Sự cần thiết của cân bằng pin nguồn Lithium và các đặc điểm của mạch sạc cân bằng thụ động
1. Định nghĩa của tính phí cân bằng và sự cần thiết của việc cân bằng
1. Định nghĩa cân bằng điện tích:
Sạc cân bằng được viết tắt là sạc cân bằng, là quá trình sạc cân bằng các đặc tính của pin. Nó đề cập đến sự mất cân bằng điện áp tại cực pin do sự khác biệt riêng lẻ trong pin, chênh lệch nhiệt độ và các lý do khác trong quá trình sử dụng pin. Để tránh sự suy giảm của xu hướng mất cân bằng này, cần phải Tăng điện áp sạc của bộ pin và sạc pin một cách cân bằng, để cân bằng các đặc tính của từng ô pin trong bộ pin và kéo dài thời gian tuổi thọ của pin.
Sạc cân bằng là ở giai đoạn giữa và cuối của quá trình sạc pin. Khi điện áp của pin nguồn đạt đến hoặc vượt quá điện áp cắt, mạch cân bằng bắt đầu hoạt động để giảm dòng điện của pin nguồn nhằm hạn chế điện áp của pin nguồn không cao hơn điện áp cắt. Chức năng duy nhất của việc cân bằng sạc là ngăn ngừa sạc quá mức, và nó sẽ mang lại những tác động tiêu cực trong quá trình sử dụng xả.
Khi sử dụng tính năng sạc cân bằng, ô pin công suất nhỏ không bị sạc quá mức và lượng điện có thể giải phóng ít hơn công suất có thể giải phóng khi bộ cân bằng không được sử dụng để sạc quá mức, làm cho ô pin bị phóng điện thời gian ngắn hơn và có thể phóng điện quá mức Tình dục thậm chí còn lớn hơn.
2. Sự cần thiết của việc cân bằng sạc:
Với trình độ và công nghệ sản xuất pin lithium hiện nay, trong quá trình sản xuất các cell pin lithium, sẽ có sự khác biệt nhỏ giữa mỗi cell pin lithium, đó là vấn đề về tính nhất quán. Sự không nhất quán chủ yếu được thể hiện trong tế bào pin lithium. Dung lượng, điện trở bên trong, tốc độ tự xả, hiệu suất sạc - xả, v.v. Sự không nhất quán của các tế bào pin lithium được truyền đến bộ pin nguồn lithium, điều này chắc chắn sẽ dẫn đến việc mất bộ pin nguồn lithium&Năng lực của # 39; do đó dẫn đến giảm tuổi thọ.
Trong quá trình sử dụng pin lithium lắp ráp, sự không đồng nhất của các monome cũng sẽ xuất hiện do mức độ tự phóng điện và nhiệt độ của các bộ phận. Sự không nhất quán của monome pin lithium ảnh hưởng đến quá trình sạc và xả của bộ pin nguồn lithium. đặc điểm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự chênh lệch 20% dung lượng của các tế bào pin lithium sẽ dẫn đến sự mất mát về dung lượng của các viên pin lithium khoảng 40%.
Ý nghĩa của cân bằng pin nguồn lithium là sử dụng công nghệ điện tử công suất để giữ cho độ lệch điện áp của tế bào pin lithium ion lithium hoặc điện áp của bộ pin nguồn lithium trong phạm vi dự kiến, để đảm bảo rằng mỗi pin nguồn lithium duy nhất được duy trì trong quá trình sử dụng bình thường. Cùng một trạng thái để tránh xảy ra tình trạng quá tải và xả quá mức. Nếu việc kiểm soát cân bằng không được thực hiện, khi chu kỳ sạc và xả tăng lên, điện áp của mỗi pin lithium đơn lẻ sẽ dần dần phân biệt và tuổi thọ sẽ giảm đáng kể.
