Balansowanie ogniw BMS — balansowanie pasywne kontra aktywne w systemach baterii litowych, i co to oznacza dla kontroli

Przewodnik o ucieczce termicznej/bezpieczeństwie pożarowym litowo-jonowych BESS opisuje, co dzieje się po tym, jak ogniwo już uległo awarii. Ten artykuł dotyczy wcześniejszej, prewencyjnej funkcji systemu zarządzania baterią (BMS), która istnieje właśnie po to, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo, że ogniwo kiedykolwiek osiągnie ten punkt awarii poprzez przeładowanie: balansowanie ogniw.

Dlaczego balansowanie jest w ogóle potrzebne

Pakiet baterii litowej jest zbudowany z wielu pojedynczych ogniw połączonych szeregowo, aby osiągnąć wymagane napięcie systemowe. Żadne dwa ogniwa nie są idealnie identyczne: niewielkie różnice produkcyjne w pojemności i rezystancji wewnętrznej, w połączeniu z nieco różnymi temperaturami w całym pakiecie, oznaczają, że podczas cykli ładowania i rozładowania poszczególne ogniwa z czasem rozjeżdżają się w stanie naładowania (SoC). Pozostawione bez korekty, to rozjeżdżanie się kumuluje: ogniwo o najwyższym SoC w łańcuchu osiąga swój górny limit napięcia wcześniej niż pozostałe, co albo wymusza przedwczesne zatrzymanie ładowania całego łańcucha (marnując pojemność niższych ogniw), albo, jeśli ładowanie trwa bez interwencji BMS, pcha to pojedyncze ogniwo w przepięcie — warunek wstępny przyspieszonej degradacji i, w najgorszym przypadku, ucieczki termicznej. Balansowanie ogniw istnieje po to, aby utrzymać wszystkie ogniwa łańcucha wystarczająco blisko siebie pod względem SoC, tak aby żaden z tych skutków nie wystąpił.

Balansowanie pasywne

Balansowanie pasywne (rezystancyjne, spalające) jest prostszym i zdecydowanie bardziej powszechnym podejściem w zastosowaniach wrażliwych na koszty. Każde ogniwo ma mały rezystor upustowy i przełącznik (zwykle MOSFET) sterowany przez BMS; gdy napięcie ogniwa wzrasta powyżej sąsiadów podczas ładowania, BMS włącza jego rezystor upustowy do obwodu, rozpraszając nadmiar ładunku jako ciepło, aż SoC tego ogniwa wróci do zgodności z resztą łańcucha. Typowe prądy upustowe są skromne, zwykle w zakresie dziesiątek miliamperów, co oznacza, że balansowanie pasywne koryguje rozjeżdżanie się powoli, na przestrzeni wielu cykli ładowania, i tylko podczas ładowania (nie koryguje ono w żaden sposób niezrównoważenia, które powstało podczas spoczynku lub rozładowania). Ponieważ odrzuca energię jako ciepło zamiast ją przenosić, balansowanie pasywne jest z natury stratne, ale jego prostota, mała liczba komponentów i niski koszt czynią je domyślnym wyborem dla wielu konsumenckich i lekkich przemysłowych pakietów litowych.

Balansowanie aktywne

Balansowanie aktywne zamiast tego przenosi ładunek z ogniw o wyższym SoC do ogniw o niższym SoC, wykorzystując elementy indukcyjne (topologie przetwornic flyback lub buck-boost), pojemnościowe obwody przenoszenia ładunku, lub małe przetwornice DC-DC między sąsiednimi ogniwami lub z każdego ogniwa do wspólnej szyny. Ponieważ energia jest przenoszona, a nie spalana, balansowanie aktywne może korygować znacznie większe niezrównoważenia i robić to szybciej, oraz może działać zarówno podczas rozładowania, jak i ładowania — zaleta w zastosowaniach takich jak pojazdy elektryczne czy magazyny stacjonarne, gdzie cyklowanie jest częste, a niezrównoważenie może powstawać nieprzerwanie. Sprzęt balansowania aktywnego jest bardziej złożony i droższy w przeliczeniu na ogniwo niż prosty rezystor upustowy, a jego własne elementy przełączające wprowadzają dodatkowy potencjalny tryb awarii, który funkcje diagnostyczne BMS muszą monitorować, ale dobrze zaimplementowane balansowanie aktywne osiąga wyraźnie lepszą efektywność (często podawany zakres 85-95% dla faktycznie redystrybuowanej energii) niż podejście "odrzuć jako ciepło" balansowania pasywnego.

