Mitä on aktiivinen tasapainotus LiFePO4-akuissa ja miksi WattCycle käyttää sitä?

Olet noudattanut oikeaa latausmenettelyä. Akku on nimelliskapasiteettinsa rajoissa. Ajan myötä jokin on kuitenkin vialla: Akku, joka aiemmin latautui nopeasti, näyttää nyt kestävän hitaammin täyden latauksen saavuttamiseksi, tai järjestelmä sammuu odotettua aikaisemmin, vaikka nimelliskapasiteetin perusteella energiaa pitäisi vielä olla jäljellä. Nämä eivät ole satunnaisia ​​poikkeavuuksia eivätkä merkkejä viallisesta tuotteesta.

Monissa tapauksissa taustalla oleva syy on paljon yleisempi monikennoisissa litiumrautafosfaattijärjestelmissä: asteittainen kennojännitevaihtelu. Hyvin dokumentoitu sähkökemiallinen ilmiö, joka kehittyy vähitellen missä tahansa monikennoisessa litiumrautafosfaattiakkujärjestelmässä, joka altistuu toistuville lataus- ja purkaussykleille. Jos tätä jännitevaihtelua ei hoideta, se heikentää hiljaa muuten toimivan akun suorituskykyä sisältäpäin.

Koska missä tahansa LiFePO4-akku, Useita kennoja on kytketty sarjaan vaaditun järjestelmäjännitteen saavuttamiseksi. Ajan myötä ja toistuvien lataus- ja purkaussyklien kautta pienet erot yksittäisten kennojen välillä voivat aiheuttaa niiden varaustilan vaihteluita. Tämä herättää käyttäjille kaksi tärkeää kysymystä. Mikä aiheuttaa tämän kennojen ajautumisen ensisijaisesti ja miten aktiivinen tasapainotus korjaa sen?

Sisällysluettelo

• Miksi LiFePO4-kennot erilleen ajan myötä
• Mitä on aktiivinen tasapainottaminen?
• Aktiivinen tasapainottaminen vs. passiivinen
• 4 tapaa, joilla aktiivinen tasapainotus muuttaa akun suorituskykyä
• Miksi WattCycle käyttää aktiivista tasapainotusta vakiona
• Johtopäätös

Miksi LiFePO4-kennot erilleen ajan myötä

LiFePO4-akku ei ole yksittäinen energian varastointiyksikkö. Se on sarjaan kytkettyjen yksittäisten kennojen kokoonpano. Vaikka jokainen kenno valmistetaan tietyn spesifikaation mukaisesti, ei ole kahta täysin identtistä kennoa. Pienet vaihtelut kapasiteetissa, sisäisessä resistanssissa ja itsepurkautumisnopeudessa ovat luontaisia ​​sähkökemialliselle valmistusprosessille, ja niitä esiintyy jokaisessa monikennoisessa pakkauksessa merkistä tai tuotantolaadusta riippumatta.

Normaaleissa käyttöolosuhteissa nämä pienet erot riittävät aiheuttamaan lataustilan (SoC) eroavaisuuksia. Vaikka kaikki kennot aloittaisivat lataussyklin samalla lataustasolla, ne eivät päätä sitä täsmälleen samalla tasolla. Satojen syklien aikana toistuen nämä pienet erot kasaantuvat merkittäväksi epätasapainoksi, jossa yksittäiset kennot ajautuvat asteittain eri lataustasoille saman akun sisällä.

Seuraus on mitattavissa ja suora. Akun hallintajärjestelmän (BMS) on suojattava jokaista akun kennoa, mikä tarkoittaa, että se käyttää heikointa kennoa sekä latauksen että purkauksen katkaisun vertailukohtana. Heikoin kenno saavuttaa jänniterajansa ensimmäisenä. Käytännössä seurauksena on, että koko akun käyttökelpoista energiaa rajoittaa sen heikoimmin suoriutuva kenno riippumatta siitä, kuinka paljon kapasiteettia jäljellä olevissa kennoissa on vielä jäljellä.

