Несогласованность ячеек возникает, когда соединенные последовательно литий-ионные ячейки начинают работать по-разному. Основными причинами являются производственные отклонения, различия во внутреннем сопротивлении и емкости, неодинаковый исходный SOC, различия в саморазряде, вариации кулоновской эффективности, старение и неравномерная температура. В процессе исследований и разработок аккумуляторов системы тестирования оценивают эти различия на уровне отдельных ячеек и аккумуляторного блока, а затем проверяют, улучшает ли стратегия выравнивания сходимость напряжения и SOC, полезную емкость, энергоэффективность и тепловые характеристики.
Основной вывод: Выравнивание не следует оценивать только по тому, стали ли конечные напряжения одинаковыми. Надежная система тестирования аккумуляторов должна определить, сошлись ли ячейки по базовым параметрам, которые влияют на производительность блока: сопротивлению, поляризации, емкости, SOC, распределению тока и использованию энергии.
Почему развивается несогласованность ячеек
Производственные отклонения создают исходное несоответствие
Ячейки, произведенные в одной партии, могут различаться по максимальной емкости, омическому сопротивлению, поляризационным характеристикам и скорости саморазряда. Небольшие различия могут быть допустимыми на начальном этапе, но после многократных циклов они становятся более значительными.
Поэтому перед сборкой аккумуляторного блока ячейки следует проверять и сортировать. Емкость, внутреннее сопротивление, саморазряд и скорость деградации являются важными критериями подбора.
Старение усиливает исходные различия
Ячейки не стареют с абсолютно одинаковой скоростью. Ячейка с немного более высоким сопротивлением может выделять больше тепла, испытывать большую поляризацию напряжения и подвергаться более сильным эксплуатационным нагрузкам, чем соседние ячейки.
Со временем эта положительная обратная связь увеличивает различия между ячейками и снижает полезную емкость всего аккумуляторного блока.
Дисбаланс исходного SOC приводит к неодинаковым эксплуатационным запасам
Если ячейки начинают цикл заряда или разряда с разными уровнями заряда, они достигают предельных напряжений в разное время. Первая ячейка, достигшая верхнего или нижнего предела, может заставить остановиться всю последовательную цепочку, даже если в других ячейках еще остается пригодная для использования энергия.
Именно поэтому емкость блока часто определяется самой слабой или наиболее ограничивающей ячейкой, а не суммой номинальных емкостей.
Различия в саморазряде и кулоновской эффективности увеличиваются
Во время хранения ячейки могут терять заряд с разной скоростью. Температурные градиенты способны усиливать эти различия, особенно если разные ячейки находятся в неодинаковых тепловых условиях.
Небольшие различия в кулоновской эффективности также накапливаются в течение многих циклов. Даже незначительная разница в количестве заряда, сохраняемого за один цикл, со временем может привести к существенному несоответствию SOC.
Неравномерные тепловые условия ускоряют возникновение дисбаланса
Различия температур возникают из-за неодинакового выделения тепла, различий во внутреннем сопротивлении и несимметричного охлаждения или отвода тепла.
Поскольку температура влияет на сопротивление, саморазряд, кинетику реакций и старение, тепловая неоднородность может как вызывать, так и усиливать электрическую несогласованность.
Что измеряют системы тестирования аккумуляторов
Разность напряжений необходима, но недостаточна
BMS или тестовая система может сравнивать напряжения отдельных ячеек, однако одно только напряжение не показывает непосредственно количество накопленного заряда. Литий-ионные ячейки имеют нелинейную зависимость напряжения холостого хода от SOC, поэтому одна и та же разность напряжений может соответствовать разным различиям SOC в разных рабочих диапазонах.
Поэтому сходимость напряжения является полезным наблюдаемым показателем, но ее следует интерпретировать с использованием калиброванных данных OCV–SOC и других параметров ячеек.
