Nevyhnutnosť ekvalizácie lítiovej batérie a charakteristika pasívneho vyrovnávacieho nabíjacieho obvodu
1. Definícia vyrovnávacieho nabíjania a nevyhnutnosť vyrovnávania
1. Definícia vyrovnávacieho nabíjania:
Vyrovnávacie nabíjanie sa skrátene označuje ako vyrovnávacie nabíjanie, čo je nabíjanie vyrovnávacej charakteristiky batérie. Vzťahuje sa na nerovnováhu napätia na svorke batérie v dôsledku individuálnych rozdielov v batérii, teplotných rozdielov a iných dôvodov počas používania batérie. Aby sa predišlo zhoršeniu tohto trendu nerovnováhy, je potrebné zvýšiť nabíjacie napätie batérie a nabíjať batériu vyváženým spôsobom, aby sa vyrovnali charakteristiky každého článku batérie v súprave batérií a predĺžili sa životnosť batérie.
Vyrovnávacie nabíjanie je v strednej a neskorej fáze procesu nabíjania batérie. Keď napätie článku napájacej batérie dosiahne alebo prekročí vypínacie napätie, vyvažovací obvod začne pracovať na znížení prúdu článku napájacej batérie, aby sa obmedzilo napätie článku napájacej batérie tak, aby nebolo vyššie ako vypínacie napätie nabíjania. Jedinou funkciou vyrovnávacieho nabíjania je zabrániť prebíjaniu, ktoré prinesie negatívne účinky pri používaní vybíjania.
Pri použití vyrovnávacieho nabíjania nie je napájací článok batérie s malou kapacitou prebitý a množstvo energie, ktoré je možné uvoľniť, je menšie ako výkon, ktorý je možné uvoľniť, keď sa ekvalizér nepoužíva na mierne prebitie, čo spôsobí vybitie článku napájacej batérie. čas kratší a možné nadmerné vybitie Sex je ešte väčší.
2. Nevyhnutnosť vyrovnávacieho nabíjania:
So súčasnou úrovňou a technológiou výroby lítiových batérií budú vo výrobnom procese lítiových batériových článkov existovať jemné rozdiely medzi jednotlivými lítiovými batériami, čo predstavuje problém konzistencie. Nekonzistentnosť sa prejavuje najmä v článku lítiovej batérie. Kapacita, vnútorný odpor, rýchlosť samovybíjania, účinnosť nabíjania a vybíjania atď. Nekonzistentnosť článkov lítiovej batérie sa prenáša na súpravu lítiovej batérie, čo nevyhnutne spôsobí stratu súpravy lítiovej batérie' s kapacitou, čo následne vedie k zníženiu života.
V procese používania zostavenej lítiovej batérie sa tiež prejaví nekonzistentnosť monomérov v dôsledku stupňa samovybíjania a teploty častí. Nekonzistentnosť monomérov lítiovej batérie ovplyvňuje nabíjanie a vybíjanie súpravy lítiovej batérie. charakteristický. Štúdie ukázali, že 20% rozdiel v kapacite lítiových batériových článkov spôsobí asi 40% stratu kapacity lítiových batériových zdrojov.
Zmyslom vyváženia lítiovej napájacej batérie je použitie výkonovej elektronickej technológie na udržanie odchýlky napätia lítiovo-iónovej lítiovej napájacej batérie alebo napätia lítiovej napájacej batérie v očakávanom rozsahu, aby sa zabezpečilo, že každá jedna lítiová napájacia batéria bude zachovaná. pri bežnom používaní. Rovnaký stav, aby sa zabránilo vzniku prebitia a nadmerného vybitia. Ak sa nevykonáva kontrola vyváženia, keď sa cykly nabíjania a vybíjania zvyšujú, napätie každej jednej lítiovej batérie sa bude postupne líšiť a životnosť sa výrazne zníži.
