Балансировка батареи - Battery balancing

Балансир батареи
Контакты на DeWalt 20V Max (18V XR в Европе) аккумулятор для электроинструмента. Контакты C1 – C4 подключаются к отдельным элементам батареи и используются зарядным устройством для балансировки батареи.

Балансировка батареи и перераспределение батарей относятся к методам, которые улучшают доступные емкость из Аккумуляторная батарея с несколькими ячейками (обычно в серии) и увеличивают долговечность каждой ячейки.[1] А балансировщик батареи или же аккумулятор регулятор электрическое устройство в Аккумуляторная батарея который выполняет балансировку батареи.[2] Балансиры часто встречаются в литий-ионный аккумулятор пакеты для портативных компьютеров, электромобилей. и Т. Д.

Обоснование

Отдельные элементы в аккумуляторной батарее, естественно, имеют несколько разную емкость, и поэтому в течение циклов зарядки и разрядки могут иметь разные значения. состояние заряда (SOC). Различия в производительности связаны с производственными отклонениями, отклонениями в сборке (например, элементы из одного производственного цикла, смешанные с другими), старением элементов, загрязнением или воздействием 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 контроля ячеек, часто встречающиеся в система управления аккумулятором (BMS).

Балансировка многоэлементной батареи помогает максимизировать емкость и срок службы батареи, работая над поддержанием эквивалентного состояния заряда каждой ячейки в максимально возможной степени с учетом их различной емкости в самом широком диапазоне. Балансировка необходима только для пакетов, содержащих более одной ячейки в серии. Параллельные ячейки будут естественным образом сбалансированы, поскольку они напрямую связаны друг с другом, но группы ячеек с параллельной проводкой, подключенные последовательно (параллельная проводка), должны быть сбалансированы между группами ячеек.

Чтобы предотвратить нежелательные и часто небезопасные условия, система управления батареями должна отслеживать состояние отдельных ячеек на предмет рабочих характеристик, таких как температура, напряжение, а иногда и 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 отказе).

При нормальной работе разрядка должна прекращаться, когда в любой из ячеек заканчивается заряд, даже если другие элементы все еще могут удерживать значительный заряд. Точно так же зарядка должна прекращаться, когда какая-либо ячейка достигает максимального безопасного зарядного напряжения. Невыполнение этого требования может привести к необратимому повреждению ячеек или, в крайних случаях, может привести к изменению полярности ячеек, вызвать внутреннее газообразование, тепловой разгон или другие катастрофические сбои. Если элементы не сбалансированы, так что отсечка по верхнему и нижнему пределу, по крайней мере, совмещена с состоянием элемента с наименьшей емкостью, энергия, которая может быть взята и возвращена в аккумулятор, будет ограничена.

Есть два основных подхода к балансировке: пассивная балансировка и активная балансировка.

Пассивная балансировка уравновешивает состояние заряда в некоторой фиксированной точке - обычно это либо «верхний баланс», когда все ячейки достигают 100% SOC одновременно; или «сбалансированный по дну», когда все ячейки достигают минимального значения SOC одновременно. Это может быть достигнуто путем отвода энергии из ячеек с более высоким уровнем заряда (например, контролируемое короткое замыкание через резистор или транзистор) или шунтирования энергии по пути, параллельному элементу во время цикла заряда, так что меньше (обычно регулируемый постоянный) ток потребляется ячейкой. Пассивная балансировка по своей сути расточительна, когда часть энергии батареи расходуется в виде тепла для выравнивания уровня заряда между элементами. Накопление отработанного тепла также может ограничивать скорость балансировки.

Напротив, активная балансировка пытается перераспределить энергию от ячеек с полным зарядом к элементам с более низким уровнем заряда. Энергию можно отвести из ячейки с более высоким SOC, переключив накопительный конденсатор в цепи с ячейкой, затем отключив конденсатор и снова подключив его к ячейке с более низким SOC, или через преобразователь постоянного тока в постоянный, подключенный ко всей батарее. . Из-за неэффективности часть энергии все еще расходуется в виде тепла, но не в такой степени. Несмотря на очевидные преимущества, дополнительные затраты и сложность активной балансирующей топологии могут быть значительными и не всегда имеют смысл в зависимости от приложения.

