Noodzaak van egalisatie van lithiumbatterijen en kenmerken van laadcircuit voor passieve egalisatie
1. De definitie van egalisatielading en de noodzaak van egalisatie
1. Definitie van egalisatielading:
Egaliserend laden wordt afgekort als egaliserend laden, wat het laden van egaliserende batterijkarakteristieken is. Het verwijst naar de spanningsonbalans bij de accupool als gevolg van individuele verschillen in de accu, temperatuurverschillen en andere redenen tijdens het gebruik van de accu. Om de verslechtering van deze onbalanstendens te voorkomen, is het noodzakelijk om de laadspanning van het batterijpakket te verhogen en de batterij op een evenwichtige manier op te laden, om de kenmerken van elke batterijcel in het batterijpakket in evenwicht te brengen en de levensduur te verlengen. levensduur van de batterij.
Egalisatielading bevindt zich in de middelste en late stadia van het laadproces van de accu. Wanneer de spanning van de batterijcel de uitschakelspanning bereikt of overschrijdt, begint het balanceringscircuit te werken om de stroom van de batterijcel te verminderen om te voorkomen dat de spanning van de batterijcel niet hoger is dan de laaduitschakelspanning. De enige functie van het egaliseren van het opladen is om overladen te voorkomen, en het zal negatieve effecten hebben tijdens het ontladen.
Bij gebruik van egalisatielading wordt de batterijcel met kleine capaciteit niet overladen en is de hoeveelheid stroom die kan worden vrijgegeven minder dan de stroom die kan worden vrijgegeven wanneer de equalizer niet wordt gebruikt voor lichte overbelasting, waardoor de batterijcel ontlaadt tijd korter en mogelijk overontlading Seks is nog groter.
2. Noodzaak van egalisatielading:
Met het huidige niveau en de technologie van de productie van lithiumbatterijen, zullen er in het productieproces van lithiumbatterijcellen subtiele verschillen zijn tussen elke lithiumbatterijcel, wat het consistentieprobleem is. De inconsistentie komt voornamelijk tot uiting in de lithiumbatterijcel. Capaciteit, interne weerstand, zelfontladingssnelheid, laad-ontlaadefficiëntie, enz. De inconsistentie van de lithiumbatterijcellen wordt doorgegeven aan het lithiumbatterijpakket, wat onvermijdelijk zal leiden tot het verlies van het lithiumbatterijpakket's capaciteit, wat op zijn beurt leidt tot een afname van het leven.
Tijdens het gebruik van de geassembleerde lithiumbatterij zal de inconsistentie van de monomeren ook optreden als gevolg van de mate van zelfontlading en de temperatuur van de onderdelen. De inconsistentie van de lithiumbatterijmonomeren beïnvloedt het opladen en ontladen van het lithiumbatterijpak. karakteristiek. Studies hebben aangetoond dat een verschil van 20% in de capaciteit van lithiumbatterijcellen ongeveer 40% van het capaciteitsverlies van lithiumbatterijen zal veroorzaken.
De betekenis van lithiumbatterijbalans is om elektronische vermogenstechnologie te gebruiken om de spanningsafwijking van de lithium-ion lithiumbatterijcel of de spanning van de lithiumbatterijpak binnen het verwachte bereik te houden, om ervoor te zorgen dat elke afzonderlijke lithiumbatterij wordt behouden tijdens normaal gebruik. Dezelfde staat om het optreden van overbelasting en overontlading te voorkomen. Als de balansregeling niet wordt uitgevoerd, naarmate de laad- en ontlaadcycli toenemen, zal de spanning van elke afzonderlijke lithiumbatterij geleidelijk differentiëren en zal de levensduur aanzienlijk worden verkort.