Омическое внутреннее сопротивление выявляет проблемы распределения тока
Тестер измеряет или оценивает омическое внутреннее сопротивление ячейки, R. Различия в сопротивлении влияют на падение напряжения, выделение тепла, выходную мощность и распределение тока внутри аккумуляторного блока.
Ячейка с более высоким сопротивлением может раньше достичь предела заряда или разряда, даже если ее фактический SOC не является самым низким или самым высоким в цепочке.
Поляризационное напряжение выявляет динамическое несоответствие
Поляризационное напряжение, Up, отражает поведение напряжения, связанное с электрохимическими и переходными эффектами, выходящими за рамки чисто омического падения.
Отслеживание поляризации помогает различать ячейки, которые в состоянии покоя выглядят одинаково, но по-разному реагируют под нагрузкой или во время зарядки. Это важно при оценке выравнивания в условиях реалистичных профилей тока, а не только в состоянии равновесия.
Емкость определяет полезную энергию блока
Система измеряет фактическую емкость каждой ячейки, Q, с помощью контролируемого тестирования заряда и разряда. Разброс емкости показывает, какое количество полезного заряда каждая ячейка может отдавать до достижения предельных напряжений.
Аккумуляторный блок с одной ячейкой малой емкости может потребовать балансировки и эксплуатационных ограничений для защиты этой ячейки, однако выравнивание не может восстановить емкость, утраченную вследствие деградации.
Оценка SOC обеспечивает содержательную оценку балансировки
Тестовая система оценивает или рассчитывает индивидуальный SOC на основе измеренного тока, напряжения, емкости и зависимостей OCV–SOC.
SOC информативнее одного только напряжения, поскольку цель выравнивания заключается в согласовании доступного заряда и эксплуатационных запасов ячеек, а не просто их мгновенных конечных напряжений.
Дисбаланс токов в ветвях выявляет неодинаковую электрическую нагрузку
Для параллельных ветвей или модулей система контролирует распределение тока. Неодинаковый ток в ветвях может указывать на несоответствие сопротивлений, проблемы соединений или различия в тепловых условиях.
Это измерение особенно важно при оценке выравнивания на уровне модулей и подтверждении того, что балансировочная схема не создает чрезмерную нагрузку в отдельной ветви.
Как оценивается выравнивание в процессе исследований и разработок
Перед балансировкой устанавливается исходный уровень
Сначала исследователи характеризуют ячейки или аккумуляторный блок без выравнивания в заданных условиях. Исходные данные должны включать:
- Напряжение и SOC отдельных ячеек
- Емкость и энергию
- Внутреннее сопротивление
- Поляризационную характеристику
- Характеристики саморазряда
- Температуру
- Ток ветви или балансировки
- Расхождение во время заряда, разряда и покоя
До и после применения стратегии выравнивания следует использовать одинаковые условия испытаний.
Отслеживается сходимость во время заряда и разряда
Система тестирования регистрирует разницу между максимальными и минимальными значениями ячеек во времени. К полезным показателям относятся:
- Максимальная разность напряжений ячеек
- Разброс SOC
- Разброс емкости
- Разброс сопротивления
- Разброс поляризационного напряжения
- Время до достижения первой ячейкой предельного напряжения
- Ток балансировки и продолжительность балансировки
Успешная стратегия должна уменьшать опасное расхождение, не вызывая чрезмерного нагрева, потерь энергии или значительного увеличения времени испытания.
Оценивается использование энергии, а не только однородность напряжения
Выравнивание эффективно, когда оно позволяет блоку использовать больше энергии, доступной в отдельных ячейках.
Исследователи сравнивают отданную емкость и энергию блока с суммой емкостей и энергий отдельных ячеек. Также проверяется, используется ли ячейка с наименьшей емкостью полностью без принуждения других ячеек к небезопасному перезаряду или переразряду.
