Notwendigkeit des Lithium-Akku-Entzerrungs und Eigenschaften der passiven Ausgleichs-Ladeschaltung
1. Die Definition der Ausgleichsladung und die Notwendigkeit des Ausgleichs
1. Definition der Ausgleichsladung:
Ausgleichsladung wird als Ausgleichsladung abgekürzt, was das Aufladen von Ausgleichsbatterieeigenschaften ist. Es bezieht sich auf das Spannungsungleichgewicht an der Batterieklemme aufgrund individueller Unterschiede in der Batterie, Temperaturunterschieden und anderen Gründen während der Verwendung der Batterie. Um die Verschlechterung dieses Ungleichgewichtstrends zu vermeiden, ist es notwendig, die Ladespannung des Akkupacks zu erhöhen und den Akku auf ausgewogene Weise zu laden, um die Eigenschaften jeder Akkuzelle im Akkupack auszugleichen und die Ladezeit zu verlängern Lebensdauer der Batterie.
Die Ausgleichsladung befindet sich in der mittleren und späten Phase des Ladevorgangs der Leistungsbatterie. Wenn die Spannung der Leistungsbatteriezelle die Abschaltspannung erreicht oder überschreitet, beginnt die Ausgleichsschaltung zu arbeiten, um den Strom der Leistungsbatteriezelle zu reduzieren, um die Spannung der Leistungsbatteriezelle so zu begrenzen, dass sie nicht höher als die Ladeabschaltspannung ist. Die einzige Funktion des Ausgleichsladens besteht darin, eine Überladung zu verhindern, und dies hat negative Auswirkungen beim Entladen.
Bei Verwendung des Ausgleichsladens wird die Energiebatteriezelle mit kleiner Kapazität nicht überladen, und die freisetzbare Leistung ist geringer als die Leistung, die freigesetzt werden kann, wenn der Equalizer nicht für eine leichte Überladung verwendet wird, wodurch sich die Leistungsbatteriezelle entlädt Zeit kürzer und mögliche Überentladung Sex ist noch größer.
2. Notwendigkeit der Ausgleichsladung:
Mit dem aktuellen Stand und der aktuellen Technologie der Lithiumbatterieherstellung wird es im Produktionsprozess von Lithiumbatteriezellen feine Unterschiede zwischen jeder Lithiumbatteriezelle geben, was das Konsistenzproblem darstellt. Die Inkonsistenz äußert sich hauptsächlich in der Lithium-Power-Batteriezelle. Kapazität, Innenwiderstand, Selbstentladerate, Lade-Entlade-Wirkungsgrad usw. Die Inkonsistenz der Lithium-Power-Akku-Zellen wird auf den Lithium-Power-Akku übertragen, was unweigerlich zum Verlust des Lithium-Power-Akkus führt's Kapazität, was wiederum zu einer Verringerung der Lebensdauer führt.
Bei der Verwendung der zusammengebauten Lithium-Power-Batterie tritt aufgrund des Selbstentladungsgrades und der Temperatur der Teile auch die Inkonsistenz der Monomere auf. Die Inkonsistenz der Lithium-Power-Akku-Monomere beeinflusst das Laden und Entladen des Lithium-Power-Akku-Packs. charakteristisch. Studien haben gezeigt, dass ein Unterschied von 20 % in der Kapazität von Lithium-Power-Batteriezellen etwa 40 % des Kapazitätsverlusts von Lithium-Power-Akkupacks verursacht.
Die Bedeutung der Lithium-Power-Batterie-Balance besteht darin, leistungselektronische Technologie zu verwenden, um die Spannungsabweichung der Lithium-Ionen-Lithium-Power-Batteriezelle oder die Spannung des Lithium-Power-Akkupacks innerhalb des erwarteten Bereichs zu halten, um sicherzustellen, dass jede einzelne Lithium-Power-Batterie beibehalten wird während des normalen Gebrauchs. Der gleiche Zustand, um das Auftreten von Überladung und Tiefentladung zu vermeiden. Wird die Balance-Kontrolle nicht durchgeführt, wird sich die Spannung jedes einzelnen Lithium-Power-Akkus mit zunehmenden Lade- und Entladezyklen allmählich unterscheiden und die Lebensdauer wird stark reduziert.
