Nezbytnost ekvalizace lithiové baterie a charakteristika pasivního ekvalizačního nabíjecího obvodu
1. Definice vyrovnávacího nabíjení a nutnost vyrovnávání
1. Definice vyrovnávacího nabíjení:
Vyrovnávací nabíjení je zkráceně označováno jako vyrovnávací nabíjení, což je nabíjení vyrovnávací charakteristiky baterie. Týká se nerovnováhy napětí na svorce baterie v důsledku individuálních rozdílů v baterii, teplotních rozdílů a dalších důvodů během používání baterie. Aby se zabránilo zhoršení tohoto trendu nerovnováhy, je nutné zvýšit nabíjecí napětí baterie a nabíjet baterii vyváženým způsobem, aby se vyrovnaly vlastnosti každého bateriového článku v sadě baterií a prodloužil životnost baterie.
Vyrovnávací nabíjení je ve střední a pozdní fázi procesu nabíjení napájecí baterie. Když napětí článku napájecí baterie dosáhne nebo překročí vypínací napětí, vyrovnávací obvod začne pracovat na snížení proudu článku napájecí baterie, aby omezil napětí článku napájecí baterie tak, aby nebylo vyšší než vypínací napětí nabíjení. Jedinou funkcí vyrovnávacího nabíjení je zabránit přebíjení, což přinese negativní efekty při používání vybíjení.
Při použití vyrovnávacího nabíjení nedochází k přebíjení malokapacitního článku baterie a množství energie, které lze uvolnit, je menší než výkon, který lze uvolnit, když se ekvalizér nepoužívá pro lehké přebití, což způsobí vybití článku napájecí baterie. čas kratší a možné přebití Sex je ještě větší.
2. Nutnost vyrovnávacího nabíjení:
Se současnou úrovní a technologií výroby lithiových baterií budou ve výrobním procesu lithiových baterií existovat jemné rozdíly mezi jednotlivými články lithiové baterie, což je problém konzistence. Nekonzistence se projevuje především u článku lithiové baterie. Kapacita, vnitřní odpor, rychlost samovybíjení, účinnost nabíjení-vybíjení atd. Nekonzistence článků lithiové baterie se přenáší na jednotku lithiové baterie, což nevyhnutelně způsobí ztrátu lithiové baterie' s kapacitou, což zase vede ke snížení života.
V procesu použití sestavené lithiové napájecí baterie se také objeví nekonzistence monomerů kvůli stupni samovybíjení a teplotě dílů. Nekonzistence monomerů lithiové baterie ovlivňuje nabíjení a vybíjení lithiové baterie. charakteristický. Studie ukázaly, že 20% rozdíl v kapacitě lithiových baterií způsobí asi 40% ztrátu kapacity lithiových baterií.
Smyslem vyvážení lithiových baterií je použití výkonové elektronické technologie k udržení odchylky napětí lithium-iontové lithiové baterie nebo napětí lithiové baterie v očekávaném rozsahu, aby bylo zajištěno, že bude zachována každá jednotlivá lithiová baterie. při běžném používání. Stejný stav, aby nedocházelo k přebíjení a přebíjení. Pokud se kontrola vyvážení neprovede, jak se cykly nabíjení a vybíjení zvyšují, napětí každé jednotlivé lithiové baterie se bude postupně lišit a životnost se výrazně zkrátí.
Nekonzistence lithiových baterií se bude časem dále zhoršovat vlivem náhodných faktorů, jako je teplota. Za normálních okolností, kdy je teplota provozního prostředí lithiové baterie o 10 °C vyšší než její optimální teplota, se životnost lithiové baterie zkrátí na polovinu. Vzhledem k velkému počtu automobilových lithiových napájecích bateriových systémů v sérii, obecně mezi 88 a 100 sériemi, je jejich kapacita obecně 20 až 60 kWh a umístění každého řetězce lithiových baterií je jiné, což způsobí teplotní rozdíl.
Dokonce i ve stejné skříni napájecí baterie bude teplotní rozdíl kvůli umístění a zahřívání lithiové napájecí baterie a tento teplotní rozdíl bude mít velký negativní dopad na životnost lithiové baterie, což způsobí, že lithiová napájecí baterie vypadat nevyváženě a cestovní dosah se sníží. , Životnost cyklu je zkrácena. Právě kvůli těmto problémům nelze plně využít kapacitu celého bateriového systému, což způsobuje ztráty bateriového systému a zmírnění takových systémových ztrát také značně prodlouží životnost bateriového systému.
