įtampos matavimais.

Kokius pagrindinius akumuliatoriaus valdymo iššūkius išsprendžia Copow ličio geležies fosfato baterijų aktyvaus balansavimo technologija?

Copow aktyvaus balansavimo technologijaLiFePO4 baterijos pateikia elementų nuoseklumo problemų sprendimą didelės-talpos akumuliatorių paketuose, kai jie veikia ilgą laiką.

Ši technologija sumažina įtampos nuokrypius tarp elementų per vidinį energijos perdavimo mechanizmą. Programose, kuriose naudojami dažni įkrovimo-iškrovimo ciklai ir gilus ciklas, jis padeda išvengti ankstyvo atskirų elementų atjungimo, taip sumažindamas talpos praradimą, padidindamas faktinę baterijos bloko naudojamą energiją ir pailgindamas jo tarnavimo laiką.

1. Visiškai pašalinkite „silpniausios grandies“ efektą, kad maksimaliai padidintumėte naudojamą pajėgumą

• Iššūkis:Akumuliatorių blokuose bendrą talpą riboja „silpniausias“ elementas. Įkrovimo metu, kai vienas elementas pasiekia visą pajėgumą, visas paketas turi sustoti; iškrovimo metu, kai viena ląstelė yra tuščia, visa pakuotė turi būti nutraukta.
• „Copow“ sprendimas:Skirtingai nuo įprasto pasyvaus balansavimo, kuris išsklaido energiją kaip šilumą per rezistorius, Copow aktyvus balansavimas perduoda energiją iš „stiprių“ elementų į „silpnesnes“. Tai reiškia, kad išsikrovimo metu gerai-įkrautos ląstelės nuolat „palaiko“ silpnesnes ląsteles, todėl visas paketas gali išgauti kiekvieną paskutinę energijos dalį. Oficialūs duomenys rodo, kad šis BMS gali sumažinti ląstelių disbalansą maždaug 40%.

• 2. „Įtampos plynaukštės“ LiFePO4 ląstelių iššūkio sprendimas

• Iššūkis: LiFePO4 baterijosturi itin plokščias įtampos kreives (įtampa vos kinta tarp 20 % ir 80 % SoC), todėl įprastoms BMS sistemoms sunku aptikti elementų disbalansą.
• „Copow“ sprendimas:„Copow“ BMS integruoja didesnio{0}}tikslumo atrankos lustus ir sudėtingą valdymo logiką. Aktyvus balansavimas veikia ne tik įkrovimo pabaigoje, bet ir nuolat tuščiosios eigos ir iškrovos būsenų metu (paprastai suveikia, kai įtampos skirtumas viršija 0,1 V). Šis visą parą veikiantis stebėjimo mechanizmas kompensuoja sunkumus nustatant disbalansą dėl LFP elementų plokščios įtampos charakteristikų.

3. Konflikto tarp didelės-srovės balansavimo ir šilumos išsklaidymo sprendimas

• Iššūkis:Didelės talpos-baterijoms (pvz., daugiau nei 200 Ah) pasyviosios balansavimo srovės (paprastai tik 50–100 mA) yra per lėtos, kad ištaisytų kelių-amperų disbalansą. Tuo tarpu rezistoriumi{8}}pagrįstas išsklaidymas sukuria didelę šilumą ir dažnai suaktyvina BMS per{9}}temperatūros įspėjimus.
• „Copow“ sprendimas:Didelės-talpos modeliuose, kurių talpa viršija 200 Ah, „Copow“ integruoja aktyvius balansavimo modulius, galinčius 1–2 A. Kadangi procesas perduoda energiją, o ne ją išsklaido, šilumos generavimas yra minimalus. Net esant intensyviam įkrovimo ir iškrovimo sąlygoms, sistema gali greitai išlyginti elementų skirtumus.

4. Tarnavimo trukmės pratęsimas naudojant ilgalaikį{1}}

• Iššūkis:Baterijoms senstant, elementai suyra skirtingu greičiu. Vidinio pasipriešinimo ir talpos skirtumai laikui bėgant didėja, todėl po 2–3 metų našumas smarkiai sumažėja.
• „Copow“ sprendimas:Aktyvus balansavimas nuolat perskirsto energiją, sumažindamas nuovargio žalą atskiroms ląstelėms, kurias sukelia pakartotinis perkrovimas ar iškrovimas. Ši „prevencinė priežiūra“ padeda sulėtinti elementų konsistencijos blogėjimą ir palaiko akumuliatoriaus efektyvumąciklo gyvenimasstabiliai nuo 3000 iki 5000 ciklų.

