Kebutuhan Ekualisasi Baterai Lithium Power dan Karakteristik Sirkuit Pengisian Ekualisasi Pasif
1. Pengertian pembebanan pemerataan dan perlunya pemerataan
1. Definisi muatan penyeimbang:
Equalizing charging disingkat dengan equalizing charging, yaitu pengisian untuk menyamakan karakteristik baterai. Ini mengacu pada ketidakseimbangan tegangan di terminal baterai karena perbedaan individu dalam baterai, perbedaan suhu dan alasan lain selama penggunaan baterai. Untuk menghindari memburuknya tren ketidakseimbangan ini, perlu untuk Meningkatkan tegangan pengisian baterai, dan mengisi baterai secara seimbang, sehingga dapat menyeimbangkan karakteristik setiap sel baterai dalam baterai dan memperpanjang masa pakai baterai. masa pakai baterai.
Equalization charging berada pada tahap tengah dan akhir dari proses pengisian daya baterai. Ketika tegangan sel baterai daya mencapai atau melebihi tegangan cut-off, rangkaian penyeimbang mulai bekerja untuk mengurangi arus sel baterai daya untuk membatasi tegangan sel baterai listrik agar tidak lebih tinggi dari tegangan cut-off pengisian. Satu-satunya fungsi penyetaraan pengisian adalah untuk mencegah pengisian yang berlebihan, dan itu akan membawa efek negatif selama pemakaian pemakaian.
Saat menggunakan ekualisasi pengisian, sel baterai daya berkapasitas kecil tidak ditagih berlebihan, dan jumlah daya yang dapat dilepaskan lebih sedikit daripada daya yang dapat dilepaskan ketika ekualiser tidak digunakan untuk pengisian daya yang berlebihan, membuat sel baterai daya terkuras. waktu yang lebih singkat dan kemungkinan overdischarge Seks bahkan lebih besar.
2. Kebutuhan pemerataan pengisian:
Dengan tingkat saat ini dan teknologi manufaktur baterai lithium power, dalam proses produksi sel baterai lithium power, akan ada perbedaan halus antara setiap sel baterai lithium power, yang merupakan masalah konsistensi. Inkonsistensi ini terutama dimanifestasikan dalam sel baterai daya lithium. Kapasitas, resistansi internal, tingkat self-discharge, efisiensi charge-discharge, dll. Inkonsistensi sel baterai daya lithium ditransmisikan ke paket baterai daya lithium, yang pasti akan menyebabkan hilangnya paket baterai daya lithium's kapasitas, yang pada gilirannya menyebabkan penurunan kehidupan.
Dalam proses menggunakan baterai daya lithium yang dirakit, inkonsistensi monomer juga akan muncul karena tingkat self-discharge dan suhu bagian. Inkonsistensi monomer baterai daya litium memengaruhi pengisian dan pengosongan paket baterai daya litium. ciri. Penelitian telah menunjukkan bahwa perbedaan 20% dalam kapasitas sel baterai daya lithium akan membawa sekitar 40% dari hilangnya kapasitas paket baterai daya lithium.
Arti keseimbangan baterai daya lithium adalah menggunakan teknologi elektronik daya untuk menjaga penyimpangan tegangan sel baterai daya lithium ion atau tegangan paket baterai daya lithium dalam kisaran yang diharapkan, untuk memastikan bahwa setiap baterai daya lithium dipertahankan. selama penggunaan normal. Keadaan yang sama untuk menghindari terjadinya overcharge dan overdischarge. Jika kontrol keseimbangan tidak dilakukan, karena siklus pengisian dan pengosongan meningkat, tegangan masing-masing baterai lithium akan secara bertahap berbeda, dan masa pakai akan sangat berkurang.
