چرا تعادل سلولی مناسب در بسته‌های باتری ضروری است شرح آنتون بک، مدیر محصول باتری، Epec

هنگامی که یک بسته باتری لیتیومی با استفاده از چندین سلول به صورت سری طراحی می شود، طراحی ویژگی های الکترونیکی برای متعادل کردن ولتاژهای سلولی بسیار مهم است.این نه تنها برای عملکرد بسته باتری، بلکه برای چرخه عمر بهینه است.

استفاده از تعادل سلولی ما را قادر می سازد تا باتری با ظرفیت بیشتری را برای یک برنامه طراحی کنیم زیرا تعادل به باتری اجازه می دهد تا به حالت شارژ بالاتر (SOC) دست یابد.بسیاری از شرکت‌ها ترجیح می‌دهند در ابتدای طراحی خود از تعادل سلولی استفاده نکنند، هزینه را کاهش می‌دهند، اما بدون سرمایه‌گذاری در سخت‌افزار و نرم‌افزار تعادل سلولی، طراحی اجازه نمی‌دهد SOC به 100 درصد نزدیک شود.

عدم تعادل سلولی چیست؟
اگر سلول های لیتیوم بیش از حد گرم یا شارژ شوند، مستعد تخریب سریع سلول هستند.آنها می توانند آتش بگیرند یا حتی منفجر شوند، زیرا اگر ولتاژ سلول یون لیتیوم از 4.2 ولت حتی چند صد میلی ولت بیشتر شود، ممکن است شرایط فرار حرارتی رخ دهد.

 

هر بسته ای که ما در Epec طراحی و تولید می کنیم دارای یک مدار حفاظت از اضافه ولتاژ (گاهی حتی یک نسخه پشتیبان) برای همراهی با تعادل سلولی استاندارد است که از وقوع چنین رویدادی جلوگیری می کند.در بسته باتری چند سلولی، که معمولاً در رایانه‌های لپ‌تاپ و تجهیزات پزشکی استفاده می‌شود، قرار دادن سلول‌ها به صورت سری، احتمال عدم تعادل سلولی را باز می‌کند، یعنی تخریب کندتر اما مداوم باتری.

تعادل سلولی چیست؟
بالانس سلولی فرآیند یکسان سازی ولتاژها و حالت شارژ بین سلول ها در زمانی که آنها در شارژ کامل هستند می باشد.هیچ دو سلولی یکسان نیستند.همیشه تفاوت های جزئی در وضعیت شارژ، نرخ خود تخلیه، ظرفیت، امپدانس و ویژگی های دما وجود دارد.این درست است حتی اگر سلول ها همان مدل، همان سازنده و همان تعداد تولید باشند.سازندگان سلول‌ها را بر اساس ولتاژ مشابه دسته‌بندی می‌کنند تا تا حد امکان با هم مطابقت داشته باشند، اما هنوز تغییرات جزئی در امپدانس، ظرفیت و نرخ خود تخلیه سلول‌ها وجود دارد که در نهایت می‌تواند منجر به واگرایی در ولتاژ در طول زمان شود.

اکثر شارژرهای معمولی باتری با بررسی اینکه آیا ولتاژ کل رشته سلول ها به نقطه تنظیم ولتاژ رسیده است، شارژ کامل را تشخیص می دهند.ولتاژهای تک سلولی می تواند متفاوت باشد تا زمانی که از محدودیت های حفاظت از اضافه ولتاژ تجاوز نکند.با این حال، سلول های ضعیف (آنهایی که ظرفیت کمتر / امپدانس داخلی بالاتر دارند) تمایل دارند ولتاژ بالاتری نسبت به بقیه سلول های سری در پایان شارژ کامل نشان دهند.سپس این سلول ها توسط چرخه های شارژ بیش از حد مداوم تضعیف می شوند.ولتاژ بالاتر سلول های ضعیف تر در تکمیل شارژ باعث تسریع تخریب ظرفیت می شود.اگر از حداکثر ولتاژ شارژ توصیه شده حتی تا 10 درصد فراتر رود، باعث افزایش 30 درصدی نرخ تخریب می شود.

در سمت تخلیه، سلول‌های ضعیف نسبت به سلول‌های دیگر ولتاژ کمتری دارند، به دلیل مقاومت داخلی بالاتر، یا سرعت تخلیه سریع‌تر که ناشی از ظرفیت کمتر است.این بدان معنی است که اگر هر یک از سلول های ضعیف به سلول تحت محدودیت حفاظت ولتاژ برخورد کند در حالی که ولتاژ بسته هنوز برای تغذیه سیستم کافی است، از ظرفیت کامل باتری هرگز استفاده نمی شود زیرا محافظ پک از تخلیه بیش از حد جلوگیری می کند (که باعث آسیب می شود. سلول) با متوقف کردن تخلیه کل بسته زمانی که یک ولتاژ سلول به زیر سلول زیر آستانه ولتاژ می رود (معمولاً حدود 2.7 ولت).

تکنیک های تعادل سلولی
راه حل اساسی تعادل سلول ولتاژ و حالت شارژ را در بین سلول ها زمانی که در حالت شارژ کامل هستند یکسان می کند.تعادل سلولی معمولاً به دو نوع تقسیم می شود:

1. منفعل
2. فعال

تعادل سلولی غیرفعال
روش تعادل سلولی غیرفعال تا حدودی ساده و سرراست است.سلول ها را از طریق یک مسیر بای پس اتلافی تخلیه کنید.این بای پس می تواند یکپارچه یا خارجی برای مدار مجتمع (IC) باشد.چنین رویکردی در کاربرد سیستم کم هزینه مطلوب است.این واقعیت که 100٪ انرژی اضافی از یک سلول انرژی بالاتر به عنوان گرما تلف می شود، روش غیرفعال را برای استفاده در حین تخلیه به دلیل تأثیر آشکار بر زمان کارکرد باتری ترجیح داده نمی شود.

تعادل سلولی فعال
متعادل‌سازی سلول فعال، که از جابجایی شارژ خازنی یا القایی برای انتقال شارژ بین سلول‌های باتری استفاده می‌کند، به طور قابل‌توجهی کارآمدتر است زیرا انرژی به جای تخلیه به جایی که نیاز است منتقل می‌شود.بدیهی است که جایگزینی برای این بازده بهبود یافته، نیاز به اجزای اضافی با هزینه بالاتر است.

خلاصه
تعادل سلولی نه تنها برای بهبود عملکرد و چرخه عمر باتری مهم است، بلکه عنصر ایمنی را به باتری اضافه می کند.یکی از فناوری‌های نوظهور برای افزایش ایمنی باتری و افزایش عمر باتری، تعادل سلولی پیشرفته است.از آنجایی که فناوری‌های جدید تعادل سلولی میزان تعادل مورد نیاز هر سلول را ردیابی می‌کنند، عمر قابل استفاده بسته‌های باتری افزایش می‌یابد و ایمنی کلی باتری افزایش می‌یابد.