Vyvažování baterie - Battery balancing

Vyvažovač baterie
Kontakty na a DeWalt Baterie 20V Max (18V XR v Evropě). Kontakty C1 – C4 jsou připojeny k jednotlivým článkům v baterii a jsou používány nabíječkou k vyvážení baterie.

Vyvažování baterie a přerozdělení baterie odkazovat na techniky, které zlepšují dostupné kapacita a balíček baterií s více buňkami (obvykle v sérii) a zvyšují životnost každé buňky.[1] A vyvažovač baterie nebo regulátor baterie je elektrické zařízení v a balíček baterií který provádí vyvážení baterie.[2] Vyvažovače se často nacházejí v lithium-iontová baterie sady pro notebooky, elektrická vozidla. atd.

Odůvodnění

Jednotlivé články v baterii mají přirozeně poněkud odlišné kapacity, a proto mohou být v průběhu cyklů nabíjení a vybíjení různé stav nabití (SOC). Změny kapacity jsou způsobeny odchylkami výroby, odchylkami montáže (např. Články z jedné výrobní série smíchané s ostatními), stárnutím článků, nečistotami nebo expozicí prostředí (např. Některé články mohou být vystaveny dalšímu teplu z blízkých zdrojů, jako jsou motory, elektronika atd.) a mohou být zhoršeny kumulativním účinkem parazitických zátěží, jako jsou obvody monitorování buněk, které se často vyskytují systém správy baterie (BMS).

Vyvážení baterie s více články pomáhá maximalizovat kapacitu a životnost baterie prací na udržení ekvivalentního stavu nabití každé buňky v míře možné vzhledem k jejich různé kapacitě v co nejširším rozsahu. Vyvažování je nutné pouze u balíčků, které obsahují více než jednu buňku v sérii. Paralelní buňky se přirozeně vyvažují, protože jsou navzájem přímo propojeny, ale skupiny paralelně zapojených buněk zapojených do série (paralelní zapojení) musí být mezi skupinami buněk vyváženy.

Aby se zabránilo nežádoucím a často nebezpečným podmínkám, musí systém správy baterií sledovat stav jednotlivých článků z hlediska provozních charakteristik, jako je teplota, napětí a někdy odebíraný proud - i když ten se často měří pouze na balení, nikoli na článek, možná s jednorázovou ochranou na úrovni buňky proti abnormálně vysokému proudu (například při zkratu nebo jiném poruchovém stavu).

Za normálního provozu se vybíjení musí zastavit, když některý článek nejprve vybije, i když ostatní články mohou stále značně nabít. Stejně tak se nabíjení musí zastavit, když kterýkoli článek dosáhne svého maximálního bezpečného nabíjecího napětí. Pokud tak neučiníte, může dojít k trvalému poškození článků nebo v extrémních případech může dojít k přepólování článků, internímu plynování, tepelnému úniku nebo jiným katastrofickým poruchám. Pokud články nejsou vyvážené, takže horní a dolní mez jsou alespoň v souladu se stavem článku s nejnižší kapacitou, bude energie, kterou lze odebírat a vracet do baterie, omezena.

K vyvážení existují dva hlavní přístupy: pasivní vyvážení a aktivní vyvážení.

Pasivní vyvažování vyrovnává stav nabití v určitém pevném bodě - obvykle buď „špičkově vyvážený“, přičemž všechny buňky dosahují současně 100% SOC; nebo „zdola vyvážený“, přičemž všechny buňky dosahují minimálního SOC současně. Toho lze dosáhnout krvácením energie z článků s vyšším stavem nabití (např. Řízený zkrat přes rezistor nebo tranzistor) nebo posunutím energie cestou paralelně s buňkou během nabíjecího cyklu, takže méně (obvykle regulovaná konstanta) proud spotřebovává buňka. Pasivní vyvažování je ze své podstaty plýtvání, přičemž část energie v balení se spotřebuje jako teplo, aby se vyrovnal stav nabití mezi články. Nahromadění odpadního tepla může také omezit rychlost, s jakou může dojít k vyvážení.

Naproti tomu aktivní vyvažování se pokouší přerozdělit energii z buněk při plném nabití těm, které mají nižší stav nabití. Energie může být odváděna z článku při vyšším SOC přepnutím rezervoárového kondenzátoru v obvodu s článkem, následným odpojením kondenzátoru a jeho opětovným připojením k článku s nižším SOC, nebo přes převodník DC-DC připojený přes celé balení . Kvůli neefektivnosti je část energie stále zbytečná jako teplo, ale ne ve stejné míře. Navzdory zřejmým výhodám mohou být další náklady a složitost aktivní vyvažovací topologie značné a nemusí vždy dávat smysl v závislosti na aplikaci.

