تعادل فعال در مقابل غیرفعال: راهنمای سیستم‌های باتری لیتیومی

هنگام انتخاب یکسیستم مدیریت باتری لیتیومی، درک تفاوت های فنی بینتعادل فعال و غیرفعالبرای بهینه سازی عملکرد باتری ضروری است.

اگرچه بسته‌های باتری لیتیومی با پارامترهای نزدیک ساخته می‌شوند، سلول‌های جداگانه می‌توانند به دلیل تغییرات در تولید یا دمای محیط، ناسازگاری ولتاژ را در حین کار ایجاد کنند. از آنجایی که ظرفیت کلی بسته باتری توسط ضعیف ترین سلول محدود می شود، چنین عدم تعادلی می تواند انرژی قابل استفاده را کاهش دهد و عمر مفید بسته را کوتاه کند.

برای رسیدگی به این موضوع،باتری های Copow LiFePO4دارای یک BMS است که از دو روش متعادل کننده مجزا استفاده می کند:تعادل غیرفعال، که انرژی اضافی را از سلول‌های ولتاژ{0} بالاتر به عنوان گرما از طریق مقاومت‌ها دفع می‌کند، ومتعادل سازی فعال، که انرژی را از-سلول های ولتاژ بالاتر به سلول های ولتاژ پایین- با استفاده از اجزای ذخیره انرژی منتقل می کند.

این مقالهتفاوت بین این دو رویکرد را از نظر بهره وری انرژی، مدیریت حرارتی و هزینه کاربرد تجزیه و تحلیل می کند، به شما کمک می کند تا بر اساس ظرفیت باتری و سناریوی استفاده، انتخاب درستی داشته باشید.

تعادل سلول باتری چیست و چرا در سیستم های لیتیومی اهمیت دارد؟

بسته های باتری لیتیومی معمولاً از چندین سلول مجزا تشکیل شده اند که به صورت سری به هم متصل شده اند(به عنوان مثال، یک بسته باتری تسلا حاوی هزاران سلول است). اگرچه ممکن است این سلول‌ها هنگام خروج از کارخانه یکسان به نظر برسند، اما تفاوت‌های کوچک در فرآیندهای تولید، دمای محیط و پیری باعث می‌شود در هنگام شارژ و تخلیه رفتار متفاوتی از خود نشان دهند.

بالانس باتری فرآیند استفاده از مدارهای الکترونیکی برای تنظیم ولتاژ یاوضعیت شارژ هر سلول جداگانهدر بسته باتری، از بین بردن این تفاوت ها و اطمینان از عملکرد ثابت در کل بسته.

چرا مهم است؟ ("اثر سطل")

عملکرد یک سیستم باتری لیتیومی توسط آن دیکته می شودضعیف ترین سلول. بدون تعادل، مشکلات زیر رخ می دهد:

• شارژ محدود (کمپر شده):در طول شارژ، اگر یک سلول ابتدا به ظرفیت خود برسد، سیستم باید شارژ کل بسته را متوقف کند تا از شارژ بیش از حد و انفجار احتمالی جلوگیری شود. این باعث می شود سلول های دیگر فقط تا حدی شارژ شوند (مثلاً در 80٪) و ظرفیت کل قابل استفاده کاهش می یابد.
• تخلیه محدود (استفاده ناقص):در حین تخلیه، اگر ابتدا برق یک سلول تمام شود، سیستم باید برق را قطع کند تا از آسیب آن سلول محافظت کند. این به این معنی است که شما مجبور به توقف هستید حتی اگر سلول های دیگر هنوز انرژی باقی مانده باشند.
• کوتاه شدن طول عمر:سلول هایی که دائماً "بیش از-هل می شوند" یا "تخلیه می شوند" بسیار سریعتر پیر می شوند و یک چرخه معیوب ایجاد می کنند که در نهایت کل بسته باتری را خراب می کند.
• خطرات ایمنی:عدم تعادل شدید می تواند منجر به اضافه ولتاژ یا کمبود ولتاژ در سلول های جداگانه شود که ممکن است باعث تحریک شودفرار حرارتی (آتش سوزی).

