Necesitatea egalizării bateriei cu litiu și caracteristicile circuitului de încărcare cu egalizare pasivă
1. Definiția taxării de egalizare și necesitatea egalizării
1. Definiția sarcinii de egalizare:
Încărcare de egalizare este abreviată ca încărcare de egalizare, care este încărcarea caracteristicilor bateriei de egalizare. Se referă la dezechilibrul de tensiune la borna bateriei din cauza diferențelor individuale ale bateriei, diferențelor de temperatură și altor motive în timpul utilizării bateriei. Pentru a evita deteriorarea acestei tendințe de dezechilibru, este necesar să creșteți tensiunea de încărcare a acumulatorului și să încărcați bateria într-un mod echilibrat, astfel încât să echilibrați caracteristicile fiecărei celule din acumulator și să prelungiți durata. durata de viață a bateriei.
Încărcarea de egalizare se află în etapele mijlocii și târzii ale procesului de încărcare a bateriei. Când tensiunea celulei bateriei de alimentare atinge sau depășește tensiunea de întrerupere, circuitul de echilibrare începe să funcționeze pentru a reduce curentul celulei bateriei de alimentare pentru a limita tensiunea celulei de alimentare a bateriei să nu fie mai mare decât tensiunea de întrerupere a încărcării. Singura funcție de încărcare de egalizare este aceea de a preveni supraîncărcarea și va aduce efecte negative în timpul utilizării de descărcare.
Când utilizați încărcarea cu egalizare, celula bateriei de putere mică nu este supraîncărcată, iar cantitatea de putere care poate fi eliberată este mai mică decât puterea care poate fi eliberată atunci când egalizatorul nu este utilizat pentru supraîncărcare ușoară, ceea ce face ca celula de alimentare să se descarce timp mai scurt și posibilă descărcare excesivă Sexul este și mai mare.
2. Necesitatea încărcării de egalizare:
Cu nivelul actual și tehnologia de fabricație a bateriei cu litiu, în procesul de producție al celulelor bateriei cu litiu, vor exista diferențe subtile între fiecare celulă a bateriei cu litiu, care este problema de consistență. Incoerența se manifestă în principal în celula bateriei cu litiu. Capacitate, rezistență internă, rata de auto-descărcare, eficiență de încărcare-descărcare etc. Incoerența celulelor bateriei cu litiu este transmisă la acumulatorul cu litiu, ceea ce va duce inevitabil la pierderea pachetului de baterii cu litiu'capacitatea, care, la rândul său, duce la o scădere a vieții.
În procesul de utilizare a bateriei de putere cu litiu asamblate, inconsistența monomerilor va apărea și din cauza gradului de autodescărcare și a temperaturii pieselor. Incoerența monomerilor bateriei cu litiu afectează încărcarea și descărcarea acumulatorului cu litiu. caracteristică. Studiile au arătat că o diferență de 20% în capacitatea bateriei cu litiu va aduce aproximativ 40% din pierderea capacității bateriilor cu litiu.
Semnificația echilibrului bateriei cu litiu este de a utiliza tehnologia electronică de putere pentru a menține abaterea de tensiune a celulei bateriei cu litiu ioni de litiu sau tensiunea pachetului de baterii cu litiu în intervalul așteptat, astfel încât să se asigure că fiecare baterie cu litiu este menținută. în timpul utilizării normale. Aceeași stare pentru a evita apariția supraîncărcării și supradescărcării. Dacă nu se efectuează controlul echilibrului, pe măsură ce ciclurile de încărcare și descărcare cresc, tensiunea fiecărei baterii cu litiu se va diferenția treptat, iar durata de viață va fi mult redusă.
