Képzeljünk el egy profi evezőscsapatot. Ha minden evezős tökéletes klón - azonos erő, azonos állóképesség -, a hajó könnyedén siklik a vízen. Most képzeljük el, hogy az egyik evezős csak egy kicsit gyengébb, vagy egy kicsit hamarabb elfárad. Nem csak az az egy ember lassul le, hanem az egész hajó azonnal veszélybe kerül. A ritmus megszakad, a hajó letér az útvonalról, és a többi evezősnek keményebben kell dolgoznia, hogy ezt ellensúlyozza.
A többcellás akkumulátorcsomag pontosan olyan, mint az evezőscsapat.
Valószínűleg Ön is látta már a következményeket: az ipari drón vagy hordozható orvosi kocsi vadonatúj, drága akkumulátorának üzemideje már egy év után lecsökken. Kinyitja, és egy "rossz" cellát talál. De vajon tényleg hibás volt az a cella, vagy az egész csomag eleve kudarcra volt ítélve? Tapasztalataink szerint a válasz szinte mindig két alapvető, de gyakran figyelmen kívül hagyott folyamat hibájában rejlik: a cellapárosítás és a cellakiegyenlítés.
Mérnökként, akik kritikus fontosságú akkumulátor-rendszereket terveznek az autonóm raktárrobotoktól a tengeri tartalék energiáig terjedő alkalmazásokhoz, elmondhatjuk, hogy az illesztés és a kiegyensúlyozás nem opcionális "funkciók", hanem a megbízható, biztonságos és hosszú élettartamú akkumulátorcsomagok abszolút alapját képezik.
12v 100ah lifepo4 akkumulátor
12v 100ah nátrium-ion akkumulátor
Először is, miről beszélünk egyáltalán? A párosítás és a kiegyensúlyozás definíciója
Mielőtt belemerülnénk a következményekbe, tisztázzuk a fogalmakat. Ez a két fogalom összefügg, de mégis különbözik egymástól.
Cell Matching: A gyártási "ujjlenyomat"
Nincs két azonos minőségű gyártási tételből származó 100% akkumulátorcella, még akkor sem, ha az azonos minőségű gyártási tételből származik. Gondoljon erre: mindegyiknek apró eltérések vannak a "gyártási ujjlenyomatában". A cellapárosítás az egyes cellák tesztelésének és csoportosításának szigorú, adatvezérelt folyamata, amely a legfontosabb jellemzőik alapján történik. a előtt valaha is össze vannak hegesztve egy csomagba.
Legalább egy professzionális akkumulátor-összeszerelőnek kell megfelelnie:
- Kapacitás (Ah/mAh): Az egyes cellák egyedi "üzemanyagtartályának" mérete.
- Belső ellenállás (mΩ): Annak mérőszáma, hogy a cella mennyire ellenáll az energia leadásának. Minél kisebb a belső ellenállás, annál jobb, és a következetesség kulcsfontosságú.
- Önkisülési sebesség: Milyen gyorsan veszít a cella a töltéséből, miközben csak a polcon áll.
Egy csomag építése összeillesztés nélkül olyan, mintha egy nagyteljesítményű motort építenénk össze nem illő dugattyúkkal. Ez a kudarc receptje.
Cell Balancing: A csapat szinkronban tartása
Ha a párosítás a tökéletes, azonos evezősök kiválasztása a hajóba a verseny előtt, akkor a kiegyensúlyozás a kormányos feladata. a weboldalon. a verseny során - folyamatosan apró módosításokat eszközölve, hogy mindenki tökéletes összhangban húzza a futamot.
A cellakiegyenlítés egy elektronikus funkció, amelyet a Akkumulátor-kezelő rendszer (BMS), amely a töltöttségi állapot (SoC) kiegyenlítésére szolgál a csomagon belül minden egyes cella (vagy párhuzamos cellák csoportja) esetében. Ez az aktív, folyamatos folyamat küzd a cellák természetes tendenciája ellen, hogy idővel eltávolodjanak egymástól.
Az ördögi körforgás: Mi történik egy kiegyensúlyozatlan, össze nem illő falkában?
Akkor mi a nagy baj, ha egy sejt kissé eltér? A következmények súlyosak, és olyan lefelé tartó spirált hoznak létre, amely idő előtt megöli az egész csomagot.
Minden a "leggyengébb láncszemmel" kezdődik
Bármely cellasorozatban a teljes csomag teljesítményét a leggyengébb tag - a legkisebb tényleges kapacitással rendelkező cella - határozza meg. Ez a cella lesz a korlátozó tényező mind a töltés, mind a kisütés során.
