Зіставлення та балансування комірок

Виробництво та контроль якості

Виробник не може передбачити точну ємність елемента, коли він сходить з виробничої лінії, і це особливо стосується свинцево-кислотних та інших акумуляторів, які передбачають ручне складання. Навіть повністю автоматизоване виробництво у чистих приміщеннях призводить до різниці в продуктивності. В рамках контролю якості кожен елемент вимірюється та поділяється на категорії відповідно до рівня ємності. Високоємні NiMH та інші елементи можуть продаватися за преміальними цінами, середні – застосовуватися у комерційних і промислових рішеннях, а низькоякісні – опинятися у споживчих товарах. Циклічне розряджання та заряджання не покращує суттєво ємність елементів низького класу.

Підбір елементів та довговічність

Підбір елементів за ємністю є важливим, особливо для промислових акумуляторів, і ідеального підбору неможливий. Якщо елементи на основі нікелю трохи відрізняються, вони адаптуються один до одного після кількох циклів заряджання/розряджання, подібно до гравців у переможній спортивній команді. Високоякісні елементи продовжують працювати довше, ніж аналоги нижчої якості, а згасання заряду відбувається більш рівномірно та контрольовано. З іншого боку, елементи нижчого класу швидше розходяться з часом використання, а відмови через невідповідність елементів є більш поширеними. Невідповідність елементів є поширеною причиною виходу з ладу промислових акумуляторів. Виробники професійних електроінструментів та медичного обладнання ретельно підходять до вибору елементів, щоб досягти хорошої надійності та тривалого терміну служби акумуляторів.

Слабкий елемент у батареї

Давайте розглянемо, що відбувається зі слабким елементом, з'єднаним разом із сильнішими елементами в упаковці. Слабкий елемент має меншу ємність і розряджається швидше, ніж його сильні брати. Розрядка першою призводить до того, що сильні брати перевантажують слабкого до такої міри, що високе навантаження може призвести до зворотної полярності слабкого елемента. Нікель-кадмієвий елемент може витримувати зворотну напругу мінус 0,2 В при кількох міліамперах, але перевищення цієї напруги призведе до постійного короткого замикання. Під час заряджання слабкий елемент спочатку досягає повного заряду, а потім переходить у режим перезарядки, що генерує тепло, тоді як сильні брати все ще приймають заряд і залишаються холодними. Слабкий елемент зазнає невдачі як під час заряджання, так і під час розряджання, він продовжує слабшати, поки не здається.

Допуск ємності між елементами в промисловому акумуляторі повинен становити +/- 2,5 відсотка. Високовольтні акумулятори, розроблені для великих навантажень і широкого діапазону температур, повинні ще більше зменшувати допуск ємності. Існує сильна кореляція між балансом елементів і довговічністю.

Відповідність та циклічність

На рисунку 1 показано циклічні характеристики п'яти старих літій-іонних акумуляторів як функцію відповідності елементів. Елементи з'єднані за схемою 2P4S з центральним відводом, утворюючи дві секції акумулятора, які в нашому прикладі погано узгоджені. Різниця в ємності між двома секціями становить 5, 6, 7 та 12 відсотків. Під час циклічної розрядки всі акумулятори демонструють великі втрати ємності протягом 18 циклів, але найбільше зниження спостерігається у акумулятора з 12-відсотковою невідповідністю ємності.

Рисунок 1: Циклічна продуктивність як функція відповідності елементів
Акумуляторні блоки з добре підібраними елементами працюють краще, ніж ті, в яких елемент або група елементів відрізняються послідовним з'єднанням.
Конфігурація: призматичний літій-іонний акумулятор 5 Аг, підключений за схемою 2P4S (14,8 В, 10 Аг) з центральним відводом.

Балансування елементів

Якісні літій-іонні елементи мають рівномірну ємність та низький саморозряд, коли вони нові. Додавання балансування елементів є корисним, особливо коли батарея старіє, а продуктивність кожного елемента знижується у власному темпі. Проблема виникає, коли елемент у ланцюжку втрачає ємність або розвиває підвищений саморозряд. Це можна пояснити високотемпературними плямами у великому акумуляторі. Низькоякісні елементи також можуть бути схильні до нерівномірного старіння. Літій-фосфатні мають вищий саморозряд, ніж інші літій-іонні, і це ускладнює балансування елементів.

BMS для літієвих АКБ

Захищає батареї від перезаряду, глибокого розряду, перегріву та надвисокого струму

Victron VE.Bus BMS V2 – система управління літієвими акумуляторами LiFePO4 Smart

Розумна система керування батареями LiFePO4 Smart від Victron

Купити

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart акумуляторів Victron

 Компактна система керування батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), що забезпечує базовий захист акумуляторів від глибокого розряду, надмірного заряду та перегріву.

