Aktiivne vs passiivne tasakaalustamine: liitiumakusüsteemide juhend

Valides aliitiumaku juhtimissüsteem, mõista tehnilisi erinevusiaktiivne ja passiivne tasakaalustamineon aku jõudluse optimeerimise jaoks ülioluline.

Kuigi liitiumakusid toodetakse täpselt samaväärsete parameetritega, võivad üksikud elemendid töötamise ajal tekitada pinge ebaühtlust tootmisprotsessi või ümbritseva õhu temperatuuri kõikumiste tõttu. Kuna aku kogumahtuvust piirab kõige nõrgem element, võib selline tasakaalustamatus vähendada kasutatavat energiat ja lühendada aku kasutusiga.

Selle probleemi lahendamiseksCopow LiFePO4 akudsisaldab BMS-i, mis kasutab kahte erinevat tasakaalustamismeetodit:passiivne tasakaalustamine, mis hajutab üleliigse energia kõrgem{0}}pingega elementidest soojusena läbi takistite jaaktiivne tasakaalustamine, mis kannab energiat kõrgema-pingega elementidelt madalama-pingega elementidesse, kasutades energiasalvesti komponente.

See artikkelanalüüsib nende kahe lähenemisviisi erinevusi energiatõhususe, soojusjuhtimise ja rakenduskulude osas, mis aitab teil teha õige valiku aku mahu ja kasutusstsenaariumi põhjal.

Mis on akuelementide tasakaalustamine ja miks see liitiumsüsteemides oluline on?

Liitiumakud koosnevad tavaliselt mitmest järjestikku ühendatud elemendist(näiteks Tesla akupakett sisaldab tuhandeid elemente). Kuigi need elemendid võivad tehasest lahkudes tunduda identsed, põhjustavad väikesed erinevused tootmisprotsessides, ümbritseva õhu temperatuuris ja vananemises nende käitumist laadimise ja tühjenemise ajal erinevalt.

Aku tasakaalustamine on protsess, mille käigus kasutatakse elektroonikaahelaid pinge reguleerimiseks võiiga üksiku raku laetuse olekaku sees, kõrvaldades need erinevused ja tagades ühtlase jõudluse kogu aku ulatuses.

Miks see oluline on? ("Ämbriefekt")

Liitiumaku süsteemi jõudluse määrab sellenõrgim rakk. Ilma tasakaalustamiseta ilmnevad järgmised probleemid:

• Piiratud laadimine (alatäidetud):Laadimise ajal, kui üks element saavutab esimesena oma võimsuse, peab süsteem lõpetama kogu paketi laadimise, et vältida ülelaadimist ja võimalikku plahvatust. See jätab teised elemendid ainult osaliselt laetuks (nt 80%), mis vähendab kogu kasutatavat võimsust.
• Piiratud tühjendamine (mittetäielik kasutamine):Kui tühjenemise ajal saab üks element kõigepealt tühjaks, peab süsteem toite katkestama, et kaitsta seda elementi kahjustuste eest. See tähendab, et olete sunnitud peatuma isegi siis, kui teistel rakkudel on veel energiat alles.
• Lühendatud eluiga:Pidevalt "üle{0}}tõugatud" või "tühjenenud" elemendid vananevad palju kiiremini, luues nõiaringi, mis lõpuks rikub kogu aku.
• Ohutusohud:Tõsine tasakaalustamatus võib üksikutes elementides põhjustada üle- või alapinget, mis võib vallandadatermiline põgenemine (tulekahju).

Levinud tasakaalustamismeetodid

Aktiivne vs passiivne tasakaalustamine: selgitatud peamised erinevused

Aastal aliitiumaku juhtimissüsteem, passiivne tasakaalustaminejaaktiivne tasakaalustamineon kaks erinevat pinge reguleerimise strateegiat.

Peamine erinevus nende vahel seisneb selles, kuidas liigset energiat käideldakse:Passiivne tasakaalustamine muudab kõrgema -pingega elementide energia takistite kaudu soojuseks, et saavutada pinge joondus, samas kui aktiivne tasakaalustamine kasutab energia salvestamise komponente, et edastada energiat kõrgema-pingega elementidelt madalama-pingega elementidesse, võimaldades energia sisemist ringlust.

