Согласование и балансировка ячеек

Производство и контроль качества

Производитель не может предсказать точную ёмкость элемента, когда он сходит с производственной линии, и это особенно касается свинцово-кислотных и других аккумуляторов, которые предполагают ручную сборку. Даже полностью автоматизированное производство в чистых помещениях приводит к разнице в производительности. В рамках контроля качества каждый элемент измеряется и делится на категории в соответствии с уровнем ёмкости. Высокоёмкостные NiMH и другие элементы могут продаваться по премиальным ценам, средние – применяться в коммерческих и промышленных решениях, а низкокачественные – оказываться в потребительских товарах. Циклическая разрядка и зарядка не улучшает существенно ёмкость элементов низкого класса.

Подбор элементов и долговечность

Подбор элементов по ёмкости важен, особенно для промышленных аккумуляторов, и идеальный подбор невозможен. Если элементы на основе никеля немного отличаются, они адаптируются друг к другу после нескольких циклов зарядки/разрядки, подобно игрокам в победившей спортивной команде. Высококачественные элементы продолжают работать дольше, чем аналоги низшего качества, а угасание заряда происходит более равномерно и контролируемо. С другой стороны, элементы низшего класса быстрее расходятся со временем использования, а отказы из-за несоответствия элементов более распространены. Несоответствие элементов является распространённой причиной выхода из строя промышленных аккумуляторов. Производители профессиональных электроинструментов и медицинского оборудования тщательно подходят к выбору элементов, чтобы достичь хорошей надёжности и длительного срока службы аккумуляторов.

Слабый элемент в батарее

Давайте рассмотрим, что происходит со слабым элементом, соединённым вместе с более сильными элементами в сборке. Слабый элемент имеет меньшую ёмкость и разряжается быстрее, чем его сильные собратья. Разрядка первой приводит к тому, что сильные собратья перегружают слабого до такой степени, что высокая нагрузка может привести к обратной полярности слабого элемента. Никель-кадмиевый элемент может выдерживать обратное напряжение минус 0,2 В при нескольких миллиамперах, но превышение этого напряжения приведёт к постоянному короткому замыканию. Во время зарядки слабый элемент сначала достигает полного заряда, а затем переходит в режим перезарядки, что генерирует тепло, в то время как сильные собратья всё ещё принимают заряд и остаются холодными. Слабый элемент испытывает сбои как во время зарядки, так и во время разрядки, он продолжает слабеть, пока не сдаётся.

Допуск ёмкости между элементами в промышленном аккумуляторе должен составлять +/- 2,5 процента. Высоковольтные аккумуляторы, разработанные для больших нагрузок и широкого диапазона температур, должны иметь ещё меньший допуск ёмкости. Существует сильная корреляция между балансом элементов и долговечностью.

Соответствие и цикличность

На рисунке 1 показаны циклические характеристики пяти старых литий-ионных аккумуляторов как функция соответствия элементов. Элементы соединены по схеме 2P4S с центральным отводом, образуя две секции аккумулятора, которые в нашем примере плохо согласованы. Разница в ёмкости между двумя секциями составляет 5, 6, 7 и 12 процентов. Во время циклической разрядки все аккумуляторы демонстрируют большие потери ёмкости в течение 18 циклов, но наибольшее снижение наблюдается у аккумулятора с 12-процентным несоответствием ёмкости.

Рисунок 1: Циклическая производительность как функция соответствия элементов
Аккумуляторные блоки с хорошо подобранными элементами работают лучше, чем те, в которых элемент или группа элементов отличаются в последовательном соединении.
Конфигурация: призматический литий-ионный аккумулятор 5 Ач, подключённый по схеме 2P4S (14,8 В, 10 Ач) с центральным отводом.

Балансировка элементов

Качественные литий-ионные элементы имеют равномерную ёмкость и низкий саморазряд, когда они новые. Добавление балансировки элементов полезно, особенно когда батарея стареет, а производительность каждого элемента снижается в собственном темпе. Проблема возникает, когда элемент в цепи теряет ёмкость или у него развивается повышенный саморазряд. Это можно объяснить высокотемпературными пятнами в большом аккумуляторе. Низкокачественные элементы также могут быть подвержены неравномерному старению. Литий-фосфатные имеют более высокий саморазряд, чем другие литий-ионные, и это усложняет балансировку элементов.

BMS для литиевых АКБ

Защищает батареи от перезаряда, глубокого разряда, перегрева и сверхвысокого тока

Victron VE.Bus BMS V2 – система управления литиевыми аккумуляторами LiFePO4 Smart

Умная система управления батареями LiFePO4 Smart от Victron

Купить

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart аккумуляторов Victron

 Компактная система управления батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), обеспечивающая базовую защиту аккумуляторов от глубокого разряда, чрезмерного заряда и перегрева.

