Количество соединенных параллельно ячеек в целом улучшает начальное распределение тока. По мере увеличения числа параллельных ячеек взаимный обмен током усиливает эффект самобалансировки, уменьшая начальные различия токов между ветвями при заряде и разряде. Однако увеличение параллельной группы не устраняет разбаланс: различия в емкости, внутреннем сопротивлении, поляризации и начальном SOC могут позднее вызвать расхождение токов, особенно ближе к концу заряда.
Основной вывод: Увеличение количества параллельных ячеек может уменьшить начальный разбаланс токов, позволяя ячейкам выравниваться через общие электрические соединения, однако накопленные различия в SOC и емкости все еще могут привести к значительному разбалансу на поздней стадии цикла. Системы тестирования аккумуляторов оценивают этот эффект путем измерения тока каждой ветви и сравнения разбаланса SOC в различных параллельных конфигурациях и при разных C-коэффициентах.
Как количество параллельных ячеек влияет на разбаланс токов
Большее количество параллельных ячеек усиливает пассивное выравнивание
Когда ячейки соединены параллельно, ячейки с немного более высоким напряжением могут подавать ток на ячейки с более низким напряжением. Этот взаимный обмен током создает эффект самобалансировки до начала и во время нормальной эксплуатации.
Увеличение количества соединенных параллельно ячеек обычно делает этот эффект более выраженным, помогая уменьшить начальные различия во вкладе тока между ветвями.
Ток определяется электрическими различиями
Упрощенная зависимость для тока ветви имеет вид:
[ I = \frac{U_O - U_{OCV} - U_p}{R} ]
где (U_O) — рабочее напряжение блока, (U_{OCV}) — напряжение холостого хода, (U_p) — поляризационное напряжение, а (R) — внутреннее сопротивление.
Ячейки с меньшим сопротивлением или более высоким эффективным напряжением обычно пропускают больший ток. Поэтому простое добавление параллельных ячеек не может компенсировать значительные различия в сопротивлении, емкости, SOC или характеристиках поляризации.
Поведение в начале и конце цикла различается
В начале цикла заряда или разряда параллельное выравнивание может уменьшить различия токов, вызванные начальными отклонениями напряжения или SOC.
Позднее в ходе цикла неодинаковая накопленная емкость и поляризация могут привести к изменению распределения тока. Эта чередуемость токов означает, что ячейка или ветвь, изначально пропускающая больший ток, может не оставаться основным источником тока на протяжении всего цикла.
Почему разбаланс может сохраняться в больших параллельных группах
Различия в емкости накапливаются со временем
Ячейки с разной емкостью не принимают и не отдают одинаковое количество заряда при одном и том же токе. Поэтому многократные циклы увеличивают расхождение SOC, даже если их начальные напряжения кажутся почти одинаковыми.
Параллельное соединение может перераспределять заряд, но не может заставить ячейки с существенно разной емкостью работать одинаково.
Несоответствие сопротивлений вызывает неравномерное распределение тока
Небольшие различия во внутреннем сопротивлении могут привести к заметным различиям токов, особенно при высоких C-коэффициентах. Ветвь с меньшим сопротивлением обычно пропускает большую часть приложенного тока.
Это может создать эффект обратной связи: более нагруженная ветвь испытывает больший нагрев, поляризацию и старение, что впоследствии может еще сильнее изменить ее вклад в общий ток.
Плоские участки напряжения скрывают различия в SOC
Для химических составов с плоской характеристикой напряжения холостого хода, таких как LiFePO₄, напряжение является относительно нечувствительным показателем SOC в значительной части рабочего диапазона.
В этой области распределение тока в основном определяется внутренним сопротивлением и поляризационным напряжением. Поэтому две ячейки могут иметь похожее напряжение, но заметно различаться по вкладу в ток.
Как системы тестирования аккумуляторов оценивают этот эффект
Тестируйте несколько параллельных конфигураций
Контролируемое исследование должно сравнивать различное количество соединенных параллельно ячеек или ветвей, сохраняя остальные условия максимально одинаковыми.