1. Tööpõhimõtete võrdlus

• Passiivne tasakaalustamine (dissipatiivne):See on naguväljavalamineliigne vesi liiga täis pudelitest. See kasutab lülitusahelat, mis on ühendatud atakisti. Kõrgema pingega rakkude üleliigne energia muundataksesoojustja hajutatakse, kuni nende tase ühtib ülejäänud rakkudega.
• Aktiivne tasakaalustamine (ümberjaotav):See on naguvalamineliigne vesi täis pudelist tühjemasse. See kasutab "salvestusmahutitena" kondensaatoreid, induktiivpooli või trafosidülekandminelaadige kõrge{0}}pingeelementidelt madalpinge{1}}elementidele, jaotades energia ümber kogu komplekti.

2. Peamised erinevused lühidalt

3. Miks ei kasutata kõikjal aktiivset tasakaalustamist?

Kui aktiivne tasakaalustamine on kiirem ja säästab energiat, siis miks kasutab enamik BMS-seadmeid ikkagi passiivset tasakaalustamist?

• Kulutõhusus-:Passiivne tasakaalustamine on ülimalt odav. Enamiku uute akude puhul, mille elementide konsistents on kõrge, piisab igapäevaseks hoolduseks väikesest passiivse tasakaalustamise voolust.
• Töökindlus:Siin kehtib reegel "rohkem osi, rohkem probleeme". Aktiivsed tasakaalustusahelad on keerulised, mis toob kaasa suurema potentsiaalse rikkemäära kui lihtsad vastupidavad takistid.
• Suurus/jalajälg:Aktiivsed tasakaalustusmoodulid on sageli mahukad ega sobi nutitelefonide, sülearvutite ega kergete akudega.

4. Millal on aktiivne tasakaalustamine "Game Changer"?

Aktiivsel tasakaalustamisel on selge eelis kahe konkreetse stsenaariumi korral:

• Suure mahutavusega rakud:Massiivse 280 Ah elemendi puhul võib 100 mA passiivse tasakaalu korral 1% kõrvalekalde korrigeerimiseks kuluda nädalaid. Aktiivne tasakaalustaja saab sellega hakkama tundidega.
• Vananevad/renoveeritud akud:Rakkude vananedes muutuvad nende võimsused erinevad. Aktiivne tasakaalustamine võib toimidatühjenemise ajal, edastades jõu "tugevatelt" rakkudelt "nõrkadele", pikendades oluliselt vanema paketi tegelikku sõiduulatust või tööaega.

Aku tasakaalustamise praktilised tehnilised väljakutsed reaalsetes rakendustes

Inseneripraktikas on aku tasakaalustamise rakendamine palju keerulisem kui põhiline laadimis- ja tühjendusloogika. Insenerid peavad tegelema tegelike-probleemidega, nagu ümbritseva õhu temperatuuri kõikumised, dünaamilised voolu tõusud jaelektrooniliste komponentide eluiga.

Süsteemi stabiilsuse tagamiseks peavad tasakaalustamisstrateegiad kohanema muutuva töökoormusega, optimeerides samal ajal ahela tõhususe ja soojuse hajumise vahelist-kompensatsiooni. See keerukus tähendab, et tasakaalustamise loogika ei pea mitte ainult haldama üksikuid pingeväärtusi, vaid võtma arvesse ka aku vananemiskõveraid ja riistvara pikaajalist -töökindlust.

1. Tasakaalustamise täpne ajastus (SoC tuvastamise probleem)

Dünaamilistes töötingimustes on äärmiselt keeruline kindlaks teha, milline rakk on "kõrge" laenguga.

• Staatilised vs dünaamilised häired:Akud kogevad laadimise ja tühjenemise ajal sisemise takistuse (IR) tõttu pingelangust. Kui pinget mõõdetakse sõiduki kiirendamise või kallaku tõusmise ajal (suure-voolu tühjenemine), võib veidi suurema sisetakistusega element näidata äkilist pingelangust, kuigi selle tegelik laeng ei ole madal.
• Pinge platoo väljakutse: Liitium raudfosfaat akudneil on äärmiselt lame pingekõver. Ligikaudu vahepeal20% ja 80%laetuse olek, pinge ei muutu vaevu{0}}mõnikord vaid paar millivolti. Nendel tingimustelstandardne BMSAnduri täpsus (tavaliselt ±10 mV) püüab kindlaks teha, kas rakk on tõesti tasakaalustamata.
• Tehniline strateegia:Enamikes praktilistes süsteemides toimub tasakaalustamine alles laadimistsükli lõpus, kui pingekõver hakkab järsult tõusma.