De inconsistentie van lithiumbatterijcellen zal in de loop van de tijd verder verslechteren onder invloed van willekeurige factoren zoals temperatuur. Onder normale omstandigheden, wanneer de bedrijfstemperatuur van de lithiumbatterij 10°C hoger is dan de optimale temperatuur, wordt de levensduur van de lithiumbatterij gehalveerd. Vanwege het grote aantal lithiumbatterijsystemen voor voertuigen in serie, meestal tussen de 88 en 100 series, is hun capaciteit over het algemeen 20 tot 60 kWh, en de locatie van elke reeks lithiumbatterijen is anders, wat een temperatuurverschil zal veroorzaken.
Zelfs in dezelfde batterijdoos zal er een temperatuurverschil zijn vanwege de locatie en verwarming van de lithiumbatterij, en dit temperatuurverschil zal een grote negatieve invloed hebben op de levensduur van de lithiumbatterij, waardoor de lithiumbatterij onevenwichtig lijken en het vaarbereik zal afnemen. , De levensduur van de cyclus wordt verkort. Juist vanwege deze problemen kan de capaciteit van het gehele batterijsysteem niet volledig worden benut, waardoor batterijsysteemverliezen ontstaan, en het verminderen van dergelijke systeemverliezen zal ook de levensduur van het batterijsysteem aanzienlijk verlengen.
De consistentie tussen de lithiumbatterijcellen is de meest directe en belangrijkste invloed op de capaciteit van de lithiumbatterij, omdat de capaciteit van de lithiumbatterij een parameter is die niet direct in korte tijd kan worden gemeten, maar de capaciteit van de lithiumbatterijcel is Er is een één-op-één overeenkomst tussen nullastspanningen. De spanning van een lithiumbatterijcel kan online in realtime worden gemeten, wat het een gunstige voorwaarde maakt voor het meten van het consistentieniveau van een lithiumbatterijcel. In de beheerstrategie van het batterijbeheersysteem zijn er voorwaarden voor het beëindigen van de ontlading, voorwaarden voor het beëindigen van het opladen, enz., waarbij de spanningswaarde van de lithiumbatterijcel wordt gebruikt als de triggervoorwaarde.
Voor een parameter in deze positie beperkt het buitensporige verschil in de spanningsconsistentie van de lithiumbatterijcellen direct het laad- en ontlaadvermogen van het lithiumbatterijpak. Op basis hiervan is het gebruik van de lithiumbatterij-egalisatiemethode om het probleem van overmatige spanningsverschillen van het lithiumbatterijpakket dat al in bedrijf is op te lossen, een effectieve maatregel om de capaciteit van het lithiumbatterijpakket te vergroten en de levensduur van de batterij te verlengen. de lithiumbatterij.
Ten tweede, de voor- en nadelen van passief evenwicht
Bij het egalisatiebeheer van lithium-accupacks zijn de huidige methoden voor spanningsegalisatie van serie-parallelle lithium-accupacks onderverdeeld in passieve egalisatie en actieve egalisatie. Over het algemeen wordt de balans van het type energieverbruik gedefinieerd als passieve balans. Passieve balans gebruikt weerstanden om de energie van hoogspannings- of hoogladingsbatterijen te verbruiken om het doel te bereiken om de kloof tussen verschillende batterijen te verkleinen. Het is een energieverslindend type. evenwichtig. Op dit moment zijn er veel batterijbeheersystemen op de markt die passieve balans aannemen. Omdat passieve balanstechnologie wordt toegepast in de markt voor lithiumbatterijen vóór actieve balans, is de technologie relatief volwassen en is de passieve balansstructuur eenvoudiger en op grotere schaal gebruikt.
Het balansbeheer van lithiumbatterijen omvat spanningsbalans, stroombalans en temperatuurbalans. Onder hen is de spanningsbalans van lithiumbatterijen de meest elementaire, dat wil zeggen, de spanningsbalans van lithiumbatterijen in serie lithiumbatterijen. Evenzo verwijst de huidige balans naar de balans van de stroom van elke lithiumbatterijcel in het lithiumbatterijpak parallel.