Die Inkonsistenz von Lithium-Power-Batteriezellen wird sich im Laufe der Zeit unter dem Einfluss zufälliger Faktoren wie der Temperatur weiter verschlechtern. Unter normalen Umständen, wenn die Betriebsumgebungstemperatur des Lithium-Akkus 10 °C über der optimalen Temperatur liegt, wird die Lebensdauer des Lithium-Akkus halbiert. Aufgrund der großen Anzahl von in Reihe geschalteten Lithium-Energie-Batteriesystemen für Fahrzeuge, im Allgemeinen zwischen den Serien 88 und 100, beträgt ihre Kapazität im Allgemeinen 20 bis 60 kWh, und die Position jeder Reihe von Lithium-Energiebatterien ist unterschiedlich, was zu Temperaturunterschieden führt.
Selbst in der gleichen Power-Batteriebox gibt es aufgrund der Position und Erwärmung des Lithium-Power-Akkus einen Temperaturunterschied, und dieser Temperaturunterschied hat einen großen negativen Einfluss auf die Lebensdauer des Lithium-Power-Akkus und verursacht den Lithium-Power-Akku unausgeglichen erscheinen und die Reichweite verringert sich. , Die Zykluslebensdauer wird verkürzt. Gerade wegen dieser Probleme kann die Kapazität des gesamten Batteriesystems nicht voll ausgenutzt werden, was zu Batteriesystemverlusten führt und die Abschwächung solcher Systemverluste auch die Lebensdauer des Batteriesystems stark verlängert.
Die Konsistenz zwischen den Lithium-Power-Batteriezellen ist der direkteste und wichtigste Einfluss auf die Kapazität der Lithium-Power-Batterie, denn die Lithium-Power-Batterie-Kapazität ist ein Parameter, der in kurzer Zeit nicht direkt gemessen werden kann, aber die Kapazität der Lithium-Power-Batterie ist Es besteht eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den Leerlaufspannungen. Die Spannung einer Lithium-Power-Batteriezelle kann in Echtzeit online gemessen werden, was eine günstige Voraussetzung für die Messung des Konsistenzniveaus einer Lithium-Power-Batteriezelle darstellt. In der Verwaltungsstrategie des Batterieverwaltungssystems gibt es Entladebeendigungsbedingungen, Ladebeendigungsbedingungen usw., bei denen der Spannungswert der Lithium-Energie-Batteriezelle als Auslösebedingung verwendet wird.
Für einen Parameter in dieser Position begrenzt die übermäßige Differenz in der Spannungskonstanz der Lithium-Power-Batteriezellen direkt die Lade- und Entladeleistung des Lithium-Power-Batteriepacks. Auf dieser Grundlage ist die Lösung des Problems der zu hohen Spannungsdifferenz des bereits in Betrieb befindlichen Lithium-Power-Akkus mit dem Lithium-Power-Akku-Ausgleichsverfahren eine wirksame Maßnahme, um die Kapazität des Lithium-Power-Akkus zu erhöhen und die Lebensdauer des Lithium-Akkus zu verlängern die Lithium-Power-Batterie.
Zweitens die Vor- und Nachteile des passiven Gleichgewichts
Beim Entzerrungsmanagement von Lithium-Power-Akkupacks werden die derzeitigen Verfahren zum Spannungsausgleich von seriell-parallelen Lithium-Power-Akkupacks in passive Entzerrung und aktive Entzerrung unterteilt. Im Allgemeinen wird die Energieverbrauchsbilanz als passive Bilanz bezeichnet. Passive Balance verwendet Widerstände, um die Energie von Hochspannungs- oder Hochladebatterien zu verbrauchen, um den Zweck zu erreichen, die Lücke zwischen verschiedenen Batterien zu verringern. Es ist ein energieverbrauchender Typ. ausgewogen. Derzeit gibt es viele Batteriemanagementsysteme auf dem Markt, die passives Gleichgewicht verwenden. Da die passive Balance-Technologie auf dem Markt für Lithium-Power-Batterien vor der aktiven Balance angewendet wird, ist die Technologie relativ ausgereift und die passive Balance-Struktur ist einfacher und verbreiteter.
Das Balance-Management von Lithium-Power-Akkupacks umfasst Spannungs-, Strom- und Temperaturbalance. Unter diesen ist die Spannungsbilanz von Lithium-Power-Batteriepacks die grundlegendste, dh die Spannungsbalance von Lithium-Power-Batteriezellen in Reihen-Lithium-Power-Batteriepacks. In ähnlicher Weise bezieht sich Strombilanz auf die Bilanz des Stroms jeder Lithium-Energie-Batteriezelle in dem Lithium-Batterie-Pack parallel.