A töltési probléma: Az egyik cella azt kiáltja: "Állj!" Too Early
A töltéskor az összes cellára azonos mennyiségű áram jut. A "gyenge", kisebb üzemanyagtartállyal rendelkező cella töltődik fel először, és éri el a maximális biztonságos feszültséget (pl. 4,2 V sok lítium-ion típusnál). Egy megfelelően működő BMS ezt észleli, és a veszélyes túltöltés megelőzése érdekében helyesen leállítja az egész töltési folyamatot.
Az eredmény: A többi, egészségesebb, nagyobb kapacitású sejt krónikusan alulterhelt marad. A csomag soha eléri valódi, tervezett kapacitását. A 100Ah-s töltőtöltet lehet, hogy csak 95Ah-ra töltődik fel.
A lemerülési probléma: Az egyik cella adja fel először
Ugyanez történik a másik oldalon is. Ahogy a ipari berendezések energiát vesz fel, a gyenge cella, amelynek kevesebb üzemanyagot kell leadnia, ürül ki először, és eléri a minimális biztonságos feszültséget (pl. 3,0 V). A BMS ismét teszi a dolgát, és lekapcsolja az egész csomag áramellátását, hogy megvédje ezt az egy cellát a túlkisüléstől és a maradandó károsodástól.
Az eredmény: Az erősebb celláknak még mindig maradhat 10-15% energiájukból, de ez teljesen használhatatlan. A csomag tényleges üzemideje drasztikusan lerövidül.
A korai halál lefelé tartó spirálja
Ez nem egyszeri probléma. Minden egyes töltéssel és kisütéssel ez az egyensúlyhiány tovább romlik. A gyenge cella állandó stressznek van kitéve, az abszolút maximumról az abszolút minimumra kerül. Eközben az erős cellák alig izzadnak, és egy kényelmes középső tartományban cikliznek. Az egyetlen gyenge cella gyorsított öregedése gyorsan rontja a kémiai tulajdonságait, növeli a belső ellenállását, és végül az egész drága csomag meghibásodásához vezet - még akkor is, ha a benne lévő 95% cella még mindig teljesen egészséges.
A megoldás a gyakorlatban: A Tale of Two Balancing Methods: A Tale of Two Balancing Methods (Két kiegyensúlyozó módszer története)
A BMS a hős, aki küzd ez ellen a lefelé tartó spirál ellen. Ezt elsősorban kétféleképpen teszi.
Passzív kiegyensúlyozás: "Fűnyírás"
Képzeljünk el egy gyepet, ahol egyes fűfoltok egy kicsit gyorsabban nőnek, mint mások. A passzív kiegyensúlyozás olyan, mintha a fűnyírót a legrövidebb folt magasságára állítanánk, és mindent levágnánk, hogy megfeleljen. Ez elvégzi a munkát, de természeténél fogva pazarló. A BMS egy kis ellenállást helyez a leggyorsabban töltődő cellák közé, és a szó szoros értelmében "elégeti" a felesleges energiát egy kis hő formájában, amíg a lassabb cellák felzárkóznak.
Aktív kiegyensúlyozás: "Robin Hood-módszer
Az aktív kiegyensúlyozás okosabb. Olyan, mint egy apró, hatékony Robin Hood az akkumulátorban. Aktívan elvesz egy kis energiát a "gazdag" celláktól (a legmagasabb töltéssel rendelkező celláktól), és hatékonyan átadja azt a "szegény" celláknak (a legalacsonyabb töltéssel rendelkező celláknak). Kicsi, hatékony átalakítókat (például kondenzátorokat vagy induktorokat) használ, hogy az energiát a csomagban továbbítsa, így biztosítva, hogy az energia ne vesszen kárba hő formájában.
| Jellemző | Passzív kiegyensúlyozás | Aktív kiegyensúlyozás |
|---|
| Módszer | A felesleges energiát hő formájában égeti el | Energiaátvitel a sejtek között |
| Hatékonyság | Alacsony (pazarló) | Magas (akár 95% hatásfok) |
| Sebesség | Lassú (jellemzően csak a töltési ciklus elején működik) | Gyors (bármikor működhet, töltés, kisülés vagy pihenés közben) |
| Költség és összetettség | Alacsony költségű, egyszerű áramkör | Magasabb költségű, összetettebb áramkör |
| Legjobb | Alacsonyabb költségű csomagok, fogyasztói elektronika, kisáramú alkalmazások. | Nagy teljesítményű csomagok, Kereskedelmi ESS, EV-k, ahol a felhasználható kapacitás maximalizálása és a ciklus élettartama kritikus. |
A kérdések, amelyeket fel kell tennie az akkumulátor szállítójának
Az olcsó akkumulátor-csomag árajánlat gyakran jelzi, hogy ezeken a kritikus folyamatokon spóroltak. A termék, a költségvetés és a vállalat hírnevének védelme érdekében tegye fel a következő kérdéseket a potenciális beszállítónak:
- "Milyen a sejtek beszerzési és bejövő minőségellenőrzési (IQC) folyamata?" (A. osztályú cellákat használnak, amelyek jó hírű gyártóktól származnak, mint például a Panasonic, a Samsung vagy a CATL, vagy nem nyomon követhető B. osztályú cellákat?)