Kun epätasapaino laajenee peräkkäisten syklien aikana, vaikutukset pahenevat. Käyttökelpoinen kapasiteetti laskee jatkuvasti, turvallisia latausnopeuksia on laskettava heikoimpien kennojen suojaamiseksi ylijännitteeltä, ja epätasapainossa olevien kennojen kiihtynyt rasitus lyhentää akun kokonaiskäyttöikää.

Tämä ei ole valmistusvirhe eikä se ole ominainen tietylle valmistajalle. Jokainen merkki tai valmistaja kohtaa tällaisen ongelman. Se on sarjaan kytkettyjen litiumkennojärjestelmien perustavanlaatuinen sähkökemiallinen todellisuus, ja juuri tätä ongelmaa aktiivinen tasapainotus on suunniteltu ratkaisemaan.

Mitä on aktiivinen tasapainottaminen?

Aktiivinen tasapainotus on kennonhallintatekniikka, jossa varausta siirretään aktiivisesti korkeamman jännitearvon omaavista kennoista alemman jännitearvon omaaviin kennoihin käytön aikana sen sijaan, että jänniteero poistettaisiin lämpönä. Tavoitteena on ylläpitää jännitetason tasaisuus kaikissa akun kennoissa varmistaen, ettei mikään yksittäinen kenno jää merkittävästi muiden edelle tai taakse missään lataus- tai purkaussyklin vaiheessa.

Operatiivisella tasolla akun hallintajärjestelmä valvoo jatkuvasti kunkin yksittäisen kennon jännitettä ja ohjaa varausta kaksisuuntaisesti, jos havaitaan poikkeamia. Tämä on jatkuva prosessi, ei kertaluonteinen korjaus. Akun hallintajärjestelmä säätää varauksen jakautumista reaaliajassa pitääkseen kaikki kennot toiminnassa kapealla ja yhdenmukaisella jännitealueella.

Käyttäjälle aktiivinen tasapainotus toimii kokonaan taustalla. Se ei vaadi manuaalista konfigurointia, aikataulutettua huoltoa eikä toimenpiteitä normaaleissa käyttöolosuhteissa. Järjestelmä hallitsee kennotason tasapainotusta automaattisesti heti akun käytön jälkeen.

WattCyclen aktiivinen tasapainotusjärjestelmä toimii jatkuvalla 3 A:n tasapainotusvirralla. Tämä nopeus riittää korjaamaan merkittävän SoC-akun ajautumisen paitsi lepoaikojen aikana, myös aktiivisten lataus- ja purkaussyklien aikana, jolloin kennojen eroavaisuudet kehittyvät nopeimmin todellisissa käyttöolosuhteissa.

Aktiivinen tasapainottaminen vs. passiivinen tasapainottaminen

Passiivisessa tasapainotusjärjestelmässä BMS tunnistaa kennot, jotka ovat saavuttaneet korkeamman SoC-arvon kuin muut, ja johtaa ylimääräisen jännitteen pois resistiivisten elementtien avulla, jolloin energiaero muuttuu lämmöksi. Korkeamman jännitteen omaavat kennot alennetaan vastaamaan matalamman jännitteen omaavia kennoja. Energiaa ei kerätä talteen tai jaeta uudelleen. Se on yksinkertainen korjausmenetelmä, ja sitä käytetään laajalti edullisemmissa akkurakenteissa, koska tarvittavat komponentit ovat yksinkertaisempia ja halvempia.

Aktiivinen tasapainotus toimii perustavanlaatuisesti eri periaatteella. Sen sijaan, että ylimääräinen varaus poistettaisiin lämpönä, AMS siirtää sen suoraan korkeamman kapasiteettiluokan kennoista alemman kapasiteettiluokan kennoihin. Muuten hukkaan menevä energia käytetään sen sijaan varauksen heikkenevien kennojen varauksen nostamiseen. Akku säilyttää enemmän kokonaisvaraustaan, ja korjaus tehdään ilman tarpeetonta lämpöä prosessin aikana.

