Balansowanie ogniw w litowym BMS — pasywne kontra aktywne, i dlaczego jest to funkcja bezpieczeństwa

Przewodnik o typach baterii UPS — VRLA i lit opisuje różnicę między obiema technologiami na poziomie systemu. Ten artykuł schodzi o poziom głębiej: jak system zarządzania baterią (BMS) pakietu baterii litowej w sposób ciągły balansuje poszczególne ogniwa w łańcuchu szeregowym oraz dlaczego ta funkcja — w przeciwieństwie do baterii VRLA, gdzie balansowanie prawie nie odgrywa roli — dla litu jest funkcją krytyczną dla bezpieczeństwa, a nie jedynie środkiem do maksymalizacji użytecznej pojemności.

Dlaczego ogniwa w szeregu rozjeżdżają się

Pakiet baterii litowej składa się z dziesiątek do setek ogniw połączonych szeregowo, aby osiągnąć pożądane napięcie systemowe. Nawet ogniwa tego samego typu i tej samej partii produkcyjnej w praktyce zawsze nieznacznie się różnią pod względem indywidualnej pojemności, rezystancji wewnętrznej i samorozładowania. Przy powtarzających się cyklach ładowania/rozładowania ta różnica stopniowo się powiększa: ogniwo o najmniejszej pojemności jako pierwsze osiąga maksymalne napięcie podczas ładowania i jako pierwsze osiąga minimalne napięcie podczas rozładowania — podczas gdy pozostałe ogniwa w łańcuchu szeregowym wciąż mają zapas. Bez korekty to jedno "najsłabsze" ogniwo ogranicza więc użyteczną pojemność całego pakietu, a — co ważniejsze — to ogniwo przy dalszym ładowaniu ryzykuje przepięcie, co dla ogniw litowych może być bezpośrednim wyzwalaczem ucieczki termicznej (thermal runaway).

Balansowanie pasywne: odprowadzanie nadmiaru energii jako ciepła

Balansowanie pasywne (rezystancyjne) włącza mały rezystor równolegle do ogniw zbliżających się do górnej granicy swojego zakresu napięcia, odprowadzając nadmiar ładunku jako ciepło, aż napięcie ogniwa ponownie zrówna się z pozostałymi ogniwami łańcucha. Jest to najprostsza i najtańsza implementacja, ale ma dwie nieodłączne wady: odprowadzona energia jest całkowicie tracona jako ciepło (zamiast być wykorzystana gdzie indziej w pakiecie), a prąd balansowania jest zwykle ograniczony do dziesiątek-setek miliamperów — przy dużej różnicy pojemności między ogniwami balansowanie pasywne może więc być zbyt wolne, aby w pełni skorygować w ciągu jednego cyklu ładowania.

Balansowanie aktywne: przenoszenie energii zamiast jej marnowania

Balansowanie aktywne przenosi ładunek z ogniw o wyższym napięciu do ogniw o niższym napięciu — poprzez przełączający przetwornik (pojemnościowe lub indukcyjne przenoszenie energii) — zamiast odprowadzać nadmiar energii jako ciepło. Jest to znacznie bardziej wydajne i pozwala pracować z wyższymi prądami balansowania, co jest szczególnie istotne dla dużych pakietów o znacznej liczbie ogniw lub dużej różnicy pojemności między ogniwami (na przykład po częściowym starzeniu ogniw). Wadą jest znacznie większa złożoność i koszt BMS w porównaniu z implementacją pasywną.

Dlaczego jest to przede wszystkim funkcja bezpieczeństwa

Dla ogniwa litowego strukturalne przekroczenie maksymalnego napięcia ogniwa prowadzi do przyspieszonego rozkładu elektrolitu i, przy utrzymującym się przepięciu, do ucieczki termicznej — samowzmacniającej się reakcji egzotermicznej, której nie da się już kontrolować zwykłym chłodzeniem. Balansowanie ogniw zapobiega temu, by pojedyncze, słabsze ogniwo w łańcuchu szeregowym osiągnęło niebezpieczne przepięcie podczas ładowania, podczas gdy napięcie całego pakietu wciąż wydaje się mieścić w normalnych granicach — sam pomiar napięcia pakietu nie ujawnia przepięcia pojedynczego ogniwa. IEC 62619 (wymagania bezpieczeństwa dla ogniw i baterii litowych do zastosowań przemysłowych) oraz IEC 63056 (wymagania bezpieczeństwa specjalnie dla systemów litowych do stacjonarnego magazynowania energii) nakładają zatem wymagania zarówno na monitorowanie napięcia poszczególnych ogniw, jak i na funkcjonowanie funkcji balansowania jako części ogólnego bezpieczeństwa baterii, a nie jako funkcji komfortu dla zachowania pojemności.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie litowego BMS (w UPS, baterii domowej lub pojeździe elektrycznym) należy sprawdzić, czy system monitoruje indywidualne napięcia ogniw (a nie tylko napięcie pakietu), czy alarm lub usterka balansowania są rejestrowane i zgłaszane jako osobne zdarzenie, oraz czy moc balansowania (pasywna lub aktywna) jest dopasowana do wielkości i oczekiwanego rozrzutu pojemności konkretnego pakietu — niedowymiarowane pasywne balansowanie w dużym pakiecie ze znacznie rozbieżnym starzeniem ogniw może strukturalnie pozostawać w tyle w przywracaniu równowagi.

Częste błędy

1. Monitorowanie tylko całkowitego napięcia pakietu bez monitorowania indywidualnych napięć ogniw — pojedyncze ogniwo może osiągnąć niebezpieczne przepięcie, podczas gdy napięcie pakietu jako całości wciąż wydaje się normalne.
2. Traktowanie balansowania ogniw jedynie jako optymalizacji pojemności zamiast funkcji bezpieczeństwa — długotrwale niesprawna funkcja balansowania zwiększa ryzyko przepięcia ogniwa przy kolejnych cyklach ładowania.
3. Ignorowanie usterki balansowania, ponieważ pakiet nadal "normalnie" działa — degradacja równowagi między ogniwami jest zwykle stopniowa i staje się zauważalna w użytecznej pojemności dopiero w dłuższej perspektywie, podczas gdy leżące u podstaw zagrożenie bezpieczeństwa jest obecne już wcześniej.
4. Traktowanie balansowania pasywnego i aktywnego jako funkcjonalnie równoważnych przy ocenie dużego pakietu — przy znacznej różnicy pojemności między ogniwami system pasywny może być strukturalnie zbyt wolny, aby skorygować w ciągu jednego cyklu ładowania.

Powiązane

• Typy baterii UPS — VRLA i lit
• Ciągłość UPS dla komputerów klimatycznych i procesów krytycznych
• Bypass UPS — bypass statyczny, bypass serwisowy i ryzyko zasilania zwrotnego
• Wodorowe ogniwa paliwowe jako zasilanie awaryjne