Necessidade de equalização de bateria de lítio e características do circuito de carregamento de equalização passiva
1. A definição de cobrança de equalização e a necessidade de equalização
1. Definição de carga de equalização:
O carregamento de equalização é abreviado como carregamento de equalização, que é o carregamento das características de equalização da bateria. Refere-se ao desequilíbrio de tensão no terminal da bateria devido a diferenças individuais na bateria, diferenças de temperatura e outros motivos durante o uso da bateria. Para evitar a deterioração desta tendência de desequilíbrio, é necessário aumentar a tensão de carga da bateria, e carregar a bateria de forma equilibrada, de modo a equilibrar as características de cada célula da bateria na bateria e prolongar o vida útil da bateria.
O carregamento de equalização está nos estágios intermediários e finais do processo de carregamento da bateria de energia. Quando a tensão da célula da bateria de energia atinge ou excede a tensão de corte, o circuito de equilíbrio começa a trabalhar para reduzir a corrente da célula da bateria de energia a fim de limitar a tensão da célula da bateria de energia para não ser superior à tensão de corte de carga. A única função de equalizar o carregamento é evitar a sobrecarga e trará efeitos negativos durante o uso de descarregamento.
Ao usar o carregamento de equalização, a célula de bateria de pequena capacidade não é sobrecarregada e a quantidade de energia que pode ser liberada é menor do que a energia que pode ser liberada quando o equalizador não é usado para sobrecarga de luz, fazendo com que a célula de bateria de energia descarregue tempo mais curto e possível descarga excessiva O sexo é ainda maior.
2. Necessidade de equalização de cobrança:
Com o nível e a tecnologia atuais de fabricação de baterias de lítio, no processo de produção de células de bateria de lítio, haverá diferenças sutis entre cada célula de bateria de energia de lítio, que é o problema de consistência. A inconsistência se manifesta principalmente na célula da bateria de lítio. Capacidade, resistência interna, taxa de autodescarga, eficiência de carga-descarga, etc. A inconsistência das células da bateria de energia de lítio é transmitida para a bateria de energia de lítio, o que inevitavelmente causará a perda da bateria de energia de lítio' s capacidade, que por sua vez leva a uma diminuição na vida.
No processo de uso da bateria de lítio montada, a inconsistência dos monômeros também aparecerá devido ao grau de autodescarga e à temperatura das peças. A inconsistência dos monômeros da bateria de lítio afeta o carregamento e o descarregamento do pacote de bateria de lítio. característica. Estudos têm mostrado que uma diferença de 20% na capacidade das células da bateria de lítio acarreta cerca de 40% da perda de capacidade das baterias de lítio.
O significado do equilíbrio da bateria de lítio é usar a tecnologia eletrônica de potência para manter o desvio de tensão da célula da bateria de íon de lítio ou da bateria de lítio dentro da faixa esperada, de modo a garantir que cada bateria de lítio seja mantida durante o uso normal. O mesmo estado para evitar a ocorrência de sobrecarga e descarga excessiva. Se o controle de equilíbrio não for realizado, à medida que os ciclos de carga e descarga aumentam, a tensão de cada bateria de lítio será gradualmente diferenciada e a vida útil será bastante reduzida.
A inconsistência das células da bateria de energia de lítio se deteriorará ainda mais com o tempo, sob a influência de fatores aleatórios, como a temperatura. Em circunstâncias normais, quando a temperatura do ambiente operacional da bateria de lítio é 10 ° C mais alta do que sua temperatura ideal, a vida útil da bateria de lítio será reduzida pela metade. Devido ao grande número de sistemas veiculares de baterias de lítio em série, geralmente entre 88 e 100 séries, sua capacidade é geralmente de 20 a 60 kWh, e a localização de cada série de baterias de lítio é diferente, o que causará uma diferença de temperatura.
Mesmo na mesma caixa de bateria de energia, haverá uma diferença de temperatura devido à localização e aquecimento da bateria de energia de lítio, e essa diferença de temperatura terá um grande impacto negativo na vida da bateria de energia de lítio, fazendo com que a bateria de energia de lítio parecer desequilibrado e o alcance de cruzeiro diminuirá. , O ciclo de vida é reduzido. É precisamente por causa desses problemas que a capacidade de todo o sistema de bateria não pode ser totalmente utilizada, causando perdas do sistema de bateria, e mitigar essas perdas do sistema também estenderá muito a vida útil do sistema de bateria.