2. Soojusjuhtimise ja soojuse hajumise väljakutsed

Soojusjuhtimine on passiivsete tasakaalustamissüsteemide peamine probleem.

• Kohalik ülekuumenemine:Passiivne tasakaalustamine hajutab üleliigse energia soojusena takistite kaudu. Kui mitu elementi on samaaegselt tasakaalustatud, võib BMS-i plaadi takistite massiiv tekitada märkimisväärset soojust. Halb termiline disain võib tõsta BMS-i temperatuuri, käivitades potentsiaalselt kaitse üle-temperatuuri eest või kiirendades lähedalasuvate rakkude vananemist, tekitades vastupidise tasakaalustamatuse.
• Energiatihedus vs. ruum:Kaalutundlikes{0}}seadmetes, nagu droonid, on suurte jahutusradiaatorite jaoks vähe ruumi, mis piirab maksimaalset lubatud tasakaalustusvoolu.

3. Elektromagnetilised häired (EMI/EMC probleemid)

EMI on eriti silmapaistev aktiivsete tasakaalustussüsteemide puhul.

• Kõrge{0}}sageduse ümberlülitusmüra:Aktiivne tasakaalustamine hõlmab alalisvoolu-alalisvoolu teisendamist või kõrge-sagedusega kondensaatorite ümberlülitamist (tavaliselt sadu kHz kuni MHz). See tekitab olulisi elektromagnetilisi häireid, mõjutades BMS-i diskreetimiskiipide täpsust, põhjustades pingenäitude kõikumist ja potentsiaalselt valesid tasakaalustamisotsuseid.
• Disaini keerukus:Insenerid peavad toetuma täiustatud PCB paigutustele, varjestus- ja filtreerimisahelatele, et isoleerida mõõtesignaalidest müra.

4. Kompromiss{1}}: kulu, suurus ja töökindlus

• Komponentide arv:Aktiivne tasakaalustamine nõuab suurt hulka induktiivpooli, trafosid või MOSFET-e. 100-lahtrisenergia salvestamise süsteem, kui iga rakk vajab aktiivset tasakaalustamist, siis komponentide arv mitmekordistub, vähendades oluliseltkeskmine aeg rikete vahel (MTBF).
• Vaikne vool (oma{0}}tarbimine):Tasakaalustusahel ise tarbib voolu. Kehv konstruktsioon võib pikaajalisel säilitamisel -terved rakud tühjendada, põhjustades sügava tühjenemise kahjustusi.

5. Rakkude konsistentsi areng (dünaamiline vananemine)

• Kahekordne tasakaalustamatus võimsuse ja takistuse osas:Akude vananedes kaotavad mõned elemendid oma mahutavuse, samas kui teistel suureneb sisemine takistus.
• Tehniline lõks:Kui tasakaalustamine põhineb ainult pingel, võib süsteem elemendi A laadimise ajal võrdsustada. Kuid tühjenemise ajal võib rakk A oma väiksema mahutavuse tõttu kõige kiiremini maha jääda. Süsteem liigutab energiat pidevalt edasi-tagasi, ilma et see lahendaks võimsuse erinevust-, mida nimetatakse nähtuseks"tasakaalustav võnkumine".

Copowi LiFePO4 aku tasakaalustamise parimad tavad

Copowis kasutame üldiselt järgmist kompromissmeetodit:

• Kõrge{0}}täpne proovivõtt:Täpse pinge mõõtmiseks kasutage 1 mV-taseme täpsusega-või isegi suuremat- analoog-esi{0}}(AFE) kiipe.
• Hübriidstrateegia:Passiivne tasakaalustamine on vaikelahendus madala{0}}voolu-pikaajaliseks hoolduseks; vananevate süsteemide või üli-suurte-mahuga pakettide puhul lisatakse aktiivne tasakaalustamine.
• Algoritmiline simulatsioon:Kasutage hindamiseks laiendatud Kalmani filtrit (EKF) või närvivõrgu algoritme koos vooluintegratsiooniga (coulombide loendamine).SoCselle asemel, et tugineda ainult pinge mõõtmistele.

