Rozdiel medzi aktívnymi a pasívnymi vyvažovaním článkov

Aktívne vyvažovanie prerozdeľuje náboj medzi články v batérii, aby sa zabezpečilo, že všetky majú rovnaký stav nabitia s vyhradeným obvodom, ktorý monitoruje napätie každého článku a podľa toho upravuje nabíjací a vybíjací prúd. Aktívne vyváženie je presnejšie a rýchlejšie ako pasívne vyváženie. Na druhej strane, pasívne vyváženie sa spolieha na Ohmov zákon a prirodzené vlastnosti bunkového a rovnovážneho odporu, aby sa bunky dostali do rovnakého stavu nabitia. Pasívne vyváženie je vo všeobecnosti menej presné a pomalšie ako aktívne vyváženie a dosiahnutie požadovaného výsledku môže trvať dlhšie.

V tomto článku vysvetlíme rozdiel medzi aktívnymi a pasívnymi vyvažovačmi a rozpracujeme to, ako fungujú lítium-iónové batérie, prečo je potrebné vyvážiť lítiové batérie a výhody a nevýhody aktívneho alebo pasívneho vyváženia.

Aký je rozdiel medzi aktívnymi a pasívnymi vyvažovaním?

Aktívne vyvažovanie sa vzťahuje na proces aktívneho prerozdeľovania náboja medzi články v lítium-iónovej batérii, aby sa zabezpečilo, že všetky majú rovnaký stav nabitia. Zvyčajne sa to robí pomocou vyhradeného obvodu okrem systému riadenia batérií (BMS), ktorý má schopnosť prenášať energiu z jednej skupiny článkov do druhej. Aktívne vyvažovanie je možné vykonávať v reálnom čase a je zvyčajne presnejšie a rýchlejšie ako pasívne vyváženie.

Pasívne vyváženie sa na druhej strane spolieha na prirodzenú rýchlosť vybíjania buniek, aby sa dostali do rovnakého stavu nabitia. To sa dosiahne jednoduchým umiestnením malého zaťaženia bunky alebo bunkovej skupiny. Pasívne vyváženie je vo všeobecnosti menej presné a pomalšie ako aktívne vyváženie a dosiahnutie požadovaného výsledku môže trvať dlhšie.

Obe metódy majú tú výhodu, že udržiavajú články v batérii v rovnakom stave nabitia, ale aktívne vyváženie to robí oveľa efektívnejšie. To predlžuje celkovú životnosť akumulátora. Umožňuje tiež vyšší stav nabitia a rýchlosť vybíjania, čo môže byť prospešné v aplikáciách, kde je potrebný vysoký výkon.

Pasívne vyváženie je na druhej strane jednoduchšie a lacnejšie na implementáciu, pretože nevyžaduje žiadne ďalšie obvody okrem vždy požadovaného BMS.

Najdôležitejšia vec, ktorú si treba zapamätať, je, že aktívne vyváženie je presnejšie a efektívnejšie, ale vyžaduje si vyhradený BMS, zatiaľ čo pasívne vyváženie je jednoduchšie a lacnejšie, ale menej presné. Obe metódy majú svoje klady a zápory a výber medzi nimi bude závisieť od konkrétnej aplikácie a požiadaviek.

Čo je to bilančný prúd?

Balančný prúd je miera toho, ako rýchlo dokáže aktívny alebo pasívny balancer vyvážiť. Je to prúd, ktorý používa systém riadenia batérií (BMS) na prerozdelenie náboja medzi články v batérii ako súčasť procesu aktívneho vyvažovania. Bilančný prúd je zvyčajne malou časťou celkového nabíjacieho alebo vybíjacieho prúdu batérie a používa sa na nastavenie stavu nabitia článkov, ktoré nie sú v rovnováhe s ostatnými článkami v balení.

Bilančný prúd je určený BMS alebo externým vyvažovačom na základe napätia a stavu nabitia každej jednotlivej bunky. Prúd sa používa na nastavenie napätia článku v reálnom čase, aby sa zabezpečilo, že všetky články v balení sú v rovnakom stave nabitia. Bilančný prúd môže byť kladný alebo záporný v závislosti od toho, či prúd prúdi do alebo z príslušnej bunky.

