Litiumakun taajuuskorjauksen välttämättömyys ja passiivisen tasauslatauspiirin ominaisuudet
1. Tasoitusveloituksen määritelmä ja tasauksen tarpeellisuus
1. Tasoitusvarauksen määritelmä:
Tasoituslataus on lyhennetty tasauslataukseksi, joka on tasausakun ominaisuuksien lataamista. Se viittaa jännitteen epätasapainoon akun navassa, joka johtuu akun yksilöllisistä eroista, lämpötilaeroista ja muista syistä akun käytön aikana. Tämän epätasapainotrendin heikkenemisen välttämiseksi on tarpeen lisätä akun latausjännitettä ja ladata akku tasapainoisesti, jotta akun jokaisen akkukennon ominaisuudet tasapainotettaisiin ja akun kestoaika pidentyy. akun käyttöikä.
Tasoituslataus on tehoakun latausprosessin keski- ja loppuvaiheessa. Kun tehoakkukennon jännite saavuttaa tai ylittää katkaisujännitteen, tasapainotuspiiri alkaa toimia tehoakkukennon virran pienentämiseksi, jotta tehoakkukennon jännite ei ole korkeampi kuin latauksen katkaisujännite. Tasoituslatauksen ainoa tehtävä on estää ylilataus, ja se aiheuttaa negatiivisia vaikutuksia purkamisen aikana.
Tasoituslatausta käytettäessä pienikapasiteettinen akkukenno ei ylilataudu ja vapautuva teho on pienempi kuin teho, joka voidaan vapauttaa, kun taajuuskorjainta ei käytetä kevyeen ylilataukseen, jolloin tehoakun kenno purkautuu. aika lyhyempi ja mahdollinen ylipurkaus Seksi on vieläkin suurempi.
2. Tasauslatauksen tarve:
Litiumakkujen valmistuksen nykyisellä tasolla ja tekniikalla litiumakkukennojen tuotantoprosessissa jokaisen litiumakkukennon välillä on hienoisia eroja, mikä on johdonmukaisuusongelma. Epäjohdonmukaisuus ilmenee pääasiassa litiumakkukennossa. Kapasiteetti, sisäinen vastus, itsepurkautumisnopeus, lataus-purkautumistehokkuus jne. Litiumakkukennojen epäjohdonmukaisuus välittyy litiumakkupakkaukseen, mikä väistämättä johtaa litiumakkuyksikön katoamiseen'kapasiteettia, mikä puolestaan johtaa elämän vähenemiseen.
Kootun litiumakun käyttöprosessissa monomeerien epäjohdonmukaisuus ilmenee myös itsepurkautumisasteen ja osien lämpötilan vuoksi. Litiumakkumonomeerien epäjohdonmukaisuus vaikuttaa litiumakun lataukseen ja purkamiseen. ominaisuus. Tutkimukset ovat osoittaneet, että 20 % ero litiumakkukennojen kapasiteetissa tuo noin 40 % litiumakkujen kapasiteetin menetyksestä.
Litiumakkutasapainon tarkoitus on käyttää tehoelektroniikkatekniikkaa litiumioniakkukennon tai litiumtehoakkuyksikön jännitteen poikkeaman pitämiseksi odotetulla alueella, jotta varmistetaan, että jokainen litiumakku säilyy. normaalin käytön aikana. Sama tila ylilatauksen ja ylipurkautumisen välttämiseksi. Jos tasapainon hallintaa ei suoriteta, lataus- ja purkausjaksojen kasvaessa kunkin yksittäisen litiumakun jännite erottuu vähitellen ja käyttöikä lyhenee huomattavasti.
Litiumakkukennojen epäjohdonmukaisuus heikkenee edelleen ajan myötä satunnaisten tekijöiden, kuten lämpötilan, vaikutuksesta. Normaaliolosuhteissa, kun litiumakun käyttöympäristön lämpötila on 10°C korkeampi kuin sen optimaalinen lämpötila, litiumakun käyttöikä lyhenee puoleen. Koska sarjassa on paljon ajoneuvojen litiumakkujärjestelmiä, yleensä 88–100 sarjaa, niiden kapasiteetti on yleensä 20–60 kWh, ja kunkin litiumakkusarjan sijainti on erilainen, mikä aiheuttaa lämpötilaeron.
Jopa samassa akkukotelossa on lämpötilaero litiumakun sijainnin ja lämmityksen vuoksi, ja tällä lämpötilaerolla on suuri negatiivinen vaikutus litiumakun käyttöikään aiheuttaen litiumakun näyttää epätasapainoiselta, ja matkanopeus pienenee. , Jakson käyttöikä lyhenee. Juuri näiden ongelmien vuoksi koko akkujärjestelmän kapasiteettia ei voida hyödyntää täysimääräisesti, mikä aiheuttaa akkujärjestelmän häviöitä ja tällaisten järjestelmähäviöiden vähentäminen pidentää myös merkittävästi akkujärjestelmän käyttöikää.