- "Mik az Ön speciális sejtillesztési protokolljai és toleranciaablakai?" (Ne fogadjon el homályos válaszokat. Kérjen konkrét számokat, pl. "A kapacitást ±1% pontossággal, a belső ellenállást ±2 mΩ pontossággal egyeztettük").
- "Milyen típusú kiegyenlítést alkalmaz a BMS - passzív vagy aktív?" (A válasz sokat elárul a csomagolás minőségéről és tervezett felhasználásáról.)
- "Mennyi a BMS kiegyenlítő áram?" (Egy aprócska 30mA kiegyenlítő áram használhatatlan egy 200Ah-s csomagon. Az áramot a csomag kapacitásához megfelelően kell méretezni).
- "Tudna egy gyári vizsgálati jelentést adni, amely megmutatja a kezdeti cellamérleget és a gyártási csomagjaink specifikációit?" (Egy magabiztos, jó minőségű beszállító igent fog mondani.)
Következtetés
Végső soron egy akkumulátorcsomag csak annyira erős, amennyire a leggyengébb, leginkább terhelt cellája. Ha a cellák nem illeszkednek egymáshoz az első naptól kezdve, akkor egy hibásan működő, kudarcra ítélt csapatot állít össze. Intelligens kiegyensúlyozás nélkül a teljes élettartam alatt csak hagyja, hogy ez a csapat egyre jobban kibillenjen a szinkronból.
A cellák illesztése és kiegyensúlyozása nem költség; ez egy nem tárgyalható, előzetes befektetés a használható kapacitásba, a működési élettartamba és - ami a legfontosabb - a biztonságba. Ezek a láthatatlan, dobogó szíve egy olyan akkumulátorcsomagnak, amelyik éppen csak működikévről évre.
Ha egy kritikus fontosságú alkalmazáshoz kell akkumulátort választania, ne csak az adatlapon szereplő adatokat nézze. Tegye fel a kemény kérdéseket arról, hogy mi van benne. A beszállítójának az illesztéssel és kiegyensúlyozással kapcsolatos filozófiájának megértése az első, legkritikusabb lépés a hosszú távú siker garantálása felé.
GYIK
Kiegyensúlyozhatom manuálisan a kiegyensúlyozatlanná vált akkumulátorcsomagot?
Egy barkácsprojekt esetében ez technikailag lehetséges egy speciális hobbitöltő vagy egy dedikált kiegyensúlyozó tábla használatával, de ez egy lassú, aprólékos és potenciálisan kockázatos folyamat. Kereskedelmi forgalomban kapható zárt csomagok esetében ez szinte mindig kivitelezhetetlen, és a garancia érvényét veszti. Az igazi megoldás egy jó BMS, amely eleve megakadályozza a jelentős egyensúlyhiány kialakulását.
Az aktív kiegyensúlyozás mindig jobb, mint a passzív kiegyensúlyozás?
Nem feltétlenül. A "jobb" az alkalmazástól függ. Egy alacsony fogyasztású eszköz esetében, ahol a költség a legfontosabb, és nem kritikus az utolsó csepp kapacitás kisajtolása, egy jól megvalósított passzív kiegyensúlyozó rendszer tökéletesen megfelel. Egy nagy kapacitású Energiatároló rendszer (ESS) vagy egy elektromos jármű esetében, ahol a hatékonyság és az élettartam közvetlenül dollárban kifejezhető, az aktív kiegyensúlyozás magasabb kezdeti költségei sokszorosan megtérülnek.
Miért nem tudom egyszerűen kicserélni az egyetlen "rossz" cellát a csomagomban?
Mert ezzel csak az utat rúgod tovább. Egy új, teljes kapacitású cella, amelyet egy régi, részben elhasználódott csomagba helyezünk, egy még rosszabb egyensúlyhiány. Az új sejt soha nem lesz teljesen kihasználva, és a régebbi sejtek még nagyobb stressznek lesznek kitéve. A megfelelő javításhoz a teljes csomagmodul újonnan illesztett cellákkal történő újjáépítése szükséges.
Mi van, ha a készülékem csak egy cellát használ, például egy zseblámpa? Kell emiatt aggódnom?
Nem. A cellapárosítás és a kiegyensúlyozás csak olyan akkumulátorok esetében fontos, amelyek több cellát tartalmaznak sorba kötve. Ha a készülék egyetlen cellát használ (például egyetlen 18650-es vagy 21700-as cellát), ezek a kérdések nem érvényesek.