A consistência entre as células da bateria de lítio é a influência mais direta e mais importante na capacidade da bateria de lítio, porque a capacidade da bateria de lítio é um parâmetro que não pode ser medido diretamente em um curto espaço de tempo, mas a capacidade da célula da bateria de lítio é Existe uma correspondência de um para um entre as tensões de circuito aberto. A tensão de uma célula de bateria de lítio pode ser medida online em tempo real, o que a torna uma condição favorável para medir o nível de consistência de uma célula de bateria de lítio. Na estratégia de gerenciamento do sistema de gerenciamento de bateria, existem condições de término de descarga, condições de término de carga, etc., onde o valor de tensão da célula de bateria de energia de lítio é usado como a condição de acionamento.
Para um parâmetro nesta posição, a diferença excessiva na consistência da tensão das células da bateria de lítio limita diretamente a carga e descarga do pacote de bateria de lítio. Com base nisso, usar o método de equalização da bateria de lítio para resolver o problema de diferença de tensão excessiva da bateria de lítio que já está em operação é uma medida eficaz para aumentar a capacidade da bateria de lítio e prolongar a vida útil de a bateria de lítio.
Em segundo lugar, as vantagens e desvantagens do equilíbrio passivo
No gerenciamento de equalização de baterias de lítio, os métodos atuais para equalização de tensão de baterias de lítio em série paralela são divididos em equalização passiva e equalização ativa. Geralmente, o equilíbrio do tipo de consumo de energia é definido como equilíbrio passivo. O equilíbrio passivo usa resistores para consumir a energia de baterias de alta tensão ou de alta carga para atingir o objetivo de reduzir a lacuna entre as diferentes baterias. É um tipo que consome energia. equilibrado. Atualmente, existem muitos sistemas de gerenciamento de bateria que adotam equilíbrio passivo no mercado. Como a tecnologia de equilíbrio passivo é aplicada no mercado de bateria de lítio antes do equilíbrio ativo, a tecnologia é relativamente madura e a estrutura de equilíbrio passivo é mais simples e amplamente utilizada.
O gerenciamento de equilíbrio das baterias de lítio inclui equilíbrio de tensão, equilíbrio de corrente e equilíbrio de temperatura. Entre eles, o equilíbrio de tensão das baterias de lítio é o mais básico, ou seja, o equilíbrio de tensão das células de bateria de lítio em baterias de lítio em série. Da mesma forma, o equilíbrio da corrente se refere ao equilíbrio da corrente de cada célula da bateria de lítio no pacote de bateria de lítio em paralelo.
Em baterias de lítio, o motivo pelo qual o desempenho das células de bateria de lítio decai tão rapidamente é que a corrente é inconsistente e as células individuais funcionam em condições superestimadas, resultando em queda excessiva de desempenho. A diferença de temperatura das células da bateria de lítio é causada pela geração inconsistente de calor e dissipação de calor inconsistente. No momento, o equilíbrio de temperatura das baterias de lítio é geralmente resolvido por métodos físicos, como resfriamento de ar natural, resfriamento de ar forçado e resfriamento de líquido.
Como a equalização passiva usa resistores para consumir energia, o calor é gerado e a corrente de equalização é pequena, o que reduz a eficiência de todo o sistema. Com base nos requisitos de gerenciamento térmico, a equalização passiva só pode ser equalizada seção por seção. As baterias de lítio são muito sensíveis ao calor e é absolutamente necessário evitar o aumento da temperatura externa. A equalização passiva causará aquecimento local da bateria de lítio e a alta temperatura aumentará a taxa de falha dos componentes. Por este motivo, tendo em vista o calor gerado pelo equilíbrio passivo, são apresentados requisitos especiais para a segurança e o projeto estrutural das baterias de lítio.
3. O princípio de funcionamento do equilíbrio passivo
A equalização passiva geralmente descarrega baterias de lítio com tensão mais alta por meio de descarga de resistência e libera eletricidade na forma de calor, de modo a ganhar mais tempo de carregamento para outras baterias de lítio. Durante o processo de carregamento, a bateria de lítio geralmente tem um valor de tensão de proteção de limite superior de carregamento. Se a tensão durante o carregamento exceder este valor, que é comumente conhecido como" sobrecarga" ;, a bateria de energia de lítio pode queimar ou explodir.