Co to oznacza podczas kontroli

Dla każdego, kto kontroluje lub konserwuje stacjonarny lub mobilny system baterii litowej w ramach okresowej kontroli w stylu NEN 3140, architektura balansowania nie jest tylko szczegółem specyfikacji — kształtuje ona, jak faktycznie wygląda rozwijająca się usterka. W pakiecie z balansowaniem pasywnym ogniwo, które nie potrafi utrzymać kroku z sąsiadami mimo powtarzających się cykli balansowania (rosnąca rozbieżność SoC, lub dziennik BMS pokazujący, że rezystor upustowy tego konkretnego ogniwa jest aktywny niemal przy każdym cyklu ładowania), jest wczesnym sygnałem ostrzegawczym spadającej pojemności lub rosnącej rezystancji wewnętrznej tego ogniwa, na długo zanim stanie się to zdarzeniem bezpieczeństwa. W pakiecie z balansowaniem aktywnym nieoczekiwany wzrost niezrównoważenia mimo aktywnie działającego obwodu balansowania wskazuje albo na awarię ogniwa, z którą balansowanie aktywne faktycznie nie nadąża, albo na usterkę samego sprzętu balansowania (uszkodzony element przełączający lub kanał przetwornicy) — rozróżnienie istotne dla tego, czy właściwą reakcją jest dochodzenie na poziomie ogniwa, czy dochodzenie w sprzęcie BMS.

Znaczenie praktyczne

Przegląd dzienników balansowania BMS i wszelkiej dostępnej historii napięcia poszczególnych ogniw — tam, gdzie system monitorowania ją udostępnia — jako część okresowej kontroli stacjonarnych instalacji bateryjnych daje wczesną wskazówkę degradacji na poziomie ogniwa na długo przed wyzwoleniem alarmu napięcia lub temperatury, i pomaga odróżnić normalny, stopniowo zbieżny cykl balansowania od uporczywego, pogarszającego się niezrównoważenia, które uzasadnia eskalację do dostawcy baterii lub decyzję o wymianie ogniwa.

Częste błędy

1. Zakładanie, że każdy pakiet litowy z działającym BMS samokoryguje się niezależnie od nasilenia niezrównoważenia — balansowanie pasywne w szczególności ma ograniczony prąd upustowy i nie może skorygować dużego lub szybko powstającego niezrównoważenia w ramach normalnego cyklu ładowania.
2. Niesprawdzanie, jaka topologia balansowania jest zamontowana przed interpretacją objawów rozbieżności SoC, ponieważ ten sam objaw (jedno ogniwo odbiegające od pozostałych) wskazuje na różne prawdopodobne przyczyny i różną pilność w zależności od tego, czy system jest balansowany pasywnie czy aktywnie.
3. Traktowanie aktywności obwodu balansowania jako z natury nieprawidłowej, podczas gdy skromna, cykl-po-cyklu praca balansowania jest normalnym, oczekiwanym zachowaniem zdrowego pakietu; nieprawidłowym wzorcem jest uporczywe, pogarszające się lub niezwykle duże niezrównoważenie, a nie sama aktywność balansowania.
4. Pomijanie, że balansowanie pasywne działa tylko podczas ładowania przy diagnozowaniu pakietu wykazującego niezrównoważenie głównie po głębokich cyklach rozładowania — ten wzorzec jest oczekiwany dla systemów pasywnych i sam w sobie nie jest dowodem usterki.

Powiązane

• Litowo-jonowe BESS — ucieczka termiczna i bezpieczeństwo pożarowe
• Domowy magazyn energii bateryjnej
• Wentylacja pomieszczenia baterii stacjonarnych
• Pomieszczenie ładowania baterii wózków widłowych