Проверяется поведение в конце заряда
В конце зарядки система оценивает, достигают ли ячейки соответствующего распределения SOC. Целью не всегда является одинаковое напряжение каждой ячейки в каждый момент времени; необходимо предотвратить преждевременное достижение предела одной ячейкой, пока другие ячейки остаются существенно недозаряженными.
Зависимость OCV–SOC используется для определения того, соответствует ли кажущаяся сходимость напряжения значимой сходимости SOC.
Балансировка оценивается в реалистичных условиях
Выравнивание следует испытывать в условиях, воспроизводящих предполагаемое применение, включая различные скорости заряда и разряда, температуры, диапазоны SOC и состояния старения.
Метод, хорошо работающий при низком токе и однородной температуре, может оказаться менее эффективным при существенных различиях сопротивления и температурных градиентах.
Методы выравнивания и цели их испытаний
Балансировка с рассеиванием энергии
Пассивная балансировка или балансировка с рассеиванием энергии удаляет избыточную энергию из ячеек с более высоким напряжением, обычно преобразуя ее в тепло.
Системы тестирования аккумуляторов оценивают скорость балансировки, выделение тепла, потери энергии, сходимость напряжения и влияние на время зарядки. Ее основным преимуществом является простота, однако эффективность снижается с увеличением объема избыточной энергии.
Балансировка без рассеивания энергии
Активная балансировка или балансировка без рассеивания энергии передает энергию, а не просто расходует ее. Примеры включают распределенные двунаправленные архитектуры обратноходовых DC–DC-преобразователей, которые передают избыточную энергию от ячеек с более высоким напряжением обратно в блок или к ячейкам с меньшим запасом энергии.
Испытания сосредоточены на эффективности передачи, токе балансировки, сходимости напряжения и SOC, потерях преобразователя, электромагнитных характеристиках или поведении при переключении, а также на тепловых характеристиках.
Выбор критериев оценки
Подходящий метод зависит от степени несоответствия ячеек, размера аккумуляторного блока, допустимой стоимости, тепловых ограничений и требуемой скорости балансировки.
Система тестирования должна сравнивать методы, используя одну и ту же совокупность ячеек и одинаковый рабочий профиль. В противном случае различия в подборе ячеек или условиях испытаний могут быть ошибочно приняты за улучшения, вызванные балансировщиком.
Понимание компромиссов
Сходимость напряжения может скрывать расхождение SOC
Две ячейки могут иметь похожие конечные напряжения, но разные значения SOC из-за эффектов релаксации, зависящей от нагрузки поляризации или нелинейной кривой OCV–SOC.
Поэтому испытания должны включать периоды покоя, калиброванные данные OCV–SOC, подсчет кулонов и, при необходимости, измерения емкости.
Выравнивание не может восстановить поврежденную ячейку
Балансировка может перераспределить заряд и уменьшить эксплуатационное несоответствие, но она не способна восстановить утраченный активный материал, обратить серьезную потерю емкости или устранить значительное увеличение сопротивления.
Ячейку с аномальной деградацией, как правило, следует выявить в процессе проверки и удалить или изолировать, а не бесконечно компенсировать ее недостатки.
Пассивная балансировка расходует энергию и выделяет тепло
Балансировка с рассеиванием энергии проста в реализации, но избыточная энергия преобразуется в тепло. Высокие токи балансировки могут увеличивать тепловую нагрузку и требовать дополнительного управления температурой.
Система должна измерять как эффективность балансировки, так и энергию, потребляемую процессом балансировки.
Активная балансировка усложняет систему
Системы без рассеивания энергии повышают эффективность использования энергии, но требуют дополнительных преобразователей, переключающих компонентов, логики управления, датчиков и защиты от неисправностей.
Их оценка должна включать потери преобразования, устойчивость управления, нагрузку на компоненты, режимы отказа и электромагнитную совместимость, а не только конечную разность напряжений.
