Konieczność wyrównywania baterii litowej i charakterystyka pasywnego obwodu ładowania wyrównującego
1. Definicja ładowania wyrównawczego i konieczność wyrównania
1. Definicja ładunku wyrównawczego:
Ładowanie wyrównujące jest w skrócie nazywane ładowaniem wyrównującym, czyli ładowaniem wyrównującym charakterystykę baterii. Odnosi się do nierównowagi napięcia na zacisku akumulatora spowodowanej indywidualnymi różnicami w akumulatorze, różnicami temperatur i innymi przyczynami podczas użytkowania akumulatora. Aby uniknąć pogorszenia trendu nierównowagi, konieczne jest zwiększenie napięcia ładowania pakietu akumulatorów i ładowanie akumulatora w sposób zrównoważony, tak aby zrównoważyć charakterystykę każdego ogniwa w pakiecie i przedłużyć żywotność baterii.
Ładowanie wyrównawcze znajduje się w środkowej i późnej fazie procesu ładowania akumulatora zasilającego. Gdy napięcie ogniwa akumulatora osiągnie lub przekroczy napięcie odcięcia, obwód równoważący zaczyna działać, aby zmniejszyć prąd ogniwa akumulatora, aby ograniczyć napięcie ogniwa akumulatora, aby nie było wyższe niż napięcie odcięcia ładowania. Jedyną funkcją ładowania wyrównawczego jest zapobieganie przeładowaniu, co przyniesie negatywne skutki podczas rozładowywania.
Podczas korzystania z ładowania wyrównawczego ogniwo akumulatora o małej pojemności nie jest przeładowane, a ilość mocy, którą można uwolnić, jest mniejsza niż moc, którą można uwolnić, gdy korektor nie jest używany do lekkiego przeładowania, co powoduje rozładowanie ogniwa akumulatora czas krótszy i możliwe przeładowanie Seks jest jeszcze większy.
2. Konieczność ładowania wyrównawczego:
Przy obecnym poziomie i technologii produkcji baterii litowych, w procesie produkcji ogniw baterii litowej będą subtelne różnice między każdym ogniwem baterii litowej, co stanowi problem z konsystencją. Niezgodność przejawia się głównie w ogniwie baterii litowej. Pojemność, rezystancja wewnętrzna, szybkość samorozładowania, wydajność ładowania i rozładowania itp. Niespójność ogniw baterii litowej jest przenoszona na pakiet akumulatorów litowych, co nieuchronnie prowadzi do utraty pakietu akumulatorów litowych' co z kolei prowadzi do spadku życia.
W procesie użytkowania zmontowanej baterii litowej, niespójność monomerów pojawi się również ze względu na stopień samorozładowania i temperaturę części. Niespójność monomerów akumulatorów litowych wpływa na ładowanie i rozładowywanie akumulatora litowego. Charakterystyka. Badania wykazały, że 20% różnica w pojemności ogniw litowych przyniesie około 40% utraty pojemności akumulatorów litowych.
Znaczenie balansu baterii litowej polega na wykorzystaniu technologii energoelektronicznej w celu utrzymania odchylenia napięcia ogniwa litowo-jonowego lub napięcia akumulatora litowego w oczekiwanym zakresie, aby zapewnić utrzymanie każdej pojedynczej baterii litowej podczas normalnego użytkowania. Ten sam stan, aby uniknąć wystąpienia przeładowania i nadmiernego rozładowania. Jeśli kontrola balansu nie zostanie przeprowadzona, wraz ze wzrostem cykli ładowania i rozładowania, napięcie każdej pojedynczej baterii litowej będzie się stopniowo różnicować, a żywotność znacznie się skróci.