Litiumakkukennojen välinen johdonmukaisuus on suorin ja tärkein vaikutus litiumakun kapasiteettiin, koska litiumakun kapasiteetti on parametri, jota ei voida mitata suoraan lyhyessä ajassa, mutta litiumakkujen kapasiteetti on Avoimen piirin jännitteiden välillä on yksi yhteen vastaavuus. Litiumakkukennon jännitettä voidaan mitata verkossa reaaliajassa, mikä tekee siitä suotuisan edellytyksen litiumakkukennon konsistenssitason mittaamiselle. Akunhallintajärjestelmän hallintastrategiassa on purkauspääteehdot, latauksen lopetusehdot jne., joissa litiumakkukennon jännitearvoa käytetään laukaisuehtona.
Tässä asennossa olevalle parametrille liiallinen ero litiumakkujen kennojen jännitteen yhtenäisyydessä rajoittaa suoraan litiumakun lataus- ja purkaustehoa. Tämän perusteella litiumakun tasausmenetelmän käyttäminen jo käytössä olevan litiumakun liiallisen jännite-eron ongelman ratkaisemiseksi on tehokas keino lisätä litiumakun kapasiteettia ja pidentää akun käyttöikää. litiumakku.
Toiseksi passiivisen tasapainon edut ja haitat
Litiumakkupakkausten taajuuskorjauksen hallinnassa sarja-rinnakkaisakkupakkausten jännitteen tasausmenetelmät jaetaan passiiviseen taajuuskorjaukseen ja aktiiviseen taajuuskorjaukseen. Yleensä energiankulutustyyppinen tase määritellään passiiviseksi taseeksi. Passiivinen tasapaino käyttää vastuksia kuluttamaan korkeajännitteisten tai korkealla ladattujen akkujen energiaa saavuttaakseen tarkoituksen eri akkujen välisen aukon pienentämiseksi. Se on energiaa kuluttava tyyppi. tasapainoinen. Tällä hetkellä markkinoilla on monia akunhallintajärjestelmiä, jotka omaksuvat passiivisen tasapainon. Koska passiivista tasapainotekniikkaa käytetään litiumakkujen markkinoilla ennen aktiivista tasapainoa, tekniikka on suhteellisen kypsä ja passiivisen tasapainon rakenne on yksinkertaisempi ja laajemmin käytetty.
Litiumakkujen tasapainonhallinta sisältää jännitetasapainon, virtatasapainon ja lämpötilatasapainon. Niistä litiumakkujen jännitetase on alkeellisin eli sarjassa olevien litiumakkujen akkukennojen jännitetase. Samoin virtatasapaino viittaa litiumtehoakun kunkin litiumakkukennon virran tasapainoon rinnakkain.
Litiumakuissa litiumakkukennojen suorituskyky heikkenee liian nopeasti johtuu siitä, että virta on epäyhtenäinen ja yksittäiset kennot toimivat ylinopeudella, mikä johtaa liialliseen suorituskyvyn heikkenemiseen. Litiumparistokennojen lämpötilaero johtuu epäjohdonmukaisesta lämmöntuotannosta ja epäyhtenäisestä lämmön hajaantumisesta. Tällä hetkellä litiumakkujen lämpötilatasapaino ratkaistaan yleensä fysikaalisilla menetelmillä, kuten luonnollisella ilmajäähdytyksellä, pakotetulla ilmajäähdytyksellä ja nestejäähdytyksellä.
Koska passiivinen taajuuskorjaus käyttää vastuksia energian kulutukseen, syntyy lämpöä ja tasausvirta on pieni, mikä heikentää koko järjestelmän hyötysuhdetta. Lämmönhallinnan vaatimusten perusteella passiivinen taajuuskorjaus voidaan tasata vain osioittain. Litiumakut ovat erittäin herkkiä lämmölle, ja on ehdottomasti vältettävä ulkoisen lämpötilan nousua. Passiivinen tasaus aiheuttaa litiumakun paikallista kuumenemista ja korkea lämpötila lisää komponenttien vikaantuvuutta. Tästä syystä, ottaen huomioon passiivisen tasapainon tuottaman lämmön, litiumakkujen turvallisuus- ja rakennesuunnittelulle asetetaan erityisiä vaatimuksia.
3. Passiivisen tasapainon toimintaperiaate
Passiivinen tasaus yleensä purkaa litiumakkuja korkeammalla jännitteellä vastuspurkauksen kautta ja vapauttaa sähköä lämmön muodossa saadakseen enemmän latausaikaa muille litiumakuille. Latausprosessin aikana litiumakulla on yleensä latauksen ylärajan suojajännitearvo. Jos jännite latauksen aikana ylittää tämän arvon, joka tunnetaan yleisesti nimellä" overcharge", litiumakku voi palaa tai räjähtää.