Konzistence mezi články lithiové baterie je nejpřímější a nejdůležitější vliv na kapacitu lithiové baterie, protože kapacita lithiové baterie je parametr, který nelze přímo změřit v krátké době, ale kapacita lithiové baterie je Mezi napětími naprázdno existuje vzájemná shoda. Napětí lithiového bateriového článku lze měřit online v reálném čase, což z něj činí příznivou podmínku pro měření úrovně konzistence lithiového bateriového článku. Ve strategii řízení systému správy baterie existují podmínky ukončení vybíjení, podmínky ukončení nabíjení atd., kde se jako spouštěcí podmínka používá hodnota napětí lithiové baterie.
U parametru v této poloze nadměrný rozdíl v konzistenci napětí lithiových článků přímo omezuje nabíjecí a vybíjecí výkon lithiové napájecí baterie. Na základě toho je použití metody vyrovnání lithiové baterie k vyřešení problému nadměrného rozdílu napětí lithiové napájecí baterie, která je již v provozu, účinným opatřením ke zvýšení kapacity lithiové napájecí baterie a prodloužení životnosti baterie. lithiovou napájecí baterii.
Za druhé, výhody a nevýhody pasivní rovnováhy
Při řízení ekvalizace lithiových napájecích bateriových sad jsou současné metody pro vyrovnávání napětí sériově paralelních lithiových bateriových sad rozděleny na pasivní ekvalizaci a aktivní ekvalizaci. Obecně je bilance typu spotřeby energie definována jako pasivní bilance. Pasivní rovnováha využívá rezistory ke spotřebě energie vysokonapěťových nebo vysoce nabitých baterií, aby bylo dosaženo účelu snížení mezery mezi různými bateriemi. Jedná se o energeticky náročný typ. vyrovnaný. V současné době existuje na trhu mnoho systémů pro správu baterií, které využívají pasivní rovnováhu. Vzhledem k tomu, že technologie pasivního vyvažování je na trhu lithiových baterií aplikována před aktivním vyvážením, je tato technologie relativně vyspělá a struktura pasivní rovnováhy je jednodušší a šířeji používaná.
Správa rovnováhy lithiových napájecích baterií zahrnuje rovnováhu napětí, rovnováhu proudu a rovnováhu teploty. Mezi nimi je nejzákladnější bilance napětí lithiových baterií, to znamená bilance napětí lithiových bateriových článků v sériových lithiových bateriových sadách. Podobně aktuální rovnováha se vztahuje k rovnováze proudu každého článku lithiové baterie v sadě lithiové baterie paralelně.
U lithiových baterií je důvodem, proč se výkon lithiových baterií příliš rychle snižuje, že proud je nekonzistentní a jednotlivé články pracují v přetížených podmínkách, což má za následek nadměrný pokles výkonu. Teplotní rozdíl článků lithiové baterie je způsoben nekonzistentním vývinem tepla a nerovnoměrným odvodem tepla. V současné době je teplotní bilance lithiových napájecích baterií obecně řešena fyzikálními metodami, jako je přirozené chlazení vzduchem, chlazení nuceným vzduchem a chlazení kapalinou.
Protože pasivní ekvalizace využívá ke spotřebě energie rezistory, vzniká teplo a vyrovnávací proud je malý, což snižuje účinnost celého systému. Na základě požadavků tepelného managementu lze pasivní vyrovnání vyrovnávat pouze úsek po úseku. Lithiové napájecí baterie jsou velmi citlivé na teplo a je nutné se absolutně vyvarovat zvýšení venkovní teploty. Pasivní vyrovnání způsobí lokální zahřívání lithiové napájecí baterie a vysoká teplota zvýší poruchovost součástí. Z tohoto důvodu, s ohledem na teplo generované pasivní rovnováhou, jsou kladeny zvláštní požadavky na bezpečnost a konstrukci lithiových baterií.
3. Princip činnosti pasivní rovnováhy
Pasivní vyrovnání obecně vybíjí lithiové baterie s vyšším napětím prostřednictvím odporového vybíjení a uvolňuje elektřinu ve formě tepla, aby se prodloužila doba nabíjení pro jiné lithiové baterie. Během procesu nabíjení má lithiová baterie obecně hodnotu ochranného napětí horního limitu. Pokud napětí během nabíjení překročí tuto hodnotu, která je běžně známá jako"overcharge", lithiová baterie může shořet nebo explodovat.