Niespójność ogniw akumulatorów litowych będzie z czasem ulegać dalszemu pogorszeniu pod wpływem czynników losowych, takich jak temperatura. W normalnych warunkach, gdy temperatura środowiska pracy akumulatora litowego jest o 10°C wyższa niż jego temperatura optymalna, żywotność akumulatora litowego zostanie skrócona o połowę. Ze względu na dużą liczbę samochodowych systemów akumulatorów litowych połączonych szeregowo, zwykle od 88 do 100 serii, ich pojemność wynosi zwykle od 20 do 60 kWh, a lokalizacja każdego ciągu akumulatorów litowych jest inna, co powoduje różnicę temperatur.
Nawet w tym samym pojemniku na baterie wystąpi różnica temperatur ze względu na lokalizację i ogrzewanie baterii litowej, a ta różnica temperatur będzie miała poważny negatywny wpływ na żywotność baterii litowej, powodując jej działanie wydawać się niezrównoważone, a zasięg lotu zmniejszy się. , Cykl życia ulega skróceniu. Właśnie z powodu tych problemów pojemność całego systemu akumulatorów nie może być w pełni wykorzystana, co powoduje straty w systemie akumulatorów, a łagodzenie takich strat w systemie znacznie wydłuża żywotność systemu akumulatorów.
Spójność między ogniwami baterii litowej ma najbardziej bezpośredni i najważniejszy wpływ na pojemność baterii litowej, ponieważ pojemność baterii litowej jest parametrem, którego nie można bezpośrednio zmierzyć w krótkim czasie, ale pojemność ogniwa litowego jest Między napięciami w obwodzie otwartym istnieje zależność jeden do jednego. Napięcie ogniwa litowego może być mierzone online w czasie rzeczywistym, co czyni go korzystnym warunkiem pomiaru poziomu konsystencji ogniwa litowego. W strategii zarządzania systemem zarządzania akumulatorem istnieją warunki zakończenia rozładowania, warunki zakończenia ładowania itp., w których wartość napięcia ogniwa baterii litowej jest wykorzystywana jako warunek wyzwalania.
W przypadku parametru w tej pozycji nadmierna różnica w konsystencji napięcia ogniw akumulatora litowego bezpośrednio ogranicza moc ładowania i rozładowania akumulatora litowego. Na tej podstawie zastosowanie metody wyrównywania baterii litowej w celu rozwiązania problemu nadmiernej różnicy napięć już działającego akumulatora litowego jest skutecznym środkiem do zwiększenia pojemności akumulatora litowego i przedłużenia żywotności bateria litowa.
Po drugie, zalety i wady równowagi pasywnej
W zarządzaniu wyrównywaniem akumulatorów litowych, obecne metody wyrównywania napięcia szeregowo-równoległych akumulatorów litowych są podzielone na wyrównywanie pasywne i wyrównywanie aktywne. Generalnie bilans typu zużycia energii definiuje się jako bilans pasywny. Równowaga pasywna wykorzystuje rezystory do zużywania energii akumulatorów wysokiego napięcia lub akumulatorów o wysokim naładowaniu, aby osiągnąć cel zmniejszenia odstępu między różnymi akumulatorami. Jest to typ energochłonny. zrównoważony. Obecnie na rynku istnieje wiele systemów zarządzania akumulatorami, które przyjmują pasywną równowagę. Ponieważ technologia pasywnej równowagi jest stosowana na rynku baterii litowych przed aktywną równowagą, technologia jest stosunkowo dojrzała, a pasywna struktura równowagi jest prostsza i szerzej stosowana.
Zarządzanie balansem akumulatorów litowych obejmuje bilans napięcia, bilans prądu i bilans temperatury. Wśród nich najbardziej podstawowy jest bilans napięcia akumulatorów litowych, czyli bilans napięć ogniw litowych w szeregowych pakietach litowych. Podobnie, bilans prądu odnosi się do bilansu prądu każdego ogniwa baterii litowej równolegle w zestawie baterii litowej.
