Akumulatory litowe są jak silniki, które nie wymagają konserwacji;BMSBez funkcji równoważenia jest jedynie zbieraczem danych i nie może być uważany za system zarządzania. Zarówno aktywne, jak i pasywne równoważenie ma na celu wyeliminowanie niespójności w akumulatorze, ale zasady ich wdrażania różnią się zasadniczo.
Dla jasności, w niniejszym artykule równoważenie inicjowane przez BMS za pomocą algorytmów definiuje się jako równoważenie aktywne, natomiast równoważenie wykorzystujące rezystory do rozpraszania energii określa się mianem równoważenia pasywnego. Aktywne równoważenie polega na transferze energii, natomiast pasywne na jej rozpraszaniu.
Podstawowe zasady projektowania akumulatorów
- Ładowanie należy zakończyć po pełnym naładowaniu pierwszej celi.
- Rozładowywanie musi się zakończyć w momencie wyczerpania się pierwszej celi.
- Słabsze komórki starzeją się szybciej niż silniejsze.
- -ogniwo o najsłabszym ładunku ostatecznie ograniczy akumulator'użyteczna pojemność (najsłabsze ogniwo).
- Gradient temperatury wewnątrz akumulatora powoduje, że ogniwa pracujące w wyższych średnich temperaturach są słabsze.
- Bez balansowania różnica napięć między najsłabszymi i najmocniejszymi ogniwami rośnie z każdym cyklem ładowania i rozładowania. W końcu jedno ogniwo zbliży się do maksymalnego napięcia, a inne do minimalnego, co ograniczy możliwości ładowania i rozładowywania akumulatora.
Ze względu na niedopasowanie ogniw na przestrzeni czasu i zmienne warunki temperaturowe wynikające z instalacji, konieczne jest wyważenie ogniw.
Akumulatory litowo-jonowe borykają się z dwoma podstawowymi rodzajami niedopasowania: niedopasowaniem ładowania i niedopasowaniem pojemności. Niedopasowanie ładowania występuje, gdy ogniwa o tej samej pojemności stopniowo różnią się poziomem naładowania. Niedopasowanie pojemności występuje, gdy ogniwa o różnych pojemnościach początkowych są używane razem. Chociaż ogniwa są zazwyczaj dobrze dopasowane, jeśli są produkowane w tym samym czasie, przy użyciu podobnych procesów produkcyjnych, niedopasowania mogą wynikać z ogniw pochodzących z nieznanych źródeł lub różniących się znacząco procesem produkcyjnym.
Aktywne równoważenie kontra równoważenie pasywne
1. Cel
Akumulatory składają się z wielu połączonych szeregowo ogniw, które raczej nie będą identyczne. Balansowanie zapewnia utrzymanie odchyleń napięcia ogniw w oczekiwanych zakresach, co pozwala zachować ogólną użyteczność i sterowalność, zapobiegając w ten sposób uszkodzeniom i wydłużając żywotność akumulatora.
2. Porównanie projektów
- Balansowanie pasywne: Zazwyczaj rozładowuje ogniwa o wyższym napięciu za pomocą rezystorów, zamieniając nadmiar energii w ciepło. Ta metoda wydłuża czas ładowania innych ogniw, ale ma niższą wydajność.
- Aktywne równoważenie: Złożona technika, która redystrybuuje ładunek w ogniwach podczas cykli ładowania i rozładowania, skracając czas ładowania i wydłużając czas rozładowania. Zazwyczaj stosuje się strategie równoważenia dolnego podczas rozładowania i górnego podczas ładowania.
- Porównanie zalet i wad: Pasywne równoważenie jest prostsze i tańsze, ale mniej efektywne, ponieważ marnuje energię w postaci ciepła i ma wolniejszy efekt równoważenia. Aktywne równoważenie jest bardziej wydajne, ponieważ przenosi energię między ogniwami, co poprawia ogólną efektywność użytkowania i szybciej osiąga równowagę. Wymaga jednak złożonych struktur i wyższych kosztów, a integracja tych systemów w dedykowanych układach scalonych wiąże się z wyzwaniami.
Wniosek
Koncepcja BMS została początkowo opracowana za granicą, a pierwsze projekty układów scalonych koncentrowały się na detekcji napięcia i temperatury. Później wprowadzono koncepcję równoważenia, początkowo wykorzystując metody rozładowania rezystancyjnego zintegrowane z układami scalonymi. To podejście jest obecnie szeroko rozpowszechnione, a firmy takie jak TI, MAXIM i LINEAR produkują takie układy scalone, a niektóre z nich integrują w nich sterowniki przełączników.
Zgodnie z zasadami i schematami pasywnego wyważania, jeśli porównać akumulator do beczki, ogniwa przypominają klepki. Ogniwa o wyższej energii to długie deski, a te o niższej energii to krótkie deski. Pasywne wyważanie jedynie „skraca” długie deski, co prowadzi do strat energii i nieefektywności. Ta metoda ma swoje ograniczenia, takie jak znaczne rozpraszanie ciepła i powolne efekty wyważania w akumulatorach o dużej pojemności.
Aktywne równoważenie, z kolei, „wypełnia krótkie deski”, przenosząc energię z ogniw o wyższej energii do ogniw o niższej energii, co przekłada się na wyższą wydajność i szybsze osiągnięcie równowagi. Wiąże się to jednak ze złożonością i problemami kosztowymi, a także z wyzwaniami w projektowaniu matryc przełączników i sterowaniu napędami.
Biorąc pod uwagę kompromisy, pasywne równoważenie może być odpowiednie dla ogniw o dobrej spójności, natomiast aktywne równoważenie jest lepszym rozwiązaniem dla ogniw o większych rozbieżnościach.
Czas publikacji: 27.08.2024