Proto má deska ochrany lithiové baterie obecně funkci ochrany proti přebití, aby se zabránilo přebití lithiové baterie. To znamená, že když řetězec lithiových baterií dosáhne této hodnoty napětí, ochranná deska lithiové baterie přeruší nabíjecí obvod a zastaví nabíjení.
Vyrovnání nabíjení je ve střední a pozdní fázi procesu nabíjení napájecí baterie, když napětí článku napájecí baterie dosáhne nebo překročí vypínací napětí, vyrovnávací obvod začne pracovat na snížení proudu článku napájecí baterie, aby se omezil napětí napájecího akumulátoru nesmí být vyšší než vypínací napětí nabíjení . Jedinou funkcí vyrovnání nabití je zabránit přebíjení a bude mít negativní účinky při používání vybíjení. Při použití vyrovnání nabití nedochází k přebití malokapacitního článku baterie a množství energie, které lze uvolnit, je menší než výkon, který lze uvolnit, když se ekvalizér nepoužívá pro lehké přebití, což způsobí vybití článku napájecí baterie. čas kratší a možné přebití Sex je ještě větší.
Schematický diagram ztráty kapacity lithiové napájecí baterie během nabíjení je znázorněn na obrázku 1. Na obrázku 1 je svorkové napětí lithiové baterie 2# nejprve nabito na nastavenou hodnotu ochranného napětí, což spustí ochranný mechanismus ochranného obvodu lithiové napájecí baterie a zastaví lithiovou baterii Nabíjení napájecí baterie přímo způsobí, že lithiové baterie 1#, 3## a 4 nemohou být plně nabity. Plná kapacita nabití celé lithiové baterie je omezena na 2# lithiovou baterii, což způsobuje, že se lithiová baterie plně nenabije. Aby bylo možné plně nabít lithiovou baterii, musí být při nabíjení použit vyrovnávací nabíjecí obvod.
Během procesu nabíjení lithiové baterie je každá lithiová baterie vybavena vyrovnávacím obvodem, jak je znázorněno na obrázku 2 (každá lithiová baterie je připojena k paralelnímu obvodu stabilizace napětí) a každá lithiová baterie je řízena vyrovnávací obvod během nabíjení. Napětí lithiové baterie udržuje každý řetězec lithiových baterií ve stejném stavu, což zajišťuje výkon a životnost lithiové baterie.
Pokud je napětí nastavené obvodem vyrovnávání lithiové baterie 4,2 V, když lithiová baterie nedosáhne 4,2 V, obvod paralelního regulátoru napětí nefunguje, každá lithiová baterie se nadále nabíjí a nabíjecí proud pokračuje. projdou lithiovou baterií. Jak je znázorněno na obrázku 3.
Když napětí terminálu 2# lithiové baterie dosáhne 4,2 V, vyrovnávací obvod začne fungovat a stabilizuje napětí na 4,2 V, to znamená, že nabíjecí proud již nebude procházet lithiovou baterií 2 #, jak je znázorněno na obrázku 4. Tímto způsobem se doba nabíjení lithiových baterií 1#, 3# a 4# odpovídajícím způsobem prodlouží, čímž se zvýší výkon celé lithiové baterie. 100 % vybité energie lithiové baterie č. 2 se však přemění na uvolnění tepla, což způsobuje velké plýtvání (rozptyl tepla lithiové baterie č. 2 je ztrátou systému a plýtváním energie ).
Princip činnosti obvodu regulátoru bočníku znázorněného na obrázku 2 je: TL431 je referenční napětí a napětí je upraveno na 4,2 V úpravou proměnného odporu. Pokud jsou dva konce lithiové baterie nižší než 4,2 V, TL431 neabsorbuje proud, to znamená Ib=0 níže, takže Ic=0, tranzistor se odpojí a nabíjecí proud stále prochází lithiem. napájecí baterie. Pokud oba konce lithiové baterie dosáhnou 4,2 V, TL431 začne absorbovat proud Ib>0 a nabíjecí proud (tj. Ic) prochází triodou a neprochází lithiovou baterií, tzn. , lithiová baterie již není nabitá.
Tři diody IN4001 zapojené do série v obvodu fungují jako dělič napětí, který může snížit výkon rozptýlený na tranzistoru TIP42. Pokud tyto tři diody IN4001 nejsou zapojeny, ztrátový výkon na tranzistoru TIP42: P=4,2V×nabíjecí proud, po přidání diody IN4001, P=(4,2V-3×0,7V)×nabíjecí proud. Přisvětlovací dioda zcela vpravo má indikační funkci. Kontrolka svítí, což znamená, že napětí dosáhlo 4,2 V, to znamená, že baterie odpovídající tomuto vyrovnávacímu obvodu je plně nabitá.