Inconsecvența celulelor bateriei cu litiu se va deteriora și mai mult în timp sub influența unor factori aleatori, cum ar fi temperatura. În circumstanțe normale, atunci când temperatura mediului de funcționare a bateriei cu litiu este cu 10°C mai mare decât temperatura optimă, durata de viață a bateriei cu litiu va fi redusă la jumătate. Datorită numărului mare de sisteme de baterii cu litiu pentru vehicule în serie, în general între serii 88 și 100, capacitatea acestora este în general de 20 până la 60 kWh, iar locația fiecărui șir de baterii cu litiu este diferită, ceea ce va cauza o diferență de temperatură.
Chiar și în aceeași cutie a bateriei de putere, va exista o diferență de temperatură din cauza locației și încălzirii bateriei de alimentare cu litiu, iar această diferență de temperatură va avea un impact negativ major asupra duratei de viață a bateriei cu litiu, provocând acumularea de alimentare cu litiu. să pară dezechilibrat, iar intervalul de croazieră va scădea. , Ciclul de viață este scurtat. Tocmai din cauza acestor probleme, capacitatea întregului sistem de baterii nu poate fi utilizată pe deplin, provocând pierderi ale sistemului de baterii, iar atenuarea unor astfel de pierderi de sistem va prelungi, de asemenea, foarte mult durata de viață a sistemului de baterii.
Consistența dintre celulele bateriei cu litiu este cea mai directă și cea mai importantă influență asupra capacității bateriei cu litiu, deoarece capacitatea bateriei cu litiu este un parametru care nu poate fi măsurat direct într-un timp scurt, dar capacitatea celulei bateriei cu litiu este Există o corespondență unu-la-unu între tensiunile în circuit deschis. Tensiunea unei celule de baterie cu litiu poate fi măsurată online în timp real, ceea ce o face o condiție favorabilă pentru măsurarea nivelului de consistență al unei celule de baterie cu litiu. În strategia de management a sistemului de management al bateriei, există condiții de terminare a descărcării, condiții de terminare a încărcării etc., unde valoarea tensiunii celulei bateriei cu litiu este utilizată ca condiție de declanșare.
Pentru un parametru aflat în această poziție, diferența excesivă în consistența tensiunii a celulelor bateriei cu litiu limitează direct puterea de încărcare și descărcare a acumulatorului cu litiu. Pe baza acestui fapt, utilizarea metodei de egalizare a bateriei cu litiu pentru a rezolva problema diferenței excesive de tensiune a pachetului de baterii cu litiu care este deja în funcțiune este o măsură eficientă pentru a crește capacitatea acumulatorului cu litiu și a prelungi durata de viață a bateria cu litiu.
În al doilea rând, avantajele și dezavantajele echilibrului pasiv
În gestionarea egalizării pachetelor de baterii cu litiu, metodele actuale pentru egalizarea tensiunii a pachetelor de baterii cu litiu serie-paralel sunt împărțite în egalizare pasivă și egalizare activă. În general, bilanţul de tip consum de energie este definit ca bilanţ pasiv. Balanța pasivă utilizează rezistențe pentru a consuma energia bateriilor de înaltă tensiune sau de încărcare mare pentru a atinge scopul de a reduce decalajul dintre diferitele baterii. Este un tip consumator de energie. echilibrat. În prezent, există multe sisteme de gestionare a bateriilor care adoptă echilibru pasiv pe piață. Deoarece tehnologia de echilibrare pasivă este aplicată pe piața bateriilor cu litiu înainte de echilibrul activ, tehnologia este relativ matură, iar structura de echilibrare pasivă este mai simplă și mai utilizată.
Gestionarea echilibrului bateriilor cu litiu include echilibrul de tensiune, echilibrul de curent și echilibrul de temperatură. Dintre acestea, echilibrul de tensiune al bateriei cu litiu este cel mai de bază, adică echilibrul de tensiune al celulelor bateriei cu litiu din pachetele de baterii cu litiu în serie. În mod similar, echilibrul de curent se referă la echilibrul curentului fiecărei celule de baterie cu litiu din pachetul de baterii cu litiu în paralel.
