Nécessité de l'égalisation de la batterie au lithium et caractéristiques du circuit de charge d'égalisation passive
1. La définition de la redevance de péréquation et la nécessité de la péréquation
1. Définition de la charge d'égalisation :
La charge d'égalisation est abrégée en charge d'égalisation, c'est-à-dire la charge des caractéristiques de la batterie d'égalisation. Il fait référence au déséquilibre de tension aux bornes de la batterie en raison de différences individuelles dans la batterie, de différences de température et d'autres raisons lors de l'utilisation de la batterie. Afin d'éviter la détérioration de cette tendance de déséquilibre, il est nécessaire d'augmenter la tension de charge du bloc-batterie et de charger la batterie de manière équilibrée, de manière à équilibrer les caractéristiques de chaque élément de batterie dans le bloc-batterie et à prolonger la durée de vie. durée de vie de la batterie.
La charge d'égalisation se situe au milieu et à la fin du processus de charge de la batterie d'alimentation. Lorsque la tension des cellules de la batterie d'alimentation atteint ou dépasse la tension de coupure, le circuit d'équilibrage commence à fonctionner pour réduire le courant des cellules de la batterie d'alimentation afin de limiter la tension des cellules de la batterie d'alimentation à ne pas être supérieure à la tension de coupure de charge. La seule fonction de l'égalisation de la charge est d'éviter la surcharge, et cela entraînera des effets négatifs lors de l'utilisation de la décharge.
Lors de l'utilisation de la charge d'égalisation, la cellule de batterie d'alimentation de petite capacité n'est pas surchargée et la quantité d'énergie qui peut être libérée est inférieure à la puissance qui peut être libérée lorsque l'égaliseur n'est pas utilisé pour une légère surcharge, ce qui fait que la cellule de batterie d'alimentation se décharge temps plus court et surdécharge possible Le sexe est encore plus grand.
2. Nécessité d'égaliser la charge :
Avec le niveau actuel et la technologie de fabrication des batteries au lithium, dans le processus de production des cellules de batterie au lithium, il y aura des différences subtiles entre chaque cellule de batterie au lithium, ce qui est le problème de cohérence. L'incohérence se manifeste principalement dans la cellule de batterie au lithium. Capacité, résistance interne, taux d'autodécharge, efficacité de charge-décharge, etc. L'incohérence des cellules de la batterie au lithium est transmise au bloc-batterie au lithium, ce qui entraînera inévitablement la perte du bloc-batterie au lithium's de capacité, ce qui à son tour conduit à une diminution de la vie.
Lors de l'utilisation de la batterie au lithium assemblée, l'incohérence des monomères apparaîtra également en raison du degré d'autodécharge et de la température des pièces. L'incohérence des monomères de la batterie au lithium affecte la charge et la décharge de la batterie au lithium. caractéristique. Des études ont montré qu'une différence de 20 % dans la capacité des cellules de batterie au lithium entraînerait environ 40 % de la perte de capacité des blocs de batteries au lithium.
La signification de l'équilibre de la batterie au lithium est d'utiliser la technologie électronique de puissance pour maintenir l'écart de tension de la cellule de batterie au lithium-ion au lithium ou de la tension de la batterie au lithium dans la plage attendue, afin de garantir que chaque batterie au lithium est maintenue. lors d'une utilisation normale. Le même état pour éviter l'apparition de surcharge et de décharge excessive. Si le contrôle de l'équilibre n'est pas effectué, à mesure que les cycles de charge et de décharge augmentent, la tension de chaque batterie au lithium se différenciera progressivement et la durée de vie sera considérablement réduite.
L'incohérence des cellules de batterie au lithium se détériorera davantage avec le temps sous l'influence de facteurs aléatoires tels que la température. Dans des circonstances normales, lorsque la température de l'environnement de fonctionnement de la batterie au lithium est supérieure de 10 °C à sa température optimale, la durée de vie de la batterie au lithium sera réduite de moitié. En raison du grand nombre de systèmes de batteries au lithium pour véhicules en série, généralement entre les séries 88 et 100, leur capacité est généralement de 20 à 60 kWh, et l'emplacement de chaque chaîne de batteries au lithium est différent, ce qui entraînera une différence de température.
Même dans le même boîtier de batterie, il y aura une différence de température en raison de l'emplacement et du chauffage de la batterie au lithium, et cette différence de température aura un impact négatif majeur sur la durée de vie de la batterie au lithium, provoquant la batterie au lithium pour apparaître déséquilibré, et la plage de croisière diminuera. , La durée de vie est raccourcie. C'est précisément à cause de ces problèmes que la capacité de l'ensemble du système de batterie ne peut pas être pleinement utilisée, provoquant des pertes du système de batterie, et l'atténuation de ces pertes du système prolongera également considérablement la durée de vie du système de batterie.