روش های متداول تعادل

تعادل فعال در مقابل غیرفعال: تفاوت های کلیدی توضیح داده شده است

در یکسیستم مدیریت باتری لیتیومی, تعادل غیرفعالومتعادل سازی فعالدو استراتژی مختلف تنظیم ولتاژ هستند.

تفاوت اصلی بین آنها در نحوه مدیریت انرژی اضافی نهفته است:متعادل‌سازی غیرفعال انرژی سلول‌های با ولتاژ بالاتر را از طریق مقاومت‌ها به گرما تبدیل می‌کند تا به هم‌ترازی ولتاژ برسد، در حالی که متعادل‌سازی فعال از اجزای ذخیره‌سازی انرژی برای انتقال انرژی از سلول‌های با ولتاژ بالاتر به سلول‌های ولتاژ پایین‌تر استفاده می‌کند و گردش انرژی داخلی را ممکن می‌سازد.

1. مقایسه اصول کار

• تعادل غیرفعال (اتلافی):این شبیه استبیرون ریختنآب اضافی از بطری هایی که بیش از حد پر هستند. از یک مدار سوئیچینگ متصل به a استفاده می کندمقاومت. انرژی اضافی از سلول های با ولتاژ بالاتر تبدیل می شودگرماو تا زمانی که سطح آنها با بقیه سلول ها مطابقت پیدا کند پراکنده می شوند.
• تعادل فعال (بازتوزیع):این شبیه استریختنآب اضافی از یک بطری پر به یک بطری خالی تر. از خازن ها، سلف ها یا ترانسفورماتورها به عنوان "ظروف ذخیره سازی" استفاده می کندانتقالاز-سلول های ولتاژ بالا به سلول های ولتاژ پایین- شارژ کنید و انرژی را در سراسر بسته توزیع مجدد کنید.

2. تفاوت های کلیدی در یک نگاه

3. چرا تعادل فعال در همه جا استفاده نمی شود؟

اگر متعادل‌سازی فعال سریع‌تر است و در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند، چرا بیشتر واحدهای BMS همچنان از تعادل غیرفعال استفاده می‌کنند؟

• هزینه-اثربخشی:تعادل غیرفعال بسیار ارزان است. برای اکثر بسته‌های باتری جدید که قوام سلول بالا است، جریان کوچک تعادل غیرفعال برای نگهداری روزانه کافی است.
• قابلیت اطمینان:قانون "قطعات بیشتر، مشکلات بیشتر" در اینجا اعمال می شود. مدارهای متعادل کننده فعال پیچیده هستند و در مقایسه با مقاومت های ساده و بادوام منجر به نرخ شکست بالقوه بالاتری می شوند.
• اندازه / ردپای:ماژول های متعادل کننده فعال اغلب حجیم هستند و برای گوشی های هوشمند، لپ تاپ ها یا بسته های باتری سبک وزن مناسب نیستند.

4. Active Balancing «تغییر بازی» چه زمانی است؟

تعادل فعال در دو سناریو خاص یک مزیت واضح دارد:

• سلول های با ظرفیت بزرگ:برای یک سلول عظیم 280Ah، تعادل غیرفعال 100mA ممکن است هفته ها طول بکشد تا انحراف 1% را اصلاح کند. یک متعادل کننده فعال می تواند این کار را در چند ساعت انجام دهد.
• باتری های قدیمی/بازسازی شده:با افزایش سن سلول ها، ظرفیت های آنها متفاوت می شود. تعادل فعال می تواند کارساز باشددر حین ترخیص، انتقال نیرو از سلول های "قوی" به سلول های "ضعیف"، به طور قابل توجهی دامنه رانندگی واقعی یا زمان اجرای یک بسته قدیمی را افزایش می دهد.

چالش های مهندسی عملی تعادل باتری در کاربردهای واقعی

در عمل مهندسی، اجرای تعادل باتری بسیار پیچیده تر از منطق اولیه شارژ و دشارژ است. مهندسان باید به چالش‌های{1} واقعی جهانی مانند نوسانات دمای محیط، نوسانات جریان دینامیکی وطول عمر قطعات الکترونیکی.