Nekonzistentnosť článkov lítiovej batérie sa bude časom ďalej zhoršovať pod vplyvom náhodných faktorov, ako je teplota. Za normálnych okolností, keď je teplota prevádzkového prostredia lítiovej batérie o 10 °C vyššia ako jej optimálna teplota, životnosť lítiovej batérie sa zníži na polovicu. Kvôli veľkému počtu systémov lítiových napájacích batérií vozidiel v sérii, vo všeobecnosti medzi sériami 88 a 100, je ich kapacita vo všeobecnosti 20 až 60 kWh a umiestnenie každého reťazca lítiových batérií je iné, čo spôsobí teplotný rozdiel.
Dokonca aj v tej istej skrinke napájacej batérie dôjde k teplotnému rozdielu v dôsledku umiestnenia a zahrievania lítiovej napájacej batérie a tento teplotný rozdiel bude mať veľký negatívny vplyv na životnosť lítiovej napájacej batérie, čo spôsobí, že lítiová napájacia batéria pôsobiť nevyvážene a cestovný dosah sa zníži. , Životnosť cyklu je skrátená. Práve pre tieto problémy nie je možné plne využiť kapacitu celého batériového systému, čo spôsobuje straty v batériovom systéme a zmiernenie takýchto strát v systéme výrazne predĺži aj životnosť batériového systému.
Konzistencia medzi článkami lítiovej napájacej batérie je najpriamejším a najdôležitejším vplyvom na kapacitu lítiovej batérie, pretože kapacita lítiovej batérie je parameter, ktorý sa nedá priamo zmerať v krátkom čase, ale kapacita článku lítiovej batérie je Medzi napätiami v otvorenom obvode je zhoda jedna ku jednej. Napätie lítiového napájacieho batériového článku je možné merať online v reálnom čase, čo z neho robí priaznivú podmienku na meranie úrovne konzistencie lítiového napájacieho batériového článku. V stratégii riadenia systému riadenia batérie existujú podmienky ukončenia vybitia, podmienky ukončenia nabíjania atď., kde sa ako spúšťacia podmienka používa hodnota napätia článku lítiovej batérie.
Pre parameter v tejto polohe nadmerný rozdiel v konzistencii napätia článkov lítiovej batérie priamo obmedzuje výkon nabíjania a vybíjania súpravy lítiovej batérie. Na základe toho je použitie metódy vyrovnávania lítiovej batérie na vyriešenie problému nadmerného rozdielu napätia lítiovej napájacej batérie, ktorá je už v prevádzke, účinným opatrením na zvýšenie kapacity lítiovej napájacej batérie a predĺženie jej životnosti. lítiová napájacia batéria.
Po druhé, výhody a nevýhody pasívnej rovnováhy
Pri riadení vyrovnávania lítiových napájacích batérií sú súčasné metódy vyrovnávania napätia sériovo paralelných lítiových napájacích batérií rozdelené na pasívne vyrovnávanie a aktívne vyrovnávanie. Vo všeobecnosti sa bilancia typu spotreby energie definuje ako pasívna bilancia. Pasívna rovnováha využíva rezistory na spotrebovanie energie vysokonapäťových alebo vysokonabitých batérií, aby sa dosiahol účel zníženia medzery medzi rôznymi batériami. Je to energeticky náročný typ. vyvážený. V súčasnosti existuje na trhu veľa systémov správy batérií, ktoré využívajú pasívnu rovnováhu. Pretože technológia pasívnej rovnováhy sa na trhu s lítiovými batériami používa pred aktívnou rovnováhou, táto technológia je relatívne vyspelá a štruktúra pasívnej rovnováhy je jednoduchšia a rozšírenejšia.
Správa rovnováhy lítiových napájacích batérií zahŕňa rovnováhu napätia, rovnováhu prúdu a rovnováhu teploty. Medzi nimi je najzákladnejšia rovnováha napätia lítiových napájacích batériových zdrojov, to znamená napäťová rovnováha lítiových napájacích batériových článkov v sériových lítiových napájacích batériách. Podobne, aktuálna rovnováha sa vzťahuje na rovnováhu prúdu každého článku lítiovej batérie v súprave lítiovej batérie paralelne.
