Балансировка ячеек

В многоячеечных батареях, из-за того, что используется значительное число отдельных элементов, мы может ожидать более высокой вероятности отказа чем одноячеечной. Чем больше использовано ячеек, тем больше вероятность отказа и хуже эксплуатационные свойства.

Батареи, вроде тех, что используются для электротранспорта или гибридного электротранспорта, сделаны из длинной цепи ячеек, соединённых последовательно, для достижения большего напряжения в 200 или 300 вольт или более уязвимы. Проблема может быть смягчена в случае, если спользуются параллельные комплекты батарей, когда они требуются для достижения желаемой ёмкости или мощности. Для батареи из n элементов, вероятность отказа будет в n раз больше, чем для одноячеечной батареи.

Все ячейни не могут быть изготовлены абсолютно одинаковыми

Возможная вероятность отказа часто выше, чем эта, из-за возможности взаимодействия между ячейками. В связи с тем, что существует производственный разброс, различные температурные коэффициенты и различные характеристики старения отдельных ячеек, возникает вероятность, что отдельная ячейка в последовательной цепи может быть перегружена, что приведёт к преждевременному выходу из строя ячейки. Если есть слабая ячейка с уменьшенной ёмкостью будет находитьсяс в этой цепи, во время зарядного цикла возникает опасность, что она достигнет полного заряда и будет перезаряжена пока остальные ячейки будут только заряжаться до номинальной ёмкости. В результае температура и давление будут нарастать и могут привести к повреждению ячейки. С каждым зарядным-разрядным циклом слабая ячейка будет становиться всё слабее до тех пор, пока батарея не выйдет из строя. Во время разряда слабая ячейка будет иметь наибольшую глубину разряда и будет иметь тенденцию к выходу из строя больше остальных. Так же возможно, что напряжение слабой ячейки будет инвертированно когда она будет полностью разряжена раньше остальных, что так же приведёт к раннему выходу из строя ячейки. Существуют различные методы балансировки для избавления от этой проблемы и выравнивания нагрузки между ячейками.

Самобалансировка

Несбалансированное старение является наименьшей из проблем при параллельном соединении, которое стремится к самобаласировке с момента соединения в параллельные цепи, когда все ячейки находятся под одним напряжением одновременно и заряд может перетекать между ячейками когда они не находятся под внешним напряжением. В этом случае может возникать проблема в случае короткого замыкания в одной из ячеек в параллельной цепи, что приведёт к выходу из строя батареи, что только ухудшит проблему.

Более подробно смотрите взаимодействие между ячейками.

Проблемы, случающиеся из-за различия между ячейками, увеличиваются, когда ячейки становятся объектом быстрых зарядов-разрядов (микроциклов), как это происходит в гибридных электрических транспортных средствах.

В то время как литиевые батареи более стойки к микроциклам, они менее стойки к проблемам различия между отдельными ячейками.

В связи с тем, что кислотные и NiMH ячейки могут находится под перенапряжением без получения неисправимых повреждений, часть балансировочных процедур выравнивания может быть выполнена без применения специальных технологий простым увеличением времени заряда пока заряженные ячейки будут высвобождать энергию в виде газа, в то время как слабые ячейки будут полностью заряжены. Это невозможно с литиевыми батареями, которые не могут выдерживать перенапряжений. Несмотря на то, что сущесвует проблема ослабляется для кислотных и NiMH батарей и некоторых других химических элементов, это не полностью решённая проблема и её решение должно быть найдено для многих многоячеечных устройств.

Не важно, какой метод используется вероятность отказа или срок службы многоячеечной батареи всегда будет хуже, чем аналогичные характеристики одной ячейки, используемой для конструирования батареи

Когда ячейка выходит из строя, целая батарея должна быть заменена, что приводит к огромным затратам. Замена одной ячейки не будет являться решением проблемы из-за того, что новая ячейка будет отличаться от "старых" ячеек в цепи и отказ скоро случится снова. Некоторые восстановления возможны разбором батарей одинакового возраста и использованием ячеек, но они никогда не достигнут совпадения характеристик ячеек, возможных у новых ячеек.

Выравнивание используется для предотвращения больших длительных небалансировок, а не для небольших кратковременных отклонений.

Выбор ячеек

Первым подходом для решения этой проблемы является избежание её по возможности при выборе ячеек. Батарея должна быть сконструирована из одинаковых ячеек, предпочтительно от одного производителя. Тестирование может быть применено длоя разделения батарей на группы и выбор групп с наименьшим разбросом.

Большие и маленькие ячейки

Большие значения энергетической вместимости необходимы для таговых батарей или других высокомощных устройств, которые могут быть обеспечены высокомощными батареями с малым числом параллельных соединений, чтобы дать ёмкость, соизмеримую с большими ячейками. В обоих случаях большие ячейки или параллельные блоки малых ячеек должны быть соединены последовательно, чтобы обеспечить требуемое значение напряжения.