Inkonsistensi sel baterai daya lithium akan semakin memburuk dari waktu ke waktu di bawah pengaruh faktor acak seperti suhu. Dalam keadaan normal, ketika suhu lingkungan pengoperasian baterai daya litium 10 °C lebih tinggi dari suhu optimalnya, masa pakai baterai daya litium akan berkurang setengahnya. Karena sejumlah besar sistem baterai daya lithium kendaraan secara seri, umumnya antara seri 88 dan 100, kapasitasnya umumnya 20 hingga 60kWh, dan lokasi setiap rangkaian baterai daya lithium berbeda, yang akan menyebabkan perbedaan suhu.
Bahkan di kotak baterai daya yang sama, akan ada perbedaan suhu karena lokasi dan pemanasan baterai daya lithium, dan perbedaan suhu ini akan memiliki dampak negatif yang besar pada masa pakai baterai daya lithium, menyebabkan baterai daya lithium tampak tidak seimbang, dan daya jelajah akan berkurang. , Siklus hidup dipersingkat. Justru karena masalah inilah kapasitas seluruh sistem baterai tidak dapat digunakan sepenuhnya, menyebabkan kerugian sistem baterai, dan mengurangi kerugian sistem tersebut juga akan sangat memperpanjang masa pakai sistem baterai.
Konsistensi antara sel-sel baterai lithium power adalah pengaruh paling langsung dan paling penting pada kapasitas baterai lithium power, karena kapasitas baterai lithium power adalah parameter yang tidak dapat diukur secara langsung dalam waktu singkat, tetapi kapasitas sel baterai lithium power adalah Ada korespondensi satu-satu antara tegangan rangkaian terbuka. Tegangan sel baterai daya litium dapat diukur secara online dalam waktu nyata, yang menjadikannya kondisi yang menguntungkan untuk mengukur tingkat konsistensi sel baterai daya litium. Dalam strategi manajemen sistem manajemen baterai, ada kondisi terminasi pelepasan, kondisi terminasi pengisian, dll, di mana nilai tegangan sel baterai daya lithium digunakan sebagai kondisi pemicu.
Untuk parameter dalam posisi ini, perbedaan yang berlebihan dalam konsistensi tegangan sel baterai daya litium secara langsung membatasi daya pengisian dan pengosongan baterai daya litium. Berdasarkan hal tersebut, penggunaan metode pemerataan baterai lithium power untuk mengatasi masalah perbedaan tegangan yang berlebihan dari baterai lithium power pack yang sudah beroperasi merupakan langkah yang efektif untuk meningkatkan kapasitas baterai lithium power pack dan memperpanjang masa pakai baterai. baterai daya lithium.
Kedua, kelebihan dan kekurangan keseimbangan pasif
Dalam manajemen pemerataan paket baterai daya lithium, metode saat ini untuk pemerataan tegangan paket baterai daya lithium seri-paralel dibagi menjadi pemerataan pasif dan pemerataan aktif. Secara umum, jenis keseimbangan konsumsi energi didefinisikan sebagai keseimbangan pasif. Keseimbangan pasif menggunakan resistor untuk mengkonsumsi energi baterai tegangan tinggi atau baterai bermuatan tinggi untuk mencapai tujuan mengurangi kesenjangan antara baterai yang berbeda. Ini adalah tipe yang memakan energi. seimbang. Saat ini, ada banyak sistem manajemen baterai yang mengadopsi keseimbangan pasif di pasar. Karena teknologi keseimbangan pasif diterapkan di pasar baterai daya lithium sebelum keseimbangan aktif, teknologi ini relatif matang, dan struktur keseimbangan pasif lebih sederhana dan lebih banyak digunakan.
Manajemen keseimbangan paket baterai daya lithium mencakup keseimbangan tegangan, keseimbangan arus, dan keseimbangan suhu. Di antara mereka, keseimbangan tegangan paket baterai daya lithium adalah yang paling dasar, yaitu keseimbangan tegangan sel baterai daya lithium dalam paket baterai daya lithium seri. Demikian pula, keseimbangan arus mengacu pada keseimbangan arus setiap sel baterai daya litium dalam paket baterai daya litium secara paralel.