برای اطمینان از پایداری سیستم، استراتژی‌های متعادل‌سازی باید با بارهای کاری متفاوت وفق دهند و در عین حال مبادله{0}} بین راندمان مدار و اتلاف گرما را بهینه کنند. این پیچیدگی به این معنی است که منطق متعادل کردن نه تنها باید مقادیر ولتاژ جداگانه را مدیریت کند، بلکه باید منحنی های قدیمی شدن باتری و قابلیت اطمینان طولانی مدت سخت افزار را نیز در نظر بگیرد.

1. زمان بندی دقیق تعادل (مشکل تشخیص SoC)

تعیین اینکه کدام سلول دارای شارژ "بالا" است در شرایط کاری پویا بسیار دشوار است.

• تداخل استاتیک در مقابل تداخل دینامیکی:باتری ها به دلیل مقاومت داخلی (IR) در هنگام شارژ و دشارژ دچار افت ولتاژ می شوند. اگر ولتاژ هنگام شتاب گیری یا بالا رفتن از یک شیب اندازه گیری شود (تخلیه جریان بالا)، سلولی با مقاومت داخلی کمی بالاتر ممکن است افت ولتاژ ناگهانی نشان دهد، حتی اگر شارژ واقعی آن کم نباشد.
• چالش پلاتو ولتاژ: باتری های لیتیوم فسفات آهنمنحنی ولتاژ بسیار مسطح دارند. بین تقریبا20% و 80%وضعیت شارژ، ولتاژ به سختی تغییر می کند-گاهی اوقات فقط چند میلی ولت. تحت این شرایط،استاندارد BMSدقت حسگر (معمولاً ± 10 میلی ولت) برای تعیین اینکه آیا یک سلول واقعاً نامتعادل است یا خیر، تلاش می کند.
• استراتژی مهندسی:در اکثر سیستم های عملی، تعادل تنها در پایان چرخه شارژ، زمانی که منحنی ولتاژ شروع به افزایش شدید می کند، انجام می شود.

2. مدیریت حرارتی و چالش های اتلاف گرما

مدیریت گرما یکی از دغدغه های اصلی سیستم های متعادل کننده غیرفعال است.

• گرمای بیش از حد موضعی:تعادل غیرفعال انرژی اضافی را به عنوان گرما از طریق مقاومت ها دفع می کند. هنگامی که چندین سلول به طور همزمان متعادل می شوند، آرایه مقاومت روی برد BMS می تواند گرمای قابل توجهی تولید کند. طراحی ضعیف حرارتی ممکن است دمای BMS را بالا ببرد و به طور بالقوه باعث محافظت از دما یا تسریع پیری سلول‌های مجاور شود و عدم تعادل معکوس ایجاد کند.
• چگالی انرژی در مقابل فضا:در دستگاه‌های حساس به وزن{0}}مانند هواپیماهای بدون سرنشین، فضای کمی برای هیت سینک‌های بزرگ وجود دارد که حداکثر جریان متعادل کننده مجاز را محدود می‌کند.

3. تداخل الکترومغناطیسی (مسائل EMI/EMC)

EMI به ویژه در سیستم های متعادل کننده فعال برجسته است.

• صدای سوئیچینگ فرکانس بالا-بالانس فعال شامل تبدیل DC-تبدیل DC یا سوئیچینگ خازن با فرکانس بالا (معمولاً صدها کیلوهرتز به مگاهرتز) است. این تداخل الکترومغناطیسی قابل‌توجهی ایجاد می‌کند، بر دقت تراشه‌های نمونه‌برداری BMS تأثیر می‌گذارد، باعث نوسان خواندن ولتاژ می‌شود و به طور بالقوه منجر به تصمیم‌گیری‌های نادرست تعادل می‌شود.
• پیچیدگی طراحی:مهندسان باید برای جداسازی نویز از سیگنال‌های اندازه‌گیری، به طرح‌بندی‌های پیشرفته PCB، محافظ‌ها و مدارهای فیلتر اعتماد کنند.