Passiivinen tasapainottaminen on käyttökelpoinen ratkaisu vähän kuluttaviin tai harvoin latautuviin sovelluksiin, mutta sillä on mitattavissa olevia pitkän aikavälin kompromisseja. Tasapainotusmenetelmä, joka toimii milliampeerialueella ja tuottaa lämpöä sivutuotteena, on heikommin varustautunut pysymään mukana säännöllisen syvälatauksen aikana kehittyvän SoC-eron tahdissa. Ajan myötä nämä rajoitukset johtavat pienempään käyttökapasiteettiin, aikaisempiin latauskatkoksiin ja akun lyhyempään kokonaiskäyttöikään.

Aktiivinen tasapainotus ei laske korkeita pisteitä tasaisuuden saavuttamiseksi. Se nostaa matalia pisteitä.Tämä tuhansien lataus- ja purkausjaksojen läpi säilynyt ero erottaa akun, joka säilyttää suorituskykynsä vuosien ajan, akusta, joka vähitellen heikkenee nimellisarvoaan alemmas.

4 tapaa, joilla aktiivinen tasapainotus muuttaa akun suorituskykyä

Aktiivisen tasapainottamisen tekninen periaate on yksinkertainen. Sen vaikutukset akun todelliseen suorituskykyyn ulottuvat kuitenkin useille eri ulottuvuuksille, jotka vaikuttavat suoraan järjestelmän käyttäytymiseen sen käyttöiän aikana. Seuraavat neljä tulosta kuvaavat, mitä aktiivinen tasapainottaminen käytännössä tuottaa.

1. Suurempi käyttökapasiteetti

Kun akun kennojen varaustaso pysyy lähellä toisiaan, akunhallintajärjestelmän ei enää tarvitse lopettaa lataus- tai purkaussyklejä heikoimman kennon rajojen perusteella. Jokainen kenno lisää käytettävissä olevaa energiaansa akun käytettävissä olevaan tehoon sen sijaan, että heikoimmin suoriutuva kenno lukitsisi osan tästä kapasiteetista. Käyttäjät saavat käyttöönsä suuremman osan akun nimelliskapasiteetista jokaisella syklillä ilman, että järjestelmän toimintaan tulee muutoksia.

2. Tuki korkeammalle ja täydemmälle lataukselle

Kennojen epätasapaino aiheuttaa ylijänniteriskin latauksen aikana. Kun yksittäiset kennot ovat eri jännitetasoilla, heikoin tai kehittynein kenno voi saavuttaa yläjänniterajansa ennen kuin muu akku on latautunut täyteen, pakottaen akkunhallintajärjestelmän lopettamaan lataussyklin ennenaikaisesti. Aktiivinen tasapainotus ylläpitää jännitetasaisuutta kaikissa kennoissa, poistaen tilanteen, joka laukaisee ennenaikaisen latauksen katkaisun, ja mahdollistaen akun vastaanottaa suurempia latausvirtoja ja saavuttaa täydemmän lataustilan tasaisesti.

3. Pienempi lämpöteho käytön aikana

Passiivinen tasapainotus tuottaa lämpöä ylimääräisen varauksen johtamisen seurauksena resistiivisten elementtien kautta. Aktiivinen tasapainotus poistaa tämän lämmönlähteen siirtämällä energiaa kennojen välillä sen sijaan, että se poistettaisiin. Tuloksena on pienempi lämpöteho tasapainotusprosessin aikana, mikä on merkittävä etu suljetuissa asennuksissa, lämpöherkissä ympäristöissä ja sovelluksissa, joissa ympäristön lämpötila on jo koholla.

4. Hitaampi kapasiteetti heikkenee käyttöiän aikana

Kennojen epätasapaino on yksi sarjaan kytkettyjen litiumakkujen kiihtyneen kapasiteetin heikkenemisen tärkeimmistä tekijöistä. Kennot, jotka toistuvasti toimivat optimaalisen kapasiteettialueensa ulkopuolella, kokevat suurempaa sähkökemiallista rasitusta jokaisella syklillä, ja tämä rasitus kasaantuu mitattavaksi kapasiteettihäviöksi ajan myötä. Korjaamalla kapasiteettialueen eroavaisuuksia jatkuvasti aktiivinen tasapainotus vähentää tätä syklikohtaista rasitusta kaikissa kennoissa, ylläpitäen vakaampaa ja ennustettavampaa suorituskykyä pidemmän käyttöiän ajan ja pidentäen aikaa ennen kuin merkittävä kapasiteetin heikkeneminen tulee ilmeiseksi.