Dalam kemasan baterai daya litium, alasan mengapa kinerja sel baterai daya litium meluruh terlalu cepat adalah karena arusnya tidak konsisten, dan sel-sel individual bekerja dalam kondisi yang berlebihan, yang mengakibatkan penurunan kinerja yang berlebihan. Perbedaan suhu sel baterai lithium disebabkan oleh pembangkitan panas yang tidak konsisten dan pembuangan panas yang tidak konsisten. Saat ini, keseimbangan suhu paket baterai daya lithium umumnya diselesaikan dengan metode fisik seperti pendinginan udara alami, pendinginan udara paksa, dan pendinginan cair.
Karena pemerataan pasif menggunakan resistor untuk mengkonsumsi energi, panas dihasilkan, dan arus pemerataan kecil, yang mengurangi efisiensi seluruh sistem. Berdasarkan persyaratan manajemen termal, pemerataan pasif hanya dapat disamakan bagian demi bagian. Baterai daya lithium sangat sensitif terhadap panas, dan perlu untuk benar-benar menghindari peningkatan suhu eksternal. Pemerataan pasif akan menyebabkan pemanasan lokal dari paket baterai daya lithium, dan suhu tinggi akan meningkatkan tingkat kegagalan komponen. Untuk alasan ini, mengingat panas yang dihasilkan oleh kesetimbangan pasif, persyaratan khusus diajukan untuk keselamatan dan desain struktural baterai daya lithium.
3. Prinsip kerja kesetimbangan pasif
Ekualisasi pasif umumnya melepaskan baterai daya lithium dengan tegangan lebih tinggi melalui pelepasan resistansi, dan melepaskan listrik dalam bentuk panas, sehingga mendapatkan lebih banyak waktu pengisian untuk baterai daya lithium lainnya. Selama proses pengisian, baterai lithium power umumnya memiliki nilai tegangan perlindungan batas atas pengisian. Jika tegangan selama pengisian melebihi nilai ini, yang umumnya dikenal sebagai"overcharge", baterai daya litium dapat terbakar atau meledak.
Oleh karena itu, papan perlindungan baterai lithium power umumnya memiliki fungsi perlindungan overcharge untuk mencegah baterai lithium power dari pengisian yang berlebihan. Artinya, ketika serangkaian baterai daya lithium mencapai nilai tegangan ini, papan perlindungan baterai daya lithium akan memutus sirkuit pengisian dan menghentikan pengisian.
Pemerataan muatan berada pada tahap tengah dan akhir dari proses pengisian daya baterai, ketika tegangan sel daya baterai mencapai atau melebihi tegangan cut-off, rangkaian pemerataan mulai bekerja untuk mengurangi arus sel daya baterai, untuk membatasi tegangan sel baterai daya tidak boleh lebih tinggi dari tegangan pemutus arus. Satu-satunya fungsi pemerataan biaya adalah untuk mencegah pengisian yang berlebihan, dan itu akan membawa efek negatif selama pemakaian pemakaian. Saat menggunakan penyetaraan pengisian daya, sel baterai daya berkapasitas kecil tidak diisi daya secara berlebihan, dan jumlah daya yang dapat dilepaskan lebih sedikit daripada daya yang dapat dilepaskan ketika penyeimbang tidak digunakan untuk pengisian daya yang ringan, membuat daya sel baterai menjadi kosong. waktu lebih singkat dan kemungkinan overdischarge Seks bahkan lebih besar.
Diagram skematis dari hilangnya kapasitas baterai daya lithium selama pengisian ditunjukkan pada Gambar 1. Pada Gambar 1, tegangan terminal baterai daya lithium 2# pertama kali diisi ke nilai tegangan perlindungan yang ditetapkan, yang memicu mekanisme perlindungan sirkuit perlindungan baterai daya litium dan menghentikan litium Pengisian daya unit baterai daya secara langsung menyebabkan baterai daya litium 1#, 3##, dan 4 tidak dapat terisi penuh. Kapasitas pengisian penuh dari seluruh paket baterai daya litium terbatas pada baterai daya litium 2#, yang menyebabkan paket baterai daya litium gagal terisi penuh. Untuk mengisi penuh daya baterai lithium, sirkuit pengisian ekualisasi harus digunakan saat mengisi daya.