• Использование больших ячеек предотвращает взаимодействие между ячейками и позволяет упростить наблюдение и контроль и снизить стоимость сборки. В связи с тем, что электрические транспортные средства захватили только маленький сегмент транспортного рынка, производство больших ячеек требуется в относительно малых количествах, часто с полуавтоматической или ручной сборкой, что приводит к высокой стоимости, широкому разбросу параметров и широкому разбросу устойчивости. Когда ячейки используются в последовательной цепи, балансировка необходима для выравнивания нагрузки ячеек из-за разброса параметров производства для предотвращения преждевременного выхода из строя.

  Есть так же случаи, вызванные безопасностью использования больших одиночных ячеек. Одна Литий-Кобальтовая ячейка ёмкостью 200 А·ч обычно используется в электромобилях для хранения 2664000 Джоулей энергии. Если ячейка выходит из строя или происходит короткое замыкание или иное разрушение, эта энергия высвобождается, часто вызывая взрыв и интенсивный пожар, случается «событие» в индустрии батарей. Когда случается такое событие, существует вероятность, что огонь и ударная волна разрушит другие ближайшие ячейки подобным образом, распространяясь на все ячейки.

• Использование малых ячеек, соединенных параллельно для обеспечения того же напряжения и ёмкости, что и большие ячейки с большим количеством соединений увеличивает стоимость сборки и делает электронику более комплексной и дорогой. Маленькие цилиндрические 2 и 3 А·ч ячейки, как индустриальные 18650, используемые в потребительской электронике, должны быть собраны в блоки из тысяч и миллионов в год и гораздо лучше могут быть контролируемы без ручных операций в высокоавтоматизированной линии сборки. Положительно то, что единица стоит очень мало, а надёжность достаточно высока. Когда большое число ячеек соединяется в параллельный блок, производительность блока будет стремиться к производительности средней ячейки и будет происходить самобалансировка. Параллельные блоки по-прежнему должны быть соединены в последовательные для обеспечения необходимого уровня напряжения этих блоков, но стойкость блока из последовательной цепи будет меньше, чем у аналогичной большой ячейки, не требующей функции балансировки.

  Со стороны безопасности, лучше использовать ячейки низкой емкости, имеющие меньше шансов выйти из строя, если случается нарушение работы, хранимая энергия одной ячейки составляет только одну тысячную от высвобождаемых ячейкой 200 А·ч. Эта низкая энергия легче поглощается ячейками без дальнейших разрушений. Именно поэтому очень важно использовать при конструировании низкомощные ячейки.

Смотрите так же что может один Джоуль.

Устройство сборки

Другим важным аспектом является обеспечение постоянного распределения температуры во всех ячейках батареи. Следует отметить что в электромобилях и гибридных электромобилях температурный градиент в двигателе, салоне и багажном отсеке может отличаться и распределение ячеек по транспортному средству для снижения механизческой нагрузки может дать рост несбалансированных температурных состояний. С одной стороны, когда ячейки собраны в один большой блок, наружные ячейки взаимодействуют с воздухом и могут быть холоднее, чем внутренние ячейки, окружённые нагретыми ячейками, которым необходим поток воздуха (или другого охладителя) для удаления тепла. После выбора ячеек, выравнивание температуры по блоку батарей должно быть первым условием проекта, для минимизации необходимости в их балансировке. Смотрите так же управление температурой.

Выравнивание ячеек

Для реализации динамического решения этой проблемы, которая принимает во внимание старение и условия работы батарей, могут использоваться системы управления батареями, которые могут включать схемы балансировки ячеек, предотвращающие перегрузку отдельных ячеек. Эти системы отслеживают состояние заряда каждой ячейки, или, для менее критических случаев более низкой стоимости, только напряжение на каждой ячейке в цепи. Переключающие цепи контролируют заряд каждой ячейки в цепи во время зарядного процесса для выравнивания его по всем ячейкам в блоке. Автомобильные системы должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать повтояющиеся заряжающие импульсы высокой энергии, возникающие при регенеративном торможении, так и при нормальном подзарядном процессе.

Были предложены некоторые схемы балансировки, отличающиеся количеством зарядок, эффективными потерями и ценой компонентов.

Активная балансировка

Метод активной балансировки удаляет заряд от одной или большего числа высоко заряженных ячеек для распределения его между низко заряженными. Таким образом, становится непрактичным обеспечение независимого заряда для каждой ячейки индивидуально, балансирующий ток должен быть приложен к каждой ячейке последовательно. Принимая во внимание количество зарядок для каждой ячейки, процесс их выравнивания так же занимает значительное время, соизмеримое со временем заряда. Некоторые схемы заряда спроектированы так, что прерывают заряд полностью заряженных ячеек и продолжают его для более слабых для достижения таким образом максимизации ёмкости батареи.