La cohérence entre les cellules de la batterie au lithium est l'influence la plus directe et la plus importante sur la capacité de la batterie au lithium, car la capacité de la batterie au lithium est un paramètre qui ne peut pas être mesuré directement en peu de temps, mais la capacité des cellules de la batterie au lithium est Il existe une correspondance biunivoque entre les tensions en circuit ouvert. La tension d'une cellule de batterie au lithium peut être mesurée en ligne en temps réel, ce qui en fait une condition favorable pour mesurer le niveau de cohérence d'une cellule de batterie au lithium. Dans la stratégie de gestion du système de gestion de batterie, il existe des conditions de fin de décharge, des conditions de fin de charge, etc., où la valeur de tension de la cellule de batterie au lithium est utilisée comme condition de déclenchement.
Pour un paramètre dans cette position, la différence excessive de la cohérence de tension des éléments de la batterie au lithium limite directement la puissance de charge et de décharge du bloc-batterie au lithium. Sur cette base, l'utilisation de la méthode d'égalisation de la batterie au lithium pour résoudre le problème de la différence de tension excessive de la batterie au lithium qui est déjà en fonctionnement est une mesure efficace pour augmenter la capacité de la batterie au lithium et prolonger la durée de vie de la batterie au lithium.
Deuxièmement, les avantages et les inconvénients de l'équilibre passif
Dans la gestion de l'égalisation des blocs-batteries au lithium, les méthodes actuelles d'égalisation de la tension des blocs-batteries au lithium série-parallèle sont divisées en égalisation passive et égalisation active. Généralement, le bilan de type consommation d'énergie est défini comme bilan passif. L'équilibre passif utilise des résistances pour consommer l'énergie des batteries à haute tension ou à charge élevée afin d'atteindre l'objectif de réduire l'écart entre les différentes batteries. C'est un type énergivore. équilibré. À l'heure actuelle, il existe de nombreux systèmes de gestion de batterie qui adoptent un équilibre passif sur le marché. Étant donné que la technologie d'équilibrage passif est appliquée sur le marché des batteries au lithium avant l'équilibrage actif, la technologie est relativement mature et la structure d'équilibrage passif est plus simple et plus largement utilisée.
La gestion de l'équilibre des blocs-piles au lithium comprend l'équilibre de la tension, l'équilibre du courant et l'équilibre de la température. Parmi eux, le bilan de tension des blocs-batteries au lithium est le plus basique, c'est-à-dire le bilan de tension des cellules de batterie au lithium dans les blocs-batteries au lithium en série. De même, l'équilibre de courant fait référence à l'équilibre du courant de chaque cellule de batterie au lithium dans le bloc-batterie au lithium en parallèle.
Dans les packs de batteries au lithium, la raison pour laquelle les performances des cellules de batterie au lithium diminuent trop rapidement est que le courant est incohérent et que les cellules individuelles fonctionnent dans des conditions excessives, ce qui entraîne une dégradation excessive des performances. La différence de température des cellules de la batterie au lithium est causée par une génération de chaleur et une dissipation de chaleur incohérentes. À l'heure actuelle, l'équilibre de température des blocs-batteries au lithium est généralement résolu par des méthodes physiques telles que le refroidissement par air naturel, le refroidissement par air forcé et le refroidissement par liquide.
Étant donné que l'égalisation passive utilise des résistances pour consommer de l'énergie, de la chaleur est générée et le courant d'égalisation est faible, ce qui réduit l'efficacité de l'ensemble du système. Sur la base des exigences de la gestion thermique, l'égalisation passive ne peut être égalisée que section par section. Les batteries lithium power sont très sensibles à la chaleur, et il faut absolument éviter l'augmentation de la température extérieure. L'égalisation passive provoquera un échauffement local de la batterie au lithium et une température élevée augmentera le taux de défaillance des composants. Pour cette raison, compte tenu de la chaleur générée par l'équilibre passif, des exigences particulières sont proposées pour la sécurité et la conception structurelle des batteries au lithium.
3. Le principe de fonctionnement de l'équilibre passif
L'égalisation passive décharge généralement les batteries au lithium avec une tension plus élevée par décharge de résistance et libère de l'électricité sous forme de chaleur, afin de gagner plus de temps de charge pour les autres batteries au lithium. Pendant le processus de charge, la batterie au lithium a généralement une valeur de tension de protection de limite supérieure de charge. Si la tension pendant la charge dépasse cette valeur, qui est communément appelée" surcharge", la batterie au lithium peut brûler ou exploser.
