Балансировка элементов BMS — пассивная и активная балансировка в литиевых аккумуляторных системах, и что это значит для проверки

Гид по тепловому разгону и пожарной безопасности литий-ионных СНЭ описывает, что происходит после того, как элемент уже отказал. Эта статья посвящена более ранней, профилактической функции системы управления батареей (BMS), которая существует именно для снижения вероятности того, что элемент когда-либо достигнет этой точки отказа через перезаряд: балансировка элементов.

Зачем вообще нужна балансировка

Литиевая батарея собирается из множества отдельных элементов, соединённых последовательно для достижения требуемого системного напряжения. Никакие два элемента не идентичны абсолютно: небольшие производственные различия в ёмкости и внутреннем сопротивлении, в сочетании с немного разными температурами по всей батарее, приводят к тому, что во время циклов заряда и разряда отдельные элементы со временем расходятся по уровню заряда (SoC). Если это не корректировать, расхождение усиливается: элемент с наивысшим SoC в цепочке достигает своего верхнего предела напряжения раньше остальных, что либо вынуждает прекратить заряд всей цепочки раньше времени (теряя ёмкость более низких элементов), либо, если заряд продолжается без вмешательства BMS, толкает этот отдельный элемент в перенапряжение — предпосылку для ускоренной деградации и, в худшем случае, теплового разгона. Балансировка элементов существует для того, чтобы удерживать все элементы цепочки достаточно близко друг к другу по SoC, чтобы ни один из этих исходов не наступал.

Пассивная балансировка

Пассивная (резистивная разрядная) балансировка — более простой и намного более распространённый подход в чувствительных к стоимости применениях. Каждый элемент имеет небольшой разрядный резистор и переключатель (обычно MOSFET), управляемый BMS; когда напряжение элемента поднимается выше, чем у соседей во время заряда, BMS подключает его разрядный резистор в цепь, рассеивая избыточный заряд в виде тепла, пока SoC этого элемента не вернётся в соответствие с остальной частью цепочки. Типичные разрядные токи скромны, обычно в диапазоне десятков миллиампер, что означает, что пассивная балансировка корректирует расхождение медленно, на протяжении нескольких циклов заряда, и только во время заряда (она никак не корректирует небаланс, возникший во время покоя или разряда). Поскольку она отбрасывает энергию в виде тепла, а не перемещает её, пассивная балансировка изначально сопряжена с потерями, но её простота, малое количество компонентов и низкая стоимость делают её выбором по умолчанию для многих потребительских и лёгких промышленных литиевых батарей.

Активная балансировка

Активная балансировка вместо этого перемещает заряд от элементов с более высоким SoC к элементам с более низким SoC, используя индуктивные элементы (топологии обратноходового или понижающе-повышающего преобразователя), ёмкостные схемы «челночного» переноса заряда, или небольшие DC-DC преобразователи между соседними элементами или от каждого элемента к общей шине. Поскольку энергия переносится, а не сжигается, активная балансировка может корректировать значительно больший небаланс и делать это быстрее, а также может работать как во время разряда, так и во время заряда — преимущество в таких применениях, как электромобили или стационарные накопители, где циклирование частое, а небаланс может возникать непрерывно. Оборудование активной балансировки сложнее и дороже в расчёте на элемент, чем простой разрядный резистор, а её собственные переключающие компоненты вносят дополнительный потенциальный вид отказа, который диагностические функции BMS должны отслеживать, но хорошо реализованная активная балансировка достигает заметно лучшей эффективности (часто указывается диапазон 85-95% для реально перераспределённой энергии), чем подход «отбросить как тепло» пассивной балансировки.

Что это значит при проверке

Для любого, кто проверяет или обслуживает стационарную или мобильную литиевую аккумуляторную систему в рамках периодической проверки в стиле NEN 3140, архитектура балансировки — это не просто деталь спецификации, она формирует то, как реально выглядит развивающаяся неисправность. В пассивно сбалансированной батарее элемент, который не может удержаться в шаг со своими соседями несмотря на повторяющиеся циклы балансировки (растущее расхождение SoC, или журнал BMS, показывающий, что разрядный резистор конкретного элемента активен почти при каждом цикле заряда), — это раннее предупреждающее свидетельство снижения ёмкости или роста внутреннего сопротивления этого элемента, задолго до того, как это станет событием безопасности. В активно сбалансированной батарее неожиданный рост небаланса несмотря на активно работающую схему балансировки указывает либо на отказывающий элемент, с которым активная балансировка реально не справляется, либо на неисправность самого оборудования балансировки (отказавший переключающий элемент или канал преобразователя) — различие, важное для того, требуется ли расследование на уровне элемента или расследование аппаратной части BMS.

Практическая значимость

Просмотр журналов балансировки BMS и любой доступной истории напряжения по каждому элементу — где система мониторинга её предоставляет — как часть периодической проверки стационарных аккумуляторных установок даёт раннее указание на деградацию на уровне элемента задолго до срабатывания сигнализации по напряжению или температуре, и помогает отличить нормальный, постепенно сходящийся цикл балансировки от устойчивого, ухудшающегося небаланса, заслуживающего эскалации к поставщику батареи или решения о замене элемента.

Частые ошибки

1. Предположение, что любая литиевая батарея с работающей BMS самокорректируется независимо от тяжести небаланса — пассивная балансировка, в частности, имеет ограниченный разрядный ток и не может скорректировать большой или быстро возникающий небаланс в рамках обычного цикла заряда.
2. Отсутствие проверки, какая топология балансировки установлена, перед интерпретацией симптомов расхождения SoC, поскольку один и тот же симптом (один элемент отклоняется от других) указывает на разные вероятные причины и разную срочность в зависимости от того, пассивно или активно балансируется система.
3. Отношение к активности схемы балансировки как к изначально ненормальной, тогда как умеренная работа балансировки от цикла к циклу — это нормальное, ожидаемое поведение исправной батареи; ненормальный паттерн — это устойчивый, ухудшающийся или необычно большой небаланс, а не сама активность балансировки.
4. Игнорирование того, что пассивная балансировка работает только во время заряда при диагностике батареи, показывающей небаланс преимущественно после глубоких циклов разряда — этот паттерн ожидаем для пассивных систем и сам по себе не является свидетельством неисправности.

Связанные материалы

• Литий-ионные СНЭ — тепловой разгон и пожарная безопасность
• Домашнее накопление энергии в батарее
• Вентиляция помещения стационарных батарей
• Зарядное помещение аккумуляторов погрузчиков