Lithium-accupakketten zijn als motoren die geen onderhoud nodig hebben; eenBMSZonder balanceringsfunctie is het slechts een dataverzamelaar en kan het niet als een beheersysteem worden beschouwd. Zowel actieve als passieve balancering is gericht op het elimineren van inconsistenties binnen een batterijpakket, maar hun implementatieprincipes zijn fundamenteel verschillend.
Voor de duidelijkheid: dit artikel definieert balancering, geïnitieerd door het BMS via algoritmen, als actieve balancering, terwijl balancering waarbij weerstanden worden gebruikt om energie af te voeren, passieve balancering wordt genoemd. Actieve balancering omvat energieoverdracht, terwijl passieve balancering energieafvoer omvat.
Basisprincipes voor het ontwerp van batterijpakketten
- Het opladen moet stoppen zodra de eerste cel volledig is opgeladen.
- Het ontladen moet stoppen zodra de eerste cel leeg is.
- Zwakkere cellen verouderen sneller dan sterkere cellen.
- -de cel met de zwakste lading zal uiteindelijk de batterijcapaciteit beperken'bruikbare capaciteit (de zwakste schakel).
- De temperatuurgradiënt in het batterijpakket zorgt ervoor dat cellen die bij hogere gemiddelde temperaturen werken, zwakker worden.
- Zonder balancering neemt het spanningsverschil tussen de zwakste en sterkste cellen toe met elke laad- en ontlaadcyclus. Uiteindelijk zal de ene cel de maximale spanning bereiken, terwijl de andere de minimale spanning nadert, waardoor de laad- en ontlaadcapaciteit van het pakket wordt belemmerd.
Omdat cellen in de loop van de tijd niet op elkaar aansluiten en de temperatuuromstandigheden variëren door de installatie, is celbalancering essentieel.
Lithium-ionbatterijen hebben voornamelijk te maken met twee soorten mismatch: laadmismatch en capaciteitsmismatch. Laadmismatch treedt op wanneer cellen met dezelfde capaciteit geleidelijk in lading verschillen. Capaciteitsmismatch treedt op wanneer cellen met verschillende initiële capaciteiten samen worden gebruikt. Hoewel cellen over het algemeen goed op elkaar zijn afgestemd als ze rond dezelfde tijd met vergelijkbare productieprocessen zijn geproduceerd, kunnen mismatches ontstaan door cellen met onbekende bronnen of aanzienlijke productieverschillen.
Actief balanceren versus passief balanceren
1. Doel
Accupacks bestaan uit vele in serie geschakelde cellen, die waarschijnlijk niet identiek zijn. Balanceren zorgt ervoor dat de spanningsafwijkingen in de cellen binnen de verwachte grenzen blijven, waardoor de bruikbaarheid en controleerbaarheid behouden blijven, schade wordt voorkomen en de levensduur van de accu wordt verlengd.
2. Ontwerpvergelijking
- Passieve balancering: ontlaadt cellen met een hogere spanning doorgaans met behulp van weerstanden, waarbij overtollige energie wordt omgezet in warmte. Deze methode verlengt de laadtijd van andere cellen, maar heeft een lagere efficiëntie.
- Actieve Balancing: Een complexe techniek die de lading binnen cellen herverdeelt tijdens laad- en ontlaadcycli, waardoor de laadtijd wordt verkort en de ontladingsduur wordt verlengd. Hierbij worden over het algemeen balansstrategieën van onderaf tijdens het ontladen en balansstrategieën van bovenaf tijdens het laden toegepast.
- Voor- en nadelen vergelijking: Passief balanceren is eenvoudiger en goedkoper, maar minder efficiënt, omdat er energie verloren gaat in de vorm van warmte en de balanceringseffecten trager zijn. Actieve balancering is efficiënter en brengt energie over tussen cellen, wat de algehele gebruiksefficiëntie verbetert en sneller een balans bereikt. Het brengt echter complexe structuren en hogere kosten met zich mee, en de integratie van deze systemen in speciale IC's vormt een uitdaging.
Conclusie
Het BMS-concept werd aanvankelijk in het buitenland ontwikkeld, waarbij de eerste IC-ontwerpen zich richtten op spannings- en temperatuurdetectie. Later werd het concept van balanceren geïntroduceerd, aanvankelijk met behulp van resistieve ontladingsmethoden die in IC's zijn geïntegreerd. Deze aanpak is nu wijdverbreid, met bedrijven zoals TI, MAXIM en LINEAR die dergelijke chips produceren en waarvan sommige switchdrivers in de chips integreren.
Vanuit de principes en diagrammen van passief balanceren, als een batterijpakket wordt vergeleken met een vat, lijken de cellen op de duigen. Cellen met een hogere energie zijn lange planken, en cellen met een lagere energie zijn korte planken. Passief balanceren "verkort" alleen de lange planken, wat resulteert in energieverspilling en inefficiëntie. Deze methode heeft beperkingen, waaronder aanzienlijke warmteafvoer en trage balanceringseffecten in pakketten met een grote capaciteit.
Actieve balancering daarentegen "vult de korte planken in" en brengt energie over van cellen met een hogere energie naar cellen met een lagere energie, wat resulteert in een hogere efficiëntie en een snellere balans. Het brengt echter complexiteit en kosten met zich mee, met uitdagingen bij het ontwerpen van schakelmatrices en het aansturen van aandrijvingen.
Gezien de voor- en nadelen kan passieve balancering geschikt zijn voor cellen met een goede consistentie, terwijl actieve balancering de voorkeur verdient voor cellen met grotere discrepanties.
Plaatsingstijd: 27-08-2024