Полезные сравнения включают:
- Различное количество параллельных ячеек
- Согласованные и намеренно несогласованные ячейки
- Несколько C-коэффициентов заряда и разряда
- Различные начальные условия SOC
- Многократные циклы для наблюдения за ростом разбаланса
Это позволяет отделить непосредственный эффект выравнивания, обусловленный количеством параллельных ячеек, от долгосрочного влияния различий в емкости и старении.
Измеряйте ток в каждой ветви
Система тестирования должна независимо измерять ток, проходящий через каждую параллельную ветвь, а не полагаться только на общий ток блока.
Высокоточные датчики тока могут фиксировать:
- Начальные различия токов
- Переходные циркулирующие токи
- Перераспределение тока в течение цикла
- Пиковый сверхток ветви
- Расхождение токов ближе к концу заряда или разряда
Система также должна регистрировать напряжение ячеек, температуру, пропускную способность по заряду и рабочее время, чтобы можно было сопоставить поведение тока с тепловыми и электрохимическими условиями.
Рассчитывайте показатели баланса токов
Данные о токах ветвей можно преобразовать в количественные показатели разбаланса. К ним относятся отклонение тока от среднего тока ветвей, остаточная сумма квадратов (S) и индекс соотношения ветвей, например (R^2).
Эти показатели позволяют инженерам сравнить, действительно ли большее количество параллельных ячеек улучшает баланс в заданных условиях испытания, вместо того чтобы оценивать характеристики только по току на уровне всего блока.
Отслеживайте разбаланс SOC напрямую или косвенно
Система может рассчитывать разбаланс SOC путем интегрирования измеренного тока каждой ветви во времени и сравнения полученного количества прошедшего заряда или разряда.
Степень разбаланса SOC обычно оценивают по разнице между максимальным и минимальным расчетным SOC ветвей либо по статистическому разбросу значений среди всех ветвей. При расчете следует учитывать измеренную емкость каждой ячейки, поскольку одинаковое интегрирование тока не означает одинаковый SOC при различной емкости.
Тестируйте переход от начального баланса к накопленному разбалансу
Полезное испытание не должно завершаться после начального периода параллельного выравнивания. Необходимо проследить работу блока в течение полных циклов заряда и разряда, чтобы определить, когда распределение токов начинает расходиться.
Это позволяет установить, обеспечивает ли конфигурация только кратковременное балансирование или также поддерживает приемлемое распределение токов при многократной эксплуатации.
Использование результатов испытаний при проектировании блока
Оптимизируйте параллельно-последовательную топологию
Результаты могут показать, дает ли увеличение количества параллельных ячеек значимое снижение разбаланса токов в предполагаемом рабочем диапазоне.
Сборка по принципу «сначала параллельное соединение» обычно предпочтительна, поскольку разности напряжений ограничиваются локальными параллельными группами, что снижает потери на взаимный заряд и обеспечивает локальную самобалансировку до последовательного соединения.
Определяйте требования к емкости и согласованию
Испытания показывают, какой уровень разброса характеристик между ячейками может выдержать параллельная группа до того, как разбаланс токов станет неприемлемым.
Эта информация помогает установить критерии согласования по следующим параметрам:
- Емкость
- Внутреннее сопротивление
- Начальное напряжение или OCV
- Характеристики поляризации
- Скорость саморазряда
- Температурная характеристика
Предварительный отбор и согласование ячеек перед сборкой остаются важными, поскольку количество параллельных ячеек не может заменить стабильное качество ячеек.
Устанавливайте соответствующие запасы по емкости
Система тестирования аккумуляторов может сравнить полезную емкость блока с емкостью отдельных ячеек или ветвей.
Если одна ветвь преждевременно достигает предела по напряжению или температуре, это может ограничить весь блок, даже если другие ветви все еще располагают доступной емкостью. Поэтому данные испытаний помогают определить подходящие проектные запасы и не допустить, чтобы размеры блока определялись исключительно номинальной емкостью ячейки.
Совершенствуйте стратегии балансировки BMS
Измеренные расхождения токов и SOC могут показать, требуется ли BMS активная балансировка, пассивная балансировка или улучшенное время управления.
Результаты также помогают определить пороги балансировки, уровни тока и рабочие циклы без необоснованного выбора оборудования для балансировки, которое увеличивает стоимость, тепловыделение и потери энергии.