W przypadku akumulatorów litowych przyczyną zbyt szybkiego spadku wydajności ogniw litowych jest to, że prąd jest niespójny, a poszczególne ogniwa pracują w nadmiernych warunkach, co powoduje nadmierny spadek wydajności. Różnica temperatur ogniw baterii litowej jest spowodowana nierównomiernym wytwarzaniem ciepła i nierównomiernym rozpraszaniem ciepła. Obecnie bilans temperatur akumulatorów litowych jest zwykle rozwiązywany metodami fizycznymi, takimi jak naturalne chłodzenie powietrzem, wymuszone chłodzenie powietrzem i chłodzenie cieczą.
Ponieważ wyrównanie pasywne wykorzystuje rezystory do zużywania energii, generowane jest ciepło, a prąd wyrównawczy jest mały, co zmniejsza sprawność całego systemu. W oparciu o wymagania zarządzania ciepłem, wyrównanie pasywne można wyrównywać tylko sekcja po sekcji. Baterie litowe są bardzo wrażliwe na ciepło i należy bezwzględnie unikać wzrostu temperatury zewnętrznej. Wyrównanie pasywne spowoduje miejscowe nagrzewanie się akumulatora litowego, a wysoka temperatura zwiększy awaryjność komponentów. Z tego powodu, ze względu na ciepło wytwarzane przez równowagę pasywną, stawiane są specjalne wymagania dotyczące bezpieczeństwa i konstrukcji konstrukcji akumulatorów litowych.
3. Zasada działania równowagi biernej
Wyrównanie pasywne generalnie rozładowuje akumulatory litowe o wyższym napięciu poprzez wyładowanie rezystancyjne i uwalnia energię elektryczną w postaci ciepła, aby uzyskać dłuższy czas ładowania innych akumulatorów litowych. Podczas procesu ładowania bateria litowa zwykle ma górną wartość napięcia ochronnego ładowania. Jeśli napięcie podczas ładowania przekroczy tę wartość, co jest powszechnie znane jako&„przeładowanie &”, bateria litowa może się spalić lub eksplodować.
Dlatego płyta zabezpieczająca baterię litową ma ogólnie funkcję ochrony przed przeładowaniem, aby zapobiec przeładowaniu baterii litowej. Oznacza to, że gdy ciąg baterii litowych osiągnie tę wartość napięcia, płyta zabezpieczająca baterię litową odetnie obwód ładowania i zatrzyma ładowanie.
Wyrównywanie ładunku znajduje się na środkowym i późnym etapie procesu ładowania akumulatora, gdy napięcie ogniwa akumulatora osiąga lub przekracza napięcie odcięcia, obwód wyrównujący zaczyna działać, aby zmniejszyć prąd ogniwa akumulatora, w celu ograniczenia napięcie ogniwa akumulatora nie może być wyższe niż napięcie odcięcia ładowania. Jedyną funkcją wyrównania ładunku jest zapobieganie przeładowaniu, co przyniesie negatywne skutki podczas rozładowywania. Podczas korzystania z wyrównania ładowania ogniwo akumulatora o małej pojemności nie jest przeładowane, a ilość mocy, którą można uwolnić, jest mniejsza niż moc, którą można uwolnić, gdy korektor nie jest używany do lekkiego przeładowania, co powoduje rozładowanie ogniwa akumulatora czas krótszy i możliwe przeładowanie Seks jest jeszcze większy.
Schemat ideowy utraty pojemności akumulatora litowego podczas ładowania pokazano na rysunku 1. Na rysunku 1 napięcie na zaciskach 2 # akumulatora litowego jest najpierw ładowane do ustawionej wartości napięcia ochronnego, co uruchamia mechanizm ochronny obwodu zabezpieczającego baterię litową i zatrzymuje baterię litową Ładowanie akumulatora bezpośrednio powoduje, że baterie litowe 1#, 3## i 4 nie mogą być w pełni naładowane. Pełna pojemność całego akumulatora litowego jest ograniczona do 2 # akumulatora litowego, co powoduje, że akumulator litowy nie jest w pełni naładowany. Aby w pełni naładować akumulator litowy, podczas ładowania należy zastosować układ ładowania wyrównawczego.