Sự không nhất quán của các tế bào pin lithium sẽ ngày càng xấu đi theo thời gian dưới tác động của các yếu tố ngẫu nhiên như nhiệt độ. Trong trường hợp bình thường, khi nhiệt độ môi trường hoạt động của pin nguồn lithium cao hơn 10 ° C so với nhiệt độ tối ưu của nó, tuổi thọ của pin nguồn lithium sẽ giảm một nửa. Do số lượng lớn các hệ thống pin nguồn lithium cho xe cộ nối tiếp nhau, thường là từ dòng 88 đến 100, công suất của chúng thường là 20 đến 60kWh và vị trí của mỗi chuỗi pin lithium khác nhau, điều này sẽ gây ra sự chênh lệch nhiệt độ.
Ngay cả trong cùng một hộp pin, sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ do vị trí và sự phát nhiệt của pin nguồn lithium, và sự chênh lệch nhiệt độ này sẽ có tác động tiêu cực lớn đến tuổi thọ của pin nguồn lithium, gây ra hiện tượng chai pin. xuất hiện không cân bằng và phạm vi bay sẽ giảm. , Vòng đời của chu kỳ bị rút ngắn. Chính vì những vấn đề này mà không thể sử dụng hết dung lượng của toàn bộ hệ thống ắc quy, gây ra tổn thất hệ thống ắc quy, và việc giảm thiểu tổn thất hệ thống như vậy cũng sẽ kéo dài tuổi thọ của hệ thống ắc quy rất nhiều.
Tính nhất quán giữa các ô pin lithium là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp và quan trọng nhất đến dung lượng pin lithium, bởi vì dung lượng pin lithium là một thông số không thể đo trực tiếp trong thời gian ngắn, nhưng dung lượng pin lithium là Có sự tương ứng 1-1 giữa các hiệu điện thế mạch hở. Điện áp của một tế bào pin lithium có thể được đo trực tuyến trong thời gian thực, điều này làm cho nó trở thành một điều kiện thuận lợi để đo mức độ nhất quán của một tế bào pin lithium. Trong chiến lược quản lý của hệ thống quản lý pin, có các điều kiện kết thúc xả, điều kiện kết thúc sạc, v.v., trong đó giá trị điện áp của tế bào pin lithium được sử dụng làm điều kiện kích hoạt.
Đối với thông số ở vị trí này, sự chênh lệch quá mức về tính nhất quán điện áp của các tế bào pin nguồn lithium sẽ trực tiếp giới hạn khả năng sạc và xả của bộ pin nguồn lithium. Dựa trên điều này, sử dụng phương pháp cân bằng pin nguồn lithium để giải quyết vấn đề chênh lệch điện áp quá mức của bộ pin nguồn lithium đã hoạt động là một biện pháp hiệu quả để tăng dung lượng của bộ pin nguồn lithium và kéo dài tuổi thọ của pin lithium.
Thứ hai, ưu điểm và nhược điểm của cân bằng thụ động
Trong quản lý cân bằng của các gói pin lithium, các phương pháp hiện tại để cân bằng điện áp của các gói pin lithium nối tiếp song song được chia thành cân bằng thụ động và cân bằng chủ động. Nói chung, cân bằng kiểu tiêu thụ năng lượng được định nghĩa là cân bằng thụ động. Cân bằng thụ động sử dụng điện trở để tiêu thụ năng lượng của pin cao áp hoặc pin sạc cao nhằm đạt được mục đích giảm khoảng cách giữa các pin khác nhau. Nó là loại tiêu tốn nhiều năng lượng. cân bằng. Hiện tại, có rất nhiều hệ thống quản lý pin áp dụng cân bằng thụ động trên thị trường. Vì công nghệ cân bằng thụ động được áp dụng trên thị trường pin lithium trước khi có cân bằng chủ động, công nghệ này đã tương đối hoàn thiện và cấu trúc cân bằng thụ động đơn giản hơn và được sử dụng rộng rãi hơn.
Quản lý cân bằng của các gói pin lithium bao gồm cân bằng điện áp, cân bằng dòng điện và cân bằng nhiệt độ. Trong số đó, cân bằng điện áp của các gói pin lithium là cơ bản nhất, đó là sự cân bằng điện áp của các tế bào pin lithium trong các gói pin lithium nối tiếp. Tương tự, cân bằng dòng điện đề cập đến sự cân bằng dòng điện của từng tế bào pin lithium trong bộ pin nguồn lithium song song.