V lítiových napájacích batériových súpravách je dôvodom, prečo sa výkon lítiových napájacích batériových článkov príliš rýchlo znižuje, že prúd je nekonzistentný a jednotlivé články pracujú v nadmerných podmienkach, čo vedie k nadmernému poklesu výkonu. Teplotný rozdiel lítiových batériových článkov je spôsobený nekonzistentným vytváraním tepla a nerovnomerným odvodom tepla. V súčasnosti sa teplotná rovnováha lítiových napájacích batérií vo všeobecnosti rieši fyzikálnymi metódami, ako je prirodzené chladenie vzduchom, chladenie núteným vzduchom a chladenie kvapalinou.
Pretože pasívna ekvalizácia využíva na spotrebu energie rezistory, vzniká teplo a vyrovnávací prúd je malý, čo znižuje účinnosť celého systému. Na základe požiadaviek tepelného manažmentu je možné pasívne vyrovnávanie vyrovnávať len úsek po úseku. Lítiové napájacie batérie sú veľmi citlivé na teplo a je potrebné sa absolútne vyhýbať zvýšeniu vonkajšej teploty. Pasívne vyrovnávanie spôsobí lokálne zahrievanie lítiovej napájacej batérie a vysoká teplota zvýši poruchovosť komponentov. Z tohto dôvodu sú vzhľadom na teplo generované pasívnou rovnováhou kladené špeciálne požiadavky na bezpečnosť a konštrukčné riešenie lítiových batérií.
3. Pracovný princíp pasívnej rovnováhy
Pasívne vyrovnávanie vo všeobecnosti vybíja lítiové napájacie batérie s vyšším napätím prostredníctvom odporového vybíjania a uvoľňuje elektrinu vo forme tepla, aby sa získal dlhší čas nabíjania pre iné lítiové batérie. Počas procesu nabíjania má lítiová batéria vo všeobecnosti hodnotu ochranného napätia hornej hranice nabíjania. Ak napätie počas nabíjania prekročí túto hodnotu, ktorá je bežne známa ako"prebitie", lítiová batéria môže horieť alebo explodovať.
Preto má ochranná doska lítiovej batérie vo všeobecnosti funkciu ochrany proti prebitiu, aby sa zabránilo prebitiu lítiovej batérie. To znamená, že keď reťazec lítiových batérií dosiahne túto hodnotu napätia, ochranná doska lítiovej batérie preruší nabíjací obvod a zastaví nabíjanie.
Vyrovnávanie nabitia je v strednej a neskorej fáze procesu nabíjania napájacej batérie, keď napätie článku napájacej batérie dosiahne alebo prekročí vypínacie napätie, vyrovnávací obvod začne pracovať na znížení prúdu článku napájacej batérie, aby sa obmedzil napätie napájacej batérie nesmie byť vyššie ako vypínacie napätie nabíjania. Jedinou funkciou vyrovnávania nabitia je zabrániť prebíjaniu a to prinesie negatívne účinky pri používaní vybíjania. Pri použití vyrovnávania nabitia nie je napájací akumulátorový článok s malou kapacitou prebitý a množstvo energie, ktoré je možné uvoľniť, je menšie ako výkon, ktorý je možné uvoľniť, keď sa ekvalizér nepoužíva na mierne prebitie, čo spôsobí vybitie článku napájacej batérie. čas kratší a možné nadmerné vybitie Sex je ešte väčší.
Schematický diagram straty kapacity lítiovej napájacej batérie počas nabíjania je znázornený na obrázku 1. Na obrázku 1 je svorkové napätie 2# lítiovej batérie najskôr nabité na nastavenú hodnotu ochranného napätia, čím sa spustí ochranný mechanizmus ochranného obvodu lítiovej napájacej batérie a zastaví lítiové nabíjanie Nabíjanie napájacej batérie priamo spôsobí, že 1#, 3## a 4 lítiové napájacie batérie nie je možné plne nabiť. Plná kapacita nabitia celej lítiovej batérie je obmedzená na 2# lítiovú batériu, čo spôsobuje, že sa lítiová batéria úplne nenabije. Na úplné nabitie lítiovej batérie je potrebné pri nabíjaní použiť vyrovnávajúci nabíjací obvod.
