Necesidad de ecualización de batería de litio y características del circuito de carga de ecualización pasiva
1. La definición de carga de compensación y la necesidad de compensación
1. Definición de carga de compensación:
La carga de ecualización se abrevia como carga de ecualización, que es la carga de las características de ecualización de la batería. Se refiere al desequilibrio de voltaje en el terminal de la batería debido a diferencias individuales en la batería, diferencias de temperatura y otras razones durante el uso de la batería. Para evitar el deterioro de esta tendencia de desequilibrio, es necesario aumentar el voltaje de carga del paquete de baterías y cargar la batería de manera equilibrada, de modo de equilibrar las características de cada celda de la batería en el paquete de baterías y prolongar la duración. vida útil de la batería.
La carga de ecualización se encuentra en las etapas intermedia y tardía del proceso de carga de la batería de potencia. Cuando el voltaje de la celda de la batería de energía alcanza o excede el voltaje de corte, el circuito de equilibrio comienza a trabajar para reducir la corriente de la celda de la batería de energía con el fin de limitar el voltaje de la celda de la batería de energía para que no sea mayor que el voltaje de corte de carga. La única función de la carga de ecualización es evitar la sobrecarga, y traerá efectos negativos durante el uso de la descarga.
Cuando se usa la carga de ecualización, la celda de la batería de potencia de pequeña capacidad no se sobrecarga, y la cantidad de energía que se puede liberar es menor que la potencia que se puede liberar cuando el ecualizador no se usa para una sobrecarga ligera, lo que hace que la celda de la batería se descargue. tiempo más corto y posible sobredescarga El sexo es aún mayor.
2. Necesidad de igualar la carga:
Con el nivel actual y la tecnología de fabricación de baterías de litio, en el proceso de producción de celdas de batería de litio, habrá diferencias sutiles entre cada celda de batería de litio, que es el problema de consistencia. La inconsistencia se manifiesta principalmente en la celda de la batería de litio. Capacidad, resistencia interna, tasa de autodescarga, eficiencia de carga-descarga, etc. La inconsistencia de las celdas de la batería de litio se transmite al paquete de baterías de litio, lo que inevitablemente provocará la pérdida del paquete de baterías de litio&La capacidad, que a su vez conduce a una disminución en la vida.
En el proceso de uso de la batería de litio ensamblada, también aparecerá la inconsistencia de los monómeros debido al grado de autodescarga y la temperatura de las piezas. La inconsistencia de los monómeros de la batería de litio afecta la carga y descarga del paquete de baterías de litio. característica. Los estudios han demostrado que una diferencia del 20% en la capacidad de las celdas de las baterías de litio provocará aproximadamente el 40% de la pérdida de capacidad de los paquetes de baterías de litio.
El significado del equilibrio de la batería de litio es utilizar tecnología electrónica de potencia para mantener la desviación de voltaje de la celda de la batería de litio de iones de litio o el voltaje del paquete de batería de litio dentro del rango esperado, a fin de garantizar que se mantenga cada batería de litio. durante el uso normal. El mismo estado para evitar la ocurrencia de sobrecarga y sobredescarga. Si no se lleva a cabo el control de equilibrio, a medida que aumentan los ciclos de carga y descarga, el voltaje de cada batería de litio se diferenciará gradualmente y la vida útil se reducirá considerablemente.
La inconsistencia de las celdas de la batería de litio se deteriorará aún más con el tiempo bajo la influencia de factores aleatorios como la temperatura. En circunstancias normales, cuando la temperatura del entorno operativo de la batería de litio es 10 ° C más alta que su temperatura óptima, la vida útil de la batería de litio se reducirá a la mitad. Debido a la gran cantidad de sistemas de baterías de litio para vehículos en serie, generalmente entre las series 88 y 100, su capacidad es generalmente de 20 a 60 kWh, y la ubicación de cada cadena de baterías de litio es diferente, lo que provocará una diferencia de temperatura.
Incluso en la misma caja de batería, habrá una diferencia de temperatura debido a la ubicación y el calentamiento de la batería de litio, y esta diferencia de temperatura tendrá un impacto negativo importante en la vida útil de la batería de litio, lo que provocará que la batería de litio parecer desequilibrado, y el rango de crucero disminuirá. , El ciclo de vida se acorta. Es precisamente debido a estos problemas que la capacidad de todo el sistema de batería no se puede utilizar por completo, lo que provoca pérdidas del sistema de batería, y la mitigación de dichas pérdidas también prolongará en gran medida la vida útil del sistema de batería.
