Влияние разбаланса ячеек на эффективность литий-ионных аккумуляторов
При использовании Li-ion батарей постепенно происходит разбалансировка ячеек. Аккумуляторы, последовательно соединенные в одну батарею, изначально имеют одинаковое напряжение. Но со временем, после многочисленных циклов заряд-разряд, их напряжение немного разбегается. Этот разбег постепенно увеличивается от сотых долей до десятых. Например, одни аккумуляторы в сборке могут иметь вольтаж 3,7 В, а другие – 3,4 В.
Но при использовании аккумуляторной батареи и подключаемая к АКБ техника, и зарядные устройства распознают только суммарное напряжение сборки. Если же вольтаж ячеек неодинаков, при зарядке одни из них оказываются перезаряженными, а другие – недозаряженными. При разряде также возникает проблема: некоторые элементы разряжаются ниже рекомендуемой границы, в то время как другие не работают на полную мощь.
Последствия разбаланса
При разбалансировке Li-ion аккумуляторы, соединенные по последовательной или смешанной схеме в единую АКБ, заряжаются с разной скоростью и работают с разной производительностью. При этом нарушается четко установленный диапазон рабочих напряжений. Для большинства Li-ion элементов он составляет от 2,8 до 4,2 В. Выход за эти границы приводит к ускоренному износу аккумуляторов, протеканию необратимых химических процессов и ухудшению рабочих характеристик.
Более того, перезаряд элементов опасен их перегревом, вздутием и риском возгорания. При глубоком разряде повышается риск появления и роста дендритов – отростков, приводящих к внутреннему короткому замыканию. Кроме того, из-за разбаланса происходит снижение емкости, увеличение внутреннего сопротивления, ухудшение токоотдачи, повышение саморазряда. В результате аккумуляторная батарея накапливает и отдает меньше энергии, чем накапливала и отдавала прежде – до того, как элементы питания разбежались по напряжению.
На практике это проявляется сокращением времени работы АКБ в одинаковых условиях, например, уменьшением расстояния пробега электровелосипеда на 1 заряде. Сокращается и циклический ресурс батареи – вместо 1000 циклов она проработает 300–500 циклов или меньше. Какими будут последствия разбаланса в конкретном случае – зависит от того, насколько большим будет разбег между отдельными аккумуляторами.
Как избежать разбалансировки?
Прежде всего, чтобы минимизировать разбаланс Li-ion аккумуляторов, соединенных по последовательной или комбинированной схеме, для сборки батарей используют абсолютно идентичные элементы. Они должны быть одного бренда и конфигурации, взятые из одной серии, имеющие идентичные значения емкости, внутреннего сопротивления и напряжения.
Но даже при строгом соблюдении этого правила не исключена постепенная разбалансировка элементов. Для решения этой проблемы используют BMS платы с функциями балансировки, а также специальные устройства – активные или пассивные балансиры. БМС плата необходима каждой Li-ion батарее для контроля рабочих параметров и защиты от опасных состояний. Если же используемый BMS контроллер не имеет функций балансировки или не обеспечивает ее в достаточной мере, в дополнение к нему используют мощный балансир.
Обычно БМС плата обеспечивает балансировку литий-ионных аккумуляторов малыми токами. Этого достаточно для выравнивания потенциала на элементах батарей небольшой емкости. Для АКБ солидной емкости этого недостаточно – БМС в силах только обнаружить разбег напряжений и отключить батарею от зарядного устройства или нагрузки при выявлении большого разбаланса. Но чтобы выровнять вольтаж ячеек и поддерживать его одинаковым, необходимо включить в систему отдельные мощные балансиры.
Виды балансировки
Балансиры для Li-ion батарей бывают:
- Пассивные – включаются в работу на последнем этапе зарядки, когда некоторые элементы питания достигают состояния полного заряда. Такие балансиры отводят избыточную емкость с заряженных аккумуляторов в виде тепла, используя балансировочный резистор или транзистор. Они обеспечивают высокую точность балансировки, но избыточная энергия заряда рассеивается в виде тепла. Напряжение пассивного балансира должно быть чуть ниже напряжения отсечки BMS платы по верхней границе.
- Активные – работают при заряде и разряде АКБ, выравнивают заряд путем переноса энергии между элементами, без трат на выделение тепла. После сравнения вольтажа аккумуляторов от элемента с большим зарядом заряжается электролитический конденсатор или катушка индуктивности, а затем энергия поступает на аккум с меньшим уровнем заряда. Точность балансировки у таких устройств ниже – 0,5 В против 0,1 В у пассивных балансиров. Ток балансировки у активных моделей бывает большим.
Читайте в предыдущей статье блога VirtusTec.ru о влиянии температуры на безопасность и производительность Li-ion аккумуляторов.