Купити

Smart BMS CL 12/100 – інтелектуальний захист LiFePO4 батарей у 12В системах від Victron Energy

Поєднує обмеження струму з генератора, Bluetooth-моніторинг, аварійні виходи та модульну взаємодію з іншими пристроями Victron – все в одному пристрої!

Купити

Подивитися більше

Один експерт з акумуляторів якось сказав: «Я не бачив схеми балансування елементів, яка б працювала». Для багатоелементних акумуляторів він порадив використовувати якісні літій-іонні елементи, відсортовані на заводі за ємністю та напругою. Це добре працює для літій-іонних акумуляторів до 24 В, акумулятори вище 24 В повинні мати балансування. Більшість балансування є пасивним; активне балансування є складним і використовується лише у дуже великих системах.

Пасивне балансування розряджає високовольтні елементи на резисторі під час заряджання на кривій SoC 70–80 відсотків; активне балансування переміщує додатковий заряд від елементів з вищою напругою під час розряджання до тих, що мають нижчу напругу. Активне балансування є кращим методом для акумуляторів електромобілів, але воно вимагає перетворювачів постійного струму. Скориговані струми знаходяться лише в діапазоні мА. Прикладання великого навантаження під час розгону з подальшим швидким заряджанням з рекуперативним гальмуванням вимагає добре налаштованих елементів у високовольтному акумуляторі для досягнення очікуваного терміну служби. З міркувань вартості акумулятори електромобілів використовують переважно пасивне балансування.

Одноклітинним системам у мобільних телефонах і планшетах не потрібне балансування елементів. Ємність між елементами може змінюватися, і кожен елемент може старіти самостійно, не завдаючи шкоди, окрім забезпечення коротшого часу роботи. Споживач приймає це зменшення; це частина запланованого старіння споживчих товарів.

Захист та безпека

Усі літій-іонні елементи потребують схеми захисту, яка гарантує, що напруга послідовно з'єднаних елементів не перевищує 4,25 В/елемент (для більшості літій-іонних) під час заряджання та відключається, коли напруга найслабшого елемента падає до 2,80 В/елемент або нижче. Розрядне відключення запобігає зворотній полярності розрядженого елемента сильнішими елементами. Схема захисту діє як ангел-охоронець, який захищає слабших братів і сестер від знущань з боку сильніших. Це може пояснити, чому літій-іонні акумулятори для електроінструментів служать довше, ніж нікелеві без схеми захисту. Схема захисту також захищає акумулятор від надмірного струму навантаження.

Захист від глибокої розрядки

Захист АКБ від впливу глибокої розрядки та подовження терміну його експлуатації

Smart BatteryProtect 12/24V 65A Victron Energy

Автоматично відключає навантаження, коли напруга на акумуляторі падає нижче критичного рівня, що захищає АКБ від глибокого розряду. Передбачено підтримку Bluetooth

Купити

Smart BatteryProtect 12/24V 220A Victron Energy

 Розумний контролер навантаження, який підтримує інтеграцію з VE.Bus BMS, режим роботи з літієвими акумуляторами, а також має низьке енергоспоживання та захист від перенапруги.

Купити

BatteryProtect 12/24V 100A Victron Energy

Захищає як AGM / GEL, так і LiFePO₄ акумулятори від глибокого розряду, який може серйозно зменшити строк служби або повністю вивести АКБ з ладу.

Купити

Подивитися більше

Зрівнювальний заряд

З часом елементи акумулятора стають невідповідними, і це також стосується свинцево-кислотних акумуляторів. Елементи з високим саморозрядом призводять до дисбалансу та подальшого виходу з ладу. Виробники гольф-карів, підйомних платформ, підлогомийних машин та інших транспортних засобів на акумуляторах рекомендують вирівнювальний заряд, якщо різниця напруги між елементами перевищує +/– 0,10 В або якщо питома вага коливається більш ніж на 10 пунктів (0,010 за шкалою SG).

Зрівнювальний заряд – це заряд поверх заряду, який доводить усі елементи до повного насичення. Цю послугу слід проводити обережно, оскільки надмірний заряд може пошкодити акумулятор. Різниця в питомій вазі в 40 пунктів створює проблему з продуктивністю, і елемент вважається дефектним. (Різниця в 40 пунктів означає, що один елемент має питому вагу 1,200, а інший – 1,240.) Заряд може тимчасово покрити недолік, але дефект, ймовірно, знову з'явиться через кілька годин через високий саморозряд несправного елемента.