În acumulatorii cu litiu, motivul pentru care performanța celulelor bateriei cu litiu scade prea repede este că curentul este inconsecvent, iar celulele individuale funcționează în condiții de suprarată, ceea ce duce la o scădere excesivă a performanței. Diferența de temperatură a celulelor bateriei cu litiu este cauzată de generarea inconsecventă a căldurii și de disiparea inconsecventă a căldurii. În prezent, echilibrul de temperatură al acumulatorilor cu litiu este în general rezolvat prin metode fizice, cum ar fi răcirea naturală cu aer, răcirea forțată cu aer și răcirea cu lichid.
Deoarece egalizarea pasivă folosește rezistențe pentru a consuma energie, se generează căldură, iar curentul de egalizare este mic, ceea ce reduce eficiența întregului sistem. Pe baza cerințelor managementului termic, egalizarea pasivă poate fi egalizată numai secțiune cu secțiune. Bateriile cu litiu sunt foarte sensibile la căldură și este necesar să se evite absolut creșterea temperaturii exterioare. Egalizarea pasivă va provoca încălzirea locală a acumulatorului cu litiu, iar temperatura ridicată va crește rata de defecțiune a componentelor. Din acest motiv, având în vedere căldura generată de echilibrul pasiv, sunt propuse cerințe speciale pentru siguranța și proiectarea structurală a bateriilor cu litiu.
3. Principiul de funcționare al echilibrului pasiv
Egalizarea pasivă descarcă, în general, bateriile cu litiu cu o tensiune mai mare prin descărcarea de rezistență și eliberează electricitate sub formă de căldură, astfel încât să câștige mai mult timp de încărcare pentru alte baterii cu litiu. În timpul procesului de încărcare, bateria cu litiu are în general o valoare a tensiunii de protecție limită superioară de încărcare. Dacă tensiunea în timpul încărcării depășește această valoare, cunoscută în mod obișnuit ca"supraîncărcare ", bateria cu litiu poate arde sau exploda.
Prin urmare, placa de protecție a bateriei cu litiu are în general o funcție de protecție la supraîncărcare pentru a preveni supraîncărcarea bateriei cu litiu. Adică, atunci când un șir de baterii cu litiu atinge această valoare de tensiune, placa de protecție a bateriei cu litiu va întrerupe circuitul de încărcare și va opri încărcarea.
Egalizarea încărcării se află în etapele mijlocii și târzii ale procesului de încărcare a bateriei de putere, când tensiunea celulei bateriei de putere atinge sau depășește tensiunea de întrerupere, circuitul de egalizare începe să funcționeze pentru a reduce curentul celulei bateriei de putere, pentru a limita tensiunea celulei bateriei de alimentare să nu fie mai mare decât tensiunea de întrerupere a încărcării. Singura funcție a egalizării încărcării este de a preveni supraîncărcarea și va aduce efecte negative în timpul utilizării la descărcare. Când se utilizează egalizarea încărcării, celula bateriei de putere mică nu este supraîncărcată, iar cantitatea de putere care poate fi eliberată este mai mică decât puterea care poate fi eliberată atunci când egalizatorul nu este utilizat pentru supraîncărcare ușoară, ceea ce face ca celula de alimentare să se descarce timp mai scurt și posibilă descărcare excesivă Sexul este și mai mare.
Schema schematică a pierderii de capacitate a acumulatorului cu litiu în timpul încărcării este prezentată în Figura 1. În Figura 1, tensiunea la borne a bateriei cu litiu 2# este mai întâi încărcată la valoarea setată a tensiunii de protecție, ceea ce declanșează mecanismul de protecție. a circuitului de protecție a bateriei cu litiu și oprește acumulatorul cu litiu Încărcarea acumulatorului de putere face direct ca bateriile de putere cu litiu 1#, 3## și 4 să nu poată fi încărcate complet. Capacitatea de încărcare completă a întregului pachet de baterii cu litiu este limitată la bateria cu litiu 2#, ceea ce face ca acumulatorul cu litiu să nu fie încărcat complet. Pentru a încărca complet acumulatorul cu litiu, trebuie utilizat un circuit de încărcare de egalizare la încărcare.