Чрезмерная балансировка может усложнить интерпретацию результатов
Балансировочная схема, работающая слишком агрессивно, может скрывать основную деградацию ячеек или непрерывно передавать энергию в ответ на нормальные динамические различия напряжения.
Перед определением порогов балансировки исследователи должны отличать временную поляризацию напряжения от устойчивого несоответствия SOC или емкости.
Выбор решения в соответствии с целью
Используйте систему тестирования ячеек и аккумуляторных блоков, которая объединяет измерения электрических и тепловых параметров, емкости и SOC, вместо того чтобы полагаться только на разброс напряжений.
- Если основное внимание уделяется подбору ячеек: Сортируйте ячейки по емкости, внутреннему сопротивлению, саморазряду, SOC и поляризации перед сборкой их в модули.
- Если основное внимание уделяется разработке алгоритмов BMS: Калибруйте обнаружение дисбаланса по напряжению с учетом измеренной зависимости OCV–SOC и фактического расхождения SOC.
- Если основное внимание уделяется пассивной балансировке: Измеряйте сходимость напряжения, время балансировки, выделение тепла и рассеянную энергию.
- Если основное внимание уделяется активной балансировке: Измеряйте эффективность передачи энергии, ток балансировки, сходимость SOC, потери преобразователя и тепловые характеристики.
- Если основное внимание уделяется использованию энергии аккумуляторного блока: Сравнивайте отданную емкость и энергию блока с суммой возможностей отдельных ячеек, особенно вблизи пределов заряда и разряда.
- Если основное внимание уделяется долговременной надежности: Повторяйте испытания согласованности и выравнивания в течение циклов старения, отслеживая рост сопротивления, потерю емкости, расхождение температур и скорость возникновения дисбаланса.
Грамотно разработанная программа исследований и разработок аккумуляторов рассматривает выравнивание как измеримую задачу производительности системы: выявить физическое несоответствие, количественно оценить его влияние и проверить, что метод балансировки повышает полезную энергию, не создавая новых тепловых рисков или рисков для надежности.
Итоговая таблица:
| Параметр | Почему это важно | Как системы тестирования оценивают параметр |
|---|---|---|
| Напряжение | Первый наблюдаемый признак дисбаланса, но недостаточен сам по себе из-за нелинейности OCV-SOC. | Сравнение напряжений отдельных ячеек во время заряда, разряда и покоя; использование калиброванных кривых OCV-SOC для интерпретации. |
| Внутреннее сопротивление (R) | Влияет на падение напряжения, выделение тепла и распределение тока. | Измерение омического сопротивления с помощью импульсных или импедансных испытаний; отслеживание разброса сопротивления. |
| Поляризационное напряжение (Up) | Отражает динамическое поведение под нагрузкой, не отражаемое OCV. | Контроль поляризации во время переходных процессов тока для выявления динамического несоответствия. |
| Емкость (Q) | Определяет полезную энергию; ячейка с низкой емкостью ограничивает аккумуляторный блок. | Проведение контролируемых испытаний заряда и разряда для измерения емкости каждой ячейки. |
| SOC | Отражает накопленный заряд; цель выравнивания заключается в согласовании SOC, а не только напряжения. | Оценка SOC с помощью подсчета кулонов и зависимости OCV-SOC; отслеживание разброса SOC. |
| Ток (ветви) | Неодинаковое распределение тока в параллельных ветвях указывает на несоответствие сопротивления или тепловых условий. | Измерение токов ветвей для обеспечения равномерной нагрузки. |
Повышайте эффективность исследований и разработок аккумуляторов с помощью комплексных систем тестирования KINTEK. Наше оборудование предназначено для передовых исследований материалов и разработки аккумуляторов, обеспечивая точное измерение напряжения, сопротивления, емкости, SOC и других параметров. Убедитесь, что ваши стратегии выравнивания эффективны и надежны. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы подобрать оптимальное решение для вашей лаборатории.