In lithiumbatterijen is de reden waarom de prestaties van lithiumbatterijcellen te snel afnemen, dat de stroom niet consistent is en dat individuele cellen in overmatige omstandigheden werken, wat resulteert in overmatig prestatieverlies. Het temperatuurverschil van de lithiumbatterijcellen wordt veroorzaakt door inconsistente warmteontwikkeling en inconsistente warmteafvoer. Op dit moment wordt de temperatuurbalans van lithiumbatterijen over het algemeen opgelost door fysieke methoden zoals natuurlijke luchtkoeling, geforceerde luchtkoeling en vloeistofkoeling.
Omdat passieve egalisatie weerstanden gebruikt om energie te verbruiken, wordt warmte gegenereerd en is de egalisatiestroom klein, wat de efficiëntie van het hele systeem vermindert. Op basis van de eisen van thermisch beheer kan passieve egalisatie alleen sectie voor sectie worden geëgaliseerd. Lithiumbatterijen zijn erg gevoelig voor warmte en het is noodzakelijk om de stijging van de buitentemperatuur absoluut te vermijden. Passieve egalisatie veroorzaakt lokale verwarming van het lithiumbatterijpakket en een hoge temperatuur verhoogt het uitvalpercentage van componenten. Om deze reden worden, gezien de warmte die wordt gegenereerd door passief evenwicht, speciale eisen gesteld aan de veiligheid en het constructieve ontwerp van lithiumbatterijen.
3. Het werkingsprincipe van passief evenwicht
Passieve egalisatie ontlaadt over het algemeen lithiumbatterijen met een hogere spanning door weerstandsontlading en geeft elektriciteit vrij in de vorm van warmte, om meer oplaadtijd te krijgen voor andere lithiumbatterijen. Tijdens het laadproces heeft de lithiumbatterij over het algemeen een bovengrens voor het opladen van de spanningsbeveiliging. Als de spanning tijdens het opladen deze waarde overschrijdt, die algemeen bekend staat als"overcharge", kan de lithiumbatterij verbranden of exploderen.
Daarom heeft het lithiumbatterijbeschermingsbord over het algemeen een overlaadbeveiligingsfunctie om te voorkomen dat de lithiumbatterij overladen. Dat wil zeggen, wanneer een reeks lithiumbatterijen deze spanningswaarde bereikt, zal de lithiumbatterijbeschermingskaart het laadcircuit afsnijden en stoppen met opladen.
Laadvereffening bevindt zich in de middelste en late stadia van het laadproces van de batterij, wanneer de spanning van de batterijcel de uitschakelspanning bereikt of overschrijdt, begint het vereffeningscircuit te werken om de stroom van de batterijcel te verminderen, om de power batterij cel voltage niet hoger zijn dan de lading cut-off voltage. De enige functie van ladingsegalisatie is om overladen te voorkomen, en het zal negatieve effecten hebben tijdens het ontladen. Bij gebruik van laadvereffening wordt de batterijcel met kleine capaciteit niet overladen en de hoeveelheid stroom die kan worden vrijgegeven is minder dan de stroom die kan worden vrijgegeven wanneer de equalizer niet wordt gebruikt voor lichte overbelasting, waardoor de batterijcel ontlaadt tijd korter en mogelijk overontlading Seks is nog groter.
Het schematische diagram van het capaciteitsverlies van het lithiumbatterijpakket tijdens het opladen wordt weergegeven in afbeelding 1. In afbeelding 1 wordt de klemspanning van de 2 # lithiumbatterij eerst opgeladen tot de ingestelde beveiligingsspanningswaarde, die het beveiligingsmechanisme activeert van het beschermingscircuit van de lithiumbatterij en stopt de lithium. Het opladen van de stroombatterij zorgt er rechtstreeks voor dat de 1#, 3## en 4 lithiumbatterijen niet volledig kunnen worden opgeladen. De volledige laadcapaciteit van het gehele lithium-accupakket is beperkt tot de 2# lithium-accu, waardoor het lithium-accupakket niet volledig kan worden opgeladen. Om het lithium-power-accupack volledig op te laden, moet tijdens het opladen een egalisatielaadcircuit worden gebruikt.