Par conséquent, la carte de protection de la batterie au lithium a généralement une fonction de protection contre les surcharges pour empêcher la surcharge de la batterie au lithium. C'est-à-dire que lorsqu'une chaîne de batteries au lithium atteint cette valeur de tension, la carte de protection de la batterie au lithium coupe le circuit de charge et arrête la charge.
L'égalisation de charge se situe au milieu et à la fin du processus de charge de la batterie d'alimentation, lorsque la tension de la cellule de la batterie d'alimentation atteint ou dépasse la tension de coupure, le circuit d'égalisation commence à fonctionner pour réduire le courant de la cellule de la batterie d'alimentation, afin de limiter le la tension des cellules de la batterie d'alimentation ne doit pas être supérieure à la tension de coupure de charge. La seule fonction de l'égalisation de charge est d'empêcher la surcharge, et cela entraînera des effets négatifs lors de l'utilisation de la décharge. Lors de l'utilisation de l'égalisation de charge, la cellule de batterie d'alimentation de petite capacité n'est pas surchargée et la quantité d'énergie qui peut être libérée est inférieure à la puissance qui peut être libérée lorsque l'égaliseur n'est pas utilisé pour une légère surcharge, ce qui fait que la cellule de batterie d'alimentation se décharge temps plus court et surdécharge possible Le sexe est encore plus grand.
Le schéma de principe de la perte de capacité de la batterie au lithium pendant la charge est illustré à la figure 1. Sur la figure 1, la tension aux bornes de la batterie au lithium 2# est d'abord chargée à la valeur de tension de protection définie, ce qui déclenche le mécanisme de protection. du circuit de protection de la batterie au lithium et arrête le lithium. La charge du bloc-batterie empêche directement la charge complète des batteries au lithium 1#, 3## et 4. La capacité de charge complète de l'ensemble de la batterie au lithium est limitée à la batterie au lithium 2 #, ce qui empêche la batterie au lithium d'être complètement chargée. Afin de charger complètement la batterie au lithium, un circuit de charge d'égalisation doit être utilisé lors de la charge.
Pendant le processus de charge de la batterie au lithium, chaque batterie au lithium est équipée d'un circuit d'égalisation comme illustré à la figure 2 (chaque batterie au lithium est connectée à un circuit d'égalisation de stabilisation de tension parallèle), et chaque batterie au lithium est contrôlée par le circuit d'égalisation pendant la charge. La tension de la batterie au lithium maintient chaque chaîne de batteries au lithium dans le même état, garantissant les performances et la durée de vie de la batterie au lithium.
Si la tension définie par le circuit d'égalisation de la batterie au lithium est de 4,2 V, lorsque la batterie au lithium n'atteint pas 4,2 V, le circuit régulateur de tension parallèle ne fonctionne pas, chaque batterie au lithium continue d'être chargée et le courant de charge continue à passer par la batterie au lithium. Comme le montre la figure 3.
Lorsque la tension aux bornes de la batterie au lithium 2 # atteint 4,2 V, le circuit d'égalisation commence à fonctionner et il stabilisera la tension à 4,2 V, c'est-à-dire que le courant de charge ne passera plus par la batterie au lithium 2 #, comme indiqué sur la figure 4. De cette manière, le temps de charge des batteries au lithium 1#, 3# et 4# est prolongé en conséquence, augmentant ainsi la puissance de l'ensemble du bloc-piles au lithium. Cependant, 100% de la puissance déchargée de la batterie lithium n°2 est convertie en dégagement de chaleur, ce qui provoque beaucoup de gaspillage (la dissipation thermique de la batterie lithium n°2 est une perte du système et un gaspillage d'énergie ).
Le principe de fonctionnement du circuit régulateur shunt illustré à la figure 2 est le suivant : TL431 est la tension de référence, et la tension est ajustée à 4,2 V en ajustant la résistance variable. Si les deux extrémités de la batterie au lithium sont inférieures à 4.2V, le TL431 n'absorbe pas le courant, c'est-à-dire Ib=0 en dessous, donc Ic=0, le transistor est coupé, et le courant de charge passe toujours par le lithium batterie d'alimentation. Si les deux extrémités de la batterie au lithium atteignent 4,2 V, le TL431 commence à absorber le courant, Ib>0, et le courant de charge (c'est-à-dire Ic) passe par la triode et ne passe pas par la batterie au lithium, c'est-à-dire , la batterie au lithium n'est plus chargée.
Les trois diodes IN4001 connectées en série dans le circuit agissent comme un diviseur de tension, ce qui permet de réduire la puissance dissipée sur le transistor TIP42. Si ces trois diodes IN4001 ne sont pas connectées, la puissance dissipée sur le transistor TIP42 : P=4.2Vxcourant de charge, après addition de la diode IN4001, P=(4.2V-3x0.7V)xcourant de charge. La diode électroluminescente à l'extrême droite a une fonction d'indication. Le voyant est allumé, indiquant que la tension a atteint 4,2V, c'est-à-dire que la batterie correspondant à ce circuit d'égalisation est complètement chargée.