Selama proses pengisian baterai lithium power, setiap baterai lithium power dilengkapi dengan rangkaian pemerataan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (setiap baterai lithium power terhubung dengan rangkaian ekualisasi stabilisasi tegangan paralel), dan setiap baterai lithium power dikendalikan oleh sirkuit pemerataan selama pengisian. Tegangan baterai daya litium menjaga setiap rangkaian baterai daya litium dalam keadaan yang sama, memastikan kinerja dan masa pakai baterai daya litium.
Jika tegangan yang diatur oleh rangkaian pemerataan baterai lithium power adalah 4.2V, ketika baterai lithium power tidak mencapai 4.2V, rangkaian regulator tegangan paralel tidak bekerja, setiap baterai lithium power terus diisi, dan arus pengisian terus berlanjut. melewati baterai daya lithium. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Ketika tegangan terminal baterai daya lithium 2 # mencapai 4.2V, rangkaian pemerataan mulai bekerja, dan itu akan menstabilkan tegangan ke 4.2V, yaitu, arus pengisian tidak akan lagi melewati baterai daya lithium 2 #, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Dengan cara ini, waktu pengisian baterai daya litium 1#, 3#, dan 4# secara bersamaan diperpanjang, sehingga meningkatkan daya seluruh paket baterai daya litium. Namun, 100% daya yang dikeluarkan dari baterai daya lithium No. 2 diubah menjadi pelepasan panas, menyebabkan banyak pemborosan (pembuangan panas baterai daya lithium No. 2 adalah kehilangan sistem dan pemborosan daya ).
Prinsip kerja rangkaian regulator shunt yang ditunjukkan pada Gambar 2 adalah: TL431 adalah tegangan referensi, dan tegangan diatur ke 4.2V dengan mengatur resistansi variabel. Jika kedua ujung baterai daya lithium kurang dari 4.2V, TL431 tidak menyerap arus, yaitu Ib=0 di bawah, jadi Ic=0, transistor terputus, dan arus pengisian masih melewati lithium baterai listrik. Jika kedua ujung baterai lithium power mencapai 4.2V, TL431 mulai menyerap arus, Ib>0, dan arus pengisian (yaitu Ic) melewati triode dan tidak melewati baterai lithium power, yaitu , baterai daya lithium tidak lagi terisi daya.
Tiga dioda IN4001 yang dihubungkan secara seri dalam rangkaian bertindak sebagai pembagi tegangan, yang dapat mengurangi daya yang dihamburkan pada transistor TIP42. Jika ketiga dioda IN4001 ini tidak terhubung, daya yang hilang pada transistor TIP42: P=4.2V×arus pengisian, setelah menambahkan dioda IN4001, P=(4.2V-3×0.7V)×arus pengisian. Dioda pemancar cahaya di paling kanan memiliki fungsi indikasi. Lampu menyala, menunjukkan bahwa tegangan telah mencapai 4.2V, yaitu, baterai yang sesuai dengan rangkaian pemerataan ini terisi penuh.
Keempat, karakteristik rangkaian pengisian equalizing berdasarkan resistansi shunt
Rangkaian keseimbangan yang paling sederhana adalah keseimbangan konsumsi beban, yaitu, sebuah resistor dihubungkan secara paralel ke setiap baterai daya lithium, dan sakelar dihubungkan secara seri untuk kontrol. Ketika tegangan baterai daya lithium terlalu tinggi, sakelar dihidupkan dan arus pengisian didorong melalui resistor. Dengan cara ini, baterai daya lithium tegangan tinggi memiliki arus pengisian yang kecil, dan baterai daya lithium tegangan rendah memiliki arus pengisian yang besar. Dengan cara ini, tegangan baterai lithium dapat diseimbangkan, tetapi metode ini hanya dapat diterapkan pada baterai lithium berkapasitas kecil. Tidak realistis untuk kapasitas baterai lithium power.