Der Grund, warum die Leistung von Lithium-Akkus bei Lithium-Akkupacks zu schnell abnimmt, besteht darin, dass der Strom inkonsistent ist und einzelne Zellen unter Überlastbedingungen arbeiten, was zu einem übermäßigen Leistungsabfall führt. Der Temperaturunterschied der Lithiumbatteriezellen wird durch ungleichmäßige Wärmeentwicklung und ungleichmäßige Wärmeableitung verursacht. Derzeit wird der Temperaturausgleich von Lithium-Power-Akkupacks im Allgemeinen durch physikalische Methoden wie natürliche Luftkühlung, forcierte Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung gelöst.
Da beim passiven Ausgleich Widerstände zum Energieverbrauch verwendet werden, wird Wärme erzeugt und der Ausgleichsstrom ist gering, was die Effizienz des gesamten Systems verringert. Aufgrund der Anforderungen des Thermomanagements kann der passive Ausgleich nur abschnittsweise ausgeglichen werden. Lithium-Power-Batterien sind sehr hitzeempfindlich und es ist unbedingt erforderlich, die Erhöhung der Außentemperatur zu vermeiden. Passiver Ausgleich führt zu einer lokalen Erwärmung des Lithium-Akkupacks, und hohe Temperaturen erhöhen die Ausfallrate von Komponenten. Aus diesem Grund werden im Hinblick auf die Wärmeentwicklung durch das passive Gleichgewicht besondere Anforderungen an die Sicherheit und konstruktive Auslegung von Lithium-Power-Batterien gestellt.
3. Das Funktionsprinzip des passiven Gleichgewichts
Passiver Ausgleich entlädt Lithium-Power-Batterien im Allgemeinen durch Widerstandsentladung mit höherer Spannung und setzt Elektrizität in Form von Wärme frei, um mehr Ladezeit für andere Lithium-Power-Batterien zu gewinnen. Während des Ladevorgangs hat die Lithium-Energie-Batterie im Allgemeinen einen oberen Ladegrenzschutzspannungswert. Wenn die Spannung während des Ladens diesen Wert überschreitet, der allgemein als"Überladung" bekannt ist, kann die Lithium-Power-Batterie brennen oder explodieren.
Daher weist die Lithium-Energie-Batterie-Schutzplatine im Allgemeinen eine Überladeschutzfunktion auf, um zu verhindern, dass die Lithium-Energie-Batterie überladen wird. Das heißt, wenn eine Reihe von Lithium-Akkus diesen Spannungswert erreicht, unterbricht die Lithium-Akku-Schutzplatine den Ladestromkreis und stoppt den Ladevorgang.
Der Ladungsausgleich befindet sich in der mittleren und späten Phase des Ladevorgangs der Leistungsbatterie. Wenn die Batteriezellenspannung die Abschaltspannung erreicht oder überschreitet, beginnt die Ausgleichsschaltung zu arbeiten, um den Batteriezellenstrom zu reduzieren, um Batteriezellenspannung darf nicht höher als die Ladeschlussspannung sein . Die einzige Funktion des Ladungsausgleichs besteht darin, eine Überladung zu verhindern, und dies hat negative Auswirkungen beim Entladen. Bei Verwendung des Ladungsausgleichs wird die Batteriezelle mit kleiner Kapazität nicht überladen, und die freisetzbare Leistung ist geringer als die Leistung, die freigesetzt werden kann, wenn der Equalizer nicht für eine leichte Überladung verwendet wird, wodurch sich die Batteriezelle entlädt Zeit kürzer und mögliche Überentladung Sex ist noch größer.
Das schematische Diagramm des Kapazitätsverlustes des Lithium-Power-Akkus während des Ladevorgangs ist in Abbildung 1 dargestellt. In Abbildung 1 wird zunächst die Klemmenspannung des 2# Lithium-Power-Akkus auf den eingestellten Schutzspannungswert geladen, wodurch der Schutzmechanismus ausgelöst wird der Lithium-Power-Akku-Schutzschaltung und stoppt den Lithium-Akku Das Aufladen des Power-Akkus führt direkt dazu, dass die 1#, 3## und 4 Lithium-Power-Akkus nicht vollständig aufgeladen werden können. Die volle Ladekapazität des gesamten Lithium-Power-Akkus ist auf den 2# Lithium-Power-Akku begrenzt, wodurch der Lithium-Power-Akku nicht vollständig geladen wird. Um den Lithium-Power-Akkupack vollständig aufzuladen, muss beim Laden eine Ausgleichsladeschaltung verwendet werden.