Quatrièmement, les caractéristiques du circuit de charge d'égalisation basées sur la résistance shunt
Le circuit d'équilibrage le plus simple est l'équilibrage de la consommation de charge, c'est-à-dire qu'une résistance est connectée en parallèle à chaque batterie au lithium et qu'un commutateur est connecté en série pour le contrôle. Lorsque la tension d'une batterie au lithium est trop élevée, l'interrupteur est activé et le courant de charge est shunté à travers la résistance. De cette manière, la batterie d'alimentation au lithium haute tension a un faible courant de charge et la batterie d'alimentation au lithium basse tension a un courant de charge important. De cette manière, la tension de la batterie au lithium peut être équilibrée, mais cette méthode ne peut être appliquée qu'aux batteries au lithium de petite capacité. Il est irréaliste pour la capacité de la batterie au lithium.
Connectez des résistances en parallèle aux deux extrémités de la cellule de batterie au lithium pour permettre à la résistance de consommer une partie de l'énergie de la batterie au lithium. Il existe deux formes de résistance parallèle. L'un est une connexion fixe. La résistance est connectée en parallèle aux deux extrémités de la batterie au lithium pendant une longue période. La tension de la cellule de batterie au lithium Lorsqu'elle est élevée, le courant traversant la résistance est important et consomme plus d'énergie. Lorsque la tension de la batterie au lithium est faible, la résistance consomme moins d'énergie. Grâce à la caractéristique sensible à la pression de la résistance, l'équilibre de tension de la borne de batterie au lithium est réalisé. Il s'agit d'une méthode théoriquement réalisable et rarement utilisée dans la pratique.
Analyser la nécessité de l'égalisation de la batterie au lithium et les caractéristiques du circuit de charge d'égalisation passive
Une autre façon de connecter des résistances en parallèle consiste à connecter des résistances en parallèle aux deux extrémités de la cellule via une boucle de commutation. L'interrupteur est déclenché par un signal du système de gestion. Lorsque le système détermine quelle tension de cellule ou SOC est élevée, il connecte sa résistance parallèle pour consommer son énergie.
Le principe de la charge équilibrée basée sur la résistance shunt est illustré à la figure 5, c'est-à-dire que chaque cellule de batterie au lithium est connectée en parallèle avec une résistance shunt. D'après le circuit illustré à la figure 5, on peut voir que le courant de dérivation sur la résistance doit être beaucoup plus important que celui de la batterie au lithium. Le courant d'auto-décharge peut obtenir l'effet d'une charge équilibrée. Généralement, le courant d'auto-décharge d'une batterie au lithium est d'environ C/20000, donc C/200 est plus approprié pour le courant traversant la résistance shunt. De plus, la déviation de chaque résistance shunt est également un facteur important affectant l'effet d'égalisation. Après un certain nombre de cycles de charge et de décharge, la déviation de la cellule de batterie au lithium peut être déterminée par la formule suivante :
Analyser la nécessité de l'égalisation de la batterie au lithium et les caractéristiques du circuit de charge d'égalisation passive
Où : VC est l'écart de tension de la batterie au lithium ; R est la résistance shunt ; I est le courant d'autodécharge de la batterie au lithium ; VD est la tension de la cellule de batterie au lithium ; K est l'écart de résistance.
Si la résistance shunt est de 20 ± 0,05 %, l'écart de tension de la batterie au lithium peut être contrôlé dans la plage de 50 mV. La puissance moyenne de chaque résistance est de 0,72 W, mais la résistance shunt consomme toujours de l'énergie quel que soit le processus de charge ou de décharge de la batterie au lithium.
Le principe de la charge équilibrée basée sur la résistance shunt avec l'ajout d'un interrupteur marche-arrêt est illustré à la figure 6. La différence entre la charge équilibrée par résistance shunt marche-arrêt et la charge équilibrée par résistance shunt est l'ajout d'un interrupteur marche-arrêt, qui peut être contrôlé par le logiciel du système de contrôle, peut également être réalisé par des circuits logiques simples. Le circuit d'égalisation adoptant ce mode de contrôle ne fonctionne que dans la section de charge à tension constante de la charge de la batterie au lithium, et l'interrupteur marche-arrêt est toujours éteint à d'autres moments, de sorte que lorsque la batterie au lithium est déchargée, la résistance de shunt ne fonctionne pas. consommer de l'énergie. Mais le principal inconvénient de ce circuit est que le taux de défaillance de l'interrupteur marche-arrêt est relativement élevé, et des moyens redondants sont nécessaires.