Trong các gói pin lithium, lý do tại sao hiệu suất của các ô pin lithium giảm quá nhanh là do dòng điện không nhất quán và các ô riêng lẻ hoạt động trong điều kiện quá tải, dẫn đến giảm hiệu suất quá mức. Sự chênh lệch nhiệt độ của các tế bào pin lithium là do sự sinh nhiệt không nhất quán và tản nhiệt không nhất quán. Hiện tại, sự cân bằng nhiệt độ của các gói pin lithium thường được giải quyết bằng các phương pháp vật lý như làm mát bằng không khí tự nhiên, làm mát bằng không khí cưỡng bức và làm mát bằng chất lỏng.
Vì cân bằng thụ động sử dụng điện trở để tiêu thụ năng lượng, sinh ra nhiệt và dòng cân bằng nhỏ nên làm giảm hiệu suất của toàn hệ thống. Dựa trên các yêu cầu của quản lý nhiệt, cân bằng thụ động chỉ có thể được cân bằng từng phần. Pin Lithium rất nhạy cảm với nhiệt, cần tuyệt đối tránh để nhiệt độ bên ngoài tăng cao. Cân bằng thụ động sẽ gây ra hiện tượng nóng cục bộ của bộ pin nguồn lithium và nhiệt độ cao sẽ làm tăng tỷ lệ hỏng hóc của các bộ phận. Vì lý do này, theo quan điểm của nhiệt tạo ra bởi sự cân bằng thụ động, các yêu cầu đặc biệt được đặt ra đối với sự an toàn và thiết kế cấu trúc của pin năng lượng lithium.
3. Nguyên lý hoạt động của cân bằng thụ động
Tính năng cân bằng thụ động thường phóng điện cho pin lithium có điện áp cao hơn thông qua phóng điện trở và giải phóng điện dưới dạng nhiệt, để có thêm thời gian sạc cho các pin lithium khác. Trong quá trình sạc, pin lithium thường có giá trị điện áp bảo vệ giới hạn trên khi sạc. Nếu điện áp trong quá trình sạc vượt quá giá trị này, thường được gọi là" sạc quá mức" ;, pin nguồn lithium có thể bị cháy hoặc nổ.
Do đó, bảng bảo vệ pin nguồn lithium nói chung có chức năng bảo vệ quá tải để ngăn pin nguồn lithium sạc quá mức. Tức là, khi một chuỗi pin nguồn lithium đạt đến giá trị điện áp này, bo mạch bảo vệ pin nguồn lithium sẽ cắt mạch sạc và ngừng sạc.
Cân bằng sạc là ở giai đoạn giữa và cuối của quá trình sạc pin nguồn, khi điện áp của pin nguồn đạt hoặc vượt quá điện áp cắt, mạch cân bằng bắt đầu hoạt động để giảm dòng điện của pin nguồn, nhằm hạn chế điện áp tế bào pin không được cao hơn điện áp cắt sạc. Chức năng duy nhất của cân bằng điện tích là ngăn ngừa sạc quá mức và nó sẽ mang lại những tác động tiêu cực trong quá trình sử dụng xả. Khi sử dụng cân bằng điện tích, ô pin công suất nhỏ sẽ không bị sạc quá mức và lượng điện có thể giải phóng ít hơn công suất có thể giải phóng khi bộ cân bằng không được sử dụng để sạc quá mức, làm cho ô pin bị phóng điện thời gian ngắn hơn và có thể phóng điện quá mức Tình dục thậm chí còn lớn hơn.
Sơ đồ tổn thất dung lượng của bộ pin nguồn lithium trong quá trình sạc được thể hiện trong Hình 1. Trong Hình 1, điện áp đầu cuối của pin nguồn lithium 2 # lần đầu tiên được sạc đến giá trị điện áp bảo vệ đã đặt, điều này sẽ kích hoạt cơ chế bảo vệ của mạch bảo vệ pin nguồn lithium và dừng lithium Việc sạc bộ pin nguồn trực tiếp làm cho pin nguồn lithium 1 #, 3 ## và 4 không thể được sạc đầy. Khả năng sạc đầy của toàn bộ bộ pin nguồn lithium bị giới hạn ở pin nguồn lithium 2 #, khiến cho bộ pin nguồn lithium không thể được sạc đầy. Để sạc đầy bộ pin lithium, phải sử dụng mạch sạc cân bằng khi sạc.