Während des Ladevorgangs der Lithium-Power-Batterie ist jede Lithium-Power-Batterie mit einer Ausgleichsschaltung gemäß Abbildung 2 ausgestattet (jede Lithium-Power-Batterie ist mit einer parallelen Spannungsstabilisierungs-Ausgleichsschaltung verbunden) und jede Lithium-Power-Batterie wird durch die Ausgleichsschaltung während des Ladevorgangs. Die Spannung der Lithium-Power-Batterie hält jede Reihe von Lithium-Power-Batterien im gleichen Zustand und gewährleistet so die Leistung und Lebensdauer der Lithium-Power-Batterie.
Wenn die von der Lithiumbatterie-Ausgleichsschaltung eingestellte Spannung 4,2 V beträgt und die Lithiumbatterie 4,2 V nicht erreicht, funktioniert die parallele Spannungsreglerschaltung nicht, jede Lithiumbatterie wird weiter aufgeladen und der Ladestrom wird weiter passieren Sie die Lithium-Power-Batterie. Wie in Abbildung 3 gezeigt.
Wenn die Klemmenspannung der 2 # Lithiumbatterie 4,2 V erreicht, beginnt die Ausgleichsschaltung zu arbeiten und stabilisiert die Spannung auf 4,2 V, dh der Ladestrom fließt nicht mehr durch die 2 # Lithiumbatterie, wie gezeigt in Abbildung 4. Auf diese Weise wird die Ladezeit der 1#, 3# und 4# Lithium-Power-Akkus entsprechend verlängert, wodurch die Leistung des gesamten Lithium-Power-Akkupacks erhöht wird. 100 % der entladenen Leistung der Lithium-Power-Batterie Nr. 2 werden jedoch in Wärmeabgabe umgewandelt, was viel Abfall verursacht (die Wärmeableitung der Lithium-Power-Batterie Nr. 2 ist ein Verlust des Systems und eine Energieverschwendung ).
Das Arbeitsprinzip der in Abbildung 2 gezeigten Shunt-Reglerschaltung ist: TL431 ist die Referenzspannung, und die Spannung wird durch Einstellen des variablen Widerstands auf 4,2 V eingestellt. Wenn die beiden Enden der Lithium-Power-Batterie weniger als 4,2 V betragen, nimmt der TL431 keinen Strom auf, dh Ib=0 darunter, also Ic=0, der Transistor wird abgeschaltet und der Ladestrom fließt immer noch durch das Lithium Akku antreiben. Wenn beide Enden des Lithium-Power-Akkus 4,2 V erreichen, beginnt TL431 Strom zu absorbieren, Ib>0, und der Ladestrom (dh Ic) fließt durch die Triode und fließt nicht durch den Lithium-Power-Akku, d , wird der Lithium-Power-Akku nicht mehr geladen.
Die drei in Reihe geschalteten Dioden IN4001 in der Schaltung wirken als Spannungsteiler, der die Verlustleistung am Transistor TIP42 reduzieren kann. Wenn diese drei Dioden IN4001 nicht angeschlossen sind, ergibt sich die Verlustleistung am Transistor TIP42: P=4,2V×Ladestrom, nach Addition der Diode IN4001, P=(4,2V-3×0,7V)×Ladestrom. Die Leuchtdiode ganz rechts hat eine Anzeigefunktion. Das Licht leuchtet und zeigt an, dass die Spannung 4,2 V erreicht hat, d. h. die Batterie, die dieser Ausgleichsschaltung entspricht, ist vollständig geladen.
Viertens die Eigenschaften der Ausgleichsladeschaltung basierend auf dem Shunt-Widerstand
Die einfachste Ausgleichsschaltung ist die Lastverbrauchsausgleichung, dh ein Widerstand ist parallel zu jeder Lithium-Power-Batterie geschaltet und ein Schalter ist zur Steuerung in Reihe geschaltet. Wenn die Spannung einer Lithium-Power-Batterie zu hoch ist, wird der Schalter eingeschaltet und der Ladestrom wird durch den Widerstand geleitet. Auf diese Weise hat die Hochspannungs-Lithium-Energiebatterie einen kleinen Ladestrom und die Niederspannungs-Lithium-Energie-Batterie hat einen großen Ladestrom. Auf diese Weise kann die Spannung der Lithium-Power-Batterie ausgeglichen werden, aber dieses Verfahren kann nur auf Lithium-Power-Batterien mit geringer Kapazität angewendet werden. Es ist unrealistisch für die Kapazität des Lithium-Power-Akkus.