Tijdens het laadproces van de lithiumbatterij is elke lithiumbatterij uitgerust met een vereffeningscircuit zoals weergegeven in afbeelding 2 (elke lithiumbatterij is verbonden met een parallel circuit voor spanningsstabilisatie), en elke lithiumbatterij wordt bestuurd door de egalisatiecircuit tijdens het opladen. De spanning van de lithiumbatterij houdt elke reeks lithiumbatterijen in dezelfde staat, waardoor de prestaties en de levensduur van de lithiumbatterij worden gegarandeerd.
Als de spanning die is ingesteld door het vereffeningscircuit van de lithiumbatterij 4,2 V is, als de lithiumbatterij geen 4,2 V bereikt, werkt het parallelle spanningsregelaarcircuit niet, wordt elke lithiumbatterij opgeladen en blijft de laadstroom passeren de lithium power batterij. Zoals weergegeven in figuur 3.
Wanneer de spanning van de 2 # lithiumbatterij-aansluiting 4,2 V bereikt, begint het egalisatiecircuit te werken en stabiliseert het de spanning tot 4,2 V, dat wil zeggen dat de laadstroom niet langer door de 2 # lithiumbatterij gaat, zoals weergegeven in Afbeelding 4. Op deze manier wordt de oplaadtijd van de 1#, 3# en 4# lithium power batterijen dienovereenkomstig verlengd, waardoor het vermogen van het gehele lithium power battery pack toeneemt. 100% van het ontladen vermogen van de nr. 2 lithiumbatterij wordt echter omgezet in warmteafgifte, wat veel afval veroorzaakt (de warmteafvoer van de nr. 2 lithiumbatterij is een verlies van het systeem en een verspilling van stroom ).
Het werkingsprincipe van het shuntregelaarcircuit dat wordt getoond in figuur 2 is: TL431 is de referentiespanning en de spanning wordt aangepast tot 4,2V door de variabele weerstand aan te passen. Als de twee uiteinden van de lithiumbatterij minder dan 4,2 V zijn, absorbeert de TL431 geen stroom, dat wil zeggen, Ib=0 hieronder, dus Ic=0, de transistor wordt afgesneden en de laadstroom gaat nog steeds door de lithium stroom batterij. Als beide uiteinden van de lithiumbatterij 4,2 V bereiken, begint de TL431 stroom te absorberen, Ib>0, en gaat de laadstroom (dwz Ic) door de triode en niet door de lithiumbatterij, dat wil zeggen , wordt de lithiumbatterij niet meer opgeladen.
De drie diodes IN4001 die in serie in het circuit zijn geschakeld, fungeren als een spanningsdeler, die het gedissipeerde vermogen op de transistor TIP42 kan verminderen. Als deze drie diodes IN4001 niet zijn aangesloten, wordt het vermogen gedissipeerd op de transistor TIP42: P=4.2V×laadstroom, na toevoeging van de diode IN4001, P=(4.2V-3×0.7V)×laadstroom. De light-emitting diode helemaal rechts heeft een indicatiefunctie. Het lampje brandt, wat aangeeft dat de spanning 4,2 V heeft bereikt, dat wil zeggen dat de batterij die overeenkomt met dit vereffeningscircuit volledig is opgeladen.
Ten vierde, de kenmerken van het egaliseren van het laadcircuit op basis van shuntweerstand:
Het eenvoudigste balanscircuit is de balans van het belastingsverbruik, dat wil zeggen dat een weerstand parallel is aangesloten op elke lithiumbatterij en een schakelaar in serie is geschakeld voor besturing. Wanneer de spanning van een lithiumbatterij te hoog is, wordt de schakelaar ingeschakeld en wordt de laadstroom over de weerstand geleid. Op deze manier heeft de lithium-hoogspanningsbatterij een kleine laadstroom en de laagspannings-lithiumbatterij een grote laadstroom. Op deze manier kan de spanning van de lithiumbatterij worden gebalanceerd, maar deze methode kan alleen worden toegepast op lithiumbatterijen met een kleine capaciteit. Het is onrealistisch voor de lithiumbatterij met capaciteit.