Podczas procesu ładowania baterii litowej każda bateria litowa jest wyposażona w obwód wyrównawczy, jak pokazano na rysunku 2 (każda bateria litowa jest połączona z równoległym obwodem stabilizującym napięcie), a każda bateria litowa jest kontrolowana przez obwód wyrównawczy podczas ładowania. Napięcie baterii litowej utrzymuje każdy ciąg baterii litowych w tym samym stanie, zapewniając wydajność i żywotność baterii litowej.
Jeśli napięcie ustawione przez obwód wyrównywania baterii litowej wynosi 4,2 V, gdy bateria litowa nie osiąga 4,2 V, równoległy obwód regulatora napięcia nie działa, każda bateria litowa jest nadal ładowana, a prąd ładowania nadal przejść przez baterię litową. Jak pokazano na rysunku 3.
Gdy napięcie na zacisku akumulatora litowego 2 # osiągnie 4,2 V, obwód wyrównawczy zacznie działać i ustabilizuje napięcie do 4,2 V, to znaczy prąd ładowania nie będzie już przechodził przez akumulator litowy 2 #, jak pokazano na rysunku 4. W ten sposób czas ładowania baterii litowych 1#, 3# i 4# jest odpowiednio wydłużony, zwiększając w ten sposób moc całego zestawu baterii litowych. Jednak 100% rozładowanej mocy baterii litowej nr 2 jest zamieniane na wydzielanie ciepła, powodując duże straty (rozpraszanie ciepła z baterii litowej nr 2 to utrata systemu i marnowanie energii ).
Zasada działania obwodu regulatora bocznikowego pokazanego na rysunku 2: TL431 jest napięciem odniesienia, a napięcie jest regulowane do 4,2 V poprzez regulację zmiennej rezystancji. Jeśli dwa końce baterii litowej są mniejsze niż 4,2 V, TL431 nie pochłania prądu, to znaczy Ib=0 poniżej, więc Ic=0, tranzystor zostaje odcięty, a prąd ładowania nadal przepływa przez lit bateria zasilająca. Jeśli oba końce akumulatora litowego osiągną napięcie 4,2 V, TL431 zaczyna pobierać prąd Ib>0, a prąd ładowania (tj. Ic) przechodzi przez triodę i nie przechodzi przez akumulator litowy, to znaczy , bateria litowa nie jest już ładowana.
Trzy diody IN4001 połączone szeregowo w obwód działają jak dzielnik napięcia, który może zmniejszyć moc rozpraszaną na tranzystorze TIP42. Jeśli te trzy diody IN4001 nie są podłączone, moc wydzielana na tranzystorze TIP42: P=4,2V×prąd ładowania, po dodaniu diody IN4001, P=(4,2V-3×0,7V)×prąd ładowania. Dioda świecąca po prawej stronie ma funkcję wskazania. Lampka świeci, wskazując, że napięcie osiągnęło 4,2 V, co oznacza, że akumulator odpowiadający temu obwodowi wyrównawczemu jest w pełni naładowany.
Po czwarte, charakterystyka obwodu ładowania wyrównawczego w oparciu o rezystancję bocznika
Najprostszym obwodem równoważącym jest równoważenie zużycia obciążenia, to znaczy rezystor jest podłączony równolegle do każdej baterii litowej, a przełącznik jest połączony szeregowo w celu sterowania. Gdy napięcie akumulatora litowego jest zbyt wysokie, przełącznik jest włączany, a prąd ładowania jest bocznikowany przez rezystor. W ten sposób bateria litowa wysokiego napięcia ma mały prąd ładowania, a bateria litowa niskiego napięcia ma duży prąd ładowania. W ten sposób można zrównoważyć napięcie baterii litowej, ale tę metodę można zastosować tylko do baterii litowych o małej pojemności. Jest to nierealne dla pojemności baterii litowej.