Schließen Sie Widerstände an beiden Enden der Lithium-Power-Batteriezelle parallel an, damit der Widerstand einen Teil der Energie der Lithium-Power-Batterie verbrauchen kann. Es gibt zwei Formen des Parallelwiderstands. Einer ist eine feste Verbindung. Der Widerstand ist an beiden Enden der Lithium-Power-Batterie für lange Zeit parallel geschaltet. Die Spannung der Lithiumbatteriezelle Wenn sie hoch ist, ist der Strom durch den Widerstand groß und verbraucht mehr Strom. Wenn die Spannung der Lithiumbatterie niedrig ist, verbraucht der Widerstand weniger Strom. Durch die druckempfindliche Widerstandscharakteristik wird der Spannungsausgleich des Lithium-Energie-Batterieanschlusses realisiert. Dies ist eine theoretisch durchführbare Methode und wird in der Praxis selten verwendet.
Analysieren Sie die Notwendigkeit des Ausgleichs von Lithiumbatterien und die Eigenschaften der passiven Ausgleichsladeschaltung
Eine andere Möglichkeit, Widerstände parallel zu schalten, besteht darin, Widerstände an beiden Enden der Zelle über eine Schaltschleife parallel zu schalten. Die Umschaltung wird durch ein Signal des Managementsystems ausgelöst. Wenn das System feststellt, welche Zellenspannung oder welcher SOC hoch ist, verbindet es seinen Parallelwiderstand, um seine Energie zu verbrauchen.
Das Prinzip des symmetrischen Ladens basierend auf dem Shunt-Widerstand ist in Bild 5 dargestellt, dh jede Lithium-Power-Batteriezelle ist mit einem Shunt-Widerstand parallel geschaltet. Aus der in Abbildung 5 gezeigten Schaltung ist ersichtlich, dass der Shunt-Strom am Widerstand viel größer sein muss als der der Lithium-Power-Batterie. Der Selbstentladungsstrom kann den Effekt einer ausgeglichenen Ladung erzielen. Im Allgemeinen beträgt der Selbstentladungsstrom einer Lithiumbatterie etwa C/20000, sodass C/200 besser für den Strom geeignet ist, der durch den Shunt-Widerstand fließt. Darüber hinaus ist auch die Abweichung jedes Shunt-Widerstands ein wichtiger Faktor, der den Ausgleichseffekt beeinflusst. Nach einer bestimmten Anzahl von Lade- und Entladezyklen lässt sich die Abweichung der Lithium-Power-Akkuzelle nach folgender Formel ermitteln:
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Wobei: VC die Spannungsabweichung der Lithium-Power-Batterie ist; R der Shunt-Widerstand ist; I ist der Selbstentladungsstrom der Lithium-Power-Batterie; VD ist die Spannung der Lithium-Power-Batteriezelle; K ist die Widerstandsabweichung.
Wenn der Shunt-Widerstand 20Ω±0,05% beträgt, kann die Spannungsabweichung der Lithium-Power-Batterie im Bereich von 50mV kontrolliert werden. Die durchschnittliche Leistung jedes Widerstands beträgt 0,72 W, aber der Shunt-Widerstand verbraucht immer Strom, unabhängig vom Ladevorgang oder Entladevorgang des Lithium-Akkus.
Das Prinzip des symmetrischen Ladens basierend auf dem Shunt-Widerstand unter Hinzufügung eines Ein-Aus-Schalters ist in Abbildung 6 dargestellt über die Steuerungssoftware ansteuerbar, auch durch einfache Logikschaltungen realisierbar. Die Ausgleichsschaltung, die diesen Steuermodus anwendet, funktioniert nur im Konstantspannungs-Ladeabschnitt des Lithium-Akku-Ladevorgangs, und der Ein-Aus-Schalter ist zu anderen Zeiten immer ausgeschaltet, so dass der Shunt-Widerstand beim Entladen des Lithium-Akkus nicht Energie verbrauchen. Der Hauptnachteil dieser Schaltung besteht jedoch darin, dass die Ausfallrate des Ein-Aus-Schalters relativ hoch ist und redundante Mittel erforderlich sind.