La consistencia entre las celdas de la batería de litio es la influencia más directa e importante en la capacidad de la batería de litio, porque la capacidad de la batería de litio es un parámetro que no se puede medir directamente en poco tiempo, pero la capacidad de la celda de la batería de litio es Existe una correspondencia uno a uno entre los voltajes de circuito abierto. El voltaje de una celda de batería de litio se puede medir en línea en tiempo real, lo que la convierte en una condición favorable para medir el nivel de consistencia de una celda de batería de litio. En la estrategia de gestión del sistema de gestión de la batería, existen condiciones de terminación de descarga, condiciones de terminación de carga, etc., en las que el valor de voltaje de la celda de la batería de litio se utiliza como condición de activación.
Para un parámetro en esta posición, la diferencia excesiva en la consistencia de voltaje de las celdas de la batería de litio limita directamente la potencia de carga y descarga del paquete de baterías de litio. En base a esto, el uso del método de ecualización de la batería de litio para resolver el problema de la diferencia de voltaje excesiva del paquete de batería de litio que ya está en funcionamiento es una medida eficaz para aumentar la capacidad del paquete de batería de litio y prolongar la vida útil de la batería. la batería de litio.
En segundo lugar, las ventajas y desventajas del equilibrio pasivo.
En la gestión de la ecualización de los paquetes de baterías de litio, los métodos actuales para la ecualización de voltaje de los paquetes de baterías de litio en serie-paralelo se dividen en ecualización pasiva y ecualización activa. Generalmente, el balance de tipo de consumo de energía se define como balance pasivo. El equilibrio pasivo utiliza resistencias para consumir la energía de las baterías de alto voltaje o carga alta para lograr el propósito de reducir la brecha entre las diferentes baterías. Es un tipo que consume energía. equilibrado. En la actualidad, existen muchos sistemas de gestión de baterías que adoptan el equilibrio pasivo en el mercado. Debido a que la tecnología de balance pasivo se aplica en el mercado de baterías de litio antes que el balance activo, la tecnología es relativamente madura y la estructura de balance pasivo es más simple y más ampliamente utilizada.
La gestión del equilibrio de los paquetes de baterías de litio incluye el equilibrio de voltaje, el equilibrio de corriente y el equilibrio de temperatura. Entre ellos, el equilibrio de voltaje de los paquetes de baterías de litio es el más básico, es decir, el equilibrio de voltaje de las celdas de las baterías de litio en los paquetes de baterías de litio en serie. De manera similar, el balance de corriente se refiere al balance de la corriente de cada celda de batería de litio en el paquete de batería de litio en paralelo.
En los paquetes de baterías de litio, la razón por la que el rendimiento de las celdas de las baterías de litio decae demasiado rápido es que la corriente es inconsistente y las celdas individuales funcionan en condiciones de sobrevaloración, lo que provoca una disminución excesiva del rendimiento. La diferencia de temperatura de las celdas de la batería de litio es causada por una generación de calor inconsistente y una disipación de calor inconsistente. En la actualidad, el equilibrio de temperatura de los paquetes de baterías de litio generalmente se resuelve mediante métodos físicos como el enfriamiento por aire natural, el enfriamiento por aire forzado y el enfriamiento por líquido.
Debido a que la ecualización pasiva utiliza resistencias para consumir energía, se genera calor y la corriente de ecualización es pequeña, lo que reduce la eficiencia de todo el sistema. Según los requisitos de la gestión térmica, la ecualización pasiva solo se puede ecualizar sección por sección. Las baterías de litio son muy sensibles al calor y es necesario evitar absolutamente el aumento de la temperatura exterior. La ecualización pasiva provocará un calentamiento local del paquete de baterías de litio y las altas temperaturas aumentarán la tasa de fallas de los componentes. Por ello, ante el calor generado por el equilibrio pasivo, se plantean requisitos especiales para la seguridad y el diseño estructural de las baterías de litio.
3. El principio de funcionamiento del equilibrio pasivo
La ecualización pasiva generalmente descarga las baterías de litio con mayor voltaje a través de la descarga de resistencia y libera electricidad en forma de calor, para ganar más tiempo de carga para otras baterías de litio. Durante el proceso de carga, la batería de litio generalmente tiene un valor de voltaje de protección de límite superior de carga. Si el voltaje durante la carga excede este valor, que comúnmente se conoce como&"sobrecarga &", la batería de litio puede quemarse o explotar.