În timpul procesului de încărcare a bateriei cu litiu, fiecare baterie cu litiu este echipată cu un circuit de egalizare, așa cum se arată în Figura 2 (fiecare baterie cu litiu este conectată la un circuit paralel de egalizare de stabilizare a tensiunii), iar fiecare baterie cu litiu este controlată de circuit de egalizare în timpul încărcării. Tensiunea bateriei cu litiu menține fiecare șir de baterii cu litiu în aceeași stare, asigurând performanța și durata de viață a bateriei cu litiu.
Dacă tensiunea setată de circuitul de egalizare a bateriei cu litiu este de 4,2 V, atunci când bateria cu litiu nu ajunge la 4,2 V, circuitul regulator de tensiune paralel nu funcționează, fiecare baterie cu litiu continuă să fie încărcată, iar curentul de încărcare continuă să se încarce trece prin bateria cu litiu. După cum se arată în Figura 3.
Când tensiunea la borna bateriei cu litiu 2# ajunge la 4,2V, circuitul de egalizare începe să funcționeze și va stabiliza tensiunea la 4,2V, adică curentul de încărcare nu va mai trece prin bateria de putere cu litiu 2#, așa cum se arată. în Figura 4. În acest fel, timpul de încărcare a bateriilor cu litiu 1#, 3# și 4# este extins corespunzător, crescând astfel puterea întregului pachet de baterii cu litiu. Cu toate acestea, 100% din puterea descărcată a bateriei cu litiu nr. 2 este convertită în eliberare de căldură, provocând o mulțime de deșeuri (disiparea căldurii a bateriei cu litiu nr. 2 este o pierdere a sistemului și o risipă de energie). ).
Principiul de funcționare al circuitului regulator de șunt prezentat în Figura 2 este: TL431 este tensiunea de referință, iar tensiunea este ajustată la 4,2 V prin ajustarea rezistenței variabile. Dacă cele două capete ale bateriei cu litiu sunt mai mici de 4,2 V, TL431 nu absoarbe curent, adică Ib=0 mai jos, deci Ic=0, tranzistorul este întrerupt, iar curentul de încărcare trece în continuare prin litiu baterie de putere. Dacă ambele capete ale bateriei cu litiu ajung la 4,2 V, TL431 începe să absoarbă curent, Ib>0, iar curentul de încărcare (adică Ic) trece prin triodă și nu trece prin bateria cu litiu, adică , bateria cu litiu nu mai este încărcată.
Cele trei diode IN4001 conectate în serie în circuit acționează ca un divizor de tensiune, ceea ce poate reduce puterea disipată pe tranzistorul TIP42. Dacă aceste trei diode IN4001 nu sunt conectate, puterea disipată pe tranzistorul TIP42: P=4,2V×curent de încărcare, după adăugarea diodei IN4001, P=(4,2V-3×0,7V)×curent de încărcare. Dioda emițătoare de lumină din extrema dreaptă are o funcție de indicare. Lumina este aprinsă, indicând că tensiunea a ajuns la 4,2V, adică bateria corespunzătoare acestui circuit de egalizare este încărcată complet.
În al patrulea rând, caracteristicile circuitului de încărcare de egalizare bazat pe rezistența de șunt
Cel mai simplu circuit de echilibrare este echilibrul consumului de sarcină, adică un rezistor este conectat în paralel la fiecare baterie cu litiu, iar un comutator este conectat în serie pentru control. Când tensiunea unei baterii cu litiu este prea mare, comutatorul este pornit și curentul de încărcare este manevrat prin rezistor. În acest fel, bateria de putere cu litiu de înaltă tensiune are un curent de încărcare mic, iar bateria de putere cu litiu de joasă tensiune are un curent de încărcare mare. În acest fel, tensiunea bateriei cu litiu poate fi echilibrată, dar această metodă poate fi aplicată numai bateriilor cu litiu de capacitate mică. Este nerealist pentru capacitatea bateriei cu litiu.