Stručne povedané, bilančný prúd je prúd, ktorý sa používa na zabezpečenie toho, aby všetky články v lítium-iónovej batérii mali rovnaký stav nabitia.

Čo sa stane, keď sa bunky stanú nevyváženými?

Keď sa skupiny článkov v lítium-iónovej batérii stanú nevyváženými, zníži sa celkový výkon a kapacita súpravy a zvýši sa riziko tepelného úniku a skrátenia celkovej životnosti akumulátora.

Povedzme napríklad, že staviate batériu, ktorá má 10 článkov zapojených do série a cieľový stav nabitia pre každý článok je 4,0 V. Takže nabíjate túto batériu na 40 voltov. Neznáme pre vás však je, že jedna z bunkových skupín má o niečo nižšie napätie 3,8 V. Ak máte nabíjacie napätie 40 V a jedna zo skupín článkov je na 3,8 V, potom zostáva 36,2 voltov, ktoré sa majú rozdeliť medzi zvyšných 9 skupín článkov. To znamená, že ostatné články sa nabíjajú na 4,02 V namiesto 4,0 V. Takto môže drasticky nižšia skupina buniek spôsobiť, že ostatné bunky budú prebité.

V tomto scenári môžete vidieť, ako môžu nepoškodené články dostať napätie, ktoré je neúmerné stavu nabitia batérie. Keď je batéria vybitá, skupina nízkych článkov dosiahne najskôr LVC (Low Voltage Cutoff), čo spôsobí, že BMS vypne batériu, aj keď v ostatných skupinách 9 článkov stále zostáva veľa energie.

Aktívne vyváženie vs pasívne vyváženie, čo je najlepšie?

Aktívne vyvažovanie

Aktívne vyváženie je najvhodnejšie pre vysokovýkonné aplikácie, kde je rozhodujúca vysoká presnosť a rýchle časy odozvy. Niektoré príklady prípadov použitia, v ktorých by bolo najlepšie aktívne vyvažovanie, zahŕňajú:

• Elektrické vozidlá: V elektrických vozidlách je batéria vystavená širokému rozsahu teplôt, vysokým prúdom a častým cyklom nabíjania a vybíjania. Preto je najlepšie mať aktívne vyvažovanie v elektrických vozidlách, aby sa energia mohla čo najrýchlejšie distribuovať tam, kde je potrebná.
• Domáce systémy na uskladňovanie energie: V systémoch powerwall sa batéria používa na ukladanie energie z obnoviteľných zdrojov a na poskytovanie záložnej energie počas výpadkov prúdu. Aktívne vyváženie je pre túto aplikáciu najlepšie, pretože poskytuje najdlhší možný čas prevádzky batérie, čo môže byť rozhodujúce, ak ste závislí od batérie, ktorá napája váš domov.
• Vysokoprúdové aplikácie: Aktívne vyvažovanie je najlepšie pre aplikácie s vysokým prúdom, pretože aktívne vyvažovanie má oveľa rýchlejší a oveľa efektívnejší spôsob vyvažovania buniek v porovnaní s pasívnym vyvažovaním. To je ideálne pre aplikácie, ktoré kladú na bunky veľké zaťaženie.

Aktívne vyvažovanie pomáha zabezpečiť, aby boli všetky bunky v balení v rovnakom stave nabitia aktívnym prenosom energie z vysokých buniek do nízkych buniek. To drasticky predlžuje životnosť akumulátora a výrazne zlepšuje výkon.

Pasívne vyvažovanie

Pokiaľ ide o metódy vyvažovania, je dôležité zvážiť konkrétne požiadavky vašej aplikácie. Aktívne alebo pasívne vyváženie môže byť vhodné v závislosti od presnosti, rýchlosti, nákladov a bezpečnostných potrieb vášho projektu.