Распределение заряда зарядным затвором (Парящим конденсатором)

В этом методе конденсатор переключается последовательно по нескольким ячейкам в последовательной цепи. Конденсатор выравнивает уровень заряда ячеек, забирая заряд из ячеек с более высоким чем среднее значением заряда, и подавая его в ячейки с более низким, чем среднее значение напряжения. Так же процесс может быть ускорен программированием конденсатора повторно переключаться между высокозаряженными и низкозаряженными ячейками. Эффективность этого метода снижается вместе со снижением разности напряжений. Этот метод достаточно сложен и имеет в своём составе дорогие электронные компоненты.

Распределение заряда индуктивным затвором

Этот метод использует трансформатор с первичной обмоткой, включённой на батарею, и вторичной обмоткой, которая может переключаться на отдельные ячейки. Используются импульсы энергии от всей батареи, а не от отдельных заряженных ячеек, для зарядки оставшихся ячеек. Происходит аналогичная стабилизация уровня заряда как и с зарядным затвором, но исчезает проблема малых разностей напряжения и распределение происходит гораздо быстрее. Очевидно, что система требует сбалансированной вторичной обмотки трансформатора, иначе проблема только ухудшится.

Пассивная балансировка

Рассеивающие методы отыскивают ячейки с высоким значением заряда в батарее, определяемым по высокому значению напряжения, и убирают его пропусканием через резистор до тех пор, пока напряжение не сравняется с напряжением на слабых ячейках. Некоторые схемы пассивной балансировки останавливают зарядный процесс когда первая ячейка оказывается полностью заряженной, затем разряжают её на нагрузку до тех пор, пока не установится уровень заряда, равный значению на слабых ячейках. Другие схемы продолжают заряд до тех пор, пока ячейки не будут полностью заряжены, но ограничивают напряжение, которое может быть приложено на отдельные ячейки, подключением резистора, когда напряжение достигает предела.

Этот метод выравнивания наиболее худший, поскольку он использует замыкающие токи, а выравнивание занимает значительное время. Эффективность работы комплекта определяется наиболее слабой ячейкой и снижается во время рассеивания энергии в замыкающих резисторах, которые могут разрядить батарею, если проработают слишком долго. Вероятно, это самый дешёвый способ балансировки.

Зарядное шунтирование

Напряжение на всех ячейках растёт до напряжения наиболее хорошей ячейки. Когда установленное напряжение достигнуто, полный зарядный ток проходит через полностью заряженную ячейку по достижении слабыми ячейками полного напряжения. Это быстрый процесс, позволяющий хранить максимальное количество энергии, но требующий высокомощных выключателей и рассеивающих резисторов высокой мощности.

Ограничение заряда

Простой способ защиты батареи от эффекта несбалансированности ячеек это простое отключение от зарядного устройства их напряжение заряженных ячеек достигает состояния полного заряда (4,2 В для большинства литиевых батарей) и отключение батареи когда напряжение на наиболее слабом элементе достигает напряжения отключения, составляющего 2 В, во время разряда. Это, к сожалению, приводит к прекращению заряда до того, как все ячейки достигают состояния полного заряда, или отключению во время разряда, при котором останется неизрасходованная ёмкость в хороших ячейках. Это снижает общую ёмкость батареи. Без преимуществ балансировки ячеек, срок жизни батареи снижается, как бы хорошо не были ячейки подобраны и их условия совпадающими, эффект этих процедур всегда заметен.

Все эти балансирующие процедуры требуют способности определить состояние заряда индивидуальных ячеек в цепи. Существует несколько методов для определения состояния заряда, подробно описанных на странице состояние заряда.

Простейший из этих методов использует напряжение ячейки как индикатор состояния заряда. Основное преимущество данного метода в предотвращении перезаряда отдельных ячеек, несмотря на то, что он может выдавать ошибки. Ячейка может достигнуть напряжения отключения раньше других не только потому что она полностью заряжена, но так же из-за того, что её внутреннее сопротивление выше, чем у других. В этом случае ячейка будет иметь меньший заряд, чем другие, что может стать причиной повышенной нагрузки во время зарядки и повторяющиеся циклы будут только провоцировать выход из строя этой ячейки.

Более точные методы используют счёт заряда и принимают во внимание температуру и возраст ячейки наравне с её напряжением.

Окислительно-восстановительное регулирование (химическая балансировка)

В свинцово-кислотных батареях перезаряд вызывает активное газообразование, которое естественным образом балансирует ячейки. Окислительно-восстановительная балансировка пытается обеспечить химическую защиту ячеек от перезаряда в литиевых батареях, используя эквивалентный метод для электронной балансировки. Химические добавки, которые претерпевают обратные химические превращения, абсорбируя чрезмерный заряд, предотвращают увеличение напряжения в электролите. Химические реакции протекают в обратном напралвении, когда напряжение падает ниже некоторо уровня.

Для батарей менее чем на 10 ячеек, где ценность основной цели невелика, или где цена замены вышедшей из строя батаре не слишком высока, балансировка иногда распределяется с другими, и срок службы увеличивается. Это позволяет снизить стоимость электронной балансировки, но ценой является неэффективность использования ёмкости.

Независимо от того, применяется ли в батарее балансировка, она должна иметь цепи защиты.