Počas procesu nabíjania lítiovej batérie je každá lítiová batéria vybavená vyrovnávacím obvodom, ako je znázornené na obrázku 2 (každá lítiová batéria je pripojená k paralelnému obvodu vyrovnávania napätia na stabilizáciu napätia) a každá lítiová batéria je riadená vyrovnávacieho obvodu počas nabíjania. Napätie lítiovej napájacej batérie udržuje každý reťazec lítiových napájacích batérií v rovnakom stave, čím zabezpečuje výkon a životnosť lítiovej napájacej batérie.
Ak je napätie nastavené obvodom vyrovnávania lítiovej batérie 4,2 V, keď lítiová batéria nedosiahne 4,2 V, obvod paralelného regulátora napätia nefunguje, každá lítiová batéria sa naďalej nabíja a nabíjací prúd sa naďalej zvyšuje. prejsť cez lítiovú batériu. Ako je znázornené na obrázku 3.
Keď napätie terminálu 2# lítiovej batérie dosiahne 4,2 V, vyrovnávací obvod začne fungovať a stabilizuje napätie na 4,2 V, to znamená, že nabíjací prúd už nebude prechádzať cez 2# lítiovú batériu, ako je znázornené na obrázku 4. Týmto spôsobom sa čas nabíjania 1#, 3# a 4# lítiových batérií zodpovedajúcim spôsobom predĺži, čím sa zvýši výkon celej lítiovej batérie. Avšak 100 % vybitej energie lítiovej batérie č. 2 sa premení na uvoľnenie tepla, čo spôsobuje veľké množstvo odpadu (rozptyl tepla lítiovej batérie č. 2 je stratou systému a plytvaním energiou ).
Princíp činnosti obvodu regulátora skratu znázorneného na obrázku 2 je: TL431 je referenčné napätie a napätie sa nastaví na 4,2 V nastavením premenlivého odporu. Ak sú dva konce lítiovej napájacej batérie menšie ako 4,2 V, TL431 neabsorbuje prúd, to znamená Ib=0 nižšie, takže Ic=0, tranzistor je odrezaný a nabíjací prúd stále prechádza cez lítium. napájacia batéria. Ak oba konce lítiovej napájacej batérie dosiahnu 4,2 V, TL431 začne absorbovať prúd Ib>0 a nabíjací prúd (tj Ic) prechádza cez triódu a neprechádza cez lítiovú batériu, tj. , lítiová batéria už nie je nabitá.
Tri diódy IN4001 zapojené do série v obvode fungujú ako napäťový delič, ktorý môže znížiť výkon rozptýlený na tranzistore TIP42. Ak tieto tri diódy IN4001 nie sú zapojené, stratí sa výkon na tranzistore TIP42: P=4,2V×nabíjací prúd, po pridaní diódy IN4001 P=(4,2V-3×0,7V)×nabíjací prúd. Svetelná dióda úplne vpravo má indikačnú funkciu. Kontrolka svieti, čo znamená, že napätie dosiahlo 4,2 V, to znamená, že batéria zodpovedajúca tomuto vyrovnávaciemu obvodu je plne nabitá.
Po štvrté, charakteristiky vyrovnávacieho nabíjacieho obvodu založeného na odpore skratu
Najjednoduchším vyvažovacím obvodom je vyváženie spotreby záťaže, to znamená, že ku každej lítiovej napájacej batérii je paralelne pripojený odpor a na ovládanie je zapojený spínač v sérii. Keď je napätie lítiovej batérie príliš vysoké, prepínač sa zapne a nabíjací prúd sa presmeruje cez odpor. Týmto spôsobom má vysokonapäťová lítiová batéria malý nabíjací prúd a nízkonapäťová lítiová batéria má veľký nabíjací prúd. Týmto spôsobom je možné vyvážiť napätie lítiovej napájacej batérie, ale túto metódu možno použiť iba na lítiové batérie s malou kapacitou. Pre kapacitnú lítiovú batériu je to nereálne.
