Балансування комірок у літієвій BMS — пасивне та активне, і чому це функція безпеки

Гід про типи батарей ДБЖ — VRLA і літій описує відмінність між обома технологіями на рівні системи. Ця стаття йде на рівень глибше: як система керування батареєю (BMS) літієвого батарейного блоку безперервно балансує окремі комірки в послідовному ланцюзі, і чому ця функція — на відміну від VRLA-батареї, де балансування навряд чи відіграє роль, — для літію є критичною для безпеки функцією, а не просто засобом максимізації корисної ємності.

Чому комірки в послідовному ланцюзі розходяться

Літієвий батарейний блок складається з десятків-сотень комірок, з'єднаних послідовно для досягнення потрібної системної напруги. Навіть комірки одного типу й однієї виробничої партії на практиці завжди трохи розходяться за індивідуальною ємністю, внутрішнім опором і саморозрядом. При повторюваних циклах заряду/розряду ця різниця поступово збільшується: комірка з найменшою ємністю першою досягає своєї максимальної напруги під час заряду і першою досягає своєї мінімальної напруги під час розряду — тоді як інші комірки в послідовному ланцюзі ще мають запас. Без корекції ця одна "найслабша" комірка обмежує корисну ємність усього блоку, і — що важливіше — ця комірка при подальшому заряді наражається на ризик перенапруги, що для літієвих комірок може бути прямим тригером теплового розгону (thermal runaway).

Пасивне балансування: відведення надлишкової енергії у вигляді тепла

Пасивне балансування (резистивне балансування) підключає невеликий опір паралельно до комірок, що наближаються до верхньої межі свого діапазону напруги, відводячи надлишковий заряд у вигляді тепла, доки напруга комірки знову не зрівняється з іншими комірками ланцюга. Це найпростіша й найдешевша реалізація, але вона має два притаманні їй недоліки: відведена енергія повністю втрачається у вигляді тепла (замість використання деінде в блоці), а струм балансування зазвичай обмежений десятками-сотнями міліампер — за великої різниці ємності між комірками пасивне балансування може тому виявитися занадто повільним для повної корекції в межах одного циклу заряду.

Активне балансування: передавання енергії замість її витрачання

Активне балансування переміщує заряд від комірок із вищою напругою до комірок із нижчою напругою — через комутований перетворювач (ємнісне чи індуктивне передавання енергії) — замість відведення надлишкової енергії у вигляді тепла. Це значно ефективніше та дозволяє працювати з вищими струмами балансування, що особливо актуально для великих блоків зі значною кількістю комірок або великою різницею ємності між комірками (наприклад, після часткового старіння комірок). Зворотний бік — значно вища складність і вартість BMS порівняно з пасивною реалізацією.

Чому це насамперед функція безпеки

Для літієвої комірки структурне перевищення максимальної напруги комірки призводить до пришвидшеного розкладання електроліту і, за стійкої перенапруги, до теплового розгону — самопідсилювальної екзотермічної реакції, яку вже неможливо контролювати звичайним охолодженням. Балансування комірок запобігає досягненню однією окремою, слабшою коміркою в послідовному ланцюзі небезпечної перенапруги під час заряду, тоді як напруга блоку загалом усе ще здається такою, що перебуває в нормальних межах — вимірювання напруги блоку саме собою не виявляє перенапругу окремої комірки. IEC 62619 (вимоги безпеки до літієвих комірок і батарей для промислового застосування) та IEC 63056 (вимоги безпеки спеціально для літієвих систем стаціонарного накопичення енергії) тому встановлюють вимоги як до моніторингу напруги кожної комірки, так і до функціонування функції балансування як частини загальної безпеки батареї, а не як зручної функції для збереження ємності.

Практична значущість

Під час оцінювання літієвої BMS (у ДБЖ, домашній батареї чи електромобілі) необхідно перевірити, чи відстежує система індивідуальні напруги комірок (а не лише напругу блоку), чи реєструється і чи повідомляється тривога або несправність балансування як окрема подія, і чи відповідає потужність балансування (пасивної чи активної) розміру та очікуваному розкиду ємності конкретного блоку — занижена за потужністю пасивна балансування на великому блоці зі значно розбіжним старінням комірок може структурно відставати у відновленні балансу.

Часті помилки

1. Відстежувати лише сумарну напругу блоку без моніторингу індивідуальних напруг комірок — окрема комірка може досягти небезпечної перенапруги, тоді як напруга блоку загалом усе ще здається нормальною.
2. Вважати балансування комірок лише оптимізацією ємності, а не функцією безпеки — тривало несправна функція балансування збільшує ризик перенапруги комірки при подальших циклах заряду.
3. Ігнорувати несправність балансування, оскільки блок ще "нормально" функціонує — деградація балансу між комірками зазвичай поступова й стає помітною у корисній ємності лише в довгостроковій перспективі, тоді як базовий ризик безпеки присутній уже раніше.
4. Вважати пасивне й активне балансування функціонально рівноцінними під час оцінювання великого блоку — за значної різниці ємності між комірками пасивна система може бути структурно занадто повільною для корекції в межах одного циклу заряду.

Пов'язані матеріали

• Типи батарей ДБЖ — VRLA і літій
• Безперервність ДБЖ для кліматкомп'ютерів і критичних процесів
• Байпас ДБЖ — статичний байпас, сервісний байпас і ризик зворотного живлення
• Водневі паливні елементи як резервне живлення