Siksi litiumakun suojalevyllä on yleensä ylilataussuojatoiminto, joka estää litiumakun ylilataamisen. Eli kun litiumakkujen sarja saavuttaa tämän jännitearvon, litiumakun suojalevy katkaisee latauspiirin ja lopettaa lataamisen.
Varauksen tasaus on tehoakun latausprosessin keski- ja loppuvaiheessa, kun tehoakun kennojännite saavuttaa tai ylittää katkaisujännitteen, tasauspiiri alkaa toimia tehoakkukennon virran pienentämiseksi rajoittaakseen tehoakun kennojännite ei saa olla korkeampi kuin latauksen katkaisujännite. Varauksen tasauksen ainoa tehtävä on estää ylilataus, ja se tuo negatiivisia vaikutuksia purkauskäytön aikana. Latauksen tasausta käytettäessä pienikapasiteettinen akkukenno ei ylilataudu ja vapautuva teho on pienempi kuin teho, joka voidaan vapauttaa, kun taajuuskorjainta ei käytetä kevyeen ylilataukseen, jolloin tehoakkukenno purkautuu. aika lyhyempi ja mahdollinen ylipurkaus Seksi on vieläkin suurempi.
Kaavamainen kaavio litiumakun kapasiteetin menetyksestä latauksen aikana on esitetty kuvassa 1. Kuvassa 1 2# litiumakun napajännite ladataan ensin asetettuun suojajännitearvoon, joka laukaisee suojamekanismin. litiumakun suojapiiristä ja pysäyttää litiumin Virta-akun lataaminen aiheuttaa suoraan sen, että 1#, 3## ja 4 litiumakkua ei voida ladata täyteen. Koko litiumakkupakkauksen täysi latauskapasiteetti on rajoitettu 2#:n litiumakkuihin, jolloin litiumakkua ei voi ladata täyteen. Jotta litiumakku voidaan ladata täyteen, latauksen aikana on käytettävä tasauslatauspiiriä.
Litiumakun latausprosessin aikana jokainen litiumakku on varustettu tasauspiirillä kuvan 2 mukaisesti (jokainen litiumakku on kytketty rinnakkaiseen jännitteen stabilointitasauspiiriin), ja jokaista litiumakkua ohjataan tasauspiiri latauksen aikana. Litiumakun jännite pitää jokaisen litiumakkusarjan samassa tilassa, mikä varmistaa litiumakun suorituskyvyn ja käyttöiän.
Jos litiumakun tasauspiirin asettama jännite on 4,2 V, kun litiumakku ei saavuta 4,2 V:tä, rinnakkaisjännitesäädinpiiri ei toimi, jokaisen litiumakun lataus jatkuu ja latausvirta jatkuu kulkea litiumakun läpi. Kuten kuvassa 3 näkyy.
Kun 2# litiumakun napajännite saavuttaa 4,2 V, tasauspiiri alkaa toimia ja se stabiloi jännitteen 4,2 V:iin, eli latausvirta ei enää kulje 2# litiumakun läpi, kuten kuvassa. Kuvassa 4. Tällä tavalla 1#, 3# ja 4# litiumakkujen latausaikaa pidennetään vastaavasti, mikä lisää koko litiumakkupakkauksen tehoa. Kuitenkin 100 % litiumpariston nro 2 purkautuneesta tehosta muuttuu lämmön vapautumiseksi, mikä aiheuttaa paljon hukkaa (nro 2 litiumakun lämmönhäviö on järjestelmän menetystä ja virran hukkaa ).
Kuvassa 2 esitetyn shunttisäädinpiirin toimintaperiaate on: TL431 on referenssijännite, ja jännite säädetään 4,2 V:iin säädettävällä resistanssilla. Jos litiumakun kaksi päätä ovat alle 4,2 V, TL431 ei absorboi virtaa, eli Ib=0 alle, joten Ic=0, transistori katkeaa ja latausvirta kulkee edelleen litiumin läpi. tehoakku. Jos litiumakun molemmat päät saavuttavat 4,2 V:n, TL431 alkaa imeä virtaa Ib>0 ja latausvirta (eli Ic) kulkee triodin läpi eikä litiumakun läpi, eli , litiumakkua ei enää ladata.
Kolme sarjaan kytkettyä diodia IN4001 piirissä toimivat jännitteenjakajana, mikä voi vähentää transistorin TIP42 hukkaa. Jos näitä kolmea diodia IN4001 ei ole kytketty, transistorin TIP42 teho häviää: P=4,2V×latausvirta, diodin IN4001 lisäämisen jälkeen P=(4,2V-3×0,7V)×latausvirta. Oikean reunan valodiodilla on ilmaisintoiminto. Merkkivalo palaa osoittaen, että jännite on saavuttanut 4,2V, eli tätä tasauspiiriä vastaava akku on ladattu täyteen.