Miksi WattCycle käyttää aktiivista tasapainotusta vakiona

Kennojen epätasapaino on hallittavissa oleva haaste, ja monet LiFePO4-akut käsittelevät sitä riittävästi niissä sovelluksissa, joihin ne on suunniteltu. Aktiivinen tasapainotus on merkittävä askel eteenpäin: sen sijaan, että pelkästään hallittaisiin kennojen sirujen eroavaisuuksien seurauksia, se puuttuu suoraan lähteeseen ja pitää kaikki kennot toiminnassa läheisemmässä linjassa syklistä toiseen.

WattCycle sisällyttää aktiivisen tasapainotuksen jatkuvalla 3 A:n virralla vakio-ominaisuudeksi koko LiFePO4-tuotelinjassaan, koska sen tarjoamat hyödyt ovat merkittäviä ja mitattavissa olevia. Enemmän käyttökelpoista kapasiteettia jokaisella syklillä. Täydellinen ja nopeampi latauksen vastaanotto. Pienempi lämpöteho käytön aikana. Hitaampi kapasiteetin heikkeneminen akun käyttöiän aikana. Nämä eivät ole marginaalisia parannuksia. Ne ovat seurausta tasapainotusjärjestelmästä, joka toimii jatkuvasti ja aktiivisesti reaktiivisen sijaan.

Käyttäjille, joiden järjestelmät vaativat tasaista tehoa, luotettavaa lataustehoa ja vakaata kapasiteettia useiden vuosien säännöllisen käytön ajan, aktiivinen tasapainotus on suunnitteluetu, joka tulee selvemmäksi akun käyttöiän pidettyä. Se on investointi pitkäaikaiseen suorituskykyyn, ja se on tulevaisuudessa vakiona jokaisessa WattCycle LiFePO4 -akuss.

Johtopäätös

Aktiivinen tasapainotus edustaa merkittävää edistysaskelta siinä, miten LiFePO4-akut hallitsevat yhtä perustavanlaatuisimmista haasteistaan. Kennojen epätasapainoa ei voida poistaa, mutta sitä voidaan hallita jatkuvasti, tarkasti ja ilman käyttäjän toimia. Kun näin on, tulokset ovat mitattavissa: enemmän käyttökelpoista kapasiteettia, täydempi ja nopeampi lataus, alhaisemmat käyttölämpötilat ja hitaampi kapasiteetin heikkeneminen akun käyttöiän aikana.

Käyttäjille, jotka arvioivat LiFePO4-akkuja aurinkoenergian varastointiin, varavirtalähteeksi, merikäyttöön tai mihin tahansa sovellukseen, jossa luotettavalla pitkän aikavälin suorituskyvyllä on merkitystä, akkuun sisäänrakennettu tasapainotusmenetelmä on ymmärrettävä. (Jos mitoitat laaja-alaista kokoonpanoa, sinun on ehkä myös muunna MWh kWh:ksi (jotta voit laskea kokonaisenergiantarpeesi tarkasti.) Se on yksi järjestelmän merkittävimmistä suunnittelupäätöksistä, ja sen vaikutukset kasaantuvat vuosien säännöllisen käytön myötä.

WattCyclen aktiivisen tasapainotuksen integrointi jatkuvalla 3 A:n virralla heijastaa yksinkertaista suunnitteluprioriteettia: rakentaa akku, joka toimii mahdollisimman lähellä nimellisspesifikaatiotaan mahdollisimman pitkään todellisissa käyttöolosuhteissa. Tämä on standardi, jota varten jokainen WattCycle LiFePO4 -akku on rakennettu.