Milliseid akuhalduse põhiprobleeme lahendab Copowi liitiumraudfosfaatpatareide aktiivne tasakaalustamistehnoloogia?

Copow aktiivse tasakaalustamise tehnoloogia jaoksLiFePO4 akud pakub lahendust elementide järjepidevuse probleemidele-suure mahutavusega akude puhul-pikaajalise töötamise ajal.

See tehnoloogia vähendab rakkude vahelisi pingehälbeid sisemise energiaülekandemehhanismi kaudu. Rakendustes, mis hõlmavad sagedasi laadimis-tühjenemise tsükleid ja sügavat tsüklit, aitab see vältida üksikute elementide enneaegset katkemist, minimeerides seeläbi võimsuse kadu, suurendades aku tegelikku kasutatavat energiat ja pikendades selle kasutusiga.

1. Kasutatava mahu maksimeerimiseks kõrvaldage täielikult nõrgima lüli efekt

• Väljakutse:Akupakettides piirab üldist mahtuvust "nõrgem" element. Laadimise ajal, kui üks element saavutab täisvõimsuse, peab kogu pakk seisma; tühjendamise ajal, kui üks lahter on tühi, tuleb kogu pakk ära lõigata.
• Copowi lahendus:Erinevalt tavapärasest passiivsest tasakaalustamisest, mis hajutab energiat soojusena läbi takistite, kannab Copowi aktiivne tasakaalustamine energiat "tugevatest" rakkudest "nõrgematesse" rakkudesse. See tähendab, et tühjenemise ajal-laetud elemendid "toetavad" pidevalt nõrgemaid elemente, võimaldades kogu pakil eraldada viimsegi energiatüki. Ametlikud andmed näitavad, et see BMS võib vähendada rakkude tasakaalustamatust ligikaudu 40%.

• 2. LiFePO4 rakkude "pinge platoo" väljakutse lahendamine

• Väljakutse: LiFePO4 akudneil on äärmiselt lamedad pingekõverad (pinge muutub vaevu 20% ja 80% SoC vahel), mistõttu on tavapärastel BMS-süsteemidel rakkude tasakaalustamatust tuvastada raske.
• Copowi lahendus:Copowi BMS integreerib{0}}kõrgema täpsusega diskreetimiskiipe ja keeruka juhtimisloogika. Aktiivne tasakaalustamine ei toimi mitte ainult laadimise lõpus, vaid ka pidevalt tühikäigul ja tühjenemisel (tavaliselt käivitub siis, kui pingeerinevus ületab 0,1 V). See 24/7 seiremehhanism kompenseerib raskusi LFP elementide tasapinnaliste pingeomaduste tõttu tasakaalustamatuse tuvastamisel.

3. Suure-voolu tasakaalustamise ja soojuse hajumise vahelise konflikti lahendamine

• Väljakutse:Suure mahutavusega-akude (nt üle 200 Ah) puhul on passiivsed tasakaalustusvoolud (tavaliselt vaid 50–100 mA) liiga aeglased, et parandada mitme-ampri tasakaalustamatust. Vahepeal tekitab takisti{8}}põhine hajumine märkimisväärset soojust, käivitades sageli BMS-i üle{9}}temperatuuri häired.
• Copowi lahendus:Suure -võimsusega mudelite puhul, mis on üle 200 Ah, integreerib Copow aktiivsed tasakaalustamismoodulid, mis on võimelised 1–2 A. Kuna protsess edastab energiat, mitte ei haju seda, on soojuse teke minimaalne. Isegi intensiivse laadimise ja tühjenemise tingimustes suudab süsteem elementide erinevusi kiiresti võrdsustada.

4. Kasutusaja pikendamine pikaajalisel{1}}kasutamisel

• Väljakutse:Akude vananedes lagunevad elemendid erineva kiirusega. Sisemise takistuse ja võimsuse erinevused aja jooksul suurenevad, põhjustades 2–3 aasta pärast märkimisväärset jõudluse langust.
• Copowi lahendus:Aktiivne tasakaalustamine jaotab energiat pidevalt ümber, vähendades üksikute rakkude väsimuskahjustusi, mis on põhjustatud korduvast üle- või ülelaadimisest. See "ennetav hooldus" aitab aeglustada elemendi konsistentsi halvenemist, säilitades aku tõhususetsükli eluigastabiilselt vahemikus 3000 kuni 5000 tsüklit.