Podłącz rezystory równolegle na obu końcach ogniwa baterii litowej, aby rezystancja pochłonęła część energii baterii litowej. Istnieją dwie formy równoległego oporu. Jednym z nich jest stałe połączenie. Rezystor jest podłączony równolegle na obu końcach baterii litowej przez długi czas. Napięcie ogniwa baterii litowej Gdy jest wysokie, prąd płynący przez rezystor jest duży i zużywa więcej energii. Gdy napięcie baterii litowej jest niskie, rezystor zużywa mniej energii. Poprzez wrażliwą na nacisk charakterystykę rezystancji realizowana jest równowaga napięcia na zacisku akumulatora litowego. Jest to metoda teoretycznie wykonalna i rzadko stosowana w praktyce.
Przeanalizuj konieczność wyrównania baterii litowej i charakterystykę pasywnego obwodu ładowania wyrównawczego
Innym sposobem łączenia rezystorów równolegle jest podłączenie rezystorów równolegle na obu końcach ogniwa przez pętlę przełącznika. Przełącznik jest wyzwalany sygnałem z systemu zarządzania. Gdy system określi, które napięcie ogniwa lub SOC jest wysokie, łączy swój równoległy opór, aby zużywać jego energię.
Zasadę zrównoważonego ładowania opartego na rezystancji bocznikowej pokazano na rysunku 5, co oznacza, że każde ogniwo baterii litowej jest połączone równolegle z rezystancją bocznikową. Z obwodu pokazanego na rysunku 5 widać, że prąd bocznikowy na rezystancji musi być znacznie większy niż prąd baterii litowej. Prąd samorozładowania może osiągnąć efekt zrównoważonego ładowania. Generalnie prąd samorozładowania baterii litowej wynosi około C/20000, więc C/200 jest bardziej odpowiedni dla prądu płynącego przez rezystor bocznikowy. Ponadto odchylenie każdej rezystancji bocznikowej jest również ważnym czynnikiem wpływającym na efekt wyrównawczy. Po określonej liczbie cykli ładowania i rozładowania odchylenie ogniwa akumulatora litowego można określić za pomocą następującego wzoru:
Przeanalizuj konieczność wyrównania baterii litowej i charakterystykę pasywnego obwodu ładowania wyrównawczego
Gdzie: VC to odchylenie napięcia baterii litowej; R to opór bocznikowy; I jest prądem samorozładowania baterii litowej; VD to napięcie ogniwa baterii litowej; K to odchylenie rezystancji.
Jeśli rezystancja bocznikowa wynosi 20Ω ± 0,05%, odchylenie napięcia baterii litowej może być kontrolowane w zakresie 50mV. Średnia moc każdego rezystora wynosi 0,72W, ale rezystor bocznikowy zawsze pobiera energię niezależnie od procesu ładowania lub procesu rozładowywania akumulatora litowego.
Zasada ładowania symetrycznego oparta na rezystancji bocznikowej z dodatkiem wyłącznika jest pokazana na rysunku 6. Różnica między ładowaniem symetrycznym rezystora bocznikowego on-off a ładowaniem symetrycznym rezystora bocznikowego polega na dodaniu wyłącznika, który może być kontrolowany przez oprogramowanie systemu sterowania, może być również realizowany za pomocą prostych obwodów logicznych. Obwód wyrównawczy przyjmujący ten tryb sterowania działa tylko w sekcji ładowania stałego napięcia ładowania akumulatora litowego, a wyłącznik on-off jest zawsze wyłączony w innych przypadkach, tak że po rozładowaniu akumulatora litowego rezystor bocznikowy nie zużywają energię. Ale główną wadą tego obwodu jest to, że wskaźnik awaryjności wyłącznika jest stosunkowo wysoki i wymagane są środki nadmiarowe.