Portanto, a placa de proteção da bateria de energia de lítio geralmente tem uma função de proteção de sobrecarga para evitar que a bateria de energia de lítio sobrecarregue. Ou seja, quando uma série de baterias de energia de lítio atinge este valor de tensão, a placa de proteção da bateria de energia de lítio corta o circuito de carga e interrompe o carregamento.
A equalização de carga está nos estágios intermediários e finais do processo de carregamento da bateria de energia, quando a tensão da célula da bateria de energia atinge ou excede a tensão de corte, o circuito de equalização começa a trabalhar para reduzir a corrente da célula da bateria de energia, a fim de limitar o a tensão da célula da bateria de energia não deve ser superior à tensão de corte de carga. A única função da equalização de carga é evitar a sobrecarga e trará efeitos negativos durante o uso de descarga. Ao usar a equalização de carga, a célula de energia de pequena capacidade da bateria não é sobrecarregada e a quantidade de energia que pode ser liberada é menor do que a energia que pode ser liberada quando o equalizador não é usado para sobrecarga de luz, fazendo com que a célula de bateria de energia descarregue tempo mais curto e possível descarga excessiva O sexo é ainda maior.
O diagrama esquemático da perda de capacidade do pacote de bateria de lítio durante o carregamento é mostrado na Figura 1. Na Figura 1, a tensão do terminal da bateria de lítio 2 # é primeiro carregada para o valor de tensão de proteção definido, que aciona o mecanismo de proteção do circuito de proteção da bateria de lítio e interrompe o lítio. O carregamento da bateria de alimentação faz com que as baterias de alimentação de lítio 1 #, 3 ## e 4 não sejam totalmente carregadas. A capacidade de carga total de toda a bateria de lítio é limitada à bateria de lítio 2 #, fazendo com que a bateria de lítio não seja totalmente carregada. Para carregar totalmente a bateria de lítio, um circuito de carga de equalização deve ser usado durante o carregamento.
Durante o processo de carregamento da bateria de lítio, cada bateria de lítio é equipada com um circuito de equalização, conforme mostrado na Figura 2 (cada bateria de lítio é conectada a um circuito de equalização de estabilização de tensão em paralelo), e cada bateria de lítio é controlada pelo circuito de equalização durante o carregamento. A voltagem da bateria de lítio mantém cada seqüência de baterias de lítio no mesmo estado, garantindo o desempenho e a vida útil da bateria de lítio.
Se a tensão definida pelo circuito de equalização da bateria de lítio for 4,2 V, quando a bateria de lítio não atingir 4,2 V, o circuito regulador de tensão paralelo não funciona, cada bateria de lítio continua a ser carregada e a corrente de carga continua a passar pela bateria de lítio. Conforme mostrado na Figura 3.
Quando a tensão do terminal da bateria de lítio 2 # atinge 4,2 V, o circuito de equalização começa a funcionar e estabiliza a tensão em 4,2 V, ou seja, a corrente de carga não passará mais pela bateria de lítio 2 #, conforme mostrado na Figura 4. Desta forma, o tempo de carregamento das baterias de lítio 1 #, 3 # e 4 # é correspondentemente estendido, aumentando assim a potência de todo o pacote de bateria de lítio. No entanto, 100% da energia descarregada da bateria de lítio nº 2 é convertida em liberação de calor, causando muito desperdício (a dissipação de calor da bateria de lítio nº 2 é uma perda do sistema e um desperdício de energia )
O princípio de funcionamento do circuito regulador shunt mostrado na Figura 2 é: TL431 é a tensão de referência e a tensão é ajustada para 4,2 V ajustando a resistência variável. Se as duas pontas da bateria de lítio forem menores que 4,2 V, o TL431 não absorve corrente, ou seja, Ib=0 abaixo, então Ic=0, o transistor é cortado e a corrente de carga ainda passa pelo lítio bateria de alimentação. Se ambas as extremidades da bateria de lítio atingirem 4,2 V, o TL431 começa a absorver corrente, Ib> 0, e a corrente de carga (ou seja, Ic) passa pelo triodo e não passa pela bateria de lítio, ou seja , a bateria de lítio não está mais carregada.
