I pacchi batteria al litio sono come motori che non necessitano di manutenzione;BMSSenza una funzione di bilanciamento, un sistema di monitoraggio è semplicemente un collettore di dati e non può essere considerato un sistema di gestione. Sia il bilanciamento attivo che quello passivo mirano a eliminare le incongruenze all'interno di un pacco batteria, ma i loro principi di implementazione sono fondamentalmente diversi.
Per chiarezza, questo articolo definisce il bilanciamento avviato dal BMS tramite algoritmi come bilanciamento attivo, mentre il bilanciamento che utilizza resistori per dissipare energia è definito bilanciamento passivo. Il bilanciamento attivo implica il trasferimento di energia, mentre il bilanciamento passivo implica la dissipazione di energia.
Principi di base della progettazione del pacco batteria
- La carica deve interrompersi quando la prima cella è completamente carica.
- La scarica deve terminare quando la prima cella è esaurita.
- Le cellule più deboli invecchiano più velocemente di quelle più forti.
- -la cella con la carica più debole limiterà in ultima analisi il pacco batteria'capacità utilizzabile (l'anello più debole).
- Il gradiente di temperatura del sistema all'interno del pacco batteria rende più deboli le celle che funzionano a temperature medie più elevate.
- Senza bilanciamento, la differenza di tensione tra le celle più deboli e quelle più forti aumenta a ogni ciclo di carica e scarica. Alla fine, una cella si avvicinerà alla tensione massima mentre un'altra si avvicinerà alla tensione minima, compromettendo le capacità di carica e scarica del pacco.
A causa della mancata corrispondenza delle celle nel tempo e delle diverse condizioni di temperatura dall'installazione, il bilanciamento delle celle è essenziale.
Le batterie agli ioni di litio si trovano principalmente ad affrontare due tipi di discrepanze: discrepanze di carica e discrepanze di capacità. Le discrepanze di carica si verificano quando celle della stessa capacità presentano gradualmente differenze di carica. Le discrepanze di capacità si verificano quando celle con capacità iniziali diverse vengono utilizzate insieme. Sebbene le celle siano generalmente ben bilanciate se prodotte all'incirca nello stesso periodo con processi di produzione simili, le discrepanze possono derivare da celle di origine sconosciuta o da significative differenze di produzione.
Bilanciamento attivo vs. bilanciamento passivo
1. Scopo
I pacchi batteria sono costituiti da numerose celle collegate in serie, difficilmente identiche. Il bilanciamento garantisce che le deviazioni di tensione delle celle siano mantenute entro gli intervalli previsti, preservando l'usabilità e la controllabilità complessive, prevenendo così danni e prolungando la durata della batteria.
2. Confronto del design
- Bilanciamento passivo: in genere scarica le celle ad alta tensione utilizzando resistori, convertendo l'energia in eccesso in calore. Questo metodo prolunga i tempi di carica delle altre celle, ma ha un'efficienza inferiore.
- Bilanciamento attivo: una tecnica complessa che ridistribuisce la carica all'interno delle celle durante i cicli di carica e scarica, riducendo i tempi di carica e prolungando la durata della scarica. Generalmente impiega strategie di bilanciamento inferiore durante la scarica e strategie di bilanciamento superiore durante la carica.
- Confronto tra pro e contro: Il bilanciamento passivo è più semplice ed economico, ma meno efficiente, poiché spreca energia sotto forma di calore e ha effetti di bilanciamento più lenti. Il bilanciamento attivo è più efficiente, trasferendo energia tra le celle, migliorando l'efficienza complessiva e raggiungendo l'equilibrio più rapidamente. Tuttavia, comporta strutture complesse e costi più elevati, con difficoltà nell'integrazione di questi sistemi in circuiti integrati dedicati.
Conclusione
Il concetto di BMS è stato inizialmente sviluppato all'estero, con i primi progetti di circuiti integrati incentrati sul rilevamento di tensione e temperatura. Successivamente è stato introdotto il concetto di bilanciamento, inizialmente utilizzando metodi di scarica resistiva integrati nei circuiti integrati. Questo approccio è ora diffuso, con aziende come TI, MAXIM e LINEAR che producono tali chip, alcune delle quali integrano driver di commutazione al loro interno.
Dai principi e dagli schemi di bilanciamento passivo, se si paragona un pacco batteria a un barile, le celle sono come le doghe. Le celle con energia più elevata sono assi lunghe, mentre quelle con energia inferiore sono assi corte. Il bilanciamento passivo "accorcia" solo le assi lunghe, con conseguente spreco di energia e inefficienze. Questo metodo presenta dei limiti, tra cui una significativa dissipazione del calore e effetti di bilanciamento lenti nei pacchi di grande capacità.
Il bilanciamento attivo, al contrario, "riempie le assi corte", trasferendo energia dalle celle ad alta energia a quelle a bassa energia, con conseguente maggiore efficienza e un più rapido raggiungimento del bilanciamento. Tuttavia, introduce complessità e problemi di costo, con difficoltà nella progettazione delle matrici di commutazione e nel controllo degli azionamenti.
Considerati questi compromessi, il bilanciamento passivo può essere adatto per le celle con buona coerenza, mentre il bilanciamento attivo è preferibile per le celle con maggiori discrepanze.
Data di pubblicazione: 27 agosto 2024
