Почему балансировка батарей важна для аккумуляторных блоков?

Автомобильные силовые аккумуляторные системы состоят из множества отдельных ячеек, соединенных последовательно для удовлетворения специфических требований к напряжению и мощности. При практическом использовании, из-за различий между отдельными ячейками, емкость всего аккумуляторного блока ограничивается емкостью самой слабой ячейки. В последовательно соединенном блоке, хотя ток, протекающий через каждую ячейку, идентичен, различия в емкости приводят к различным глубинам разряда; ячейки с высокой емкостью, как правило, недозаряжаются и недоразряжаются, в то время как ячейки с низкой емкостью склонны к перезаряду и переразряду. Следовательно, ячейки с высокой емкостью деградируют медленно и служат дольше, тогда как ячейки с низкой емкостью деградируют быстрее и имеют более короткий срок службы. Этот разрыв увеличивается со временем, в конечном итоге приводя к преждевременному отказу всего аккумуляторного блока из-за отказа ячеек с низкой емкостью.

ACEY Тестер аккумуляторных блоков может измерять емкость, срок службы цикла и характеристики заряда-разряда аккумуляторного блока.

Основная цель балансировки заключается в "срезании пиков и заполнении впадин". Это включает использование внешней схемы для регулирования токов заряда и разряда во время зарядки, разрядки или в режиме ожидания, чтобы обеспечить постоянное напряжение на ячейках во время работы, тем самым продлевая запас хода автомобиля и срок службы аккумуляторного блока.

Явление, при котором производительность аккумуляторного блока снижается из-за различий в производительности отдельных ячеек, обычно называют "несоответствием ячеек" или "дисбалансом". В большинстве случаев этот дисбаланс возникает из-за несовершенств в производственных процессах и методах тестирования, а не из-за изменений в присущих ячейкам химических свойствах. Даже когда ячейки сортируются и подбираются после производства, дисбаланс все равно может возникнуть — например, различные скорости саморазряда могут вызвать дисбаланс емкости во время простоя, в то время как различные внутренние сопротивления могут привести к перезаряду определенных ячеек во время процесса зарядки.
Для достижения контроля балансировки отдельных ячеек балансировщик служит основным компонентом системы управления батареями (BMS); без балансировщика система управления — даже имея доступ к данным измерений — не сможет предпринять корректирующих действий, делая концепцию "управления" бессмысленной.

I. Базовая модель управления балансировкой

Модель управления балансировкой, обсуждаемая в этой главе, применима к аккумуляторным блокам с последовательной конфигурацией, предполагая общее количество *n* ячеек в блоке. Как показано этой моделью, емкость и состояние заряда (SOC) отдельных ячеек в блоке могут варьироваться в любой момент времени, что требует управления балансировкой для силовых аккумуляторных блоков. Для электромобилей несоответствие между ячейками силовых батарей неизбежно, в основном из-за следующих двух факторов:

• Несоответствия, возникающие в процессе производства батарей.
• Несоответствия, вызванные условиями эксплуатации.

II. Классификация управления балансировкой

Существует большое разнообразие методов балансировки батарей, и постоянно появляются новые. Классификация этих методов затруднена, поскольку различные критерии классификации дают разные результаты. Таблица ниже обобщает распространенные критерии классификации и соответствующие им типы.

III. Значение управления балансировкой

1. Управление балансировкой помогает увеличить общую емкость аккумуляторного блока.
Рассмотрим аккумуляторный блок, состоящий из четырех ячеек (B1, B2, B3, B4). Предположим, их номинальная емкость одинакова (C1=C2=C3=C4=Cmax); однако из-за таких факторов, как различные скорости саморазряда, их начальная емкость отличается до цикла зарядки — в частности, предположим, что B2 имеет самую высокую начальную емкость, а B3 — самую низкую. Поскольку ячейки соединены последовательно, оставшаяся емкость блока уменьшается равномерно; однако со временем возникает дисбаланс. Управление балансировкой позволяет увеличить общую полезную емкость.

2. Управление балансировкой помогает регулировать глубину заряда и разряда силовых аккумуляторных ячеек.
Во-первых, управление балансировкой повышает безопасность батареи. Без управления балансировкой заряда рассмотрим следующий сценарий: среди четырех ячеек одна (B2) приближается к полной зарядке (т.е. ее состояние заряда, или SOC, превышает 95%). Из-за характеристик электродвижущей силы и внутреннего сопротивления ее рабочее напряжение быстро растет, что делает ее подверженной перезаряду.

Во-вторых, управление балансировкой продлевает срок службы батареи. В-третьих, управление балансировкой обеспечивает равномерное старение батареи, тем самым улучшая согласованность состояния здоровья (SOH). Несоответствие SOH создает трудности для системы управления батареями; оно усложняет и без того сложную задачу оценки оставшегося заряда батареи (или состояния заряда, SOC) и препятствует реализации оптимизированных стратегий зарядки для аккумуляторного блока. Для улучшения согласованности SOH в блоке факторы, влияющие на старение батареи, должны влиять на каждую отдельную ячейку как можно более равномерно; внедрение управления балансировкой для обеспечения постоянной глубины разряда (DOD) между ячейками является эффективным методом достижения равномерного старения. Управление балансировкой поддерживает постоянную глубину разряда во время работы, что не только продлевает общий срок службы аккумуляторного блока — как упоминалось ранее — но и обеспечивает равномерную деградацию, в результате чего значения SOH относительно схожи для всех ячеек.

О нас

Acey New Energy специализируется на исследованиях и производстве высокотехнологичного оборудования для литий-ионных батарей. Мы можем предоставить комплексное решение для производственной линии литий-ионных батарей для цилиндрических/призматических батарей. Если вы заинтересованы в тестерах аккумуляторных блоков или балансировщиках батарей, пожалуйста, свяжитесь с нами.