Os três diodos IN4001 conectados em série no circuito atuam como um divisor de tensão, o que pode reduzir a potência dissipada no transistor TIP42. Se esses três diodos IN4001 não estiverem conectados, a potência dissipada no transistor TIP42: P=4,2 V × corrente de carga, após adicionar o diodo IN4001, P=(4,2 V-3 × 0,7 V) × corrente de carga. O diodo emissor de luz na extrema direita tem uma função de indicação. A luz acesa indica que a tensão atingiu 4,2 V, ou seja, a bateria correspondente a este circuito de equalização está totalmente carregada.
Quarto, as características do circuito de carga de equalização com base na resistência do shunt
O circuito de equilíbrio mais simples é o equilíbrio do consumo de carga, ou seja, um resistor é conectado em paralelo a cada bateria de lítio e uma chave é conectada em série para controle. Quando a tensão de uma bateria de lítio é muito alta, a chave é ligada e a corrente de carga é desviada para o resistor. Desta forma, a bateria de lítio de alta tensão tem uma pequena corrente de carga e a bateria de lítio de baixa tensão tem uma grande corrente de carga. Desta forma, a voltagem da bateria de lítio pode ser equilibrada, mas este método só pode ser aplicado a baterias de lítio de pequena capacidade. Não é realista para a capacidade da bateria de lítio.
Conecte resistores em paralelo em ambas as extremidades da célula da bateria de lítio para permitir que a resistência consuma parte da energia da bateria de lítio. Existem duas formas de resistência paralela. Um é uma conexão fixa. O resistor é conectado em paralelo em ambas as extremidades da bateria de lítio por um longo tempo. A tensão da célula da bateria de energia de lítio Quando está alta, a corrente através do resistor é grande e consome mais energia. Quando a tensão da bateria de lítio está baixa, o resistor consome menos energia. Por meio da característica de resistência sensível à pressão, o equilíbrio da tensão do terminal da bateria de lítio é realizado. Este é um método teoricamente viável e raramente é usado na prática.
Analise a necessidade de equalização da bateria de energia de lítio e as características do circuito de carga de equalização passiva
Outra maneira de conectar resistores em paralelo é conectar resistores em paralelo em ambas as extremidades da célula por meio de um loop de comutação. A mudança é acionada por um sinal do sistema de gerenciamento. Quando o sistema determina qual voltagem de célula ou SOC é alta, ele conecta sua resistência paralela para consumir sua energia.
O princípio de carregamento balanceado com base na resistência shunt é mostrado na Figura 5, ou seja, cada célula da bateria de lítio é conectada em paralelo com uma resistência shunt. A partir do circuito mostrado na Figura 5, pode-se ver que a corrente de derivação na resistência deve ser muito maior do que a da bateria de lítio. A corrente de autodescarga pode atingir o efeito de carregamento equilibrado. Geralmente, a corrente de autodescarga de uma bateria de lítio é de cerca de C / 20000, então C / 200 é mais apropriado para a corrente que flui através do resistor de derivação. Além disso, o desvio de cada resistência de shunt também é um fator importante que afeta o efeito de equalização. Após um certo número de ciclos de carga e descarga, o desvio da célula da bateria de energia de lítio pode ser determinado pela seguinte fórmula:
Analise a necessidade de equalização da bateria de energia de lítio e as características do circuito de carga de equalização passiva
Onde: VC é o desvio de tensão da bateria de lítio; R é a resistência do shunt; I é a corrente de autodescarga da bateria de lítio; VD é a tensão da célula da bateria de lítio; K é o desvio da resistência.
Se a resistência de shunt for 20Ω ± 0,05%, o desvio de tensão da bateria de lítio pode ser controlado dentro da faixa de 50mV. A potência média de cada resistor é 0,72 W, mas o resistor shunt sempre consome energia, independentemente do processo de carga ou descarga da bateria de lítio.
O princípio de carregamento balanceado com base na resistência shunt com a adição de um interruptor liga-desliga é mostrado na Figura 6. A diferença entre o carregamento equilibrado do resistor shunt liga-desliga e o carregamento equilibrado do shunt de resistência é a adição de um interruptor liga-desliga, que pode ser controlado pelo software do sistema de controle, Também pode ser realizado por circuitos lógicos simples. O circuito de equalização que adota este modo de controle funciona apenas na seção de carga de tensão constante do carregamento da bateria de lítio, e o interruptor liga-desliga está sempre desligado em outros momentos, de modo que quando a bateria de lítio é descarregada, o resistor de derivação não consumir energia. Mas a principal desvantagem desse circuito é que a taxa de falha da chave liga-desliga é relativamente alta e meios redundantes são necessários.
