Lithiumbatterijpakketten zijn net als motoren die geen onderhoud nodig hebben; eenBMSZonder een balanceringsfunctie is het systeem slechts een dataverzamelaar en kan het niet als een beheersysteem worden beschouwd. Zowel actieve als passieve balancering zijn erop gericht inconsistenties binnen een accupakket te elimineren, maar de implementatieprincipes ervan verschillen fundamenteel.
Ter verduidelijking: in dit artikel wordt balanceren dat door het gebouwbeheersysteem (BMS) via algoritmen wordt geïnitieerd, gedefinieerd als actief balanceren, terwijl balanceren waarbij weerstanden worden gebruikt om energie af te voeren, passief balanceren wordt genoemd. Actief balanceren houdt energieoverdracht in, terwijl passief balanceren energieafvoer inhoudt.
Basisprincipes voor het ontwerp van accupakketten
- Het opladen moet stoppen zodra de eerste batterij 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 levensduur van het accupakket beperken.'bruikbare capaciteit (de zwakste schakel).
- Het temperatuurverschil binnen het accupakket zorgt ervoor dat cellen die bij hogere gemiddelde temperaturen werken, zwakker worden.
- Zonder balancering neemt het spanningsverschil tussen de zwakste en sterkste cellen toe bij elke laad- en ontlaadcyclus. Uiteindelijk zal de ene cel de maximale spanning naderen, terwijl de andere de minimale spanning nadert, waardoor de laad- en ontlaadcapaciteit van het accupakket wordt belemmerd.
Door de mismatch in cellen na verloop van tijd en de wisselende temperatuursomstandigheden vanaf de installatie is celbalancering essentieel.
Lithium-ionbatterijen kennen hoofdzakelijk twee soorten mismatch: laadmismatch en capaciteitsmismatch. Laadmismatch treedt op wanneer cellen met dezelfde capaciteit geleidelijk van elkaar verschillen in laadvermogen. Capaciteitsmismatch ontstaat wanneer cellen met verschillende begincapaciteiten samen worden gebruikt. Hoewel cellen over het algemeen goed op elkaar zijn afgestemd als ze ongeveer gelijktijdig en met vergelijkbare productieprocessen zijn geproduceerd, kunnen mismatches ontstaan door cellen met een onbekende herkomst of aanzienlijke productieverschillen.
Actief balanceren versus passief balanceren
1. Doel
Batterijpakketten bestaan uit vele in serie geschakelde cellen, die zelden identiek zijn. Balanceren zorgt ervoor dat spanningsafwijkingen tussen de cellen binnen de verwachte grenzen blijven, waardoor de algehele bruikbaarheid en beheersbaarheid behouden blijven, schade wordt voorkomen en de levensduur van de batterij wordt verlengd.
2. Ontwerpvergelijking
- Passief balanceren: Hierbij worden doorgaans cellen met een hogere spanning ontladen met behulp van weerstanden, waarbij overtollige energie wordt omgezet in warmte. Deze methode verlengt de laadtijd van andere cellen, maar heeft een lager rendement.
- Actieve balancering: een complexe techniek die de lading binnen cellen herverdeelt tijdens laad- en ontlaadcycli, waardoor de laadtijd wordt verkort en de ontlaadduur wordt verlengd. Deze techniek maakt doorgaans gebruik van balanceringsstrategieën aan de onderkant tijdens het ontladen en balanceringsstrategieën aan de bovenkant tijdens het laden.
- Vergelijking van voor- en nadelen: Passieve balancering is eenvoudiger en goedkoper, maar minder efficiënt, omdat er energie als warmte verloren gaat en het balanceringseffect trager optreedt. Actieve balancering is efficiënter doordat energie tussen cellen wordt overgedragen, wat de algehele gebruiksefficiëntie verbetert en sneller een evenwicht bereikt. Het vereist echter complexe structuren en hogere kosten, en de integratie van deze systemen in specifieke IC's vormt een uitdaging.
Conclusie
Het concept van BMS (Battery Management System) werd aanvankelijk in het buitenland ontwikkeld, waarbij vroege IC-ontwerpen zich richtten op spannings- en temperatuurdetectie. Het concept van balanceren werd later geïntroduceerd, aanvankelijk met behulp van resistieve ontladingsmethoden die in IC's waren geïntegreerd. Deze aanpak is nu wijdverspreid, met bedrijven als TI, MAXIM en LINEAR die dergelijke chips produceren, waarvan sommige schakeldrivers in de chips integreren.
Volgens de principes en diagrammen van passieve balancering, kunnen we een accupakket vergelijken met een vat, waarbij de cellen de duigen zijn. Cellen met een hogere energiedichtheid zijn de lange planken en cellen met een lagere energiedichtheid de korte planken. Passieve balancering "verkort" alleen de lange planken, wat leidt tot energieverlies en inefficiëntie. Deze methode kent beperkingen, waaronder aanzienlijke warmteontwikkeling en een traag balanceringsproces bij accupakketten met een grote capaciteit.
Actieve balancering daarentegen "vult de gaten op" door energie over te dragen van cellen met een hogere energiedichtheid naar cellen met een lagere energiedichtheid, wat resulteert in een hogere efficiëntie en een snellere balans. Dit brengt echter complexiteit en kosten met zich mee, met name op het gebied van het ontwerpen van schakelmatrices en het aansturen van aandrijvingen.
Gezien de afwegingen kan passieve balancering geschikt zijn voor cellen met een goede consistentie, terwijl actieve balancering de voorkeur verdient voor cellen met grotere afwijkingen.
Geplaatst op: 27 augustus 2024