Sluit weerstanden parallel aan beide uiteinden van de lithiumbatterijcel aan, zodat de weerstand een deel van de energie van de lithiumbatterij kan verbruiken. Er zijn twee vormen van parallelle weerstand. Een daarvan is een vaste verbinding. De weerstand is lange tijd parallel geschakeld aan beide uiteinden van de lithiumbatterij. De spanning van de lithiumbatterijcel Wanneer deze hoog is, is de stroom door de weerstand groot en verbruikt deze meer stroom. Wanneer de spanning van de lithiumbatterij laag is, verbruikt de weerstand minder stroom. Door het drukgevoelige kenmerk van weerstand, wordt de spanningsbalans van de lithiumbatterijterminal gerealiseerd. Dit is een theoretisch haalbare methode en wordt in de praktijk zelden gebruikt.
Analyseer de noodzaak van egalisatie van lithiumbatterijen en de kenmerken van een passief egalisatielaadcircuit;
Een andere manier om weerstanden parallel aan te sluiten, is door weerstanden parallel aan beide uiteinden van de cel aan te sluiten via een schakellus. De switch wordt geactiveerd door een signaal van het managementsysteem. Wanneer het systeem bepaalt welke celspanning of SOC hoog is, verbindt het zijn parallelle weerstand om zijn energie te verbruiken.
Het principe van gebalanceerd opladen op basis van shuntweerstand wordt getoond in figuur 5, dat wil zeggen dat elke lithiumbatterijcel parallel is geschakeld met een shuntweerstand. Uit het circuit getoond in figuur 5 kan worden gezien dat de shuntstroom op de weerstand veel groter moet zijn dan die van de lithiumbatterij. De zelfontladingsstroom kan het effect van gebalanceerd opladen bereiken. Over het algemeen is de zelfontladingsstroom van een lithiumbatterij ongeveer C/20000, dus C/200 is meer geschikt voor de stroom die door de shuntweerstand vloeit. Bovendien is de afwijking van elke shuntweerstand ook een belangrijke factor die het egalisatie-effect beïnvloedt. Na een bepaald aantal laad- en ontlaadcycli kan de afwijking van de lithiumbatterijcel worden bepaald met de volgende formule:
Analyseer de noodzaak van egalisatie van lithiumbatterijen en de kenmerken van een passief egalisatielaadcircuit;
Waar: VC is de spanningsafwijking van de lithiumbatterij; R is de shuntweerstand; I is de zelfontladingsstroom van de lithiumbatterij; VD is de spanning van de lithiumbatterijcel; K is de weerstandsafwijking.
Als de shuntweerstand 20Ω ± 0,05% is, kan de spanningsafwijking van de lithiumbatterij worden geregeld binnen het bereik van 50 mV. Het gemiddelde vermogen van elke weerstand is 0,72 W, maar de shuntweerstand verbruikt altijd stroom, ongeacht het laadproces of het ontlaadproces van de lithiumbatterij.
Het principe van gebalanceerd laden op basis van shuntweerstand met toevoeging van een aan-uitschakelaar wordt getoond in figuur 6. Het verschil tussen gebalanceerd laden met aan-uit-shuntweerstand en gebalanceerd laden met weerstandshunt is de toevoeging van een aan-uitschakelaar, die kan worden bestuurd door de software van het besturingssysteem, kan ook worden gerealiseerd door eenvoudige logische circuits. Het vereffeningscircuit dat deze regelmodus aanneemt, werkt alleen in het laadgedeelte met constante spanning van het opladen van lithiumbatterijen, en de aan-uitschakelaar is altijd uit op andere momenten, zodat wanneer het lithiumbatterijpakket wordt ontladen, de shuntweerstand niet energie verbruiken. Maar het belangrijkste nadeel van deze schakeling is dat het uitvalpercentage van de aan-uitschakelaar relatief hoog is en dat er redundante middelen nodig zijn.