Pripojte odpory paralelne na oba konce článku lítiovej batérie, aby odpor mohol spotrebovať časť energie lítiovej batérie. Existujú dve formy paralelného odporu. Jedným z nich je pevné pripojenie. Rezistor je zapojený paralelne na oboch koncoch lítiovej napájacej batérie na dlhú dobu. Napätie lítiovej napájacej batérie Keď je vysoké, prúd cez odpor je veľký a spotrebuje viac energie. Keď je napätie lítiovej batérie nízke, rezistor spotrebuje menej energie. Prostredníctvom charakteristiky odporu citlivej na tlak je realizovaná rovnováha napätia terminálu lítiovej batérie. Je to teoreticky uskutočniteľná metóda a v praxi sa používa zriedka.
Analyzujte potrebu vyrovnávania lítiovej batérie a charakteristiky pasívneho vyrovnávacieho nabíjacieho obvodu
Ďalším spôsobom paralelného zapojenia rezistorov je paralelné pripojenie rezistorov na oboch koncoch článku cez spínaciu slučku. Spínač sa spúšťa signálom z riadiaceho systému. Keď systém určí, ktoré napätie článku alebo SOC je vysoké, pripojí svoj paralelný odpor, aby spotreboval jeho energiu.
Princíp vyváženého nabíjania založeného na paralelnom odpore je znázornený na obrázku 5, to znamená, že každý článok lítiovej napájacej batérie je zapojený paralelne s odporom skratu. Z obvodu znázorneného na obrázku 5 je zrejmé, že bočný prúd na odpore musí byť oveľa väčší ako prúd lítiovej batérie. Samovybíjací prúd môže dosiahnuť efekt vyváženého nabíjania. Vo všeobecnosti je samovybíjací prúd lítiovej napájacej batérie približne C/20000, takže C/200 je vhodnejší pre prúd pretekajúci bočným odporom. Okrem toho je dôležitým faktorom ovplyvňujúcim účinok vyrovnávania aj odchýlka odporu každého skratu. Po určitom počte cyklov nabíjania a vybíjania možno odchýlku článku lítiovej batérie určiť podľa nasledujúceho vzorca:
Analyzujte potrebu vyrovnávania lítiovej batérie a charakteristiky pasívneho vyrovnávacieho nabíjacieho obvodu
Kde: VC je odchýlka napätia lítiovej batérie; R je skratový odpor; I je samovybíjací prúd lítiovej batérie; VD je napätie článku lítiovej batérie; K je odchýlka odporu.
Ak je odpor bočníka 20Ω±0,05%, odchýlku napätia lítiovej napájacej batérie možno regulovať v rozsahu 50mV. Priemerný výkon každého rezistora je 0,72 W, ale bočný rezistor vždy spotrebúva energiu bez ohľadu na proces nabíjania alebo vybíjania lítiovej batérie.
Princíp vyváženého nabíjania založeného na bočníkovom odpore s pridaním vypínača zap/vyp je znázornený na obrázku 6. Rozdiel medzi vyvažovaným odporovým odporom zap/vyp a odporovým paralelným vyrovnaným nabíjaním je pridanie vypínača zap/vyp, ktorý môže byť riadený softvérom riadiaceho systému, môže byť tiež realizovaný jednoduchými logickými obvodmi. Vyrovnávací obvod, ktorý využíva tento riadiaci režim, funguje iba v sekcii nabíjania lítiovej batérie s konštantným napätím a vypínač je vždy vypnutý, takže keď sa lítiová batéria vybije, bočný odpor sa nevypne. spotrebúvať energiu. Hlavnou nevýhodou tohto obvodu je však to, že miera zlyhania vypínača je relatívne vysoká a sú potrebné redundantné prostriedky.