4. تخفیف-: هزینه، اندازه و قابلیت اطمینان

• تعداد اجزاء:بالانس فعال به تعداد زیادی سلف، ترانسفورماتور یا ماسفت نیاز دارد. در یک سلول 100سیستم ذخیره انرژی، اگر هر سلول به تعادل فعال نیاز داشته باشد، تعداد مؤلفه ها چند برابر می شود و به میزان قابل توجهی کاهش می یابدمیانگین زمان بین خرابی ها (MTBF).
• جریان ساکن (خودمصرف-):مدار متعادل کننده خود انرژی مصرف می کند. طراحی ضعیف ممکن است سلول‌های سالم را در طول ذخیره‌سازی طولانی مدت تخلیه کند و باعث آسیب "تخلیه عمیق" شود.

5. تکامل قوام سلولی (پیری پویا)

• عدم تعادل دوگانه در ظرفیت و مقاومت:با افزایش سن باتری ها، برخی از سلول ها ظرفیت خود را از دست می دهند در حالی که برخی دیگر مقاومت داخلی را افزایش می دهند.
• تله مهندسی:اگر تعادل صرفاً بر اساس ولتاژ باشد، سیستم ممکن است سلول A را در طول شارژ یکسان کند. با این حال، در حین تخلیه، سلول A ممکن است به دلیل ظرفیت پایین‌تر، سریع‌ترین زمان را پشت سر بگذارد. سیستم به طور مداوم انرژی را به عقب و جلو حرکت می‌دهد بدون اینکه به تفاوت ظرفیت اساسی رسیدگی شود-پدیده‌ای به نام"نوسان متعادل."

"بهترین روش ها" برای متعادل کردن باتری Copow LiFePO4

در Copow، ما به طور کلی رویکرد مصالحه زیر را اتخاذ می کنیم:

• نمونه‌برداری با دقت بالا-برای اندازه‌گیری دقیق ولتاژ، از تراشه‌های جلو{0}}آنالوگ (AFE) با 1 میلی‌ولت-دقت سطح-یا حتی بالاتر- استفاده کنید.
• استراتژی ترکیبی:تعادل غیرفعال به عنوان راه حل پیش فرض برای تعمیر و نگهداری کم-جریان-دراز مدت عمل می کند. برای سیستم های پیر یا بسته های-بزرگ-بزرگ، متعادل کننده فعال به عنوان مکمل اضافه می شود.
• شبیه سازی الگوریتمی:از فیلتر کالمن توسعه یافته (EKF) یا الگوریتم های شبکه عصبی، همراه با یکپارچگی فعلی (شمار ​​کولن)، برای تخمین استفاده کنید.SoCبه جای اتکای صرف به اندازه گیری ولتاژ.

فناوری متعادل کننده فعال در باتری های فسفات آهن لیتیوم Copow چه چالش های اصلی مدیریت باتری را حل می کند؟

قایقران تکنولوژی متعادل کننده فعال برایباتری های LiFePO4 راه حلی برای مشکلات قوام سلولی در بسته‌های باتری با ظرفیت بزرگ-در طول کار- طولانی مدت ارائه می‌دهد.

این فناوری انحرافات ولتاژ بین سلول ها را از طریق مکانیزم انتقال انرژی داخلی کاهش می دهد. در برنامه‌هایی که شامل چرخه‌های شارژ-دشارژ مکرر و چرخه‌های عمیق می‌شوند، به جلوگیری از قطع زودرس سلول‌ها کمک می‌کند، در نتیجه از دست دادن ظرفیت به حداقل می‌رسد، انرژی قابل استفاده واقعی بسته باتری افزایش می‌یابد و عمر مفید آن افزایش می‌یابد.

