Балансування елементів BMS — пасивне й активне балансування в літієвих акумуляторних системах, і що це означає для перевірки

Гід із теплового розгону та пожежної безпеки літій-іонних СНЕ описує, що відбувається після того, як елемент уже відмовив. Ця стаття присвячена ранішій, профілактичній функції системи керування батареєю (BMS), яка існує саме для зниження ймовірності того, що елемент коли-небудь досягне цієї точки відмови через перезаряд: балансування елементів.

Навіщо взагалі потрібне балансування

Літієва батарея складається з багатьох окремих елементів, з'єднаних послідовно для досягнення необхідної системної напруги. Жодні два елементи не є абсолютно ідентичними: невеликі виробничі відмінності в ємності та внутрішньому опорі, у поєднанні з дещо різними температурами по всій батареї, призводять до того, що під час циклів заряду й розряду окремі елементи з часом розходяться за рівнем заряду (SoC). Якщо це не коригувати, розходження посилюється: елемент із найвищим SoC у ланцюжку досягає свого верхнього ліміту напруги раніше за інші, що або змушує припинити заряд усього ланцюжка завчасно (втрачаючи ємність нижчих елементів), або, якщо заряд триває без втручання BMS, штовхає цей окремий елемент у перенапругу — передумову для прискореної деградації і, у гіршому разі, теплового розгону. Балансування елементів існує для того, щоб утримувати всі елементи ланцюжка достатньо близько один до одного за SoC, щоб жоден із цих наслідків не наставав.

Пасивне балансування

Пасивне (резистивне розрядне) балансування — простіший і значно поширеніший підхід у чутливих до вартості застосуваннях. Кожен елемент має невеликий розрядний резистор і перемикач (зазвичай MOSFET), керований BMS; коли напруга елемента піднімається вище, ніж у сусідів під час заряду, BMS підключає його розрядний резистор у коло, розсіюючи надлишковий заряд у вигляді тепла, поки SoC цього елемента не повернеться у відповідність із рештою ланцюжка. Типові розрядні струми скромні, зазвичай у діапазоні десятків міліампер, що означає, що пасивне балансування коригує розходження повільно, протягом кількох циклів заряду, і лише під час заряду (воно жодним чином не коригує небаланс, що виник під час спокою чи розряду). Оскільки воно відкидає енергію у вигляді тепла, а не переміщує її, пасивне балансування за своєю природою пов'язане з втратами, але його простота, мала кількість компонентів і низька вартість роблять його типовим вибором для багатьох споживчих і легких промислових літієвих батарей.

Активне балансування

Активне балансування натомість переміщує заряд від елементів із вищим SoC до елементів із нижчим SoC, використовуючи індуктивні елементи (топології зворотноходового чи знижувально-підвищувального перетворювача), ємнісні схеми «човникового» перенесення заряду, або невеликі DC-DC перетворювачі між сусідніми елементами чи від кожного елемента до спільної шини. Оскільки енергія переноситься, а не спалюється, активне балансування може коригувати значно більший небаланс і робити це швидше, а також може працювати як під час розряду, так і під час заряду — перевага в таких застосуваннях, як електромобілі чи стаціонарні накопичувачі, де циклування часте, а небаланс може виникати безперервно. Обладнання активного балансування складніше й дорожче в розрахунку на елемент, ніж простий розрядний резистор, а його власні перемикальні компоненти вносять додатковий потенційний вид відмови, який діагностичні функції BMS мають відстежувати, але добре реалізоване активне балансування досягає помітно кращої ефективності (часто вказується діапазон 85-95% для реально перерозподіленої енергії), ніж підхід «відкинути як тепло» пасивного балансування.

Що це означає під час перевірки

Для будь-кого, хто перевіряє чи обслуговує стаціонарну чи мобільну літієву акумуляторну систему в межах періодичної перевірки в стилі NEN 3140, архітектура балансування — це не просто деталь специфікації, вона формує те, як реально виглядає несправність, що розвивається. У пасивно збалансованій батареї елемент, який не може триматися в крок зі своїми сусідами попри повторювані цикли балансування (зростаюче розходження SoC, або журнал BMS, що показує, що розрядний резистор конкретного елемента активний майже під час кожного циклу заряду), — це раннє попереджувальне свідчення зниження ємності чи зростання внутрішнього опору цього елемента, задовго до того, як це стане подією безпеки. В активно збалансованій батареї несподіване зростання небалансу попри активно працюючу схему балансування вказує або на елемент, що відмовляє, з яким активне балансування реально не справляється, або на несправність самого обладнання балансування (відмова перемикального елемента чи каналу перетворювача) — розрізнення, важливе для того, чи потрібне розслідування на рівні елемента, чи розслідування апаратної частини BMS.

Практична значущість

Перегляд журналів балансування BMS та будь-якої доступної історії напруги по кожному елементу — де система моніторингу її надає — як частина періодичної перевірки стаціонарних акумуляторних установок дає раннє свідчення деградації на рівні елемента задовго до спрацювання сигналізації за напругою чи температурою, і допомагає відрізнити нормальний, поступово сходжуваний цикл балансування від стійкого, дедалі гіршого небалансу, що заслуговує на ескалацію до постачальника батареї чи рішення про заміну елемента.

Часті помилки

1. Припущення, що будь-яка літієва батарея з працюючою BMS самокоригується незалежно від тяжкості небалансу — пасивне балансування, зокрема, має обмежений розрядний струм і не може скоригувати великий чи швидко виникаючий небаланс у межах звичайного циклу заряду.
2. Відсутність перевірки, яка топологія балансування встановлена, перед інтерпретацією симптомів розходження SoC, оскільки той самий симптом (один елемент відхиляється від інших) вказує на різні ймовірні причини й різну терміновість залежно від того, пасивно чи активно балансується система.
3. Ставлення до активності схеми балансування як до за своєю природою ненормальної, тоді як помірна робота балансування від циклу до циклу — це нормальна, очікувана поведінка справної батареї; ненормальний патерн — це стійкий, дедалі гірший чи незвично великий небаланс, а не сама активність балансування.
4. Ігнорування того, що пасивне балансування працює лише під час заряду під час діагностики батареї, яка показує небаланс переважно після глибоких циклів розряду — цей патерн очікуваний для пасивних систем і сам по собі не є свідченням несправності.

Пов'язані матеріали

• Літій-іонні СНЕ — тепловий розгін і пожежна безпека
• Домашнє накопичення енергії в батареї
• Вентиляція приміщення стаціонарних батарей
• Зарядне приміщення акумуляторів навантажувачів