Понимание компромиссов
Большее количество параллельных ячеек не гарантирует пропорционального улучшения
Преимущество самобалансировки может увеличиваться с ростом количества параллельных ячеек, однако улучшение зависит от согласованности ячеек и условий эксплуатации.
Большая группа, содержащая плохо согласованные ячейки, все еще может испытывать значительный разбаланс токов ветвей, локальные сверхтоки и неравномерное старение.
Высокие C-коэффициенты отчетливее выявляют несоответствие
При более высоком токе различия в сопротивлении и поляризации сильнее влияют на распределение тока.
Поэтому испытания при высоких C-коэффициентах полезны для выявления максимального разбаланса, однако их следует сочетать с испытаниями при более низких токах и многократными циклами, чтобы не принять кратковременное поведение при нагрузке за характеристики нормальной эксплуатации.
Выравнивание также имеет свою цену
Взаимный заряд между параллельными ячейками может вызывать локальные потери энергии и нагрев.
В последовательно соединенных цепочках намеренная балансировка также требует компромиссов: пассивная балансировка рассеивает энергию в виде тепла, а активная балансировка требует дополнительных схем. Чрезмерный перезаряд, используемый для выравнивания емкости, может ускорить износ ячеек и повысить риск перегрева.
Измерения на уровне блока могут скрывать проблемы ветвей
Общие ток и напряжение блока могут выглядеть нормальными, тогда как отдельные ветви пропускают существенно разные токи.
Поэтому измерительное оборудование на уровне ветвей необходимо для диагностики разбаланса токов и проверки влияния количества параллельных ячеек.
Как применить это к вашему проекту
Используйте систему тестирования аккумуляторов для сравнения различных вариантов параллельного соединения в одинаковых условиях, независимо измеряйте каждую ветвь и оценивайте как немедленное распределение тока, так и разбаланс после многократных циклов.
- Если ваша основная задача — уменьшить начальный разбаланс токов: По возможности увеличьте количество параллельных ячеек, но сначала согласуйте ячейки по сопротивлению, емкости, начальному напряжению и характеристикам поляризации.
- Если ваша основная задача — продлить срок службы блока: Измеряйте токи ветвей, температуру и расхождение SOC в течение многократных циклов, а не полагайтесь только на начальное выравнивание напряжения.
- Если ваша основная задача — выбрать топологию: Тестируйте несколько параллельных конфигураций и C-коэффициентов, используя показатели отклонения тока и разбаланса SOC.
- Если ваша основная задача — разработка BMS: Используйте измеренный рост разбаланса для настройки тока балансировки, порогов, рабочего цикла и необходимого запаса по емкости.
Правильное количество параллельных ячеек определяется результатами испытаний на уровне ветвей в реальных условиях эксплуатации блока, а не только номинальной емкостью.
Сводная таблица:
| Фактор | Влияние большего количества параллельных ячеек | Оценка с помощью систем тестирования аккумуляторов |
|---|---|---|
| Начальное распределение токов | Улучшается благодаря самобалансировке | Измерять токи ветвей и рассчитывать отклонение |
| Разбаланс в конце цикла | Может сохраняться из-за различий в емкости и сопротивлении | Отслеживать расхождение SOC в течение многократных циклов |
| Несоответствие емкости | Не может быть полностью компенсировано; со временем накапливается | Интегрировать токи ветвей для оценки разбаланса SOC |
| Несоответствие сопротивлений | Неравномерное распределение токов; ветвь с меньшим сопротивлением пропускает больший ток | Сравнивать токи ветвей при различных C-коэффициентах |
| Плоские участки напряжения | Напряжение скрывает различия в SOC; преобладает влияние сопротивления | Использовать датчики тока и оценку SOC |
| Последствия для конструкции | Оптимизировать количество параллельных ячеек при использовании согласованных ячеек | Тестировать конфигурации и устанавливать критерии согласования |
Узнайте, как современные системы тестирования аккумуляторов KINTEK могут помочь оценить конфигурации параллельных ячеек и оптимизировать баланс токов в конструкции вашего аккумуляторного блока. От точного измерения токов ветвей до отслеживания разбаланса SOC — наше оборудование помогает принимать решения на основе данных для создания более долговечных и эффективных аккумуляторов. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше и запросить консультацию.