Iste, pasívne vyváženie je jednoduchšie riešenie, ale stále je to mimoriadne efektívny spôsob, ako udržať všetky bunky v balení v rovnakom stave nabitia. To môže platiť aj v oblastiach, v ktorých zvyčajne dominuje aktívne vyvažovanie.

Napríklad elektrické vozidlá často vyžadujú vysokú presnosť a rýchle časy odozvy, ale pasívne vyváženie je stále možné použiť v mnohých aplikáciách, tu je niekoľko:

• Elektrické vozidlá s nízkym výkonom: V prípade elektrických vozidiel s nízkym výkonom, ako sú batérie do elektrických bicyklov, kolobežky a zariadenia osobnej mobility, nie je batéria vystavená rovnako vysokým prúdom a teplotám ako vo vysokovýkonných elektrických vozidlách. V takýchto prípadoch by na udržanie rovnováhy buniek v balení mohlo postačovať pasívne vyváženie.
• Batérie s druhou životnosťou: Ak sa použité batérie zo zachránených batérií po ich prvej životnosti ako úložisko energie používajú v menej náročných aplikáciách, môže byť možnosťou pasívne vyváženie.
• Aplikácie citlivé na náklady: Implementácia pasívneho vyvažovania je vo všeobecnosti lacnejšia ako aktívne vyvažovanie, preto ak sú náklady hlavným problémom, pasívne vyváženie by mohlo byť životaschopnou možnosťou v aplikáciách elektrických vozidiel.

Je dôležité mať na pamäti, že elektrické vozidlá vo všeobecnosti vyžadujú vysokú presnosť a rýchle časy odozvy, aby sa zaistila bezpečnosť a výkon akumulátora. Pasívne vyváženie preto nemusí byť najlepšou voľbou vo väčšine aplikácií elektrických vozidiel, ale v niektorých špecifických prípadoch použitia by to mohla byť životaschopná možnosť.

Záver

Vyvažovanie je jedným z najdôležitejších aspektov lítium-iónových batérií. Je to preto, že lítium-iónové batérie obsahujú niekoľko skupín článkov paralelne a sériovo. Paralelné bunky sú schopné prenášať energiu medzi sebou a udržiavať vlastnú rovnováhu, ale sériové bunky to nedokážu.

Preto je potrebný nejaký druh vonkajšieho vyvažovacieho obvodu. V ideálnom scenári by ste sa nemuseli starať o rovnováhu, pretože bunky sú aj tak rovnaké. V skutočnosti však variácie vo výrobnom procese a ďalšie faktory spôsobia, že aj batérie s dokonale zladenými článkami sa nakoniec vymknú z rovnováhy.

Aktívne vyvažovanie je schopné prerozdeliť energiu medzi sériové skupiny akumulátora, aby sa zabezpečilo, že všetky majú rovnaký stav nabitia. To sa deje pomocou sofistikovaného obvodu, ktorý je schopný pripojiť sa k skupine článkov s vyšším napätím, odobrať z nej prebytočnú energiu, pripojiť sa k skupine článkov s nižším napätím a potom do nich preniesť uloženú energiu, aby sa dostali do rovnováhy. Z tohto dôvodu je aktívne vyváženie presnejším a rýchlejším prístupom k vyvažovaniu batérie.

Naproti tomu pasívne vyváženie sa spolieha na Ohmov zákon a prirodzené vlastnosti bunkového a rovnovážneho odporu, aby sa bunky dostali do rovnakého stavu nabitia. Táto metóda funguje tak, že doslova spaľuje prebytočnú energiu v skupinách článkov s vyšším napätím, čo je zbytočné. Z tohto dôvodu je pasívne vyváženie vo všeobecnosti menej presné a pomalšie ako aktívne vyvažovanie a v prípadoch, keď sú skupiny článkov výrazne nevyvážené, nízky a pomalý pasívny vyvažovací prúd nemusí byť úplne neschopný vyvážiť batériu.

Dúfame, že vám tento článok pomohol naučiť sa všetko, čo ste potrebovali vedieť o rozdiele medzi aktívnymi a pasívnymi vyvažovačmi. Ďakujeme za prečítanie!

Použitý zdroj: CellSaviors