Por lo tanto, la placa de protección de la batería de litio generalmente tiene una función de protección de sobrecarga para evitar que la batería de litio se sobrecargue. Es decir, cuando una cadena de baterías de litio alcanza este valor de voltaje, la placa de protección de la batería de litio corta el circuito de carga y deja de cargar.
La ecualización de carga se encuentra en las etapas media y tardía del proceso de carga de la batería de potencia, cuando el voltaje de la celda de la batería de potencia alcanza o supera el voltaje de corte, el circuito de ecualización comienza a funcionar para reducir la corriente de la celda de la batería de potencia, con el fin de limitar la El voltaje de la celda de la batería de alimentación no debe ser mayor que el voltaje de corte de carga. La única función de la ecualización de carga es evitar la sobrecarga y traerá efectos negativos durante el uso de la descarga. Cuando se usa la ecualización de carga, la celda de la batería de potencia de pequeña capacidad no se sobrecarga, y la cantidad de energía que se puede liberar es menor que la energía que se puede liberar cuando el ecualizador no se usa para una sobrecarga ligera, lo que hace que la celda de la batería se descargue. tiempo más corto y posible sobredescarga El sexo es aún mayor.
El diagrama esquemático de la pérdida de capacidad del paquete de baterías de litio durante la carga se muestra en la Figura 1. En la Figura 1, el voltaje terminal de la batería de litio 2 # se carga primero al valor de voltaje de protección establecido, lo que activa el mecanismo de protección del circuito de protección de la batería de litio y detiene el litio. La carga de la batería de alimentación hace que las baterías de litio 1 #, 3 ## y 4 no puedan cargarse por completo. La capacidad de carga completa de todo el paquete de baterías de litio se limita a la batería de litio 2 #, lo que hace que el paquete de baterías de litio no se cargue por completo. Para cargar completamente la batería de litio, se debe utilizar un circuito de carga de ecualización durante la carga.
Durante el proceso de carga de la batería de litio, cada batería de litio está equipada con un circuito de ecualización como se muestra en la Figura 2 (cada batería de litio está conectada con un circuito de ecualización de estabilización de voltaje paralelo), y cada batería de litio está controlada por el circuito de ecualización durante la carga. El voltaje de la batería de litio mantiene cada cadena de baterías de litio en el mismo estado, lo que garantiza el rendimiento y la vida útil de la batería de litio.
Si el voltaje establecido por el circuito de ecualización de la batería de litio es de 4,2 V, cuando la batería de litio no alcanza los 4,2 V, el circuito regulador de voltaje paralelo no funciona, cada batería de litio continúa cargándose y la corriente de carga continúa pasar a través de la batería de litio. Como se muestra en la Figura 3.
Cuando el voltaje del terminal de la batería de litio 2 # alcanza los 4,2 V, el circuito de ecualización comienza a funcionar y estabilizará el voltaje a 4,2 V, es decir, la corriente de carga ya no pasará a través de la batería de litio 2 #, como se muestra en la Figura 4. De esta manera, el tiempo de carga de las baterías de litio 1 #, 3 # y 4 # se prolonga de manera correspondiente, aumentando así la energía de todo el paquete de baterías de litio. Sin embargo, el 100% de la energía descargada de la batería de litio n. ° 2 se convierte en liberación de calor, lo que genera una gran cantidad de desperdicio (la disipación de calor de la batería de litio n. ° 2 es una pérdida del sistema y un desperdicio de energía). ).
El principio de funcionamiento del circuito regulador de derivación que se muestra en la Figura 2 es: TL431 es el voltaje de referencia, y el voltaje se ajusta a 4.2V ajustando la resistencia variable. Si los dos extremos de la batería de litio tienen menos de 4,2 V, el TL431 no absorbe corriente, es decir, Ib=0 por debajo, por lo que Ic=0, el transistor se corta y la corriente de carga todavía pasa a través del litio. batería de energía. Si ambos extremos de la batería de litio alcanzan los 4,2 V, el TL431 comienza a absorber corriente, Ib> 0, y la corriente de carga (es decir, Ic) pasa a través del triodo y no pasa a través de la batería de litio, es decir , la batería de litio ya no está cargada.