Milline tasakaalustamismeetod on teie rakenduse jaoks õige?

Valiktasakaalustamise meetodsõltub kulust, ruumist, jõudlusest ja rakenduse stsenaariumist.

Tarbeelektroonika, elektrijalgrataste või väikesemahuliste{0}}energiasalvestussüsteemide jaoks, mille võimsus on alla 100 Ah,passiivne tasakaalustamineon praktilisem lahendus. Selle lihtne struktuur ja madal hind muudavad selle sobivaks ning kuigi see tekitab soojuskadu, on mõju suhteliselt hea akukonsistentsiga akupakkide puhul minimaalne.

Haagismajade, suure jõudlusega{0}}golfikärude ja üle 200 Ah võimsusega-võrguta päikeseenergia salvestussüsteemide lisaakude jaoksaktiivne tasakaalustaminepakub selgeid eeliseid. See lähenemisviis toetab vooluülekannet 1 A-lt 5 A-le, võimaldades tühjenemise ajal reguleerida nõrgemaid elemente, vältides samal ajal lokaalset temperatuuri tõusu. See on eriti oluline tugeva-voolu korral, nagu golfikärud mäkke ronivad või kiirendavad, kuna see suurendab tõhusalt sõiduulatust ja pikendab aku kasutusiga.

Kokkuvõtteks võib öelda, et passiivne tasakaalustamine sobib kergete ja{0}}madala eelarvega rakenduste jaoks, samas kui aktiivne tasakaalustamine tuleks eelistada suure-intensiivsusega, suure{2}}võimsusega süsteemide jaoks, mis nõuavad pikka kasutusiga.

Öelge hüvasti "nõrgeima lüliga" ja vabastage liitiumpatarei kogu võimsus

Ärge laske kunstlikel pingeerinevustel teie teekonda lühendada. Minge üle CopowileLiFePO4 akupakett koos aktiivse tasakaalustustehnoloogiagavahemiku suurendamiseks ja eluea pikendamiseks kuni 6000 tsüklini, tagades iga investeeringu maksimaalse väärtuse.

👉 [ Küsige üksikasju Copowi aktiivse tasakaalustamise LiFePO4 akude kohta ]

KKK

Mis on tüüpiline passiivne tasakaalustav vool 12 V LiFePO4 BMS-is?

Tüüpiline passiivne tasakaalustusvool 12 V LiFePO4 BMS-is on tavaliselt väga väike, ulatudes tavaliselt30mA kuni 100mA(0,03A kuni 0,1A), kuna see hajutab üleliigset energiat kõrgem-pingega elementidest soojusena läbi takistite ja on tõhus ainult peenhäälestamiseks laadimise viimastel etappidel.

Millal kasutatakse akusüsteemides aktiivset tasakaalustamist?

Aktiivne tasakaalustamine sobib suure-võimsusega akusüsteemidele, millel on suur jõudlus ja pikk kasutusiga, mis nõuavad suurt jõudlust ja pikka kasutusiga, nagu energiasalvestid, elektrisõidukid, kõrge-pingeakud ja tööstusseadmed, mis nõuavad pikaajalist-stabiilset tööd.

Selle põhjuseks on asjaolu, et nendes rakendustes kuhjuvad üksikute akuelementide erinevused aja jooksul, kui laadimis{0}}tühjenemistsüklite arv suureneb, mistõttu on nende erinevuste tõhusa haldamise ainuüksi passiivse tasakaalustamise abil keeruline.

Mis on tüüpiline tasakaalustav vool 12 V LiFePO4 BMS-is?

12 V (4-elemendilise) LiFePO4 aku BMS-is on tüüpiline tasakaalustav vool vahemikus 30 kuni 100 milliamprit, olenevalt BMS-i konstruktsioonist ja maksumusest.

Mõned tipptasemel-või tööstuslikud-BMS-seadmed võivad ulatuda 100–300 mA-ni, samas kui aktiivset tasakaalustusskeeme kasutavad süsteemid võivad ulatuda veelgi kõrgemale (jõudvad ampriteni). Kuid tavalistes 12 V akurakendustes kasutab enamik tooteid endiselt peamiselt kümnetes milliamprites tasakaalustavaid voolusid.