Полная BMS может включать в себя активную балансировку, а также мониторинг температуры, зарядку и другие функции, чтобы максимально продлить срок службы аккумуляторной батареи.[3]

Литий-ионные аккумуляторные элементы более чувствительны к перезарядке, перегреву, неправильному уровню заряда во время хранения и другим формам плохого обращения, чем наиболее часто используемые химические составы аккумуляторов. Причина в том, что литиевые батареи различного химического состава подвержены химическому повреждению (например, загрязнение катода, молекулярный распад и т. Д.) Только из-за очень незначительных перенапряжений (например, милливольт) во время зарядки или большего зарядного тока, чем внутренняя химия может выдержать при этот момент в его цикле зарядки / разрядки и т. д. Тепло ускоряет эти нежелательные, но пока неизбежные химические реакции, а перегрев во время зарядки усиливает эти эффекты. Поскольку химический состав лития часто допускает гибкие мембранные структуры, литиевые элементы можно размещать в гибких, хотя и герметичных пакетах, что обеспечивает более высокую плотность упаковки внутри аккумуляторной батареи. Некоторые продукты распада (обычно химические вещества или добавки электролитов) выделяются при неправильном обращении; такие клетки станут «пухлыми» и очень скоро выйдут из строя. В герметичных литиево-ионных баллонах такое же выделение газа вызвало довольно большое давление (сообщалось о 800+ фунтов на квадратный дюйм).[нужна цитата ]); такие ячейки могут взорваться, если не оснащены механизмом сброса давления. Опасность усугубляется тем, что многие химические вещества литиевых элементов содержат углеводородные химические вещества.[нужна цитата ] (точная природа которых обычно является частной собственностью), которые являются легковоспламеняющимися. При неправильном обращении литиевых элементов возможен не только взрыв, но даже невзрывная утечка может вызвать пожар.

Большинство химических компонентов батарей имеют менее драматические и менее опасные виды отказов. Химические вещества в большинстве батарей часто в той или иной степени токсичны, но редко бывают взрывоопасными или легковоспламеняющимися.[нужна цитата ]; многие из них вызывают коррозию, поэтому рекомендуется не оставлять батареи внутри оборудования на длительное время, так как батареи могут протечь и повредить оборудование. Свинцово-кислотные батареи являются исключением, поскольку при их зарядке образуется водород, который может взорваться при воздействии источника возгорания (например, зажженной сигареты), и такой взрыв приведет к разбрызгиванию серной кислоты во всех направлениях. Так как это вызывает коррозию и потенциально ослепляет, это особая опасность.

Технологии

Различные состояния заряда аккумуляторной батареи. Ячейка 5 имеет меньшую емкость. Ячейка 5 имеет высокую скорость саморазряда

Балансировка может быть активный или же пассивный.[4] Период, термин аккумулятор регулятор обычно относится только к устройствам, которые выполняют пассивную балансировку.

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

При активной балансировке энергия отбирается от наиболее заряженной ячейки и передается наименее заряженным ячейкам, обычно через конденсатор, индуктор или DC-DC преобразователи.[5]

Балансировка батареи может быть выполнена DC-DC преобразователи, в одной из 3-х топологий:

  • От ячейки к батарее
  • От батареи к ячейке
  • Двунаправленный

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

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00231a.pdf
  2. ^ Регулятор байпаса, управляемый напряжением, с цифровым интерфейсом. Manzanitamicro.com (22 февраля 2006 г.). Проверено 27 апреля 2013.
  3. ^ Системы управления батареями и мониторинга BMS. Mpoweruk.com. Проверено 27 апреля 2013.
  4. ^ Вэнь, Сихуа (сентябрь 2009 г.). «Балансировка ячеек дает дополнительное время работы и время автономной работы» (PDF). Журнал аналоговых приложений: 14.
  5. ^ Дяо, Вэйпин; и другие. (Июль 2017 г.). «Активное выравнивание элементов аккумуляторной батареи на основе максимизации остаточной доступной энергии». Прикладная энергия: 9. Дои:10.1016 / j.apenergy.2017.07.137.

внешняя ссылка

дальнейшее чтение

Патенты