Trong quá trình sạc của pin nguồn lithium, mỗi pin nguồn lithium được trang bị một mạch cân bằng như trong Hình 2 (mỗi pin nguồn lithium được kết nối với một mạch cân bằng ổn định điện áp song song) và mỗi pin nguồn lithium được điều khiển bởi mạch cân bằng trong quá trình sạc. Điện áp của pin nguồn lithium giữ cho mỗi chuỗi pin nguồn lithium ở cùng một trạng thái, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của pin nguồn lithium.
Nếu điện áp được đặt bởi mạch cân bằng pin nguồn lithium là 4,2V, khi pin nguồn lithium không đạt 4,2V, mạch điều chỉnh điện áp song song không hoạt động, mỗi pin nguồn lithium tiếp tục được sạc và dòng sạc tiếp tục đi qua pin điện lithium. Như hình 3.
Khi điện áp đầu cực của pin lithium 2 # đạt đến 4,2V, mạch cân bằng bắt đầu hoạt động và nó sẽ ổn định điện áp thành 4,2V, tức là dòng sạc sẽ không còn đi qua pin nguồn lithium 2 # nữa, như hình minh họa trong Hình 4. Theo cách này, thời gian sạc của pin nguồn lithium 1 #, 3 # và 4 # được kéo dài tương ứng, do đó tăng năng lượng của toàn bộ pin nguồn lithium. Tuy nhiên, 100% điện năng thải ra của pin lithium số 2 được chuyển thành nhiệt năng tỏa ra, gây ra nhiều lãng phí (tản nhiệt của pin lithium số 2 làm hao tổn hệ thống và lãng phí điện năng ).
Nguyên lý làm việc của mạch điều chỉnh shunt trong hình 2 là: TL431 là điện áp tham chiếu, và điện áp được điều chỉnh thành 4,2V bằng cách điều chỉnh biến trở. Nếu hai đầu của pin lithium nhỏ hơn 4,2V, TL431 không hấp thụ dòng điện, tức là Ib=0 ở dưới, do đó Ic=0, transistor bị cắt, và dòng sạc vẫn đi qua lithium pin nguồn. Nếu cả hai đầu của pin nguồn lithium đạt 4,2V, TL431 bắt đầu hấp thụ dòng điện, Ib> 0, và dòng điện sạc (tức là Ic) đi qua triode và không đi qua pin nguồn lithium, nghĩa là , pin nguồn lithium không còn được sạc.
Ba điốt IN4001 mắc nối tiếp trong mạch hoạt động như một bộ phân áp, có thể làm giảm công suất tiêu tán trên bóng bán dẫn TIP42. Nếu ba điốt IN4001 này không được kết nối, công suất tiêu tán trên bóng bán dẫn TIP42: P=4,2V × dòng sạc, sau khi thêm điốt IN4001, P=(4,2V-3 × 0,7V) × dòng sạc. Đi-ốt phát sáng ở ngoài cùng bên phải có chức năng chỉ thị. Đèn sáng chứng tỏ hiệu điện thế đã đạt 4,2V, tức là pin tương ứng với mạch cân bằng này đã được sạc đầy.
Thứ tư, các đặc điểm của mạch sạc cân bằng dựa trên điện trở shunt
Mạch cân bằng đơn giản nhất là cân bằng tải tiêu thụ, nghĩa là, một điện trở được kết nối song song với mỗi pin nguồn lithium và một công tắc được kết nối nối tiếp để điều khiển. Khi điện áp của pin lithium quá cao, công tắc sẽ được bật và dòng điện sạc sẽ bị ngắt qua điện trở. Theo cách này, pin lithium điện áp cao có dòng sạc nhỏ và pin lithium điện áp thấp có dòng sạc lớn. Bằng cách này, điện áp của pin nguồn lithium có thể được cân bằng, nhưng phương pháp này chỉ có thể áp dụng cho pin nguồn lithium dung lượng nhỏ. Nó là không thực tế đối với dung lượng pin lithium.