Conectați rezistențele în paralel la ambele capete ale celulei bateriei cu litiu pentru a permite rezistenței să consume o parte din energia bateriei cu litiu. Există două forme de rezistență paralelă. Una este o conexiune fixă. Rezistorul este conectat în paralel la ambele capete ale bateriei cu litiu pentru o lungă perioadă de timp. Tensiunea celulei bateriei cu litiu Când este mare, curentul prin rezistor este mare și consumă mai multă energie. Când tensiunea bateriei cu litiu este scăzută, rezistența consumă mai puțină energie. Prin caracteristica sensibilă la presiune a rezistenței, se realizează echilibrul de tensiune al terminalului bateriei cu litiu. Aceasta este o metodă fezabilă din punct de vedere teoretic și este rar folosită în practică.
Analizați necesitatea egalizării bateriei cu litiu și caracteristicile circuitului de încărcare cu egalizare pasivă
O altă modalitate de a conecta rezistențele în paralel este conectarea rezistențelor în paralel la ambele capete ale celulei printr-o buclă de comutare. Comutatorul este declanșat de un semnal de la sistemul de management. Când sistemul determină ce tensiune celulară sau SOC este mare, își conectează rezistența paralelă pentru a-și consuma energia.
Principiul încărcării echilibrate bazat pe rezistența de șunt este prezentat în Figura 5, adică fiecare celulă de baterie cu litiu este conectată în paralel cu o rezistență de șunt. Din circuitul prezentat în figura 5, se poate observa că curentul de șunt pe rezistență trebuie să fie mult mai mare decât cel al bateriei cu litiu. Curentul de auto-descărcare poate obține efectul de încărcare echilibrată. În general, curentul de auto-descărcare al unei baterii cu litiu este de aproximativ C/20000, deci C/200 este mai potrivit pentru curentul care curge prin rezistorul de șunt. În plus, abaterea fiecărei rezistențe de șunt este, de asemenea, un factor important care afectează efectul de egalizare. După un anumit număr de cicluri de încărcare și descărcare, abaterea celulei bateriei cu litiu poate fi determinată prin următoarea formulă:
Analizați necesitatea egalizării bateriei cu litiu și caracteristicile circuitului de încărcare cu egalizare pasivă
Unde: VC este abaterea de tensiune a bateriei cu litiu; R este rezistența la șunt; I este curentul de auto-descărcare al bateriei cu litiu; VD este tensiunea celulei bateriei cu litiu; K este abaterea rezistenței.
Dacă rezistența de șunt este de 20Ω±0,05%, abaterea de tensiune a bateriei cu litiu poate fi controlată în intervalul de 50mV. Puterea medie a fiecărui rezistor este de 0,72 W, dar rezistorul de șunt consumă întotdeauna energie, indiferent de procesul de încărcare sau de procesul de descărcare al bateriei cu litiu.
Principiul încărcării echilibrate bazată pe rezistența de șunt cu adăugarea unui comutator de pornire-oprire este prezentat în Figura 6. Diferența dintre încărcarea echilibrată a rezistenței de șunt pornit-oprit și încărcarea echilibrată a șuntului de rezistență este adăugarea unui comutator pornit-oprit, care poate fi controlat de software-ul sistemului de control, poate fi realizat și prin circuite logice simple. Circuitul de egalizare care adoptă acest mod de control funcționează numai în secțiunea de încărcare cu tensiune constantă a încărcării bateriei cu litiu, iar comutatorul de pornire-oprire este întotdeauna oprit în alte momente, astfel încât atunci când acumulatorul de alimentare cu litiu este descărcat, rezistența de șunt nu consuma energie. Dar principalul dezavantaj al acestui circuit este că rata de eșec a comutatorului pornit-oprit este relativ mare și sunt necesare mijloace redundante.