Kuris balansavimo metodas tinka jūsų programai?

Pasirinkimas išbalansavimo metodaspriklauso nuo kainos, vietos, našumo ir taikymo scenarijaus.

Buitinei elektronikai, elektriniams dviračiams ar mažoms{0}} energijos kaupimo sistemoms, kurių talpa mažesnė nei 100 Ah,pasyvus balansavimasyra praktiškesnis sprendimas. Dėl paprastos struktūros ir mažos kainos jis tinkamas, ir nors jis praranda šilumą, poveikis yra minimalus, kai baterijos yra gana geros elementų konsistencijos.

RV, didelio našumo{0}}golfo vežimėliuose ir išjungtose-tinklo saulės energijos kaupimo sistemose, kurių talpa didesnė nei 200 Ah, papildomoms baterijoms,aktyvus balansavimassuteikia aiškių pranašumų. Šis metodas palaiko srovės perdavimą nuo 1 A iki 5 A, todėl iškrovimo metu galima reguliuoti silpnesnes ląsteles, išvengiant vietinio temperatūros kilimo. Tai ypač svarbu esant stipriai-srovei, pvz., golfo vežimėliams kopiant į kalnus arba įsibėgėjant, nes tai efektyviai padidina atstumą ir pailgina akumuliatoriaus veikimo laiką.

Apibendrinant galima pasakyti, kad pasyvus balansavimas tinka lengvoms ir mažo{0}}biudžetinėms programoms, o aktyviam balansavimui pirmenybė turėtų būti teikiama didelio-intensyvumo, didelės talpos{2}}sistemoms, kurioms reikalingas ilgas tarnavimo laikas.

Atsisveikinkite su „silpniausia grandimi“ ir atlaisvinkite bet kokią ličio baterijos galią

Neleiskite dirbtiniams įtampos skirtumams sutrumpinti jūsų kelionę. Atnaujinkite į CopowLiFePO4 akumuliatorių paketas su aktyvaus balansavimo technologijapadidinti asortimentą ir prailginti tarnavimo laiką iki 6 000 ciklų, užtikrinant, kad kiekviena investicija duotų maksimalią vertę.

👉 [ Prašyti išsamios informacijos apie „Copow Active Balancing LiFePO4“ baterijas ]

DUK

Kokia yra tipinė pasyvioji balansavimo srovė 12V LiFePO4 BMS?

Tipinė pasyvi balansavimo srovė 12 V LiFePO4 BMS paprastai yra labai maža, paprastai svyruoja nuoNuo 30mA iki 100mA(nuo 0,03 A iki 0,1 A), nes jis išsklaido perteklinę energiją iš aukštesnės -įtampos elementų kaip šilumą per rezistorius ir yra veiksmingas tik tiksliam- derinimui paskutinėse įkrovimo stadijose.

Kada baterijų sistemose naudojamas aktyvus balansavimas?

Aktyvus balansavimas tinka didelės-talpos akumuliatorių sistemoms su keliomis eilėmis, kurioms reikalingas didelis našumas ir ilgas tarnavimo laikas, pvz., energijos kaupimo sistemoms, elektrinėms transporto priemonėms, aukštos-įtampos akumuliatorių paketams ir pramoninei įrangai, kuriai reikalingas ilgalaikis{2}} stabilus veikimas.

Taip yra todėl, kad naudojant šias programas, laikui bėgant, didėjant įkrovimo{0}}iškrovimo ciklų skaičiui, kaupiasi atskirų akumuliatoriaus elementų skirtumai, todėl sunku efektyviai valdyti šiuos skirtumus vien pasyvaus balansavimo būdu.

Kokia yra tipinė balansavimo srovė 12V LiFePO4 BMS?

12 V (4 elementų) LiFePO4 akumuliatoriaus BMS tipinė balansavimo srovė svyruoja nuo 30 iki 100 miliamperų, ​​priklausomai nuo BMS konstrukcijos ir kainos.

Kai kurie aukščiausios-ar pramoninės -klasės BMS įrenginiai gali siekti 100–300 mA, o sistemos, kuriose naudojamos aktyvios balansavimo schemos, gali siekti dar daugiau (siekti amperus). Tačiau įprastose 12 V baterijose dauguma gaminių vis dar naudoja balansavimo srovę dešimčių miliamperų.