1. برای به حداکثر رساندن ظرفیت قابل استفاده، اثر "ضعیف ترین پیوند" را به طور کامل حذف کنید

• چالش:در بسته های باتری، ظرفیت کلی توسط "ضعیف ترین" سلول محدود می شود. در طول شارژ، هنگامی که یک سلول به ظرفیت کامل رسید، کل بسته باید متوقف شود. در هنگام تخلیه، هنگامی که یک سلول خالی شد، کل بسته باید قطع شود.
• راه حل کاپو:بر خلاف تعادل غیرفعال معمولی که انرژی را به صورت گرما از طریق مقاومت ها دفع می کند، تعادل فعال Copow انرژی را از سلول های "قوی" به سلول های "ضعیف تر" منتقل می کند. این بدان معناست که در حین تخلیه، سلول‌های{1}به خوبی شارژ شده به طور پیوسته سلول‌های ضعیف‌تر را "پشتیبانی" می‌کنند و به کل بسته اجازه می‌دهند تا آخرین بیت انرژی را استخراج کنند. داده های رسمی نشان می دهد که این BMS می تواند عدم تعادل سلولی را تقریباً 40٪ کاهش دهد.

• 2. رسیدگی به چالش "فلات ولتاژ" سلول های LiFePO4

• چالش: باتری های LiFePO4منحنی های ولتاژ بسیار مسطح دارند (ولتاژ به سختی بین 20٪ تا 80٪ SoC تغییر می کند)، که تشخیص عدم تعادل سلولی را برای سیستم های BMS معمولی دشوار می کند.
• راه حل کاپو:BMS Copow تراشه‌های نمونه‌برداری با دقت بالاتر-و منطق کنترل پیچیده را ادغام می‌کند. بالانس فعال نه تنها در پایان شارژ، بلکه به طور مداوم در حالت های بیکار و دشارژ نیز عمل می کند (معمولاً زمانی که اختلاف ولتاژ بیش از 0.1 ولت باشد فعال می شود). این مکانیسم نظارت 24 ساعته، مشکل در تشخیص عدم تعادل به دلیل ویژگی های ولتاژ مسطح سلول های LFP را جبران می کند.

3. حل تعارض بین بالانس-جریان بالا و اتلاف گرما

• چالش:برای باتری‌های با ظرفیت{0} بزرگ (مثلاً بیش از 200 Ah)، جریان‌های متعادل کننده غیرفعال (معمولاً تنها 50 تا 100 میلی آمپر) برای اصلاح عدم تعادل چند آمپر بسیار آهسته هستند. در همین حال، اتلاف مبتنی بر مقاومت، گرمای قابل‌توجهی تولید می‌کند، که اغلب باعث ایجاد هشدارهای دمایی BMS روی-می‌شود.
• راه حل کاپو:برای مدل‌های با ظرفیت بزرگ-بالای 200 Ah، Copow ماژول‌های متعادل کننده فعال با توان 1-2 A را ادغام می‌کند. از آنجایی که فرآیند به جای اتلاف انرژی، انرژی را منتقل می‌کند، تولید گرما حداقل است. حتی در شرایط شارژ-دشارژ شدید، سیستم می‌تواند به سرعت تفاوت‌های سلولی را یکسان کند.

4. افزایش عمر سرویس در طول استفاده طولانی مدت

• چالش:با افزایش سن باتری ها، سلول ها با سرعت های متفاوتی تخریب می شوند. تفاوت در مقاومت داخلی و ظرفیت با گذشت زمان تقویت می شود و باعث کاهش قابل توجه عملکرد پس از 2 تا 3 سال می شود.
• راه حل کاپو:تعادل فعال به طور مداوم انرژی را مجدداً توزیع می کند و آسیب خستگی به سلول های منفرد ناشی از شارژ یا تخلیه بیش از حد مکرر را کاهش می دهد. این "نگهداری پیشگیرانه" به کند شدن تخریب قوام سلول کمک می کند و کارایی بسته باتری را حفظ می کند.عمر چرخهبه طور پایدار بین 3000 تا 5000 سیکل.

کدام روش تعادل برای برنامه شما مناسب است؟

انتخاب ازروش متعادل سازیبستگی به هزینه، فضا، عملکرد و سناریوی برنامه دارد.

برای لوازم الکترونیکی مصرفی، دوچرخه‌های برقی، یا سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس کوچک-با ظرفیت‌های کمتر از 100 Ah،تعادل غیرفعالراه حل عملی تر است. ساختار ساده و هزینه کم آن را مناسب می کند، و اگرچه باعث از دست دادن گرما می شود، تاثیر آن در بسته های باتری با قوام سلولی نسبتاً خوب حداقل است.