Hubungkan resistor secara paralel di kedua ujung sel baterai daya lithium untuk memungkinkan resistansi mengkonsumsi sebagian energi baterai daya lithium. Ada dua bentuk perlawanan paralel. Salah satunya adalah koneksi tetap. Resistor terhubung secara paralel di kedua ujung baterai daya lithium untuk waktu yang lama. Tegangan sel baterai daya lithium Ketika tinggi, arus yang melalui resistor besar dan mengkonsumsi lebih banyak daya. Ketika tegangan baterai daya lithium rendah, resistor mengkonsumsi lebih sedikit daya. Melalui karakteristik resistensi yang peka terhadap tekanan, keseimbangan tegangan terminal baterai daya lithium diwujudkan. Ini adalah metode yang layak secara teoritis dan jarang digunakan dalam praktik.
Analisis kebutuhan pemerataan baterai daya lithium dan karakteristik sirkuit pengisian pemerataan pasif
Cara lain untuk menghubungkan resistor secara paralel adalah dengan menghubungkan resistor secara paralel di kedua ujung sel melalui loop sakelar. Saklar dipicu oleh sinyal dari sistem manajemen. Ketika sistem menentukan tegangan sel atau SOC mana yang tinggi, sistem akan menghubungkan resistansi paralelnya untuk mengkonsumsi energinya.
Prinsip pengisian seimbang berdasarkan resistansi shunt ditunjukkan pada Gambar 5, yaitu setiap sel baterai lithium power dihubungkan secara paralel dengan resistansi shunt. Dari rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 5, dapat dilihat bahwa arus shunt pada resistansi harus jauh lebih besar daripada baterai lithium. Arus self-discharge dapat mencapai efek pengisian seimbang. Umumnya, arus self-discharge baterai lithium adalah sekitar C/2000, jadi C/200 lebih sesuai untuk arus yang mengalir melalui resistor shunt. Selain itu, deviasi masing-masing tahanan shunt juga merupakan faktor penting yang mempengaruhi efek pemerataan. Setelah sejumlah siklus pengisian dan pengosongan tertentu, deviasi sel baterai daya lithium dapat ditentukan dengan rumus berikut:
Analisis kebutuhan pemerataan baterai daya lithium dan karakteristik sirkuit pengisian pemerataan pasif
Dimana: VC adalah deviasi tegangan baterai daya lithium; R adalah resistansi shunt; I adalah arus self-discharge dari baterai lithium; VD adalah tegangan sel baterai daya lithium; K adalah deviasi resistansi.
Jika resistansi shunt adalah 20Ω±0,05%, deviasi tegangan baterai daya lithium dapat dikontrol dalam kisaran 50mV. Daya rata-rata setiap resistor adalah 0,72W, tetapi resistor shunt selalu mengkonsumsi daya terlepas dari proses pengisian atau pengosongan baterai daya lithium.
Prinsip pengisian seimbang berdasarkan resistansi shunt dengan penambahan sakelar on-off ditunjukkan pada Gambar 6. Perbedaan antara pengisian seimbang resistor shunt on-off dan pengisian seimbang resistansi shunt adalah penambahan sakelar on-off, yang dapat dikendalikan oleh perangkat lunak sistem kontrol, Dapat juga diwujudkan dengan rangkaian logika sederhana. Rangkaian pemerataan yang mengadopsi mode kontrol ini hanya bekerja di bagian pengisian tegangan konstan dari pengisian daya baterai lithium, dan sakelar on-off selalu mati di lain waktu, sehingga ketika paket baterai daya lithium habis, resistor shunt tidak mengkonsumsi energi. Tetapi kelemahan utama dari rangkaian ini adalah bahwa tingkat kegagalan sakelar hidup-mati relatif tinggi, dan diperlukan sarana yang berlebihan.