Los tres diodos IN4001 conectados en serie en el circuito actúan como un divisor de voltaje, lo que puede reducir la potencia disipada en el transistor TIP42. Si estos tres diodos IN4001 no están conectados, la potencia se disipa en el transistor TIP42: P=4.2V × corriente de carga, después de agregar el diodo IN4001, P=(4.2V-3 × 0.7V) × corriente de carga. El diodo emisor de luz en el extremo derecho tiene una función de indicación. La luz está encendida, indicando que el voltaje ha alcanzado los 4.2V, es decir, la batería correspondiente a este circuito de ecualización está completamente cargada.
En cuarto lugar, las características del circuito de carga de ecualización basadas en la resistencia en derivación.
El circuito de equilibrio más simple es el equilibrio del consumo de carga, es decir, se conecta una resistencia en paralelo a cada batería de litio y se conecta un interruptor en serie para el control. Cuando el voltaje de una batería de litio es demasiado alto, el interruptor se enciende y la corriente de carga se deriva a través de la resistencia. De esta manera, la batería de litio de alto voltaje tiene una pequeña corriente de carga y la batería de litio de bajo voltaje tiene una gran corriente de carga. De esta manera, se puede equilibrar el voltaje de la batería de litio, pero este método solo se puede aplicar a baterías de litio de pequeña capacidad. No es realista para la capacidad de la batería de litio.
Conecte resistencias en paralelo en ambos extremos de la celda de la batería de litio para permitir que la resistencia consuma parte de la energía de la batería de litio. Hay dos formas de resistencia paralela. Uno es una conexión fija. La resistencia está conectada en paralelo en ambos extremos de la batería de litio durante mucho tiempo. El voltaje de la celda de la batería de energía de litio Cuando es alto, la corriente a través de la resistencia es grande y consume más energía. Cuando el voltaje de la batería de litio es bajo, la resistencia consume menos energía. A través de la característica de resistencia sensible a la presión, se realiza el equilibrio de voltaje del terminal de la batería de litio. Este es un método teóricamente factible y rara vez se utiliza en la práctica.
Analizar la necesidad de la ecualización de la batería de litio y las características del circuito de carga de ecualización pasiva
Otra forma de conectar resistencias en paralelo es conectar resistencias en paralelo en ambos extremos de la celda a través de un bucle de conmutación. El interruptor se activa mediante una señal del sistema de gestión. Cuando el sistema determina qué voltaje de celda o SOC es alto, conecta su resistencia en paralelo para consumir su energía.
El principio de carga equilibrada basado en la resistencia de derivación se muestra en la Figura 5, es decir, cada celda de la batería de litio está conectada en paralelo con una resistencia de derivación. En el circuito que se muestra en la Figura 5, se puede ver que la corriente de derivación en la resistencia debe ser mucho mayor que la de la batería de litio. La corriente de autodescarga puede lograr el efecto de carga equilibrada. Generalmente, la corriente de autodescarga de una batería de litio es aproximadamente C / 20000, por lo que C / 200 es más apropiado para la corriente que fluye a través de la resistencia de derivación. Además, la desviación de cada resistencia en derivación también es un factor importante que afecta el efecto de ecualización. Después de un cierto número de ciclos de carga y descarga, la desviación de la celda de la batería de litio se puede determinar mediante la siguiente fórmula:
Analizar la necesidad de la ecualización de la batería de litio y las características del circuito de carga de ecualización pasiva
Donde: VC es la desviación de voltaje de la batería de litio; R es la resistencia en derivación; I es la corriente de autodescarga de la batería de litio; VD es el voltaje de la celda de la batería de litio; K es la desviación de la resistencia.
Si la resistencia en derivación es de 20 Ω ± 0,05%, la desviación de voltaje de la batería de litio se puede controlar dentro del rango de 50 mV. La potencia promedio de cada resistencia es de 0,72 W, pero la resistencia de derivación siempre consume energía independientemente del proceso de carga o descarga de la batería de litio.
En la Figura 6 se muestra el principio de carga equilibrada basada en la resistencia en derivación con la adición de un interruptor de encendido y apagado. puede ser controlado por el software del sistema de control, también puede ser realizado por circuitos lógicos simples. El circuito de ecualización que adopta este modo de control solo funciona en la sección de carga de voltaje constante de la carga de la batería de litio, y el interruptor de encendido y apagado siempre está apagado en otros momentos, de modo que cuando la batería de litio se descarga, la resistencia de derivación no consumir energía. Pero la principal desventaja de este circuito es que la tasa de falla del interruptor de encendido y apagado es relativamente alta y se requieren medios redundantes.