برای باتری‌های کمکی در RVs،-گاری‌های گلف با عملکرد بالا، و سیستم‌های ذخیره انرژی خورشیدی خاموش{1}}با ظرفیت‌های بالای 200 Ah،متعادل سازی فعالمزایای واضحی را ارائه می دهد. این رویکرد از انتقال جریان از 1 به 5 آمپر پشتیبانی می‌کند و به سلول‌های ضعیف‌تر اجازه می‌دهد در حین تخلیه تنظیم شوند و در عین حال از افزایش موضعی دما جلوگیری شود. این امر به‌ویژه برای سناریوهای{4}} فعلی مانند بالا رفتن از تپه‌ها یا شتاب گرفتن از چرخ دستی‌های گلف مهم است، زیرا به طور مؤثر برد را بهبود می‌بخشد و عمر بسته باتری را افزایش می‌دهد.

به طور خلاصه، تعادل غیرفعال برای برنامه‌های سبک وزن و{0}}کم‌هزینه مناسب است، در حالی که توازن فعال باید برای سیستم‌های با شدت- با ظرفیت بالا که به عمر مفید طولانی نیاز دارند، اولویت‌بندی شود.

با "ضعیف ترین پیوند" خداحافظی کنید و تمام انرژی باتری لیتیوم خود را باز کنید

اجازه ندهید اختلاف ولتاژ مصنوعی سفر شما را کوتاه کند. ارتقاء به Copowبسته باتری LiFePO4 با فناوری متعادل کننده فعالبرای افزایش دامنه و افزایش طول عمر تا 6000 چرخه، تضمین می کند که هر سرمایه گذاری حداکثر ارزش را ارائه می دهد.

👉 [ درخواست جزئیات در مورد باتری های LiFePO4 متعادل کننده فعال Copow ]

سوالات متداول

جریان متعادل کننده غیرفعال معمولی در یک BMS 12 ولتی LiFePO4 چیست؟

جریان متعادل کننده معمولی غیرفعال در یک BMS 12 ولت LiFePO4 معمولاً بسیار کوچک است، معمولاً از30 میلی آمپر تا 100 میلی آمپر(0.03A تا 0.1A)، زیرا با اتلاف انرژی اضافی از سلول‌های ولتاژ بالاتر به عنوان گرما از طریق مقاومت‌ها عمل می‌کند و فقط برای تنظیم دقیق در مراحل پایانی شارژ مؤثر است.

چه زمانی از Active Balancing در سیستم های باتری استفاده می شود؟

متعادل‌سازی فعال برای سیستم‌های باتری با ظرفیت بالا با رشته‌های متعددی که به عملکرد بالا و عمر طولانی نیاز دارند، مانند سیستم‌های ذخیره انرژی، وسایل نقلیه الکتریکی، بسته‌های باتری با ولتاژ بالا و تجهیزات صنعتی که نیاز به عملکرد پایدار طولانی مدت دارند، مناسب است.

به این دلیل که در این برنامه‌ها، با افزایش تعداد چرخه‌های تخلیه{0}شارژ، تغییرات بین سلول‌های باتری جداگانه در طول زمان انباشته می‌شود و مدیریت مؤثر این تغییرات را از طریق بالانس غیرفعال به تنهایی دشوار می‌کند.

جریان متعادل کننده معمولی در BMS 12 ولت LiFePO4 چیست؟

در یک BMS برای باتری LiFePO4 12 ولت (4 سلولی)، جریان متعادل کننده معمولی از 30 تا 100 میلی آمپر بسته به طراحی BMS و هزینه متغیر است.

برخی از واحدهای BMS درجه بالا-یا صنعتی{1} ممکن است به 100 تا 300 میلی آمپر برسند، در حالی که سیستم‌هایی که از طرح‌های متعادل کننده فعال استفاده می‌کنند می‌توانند حتی بالاتر هم بروند (به آمپر می‌رسند). با این حال، در کاربردهای رایج باتری 12 ولت، بیشتر محصولات هنوز هم عمدتاً از جریان متعادل کننده در ده ها میلی آمپر استفاده می کنند.