Πώς η συνοχή των κυττάρων λιθίου επηρεάζει το πακέτο μπαταριών;

Η ποσότητα νερού που μπορεί να χωρέσει ένα ξύλινο βαρέλι καθορίζεται από το κοντύτερο καδρόνι του. Αυτό είναι γνωστό ως "η αρχή του βαρελιού."

Αν συγκρίνουμε μια μπαταρία ιόντων λιθίου με ένα βαρέλι που συγκρατεί νερό, τότε τα μεμονωμένα κελιά λιθίου που αποτελούν την μπαταρία είναι τα ξύλινα καδρόνια. Η απόδοση του χειρότερου μεμονωμένου κελιού καθορίζει τη συνολική απόδοση ολόκληρης της μπαταρίας.

Στη συναρμολόγηση μπαταριών ιόντων λιθίου (PACK), η συνέπεια των κυψελών είναι εξαιρετικά σημαντική. Ένα πακέτο με κακή συνέπεια κυψελών θα δει την απόδοσή του—συμπεριλαμβανομένης της χωρητικότητας, της διάρκειας ζωής του κύκλου και των χαρακτηριστικών φόρτισης/εκφόρτισης—να επηρεάζεται αρνητικά. Καθώς αυξάνεται ο αριθμός των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης, αυτός ο αντίκτυπος μεγαλώνει. Αλλά πόσο σημαντικό είναι το αποτέλεσμα αυτής της "αρχής του βαρελιού";

Η μπαταρία ιόντων λιθίου PACK ακολουθεί την "Αρχή του βαρελιού"

Ένας σημαντικός λόγος για αυτό είναι η διαχείριση και ο έλεγχος από το Σύστημα Διαχείρισης Μπαταρίας (BMS). Το BMS μιας μπαταρίας λιθίου περιλαμβάνει προστασία από υπερφόρτιση και υπερ-εκφόρτιση μεμονωμένων κυψελών. Αυτό διασφαλίζει ότι τα κελιά ιόντων λιθίου λειτουργούν εντός ενός ασφαλούς και αξιόπιστου εύρους τάσης κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, αποτρέποντας την υποβάθμιση της απόδοσης, τη μειωμένη διάρκεια ζωής ή ακόμη και κινδύνους για την ασφάλεια που προκαλούνται από υπερφόρτιση ή υπερ-εκφόρτιση.

Επίδραση της συνέπειας κατά την εκφόρτιση της μπαταρίας

Πάρτε ένα τριμερές κελί λιθίου (NMC/NCA) ως παράδειγμα. Η τάση αποκοπής εκφόρτισης του μεμονωμένου κελιού είναι συνήθως 2,5V και το BMS συνήθως ορίζει την προστασία υπερ-εκφόρτισης του μεμονωμένου κελιού στα 2,8V. Η λογική προστασίας του BMS είναι τέτοια ώστε όταν η τάση οποιουδήποτε κελιού στο πακέτο φτάσει τα 2,8V, ενεργοποιείται η προστασία υπερ-εκφόρτισης. Τα MOSFET ή τα ρελέ εκφόρτισης ανοίγουν και ολόκληρο το πακέτο σταματά την εκφόρτιση.

Εξετάστε μια μπαταρία λιθίου τριών στοιχείων 10-σειρών, 1-παράλληλης (10S1P). Ας υποθέσουμε ότι μεταξύ των 10 κυψελών, η κυψέλη με τη χαμηλότερη χωρητικότητα είναι 2000mAh, ενώ οι άλλες 9 κυψέλες έχουν χωρητικότητα 2500mAh. Όταν το πακέτο εκφορτίζεται, και οι 10 κυψέλες εκφορτίζονται ταυτόχρονα. Η τάση του κελιού πέφτει καθώς μειώνεται η χωρητικότητά του. Όταν η κυψέλη 2000mAh χαμηλότερης χωρητικότητας είναι πλήρως εκφορτισμένη, η τάση της θα φτάσει τα 2,8V. Αυτή τη στιγμή, οι άλλες 9 κυψέλες (2500mAh) έχουν ακόμη εναπομείνουσα χωρητικότητα, με τάσεις πάνω από 3,0V. Ωστόσο, επειδή το BMS έχει ανιχνεύσει ότι η τάση μιας σειράς κυψελών έχει φτάσει τα 2,8V, ενεργοποιεί την προστασία υπερ-εκφόρτισης του πακέτου και σταματά την εκφόρτιση για ολόκληρο το πακέτο. Κατά συνέπεια, η χρησιμοποιήσιμη χωρητικότητα εκφόρτισης ολόκληρου του πακέτου περιορίζεται στα 2000mAh.