Kết nối song song các điện trở ở cả hai đầu của pin nguồn lithium để cho phép điện trở tiêu thụ một phần năng lượng của pin nguồn lithium. Có hai hình thức kháng song song. Một là kết nối cố định. Điện trở được mắc song song ở hai đầu của pin điện liti trong thời gian dài. Điện áp của tế bào pin lithium Khi nó ở mức cao, dòng điện qua điện trở lớn và tiêu thụ nhiều điện năng hơn. Khi điện áp của pin nguồn lithium thấp, điện trở sẽ tiêu thụ ít điện năng hơn. Thông qua đặc tính nhạy cảm với áp suất của điện trở, sự cân bằng điện áp của cực pin lithium được thực hiện. Đây là một phương pháp khả thi về mặt lý thuyết và ít được sử dụng trong thực tế.
Phân tích sự cần thiết của cân bằng pin nguồn lithium và các đặc điểm của mạch sạc cân bằng thụ động
Một cách khác để kết nối các điện trở song song là kết nối các điện trở song song ở cả hai đầu của tế bào thông qua một vòng chuyển đổi. Công tắc được kích hoạt bởi một tín hiệu từ hệ thống quản lý. Khi hệ thống xác định điện áp tế bào hoặc SOC cao, nó sẽ kết nối điện trở song song để tiêu thụ năng lượng của nó.
Nguyên tắc sạc cân bằng dựa trên điện trở shunt được trình bày trong Hình 5, tức là mỗi cell pin lithium được kết nối song song với một điện trở shunt. Từ mạch điện trong hình 5, có thể thấy rằng dòng điện shunt trên điện trở phải lớn hơn nhiều so với dòng điện của pin lithium. Dòng tự phóng điện có thể đạt được hiệu quả của việc sạc cân bằng. Nói chung, dòng điện tự phóng của pin lithium là khoảng C / 20000, vì vậy C / 200 thích hợp hơn cho dòng điện chạy qua điện trở shunt. Ngoài ra, độ lệch của từng điện trở shunt cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả cân bằng. Sau một số chu kỳ sạc và xả nhất định, độ lệch của tế bào pin lithium có thể được xác định theo công thức sau:
Phân tích sự cần thiết của cân bằng pin nguồn lithium và các đặc điểm của mạch sạc cân bằng thụ động
Trong đó: VC là độ lệch điện áp của pin nguồn lithium; R là điện trở shunt; I là dòng điện tự xả của pin lithium; VD là điện áp của tế bào pin lithium; K là độ lệch điện trở.
Nếu điện trở shunt là 20Ω ± 0,05%, độ lệch điện áp của pin nguồn lithium có thể được kiểm soát trong phạm vi 50mV. Công suất trung bình của mỗi điện trở là 0,72W, nhưng điện trở shunt luôn tiêu thụ điện năng bất kể quá trình sạc hay quá trình xả của pin nguồn lithium.
Nguyên tắc sạc cân bằng dựa trên điện trở shunt với việc bổ sung công tắc bật-tắt được thể hiện trong Hình 6. Sự khác biệt giữa sạc cân bằng điện trở shunt bật-tắt và sạc cân bằng điện trở shunt là việc bổ sung công tắc bật-tắt, có thể được điều khiển bởi phần mềm hệ thống điều khiển, Cũng có thể được thực hiện bằng các mạch logic đơn giản. Mạch cân bằng áp dụng chế độ điều khiển này chỉ hoạt động trong phần sạc điện áp không đổi của quá trình sạc pin nguồn lithium và công tắc bật-tắt luôn tắt vào những thời điểm khác, do đó khi bộ pin nguồn lithium được xả, điện trở shunt không tiêu hao năng lượng. Nhưng nhược điểm chính của mạch này là tỷ lệ hỏng hóc của công tắc bật-tắt tương đối cao và cần phải có các phương tiện dự phòng.