Za čtvrté, charakteristiky vyrovnávacího nabíjecího obvodu na základě bočníkového odporu
Nejjednodušším balančním obvodem je bilance spotřeby zátěže, to znamená, že rezistor je zapojen paralelně ke každé lithiové napájecí baterii a spínač je zapojen do série pro ovládání. Když je napětí lithiové baterie příliš vysoké, spínač se zapne a nabíjecí proud se převede přes odpor. Tímto způsobem má vysokonapěťová lithiová baterie malý nabíjecí proud a nízkonapěťová lithiová baterie velký nabíjecí proud. Tímto způsobem lze vyvážit napětí lithiové baterie, ale tuto metodu lze použít pouze u lithiových baterií s malou kapacitou. Pro kapacitní lithiovou baterii je to nereálné.
Připojte odpory paralelně na oba konce článku lithiové baterie, aby odpor mohl spotřebovat část energie lithiové baterie. Existují dvě formy paralelního odporu. Jedním z nich je pevné připojení. Rezistor je zapojen paralelně na obou koncích lithiové napájecí baterie na dlouhou dobu. Napětí lithiové baterie Pokud je vysoké, proud přes odpor je velký a spotřebovává více energie. Když je napětí lithiové baterie nízké, rezistor spotřebovává méně energie. Prostřednictvím charakteristiky odporu citlivé na tlak je realizována rovnováha napětí na terminálu lithiové baterie. Tato metoda je teoreticky proveditelná a v praxi se používá jen zřídka.
Analyzujte nutnost ekvalizace lithiové baterie a charakteristiky pasivního ekvalizačního nabíjecího obvodu
Dalším způsobem, jak paralelně zapojit rezistory, je paralelně zapojit rezistory na obou koncích článku pomocí spínací smyčky. Spínač se spouští signálem z řídicího systému. Když systém určí, které napětí článku nebo SOC je vysoké, připojí svůj paralelní odpor, aby spotřeboval jeho energii.
Princip vyváženého nabíjení založeného na bočníkovém odporu je znázorněn na obrázku 5, to znamená, že každý článek lithiové napájecí baterie je zapojen paralelně s bočníkovým odporem. Z obvodu znázorněného na obrázku 5 je vidět, že bočníkový proud na odporu musí být mnohem větší než u lithiové baterie. Samovybíjecí proud může dosáhnout efektu vyváženého nabíjení. Obecně je samovybíjecí proud lithiové baterie asi C/20000, takže C/200 je vhodnější pro proud protékající bočníkem. Kromě toho je důležitým faktorem ovlivňujícím vyrovnávací účinek také odchylka každého odporu bočníku. Po určitém počtu nabíjecích a vybíjecích cyklů lze odchylku lithiové baterie určit podle následujícího vzorce:
Analyzujte nutnost ekvalizace lithiové baterie a charakteristiky pasivního ekvalizačního nabíjecího obvodu
Kde: VC je odchylka napětí lithiové baterie; R je bočníkový odpor; I je samovybíjecí proud lithiové baterie; VD je napětí lithiové baterie; K je odchylka odporu.
Pokud je odpor bočníku 20Ω±0,05%, odchylku napětí lithiové napájecí baterie lze řídit v rozsahu 50mV. Průměrný výkon každého rezistoru je 0,72 W, ale bočníkový rezistor vždy spotřebovává energii bez ohledu na proces nabíjení nebo vybíjení lithiové baterie.
Princip vyváženého nabíjení založeného na bočníkovém odporu s přidáním spínače zapnuto-vypnuto je znázorněn na obrázku 6. Rozdíl mezi symetrickým nabíjením zap/vyp bočníkovým odporem a odporovým bočníkem vyváženým nabíjením je přidání spínače zapnuto-vypnuto. může být řízen softwarem řídicího systému, může být také realizován pomocí jednoduchých logických obvodů. Vyrovnávací obvod, který přijímá tento řídicí režim, funguje pouze v sekci nabíjení konstantním napětím nabíjení lithiové baterie a vypínač je vždy vypnutý, takže když je lithiová napájecí baterie vybitá, bočníkový rezistor se nevypne. spotřebovávat energii. Ale hlavní nevýhodou tohoto obvodu je, že poruchovost vypínače je relativně vysoká a jsou vyžadovány redundantní prostředky.