Купить

Smart BMS CL 12/100 – интеллектуальная защита LiFePO4 батарей в 12В системах от Victron Energy

Совмещает ограничение тока от генератора, Bluetooth-мониторинг, аварийные выходы и модульное взаимодействие с другими устройствами Victron – всё в одном устройстве!

Купить

Посмотреть больше

Один эксперт по аккумуляторам как-то сказал: «Я не видел схемы балансировки элементов, которая бы работала». Для многоэлементных аккумуляторов он посоветовал использовать качественные литий-ионные элементы, отсортированные на заводе по ёмкости и напряжению. Это хорошо работает для литий-ионных аккумуляторов до 24 В, аккумуляторы выше 24 В должны иметь балансировку. Большинство схем балансировки являются пассивными; активная балансировка сложна и используется только в очень больших системах.

Пассивная балансировка разряжает высоковольтные элементы через резистор во время зарядки на кривой SoC 70–80 процентов; активная балансировка перемещает дополнительный заряд от элементов с более высоким напряжением во время разрядки к тем, у которых напряжение ниже. Активная балансировка является предпочтительным методом для аккумуляторов электромобилей, но она требует преобразователей постоянного тока. Корректируемые токи находятся только в диапазоне мА. Приложение большой нагрузки во время разгона с последующей быстрой зарядкой с рекуперативным торможением требует хорошо согласованных элементов в высоковольтном аккумуляторе для достижения ожидаемого срока службы. Из соображений стоимости в аккумуляторах электромобилей используется преимущественно пассивная балансировка.

Одноэлементным системам в мобильных телефонах и планшетах не требуется балансировка элементов. Ёмкость между элементами может изменяться, и каждый элемент может стареть самостоятельно, не причиняя вреда, кроме обеспечения более короткого времени работы. Потребитель принимает это уменьшение; это часть запланированного устаревания потребительских товаров.

Защита и безопасность

Все литий-ионные элементы нуждаются в схеме защиты, которая гарантирует, что напряжение последовательно соединённых элементов не превышает 4,25 В/элемент (для большинства литий-ионных) во время зарядки и отключается, когда напряжение самого слабого элемента падает до 2,80 В/элемент или ниже. Отключение при разрядке предотвращает обратную полярность разряженного элемента из-за более сильных элементов. Схема защиты действует как ангел-хранитель, который защищает более слабых братьев и сестёр от издевательств со стороны более сильных. Это может объяснить, почему литий-ионные аккумуляторы для электроинструментов служат дольше, чем никелевые без схемы защиты. Схема защиты также защищает аккумулятор от чрезмерного тока нагрузки.

Защита от глубокой разрядки

Защита АКБ от воздействия глубокой разрядки и продление срока его эксплуатации

Smart BatteryProtect 12/24V 65A Victron Energy

Автоматически отключает нагрузку, когда напряжение на аккумуляторе падает ниже критического уровня, что защищает АКБ от глубокой разрядки. Предусмотрена поддержка Bluetooth.

Купить

Smart BatteryProtect 12/24V 220A Victron Energy

Умный контроллер нагрузки, который поддерживает интеграцию с VE.Bus BMS, режим работы с литиевыми аккумуляторами, а также имеет низкое энергопотребление и защиту от перенапряжения.

Купить

BatteryProtect 12/24V 100A Victron Energy

Защищает как AGM / GEL, так и LiFePO₄ аккумуляторы от глубокой разрядки, которая может значительно сократить срок службы или полностью вывести АКБ из строя.

Купить

Посмотреть больше

Уравнительный заряд

Со временем элементы аккумулятора становятся несогласованными, и это также относится к свинцово-кислотным аккумуляторам. Элементы с высоким саморазрядом приводят к дисбалансу и последующему выходу из строя. Производители гольф-каров, подъёмных платформ, поломоечных машин и других транспортных средств на аккумуляторах рекомендуют уравнительный заряд, если разница напряжения между элементами превышает +/– 0,10 В или если удельный вес колеблется более чем на 10 пунктов (0,010 по шкале SG).

Уравнительный заряд – это заряд поверх заряда, который доводит все элементы до полного насыщения. Эту процедуру следует проводить осторожно, поскольку чрезмерный заряд может повредить аккумулятор. Разница в удельном весе в 40 пунктов создаёт проблему с производительностью, и элемент считается дефектным. (Разница в 40 пунктов означает, что один элемент имеет удельный вес 1,200, а другой – 1,240.) Заряд может временно скрыть недостаток, но дефект, вероятно, снова проявится через несколько часов из-за высокого саморазряда неисправного элемента.