Neljänneksi shunttiresistanssiin perustuvan tasauslatauspiirin ominaisuudet
Yksinkertaisin tasapainotuspiiri on kuormankulutuksen tasapaino, eli jokaiseen litiumtehoparistoon on kytketty rinnan vastus ja ohjausta varten sarjaan kytkin. Kun litiumakun jännite on liian korkea, kytkin kytketään päälle ja latausvirta ohjataan vastuksen läpi. Tällä tavalla korkeajännitteisellä litiumakulla on pieni latausvirta ja matalajännitteisellä litiumakulla on suuri latausvirta. Tällä tavalla litiumakun jännitettä voidaan tasapainottaa, mutta tätä menetelmää voidaan soveltaa vain pienikapasiteettisiin litiumakkuihin. Se on epärealistista kapasiteetin litiumakun kannalta.
Liitä vastukset rinnakkain litiumakun kennon molemmissa päissä, jotta vastus kuluttaa osan litiumakun energiasta. On olemassa kaksi rinnakkaista vastusta. Yksi on kiinteä yhteys. Vastus on kytketty rinnan litiumakun molemmissa päissä pitkään. Litiumakkukennon jännite Kun se on korkea, vastuksen läpi kulkeva virta on suuri ja kuluttaa enemmän tehoa. Kun litiumakun jännite on alhainen, vastus kuluttaa vähemmän virtaa. Resistanssin paineherkän ominaisuuden avulla saavutetaan litiumtehoakun navan jännitetasapaino. Tämä on teoriassa toteuttamiskelpoinen menetelmä ja sitä käytetään harvoin käytännössä.
Analysoi litiumakun tehon tasauksen tarpeellisuus ja passiivisen tasauslatauspiirin ominaisuudet
Toinen tapa kytkeä vastukset rinnakkain on kytkeä vastukset rinnakkain kennon molemmissa päissä kytkinsilmukan kautta. Kytkin laukeaa hallintajärjestelmän signaalista. Kun järjestelmä määrittää, mikä kennojännite tai SOC on korkea, se kytkee rinnakkaisvastuksen kuluttaakseen energiansa.
Shunttiresistanssiin perustuva tasapainotetun latauksen periaate on esitetty kuvassa 5, eli jokainen litiumakkukenno on kytketty rinnan shunttivastuksen kanssa. Kuvan 5 piiristä voidaan nähdä, että resistanssin shunttivirran tulee olla paljon suurempi kuin litiumakun. Itsepurkautumisvirta voi saavuttaa tasapainoisen latauksen vaikutuksen. Yleensä litiumakun itsepurkautumisvirta on noin C/20000, joten C/200 on sopivampi shunttivastuksen läpi kulkevalle virralle. Lisäksi kunkin shunttivastuksen poikkeama on myös tärkeä tasausvaikutukseen vaikuttava tekijä. Tietyn määrän lataus- ja purkausjaksojen jälkeen litiumakkukennon poikkeama voidaan määrittää seuraavalla kaavalla:
Analysoi litiumakun tehon tasauksen tarpeellisuus ja passiivisen tasauslatauspiirin ominaisuudet
Missä: VC on litiumakun jännitepoikkeama; R on ohitusvastus; I on litiumakun itsepurkautumisvirta; VD on litiumakkukennon jännite; K on vastuksen poikkeama.
Jos shunttiresistanssi on 20Ω±0,05%, litiumakun jännitepoikkeamaa voidaan säätää 50 mV:n alueella. Kunkin vastuksen keskimääräinen teho on 0,72 W, mutta shunttivastus kuluttaa aina virtaa latausprosessista tai litiumakun purkautumisprosessista riippumatta.
Shunttiresistanssiin perustuvan tasapainotetun latauksen periaate päälle-pois-kytkimen lisäyksellä on esitetty kuvassa 6. On-off-shunttivastuksen balansoidun latauksen ja vastusshunttibalansoidun latauksen välinen ero on päälle-pois-kytkimen lisääminen. voidaan ohjata ohjausjärjestelmän ohjelmistolla, Voidaan myös toteuttaa yksinkertaisilla logiikkapiireillä. Tätä ohjaustapaa käyttävä taajuuskorjauspiiri toimii vain litiumakun latauksen vakiojännitelatausosassa, ja on-off-kytkin on aina pois päältä muina aikoina, joten kun litiumakkupakkaus purkautuu, shunttivastus ei kuluttaa energiaa. Mutta tämän piirin suurin haittapuoli on, että on-off-kytkimen vikataajuus on suhteellisen korkea ja tarvitaan redundantteja keinoja.