Plná BMS může zahrnovat aktivní vyvažování a také monitorování teploty, nabíjení a další funkce, které maximalizují životnost baterie.[3]

Lithium-iontové dobíjecí články jsou spíše citlivější na přebíjení, přehřívání, nesprávnou úroveň nabití během skladování a jiné formy špatného zacházení, než většina běžně používaných chemických baterií. Důvodem je to, že různé chemie chemikálií pro lithiové baterie jsou náchylné k chemickému poškození (např. Znečištění katody, rozpad molekul atd.) Pouze velmi malým přepětím (tj. V milivoltech) během nabíjení nebo větším nabíjecím proudem, než může vnitřní chemie tolerovat tento bod v jeho cyklu nabíjení / vybíjení atd. Teplo tyto nežádoucí, ale dosud nevyhnutelné chemické reakce a přehřátí během nabíjení urychluje. Vzhledem k tomu, že lithiové chemie často umožňují flexibilní membránové struktury, lze lithiové články nasadit do flexibilních, i když uzavřených vaků, což umožňuje vyšší hustotu balení v bateriovém bloku. Některé z produktů rozpadu (obvykle elektrolytické chemikálie nebo přísady) při špatném zacházení unikají; takové buňky budou „nafouklé“ a jsou velmi na cestě k neúspěchu. V uzavřených lithium-iontových válcích způsobovalo stejné odplyňování poměrně velké tlaky (bylo hlášeno více než 800 psi)[Citace je zapotřebí ]); tyto články mohou explodovat, pokud nejsou vybaveny mechanismem pro uvolnění tlaku. Zvyšuje se nebezpečí, že mnoho chemií lithiových článků zahrnuje uhlovodíkové chemikálie[Citace je zapotřebí ] (jejichž přesná povaha je obvykle chráněná), které jsou hořlavé. Při nesprávném zacházení s lithiovými články je možné nejen výbuch, ale i nevýbušný únik může způsobit požár.

Většina chemických režimů baterií má méně dramatické a méně nebezpečné režimy selhání. Chemikálie ve většině baterií jsou do jisté míry toxické, ale zřídka jsou výbušné nebo hořlavé[Citace je zapotřebí ]; mnohé z nich jsou žíravé, což odpovídá doporučení, aby se zabránilo dlouhodobému ponechání baterií uvnitř zařízení, protože by baterie mohly vytéct a poškodit zařízení. Olověné baterie jsou výjimkou, protože při jejich nabíjení se vytváří plynný vodík, který může při vystavení zdroji vznícení (např. Zapálené cigaretě) explodovat a takový výbuch rozstřikuje kyselinu sírovou do všech směrů. Jelikož je to korozivní a potenciálně oslepující, jedná se o zvláštní nebezpečí.

Technologie

Různé stavy nabití v baterii. Buňka 5 má nižší kapacitu. Buňka 5 má vysokou rychlost samovybíjení

Vyvažování může být aktivní nebo pasivní.[4] Termín regulátor baterie obvykle se týká pouze zařízení, která provádějí pasivní vyvážení.

Při pasivním vyrovnávání je energie čerpána z nejvíce nabitého článku a rozptýlena jako teplo, obvykle skrz rezistory.

Při aktivním vyvažování se energie odebírá z nejvíce nabitého článku a přenáší se do nejméně nabitých článků, obvykle přes kondenzátorové, indukční nebo Měniče DC-DC.[5]

Vyvážení baterie lze provést pomocí Měniče DC-DC, v jedné ze 3 topologií:

  • Buňka na baterii
  • Baterie na článek
  • Obousměrný

Typicky je výkon zpracovávaný každým měničem DC-DC o několik řádů nižší než výkon zpracovávaný akumulátorem jako celkem.

Viz také

Reference

  1. ^ http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00231a.pdf
  2. ^ Napěťově řízený bypassový regulátor s digitálním rozhraním. Manzanitamicro.com (2006-02-22). Citováno 2013-04-27.
  3. ^ Systémy pro správu a monitorování baterií BMS. Mpoweruk.com. Citováno 2013-04-27.
  4. ^ Wen, Sihua (září 2009). „Vyvažování článků kupuje extra dobu chodu a výdrž baterie“ (PDF). Deník analogových aplikací: 14.
  5. ^ Diao, Weiping; et al. (Červenec 2017). Msgstr "Vyrovnání aktivních článků baterie na základě maximalizace zbytkové dostupné energie". Aplikovaná energie: 9. doi:10.1016 / j.apenergy.2017.07.137.

externí odkazy

Další čtení

Patenty