Η επίδραση της συνέπειας κατά τη φόρτιση είναι παρόμοια με το σενάριο εκφόρτισης.

Ένα τριμερές κελί λιθίου είναι πλήρως φορτισμένο στα 4,2V. Το BMS συνήθως ορίζει την προστασία υπερφόρτισης μεμονωμένου κελιού στα 4,25V. Καθώς τα κελιά φορτίζονται, η τάση τους αυξάνεται με την αύξηση της χωρητικότητας. Όταν το κελί 2000mAh χαμηλότερης χωρητικότητας φορτιστεί πλήρως και η τάση του φτάσει τα 4,25V, οι άλλες 9 κυψέλες δεν είναι ακόμη πλήρως φορτισμένες (πιθανώς κάτω από 4,1V). Ωστόσο, το BMS ανιχνεύει μια σειρά κυψελών που υπερβαίνει τα 4,25V και ενεργοποιεί την προστασία υπερφόρτισης του πακέτου, σταματώντας τη φόρτιση για ολόκληρο το πακέτο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το πακέτο να δέχεται μόνο φόρτιση 2000mAh.

Αυτό είναι το πώς εκδηλώνεται το "φαινόμενο του βαρελιού": το κελί με τη χαμηλότερη χωρητικότητα υπαγορεύει τόσο τη χωρητικότητα φόρτισης όσο και την χωρητικότητα εκφόρτισης ολόκληρης της μπαταρίας.

Η επιρροή της συνέπειας στη διάρκεια ζωής του κύκλου του πακέτου και στα χαρακτηριστικά φόρτισης/εκφόρτισης ακολουθεί επίσης την "αρχή του βαρελιού". Η συνολική απόδοση του πακέτου καθορίζεται από το μεμονωμένο κελί με τη χειρότερη διάρκεια ζωής κύκλου και τα χαρακτηριστικά φόρτισης/εκφόρτισης.

Πώς μπορεί να ελεγχθεί η συνέπεια της μπαταρίας;

Η συνέπεια της μπαταρίας περιλαμβάνει παραμέτρους όπως η τάση ανοιχτού κυκλώματος, η χωρητικότητα και η εσωτερική αντίσταση. Σε βαθύτερο επίπεδο, περιλαμβάνει επίσης παράγοντες όπως η τιμή Κ (ρυθμός αυτοεκφόρτισης), η διάρκεια ζωής του κύκλου και τα χαρακτηριστικά καμπύλης φόρτισης/εκφόρτισης.

Πριν από τη συναρμολόγηση του PACK, τα κελιά υποβάλλονται σε διαλογή και αντιστοίχιση. Τα κοινά κριτήρια αντιστοίχισης είναι:

• Απόκλιση χωρητικότητας: Ελέγχεται εντός 1%

• Διαφορά τάσης: Εντός 3mV

• Διαφορά εσωτερικής αντίστασης (IR): Εντός 2mΩ

Όσον αφορά παράγοντες όπως η τιμή Κ, η διάρκεια ζωής του κύκλου και τα χαρακτηριστικά φόρτισης/εκφόρτισης, η συνέπεια πρέπει να ελέγχεται στην πηγή κατασκευής των κυψελών. Αυτό περιλαμβάνει:

• Χρήση πανομοιότυπων συστημάτων υλικών για κυψέλες εντός της ίδιας παρτίδας παραγωγής.

• Έλεγχος του ποσοστού ελαττωμάτων στη μαζική παραγωγή.

• Τυποποίηση και αυτοματοποίηση της διαδικασίας μαζικής παραγωγής για κυψέλες.

Εν συντομία:

Με τον αυστηρό έλεγχο της συνέπειας των κυψελών εντός μιας μπαταρίας λιθίου, μπορούμε να βελτιστοποιήσουμε την απόδοση του πακέτου στο μέγιστο δυναμικό του, ακόμη και υπό την κυρίαρχη επιρροή της "Αρχής του Βαρελιού".