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Perché l'equilibratura adeguata delle cellule è necessaria nel commento contribuito pacchetti della batteria da Anton Beck, il product manager della batteria, Epec

May 19, 2022

Quando un pacco batteria al litio è progettato utilizzando più celle in serie, è molto importante progettare le caratteristiche elettroniche per bilanciare continuamente le tensioni delle celle.Questo non è solo per le prestazioni del pacco batteria, ma anche per cicli di vita ottimali.

L'uso del bilanciamento delle celle ci consente di progettare una batteria con una capacità maggiore per un'applicazione perché il bilanciamento consente alla batteria di raggiungere uno stato di carica (SOC) più elevato.Molte aziende scelgono di non utilizzare il bilanciamento delle celle all'inizio della progettazione, riducendo i costi, ma senza l'investimento nell'hardware e nel software di bilanciamento delle celle, il progetto non consente al SOC di avvicinarsi al 100%.

Che cos'è lo squilibrio cellulare?
Se le celle al litio sono surriscaldate o sovraccaricate, sono soggette a un degrado cellulare accelerato.Possono prendere fuoco o addirittura esplodere poiché può verificarsi una condizione di instabilità termica se la tensione di una cella agli ioni di litio supera i 4,2 V anche di poche centinaia di millivolt.

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Pacco batteria che utilizza il bilanciamento delle celle

Ogni pacco che progettiamo e produciamo in Epec ha un circuito di protezione da sovratensione (a volte anche un backup) per andare avanti con il bilanciamento delle celle standard che impedirà il verificarsi di un tale evento.In un pacco batteria multicella, comunemente usato nei computer portatili e nelle apparecchiature mediche, il posizionamento delle celle in serie apre la possibilità di squilibrio cellulare, una degradazione più lenta ma persistente della batteria.

Che cos'è il bilanciamento cellulare?
Il bilanciamento delle celle è il processo di equalizzazione delle tensioni e dello stato di carica tra le celle quando sono a piena carica.Non esistono due celle identiche.Ci sono sempre lievi differenze nello stato di carica, velocità di autoscarica, capacità, impedenza e caratteristiche di temperatura.Questo è vero anche se le celle sono dello stesso modello, stesso produttore e stesso lotto di produzione.I produttori ordinano le celle in base a una tensione simile in modo che corrispondano il più vicino possibile, ma ci sono ancora lievi variazioni nell'impedenza, nella capacità e nella velocità di autoscarica delle singole celle che possono eventualmente portare a una divergenza di tensione nel tempo.

La maggior parte dei caricabatteria tipici rileva la carica completa controllando se la tensione dell'intera stringa di celle ha raggiunto il punto di regolazione della tensione.Le tensioni delle singole celle possono variare purché non superino i limiti per la protezione da sovratensione.Tuttavia, le celle deboli (quelle con capacità inferiore / impedenza interna più elevata) tendono a mostrare una tensione più elevata rispetto al resto delle celle della serie alla terminazione della carica completa.Queste celle vengono poi ulteriormente indebolite da continui cicli di sovraccarico.La maggiore tensione delle celle più deboli al completamento della carica provoca un degrado accelerato della capacità.Se la tensione di carica massima consigliata viene superata anche solo del 10 percento, il tasso di degradazione aumenterà del 30 percento.

Sul lato della scarica, le celle deboli tendono ad avere una tensione inferiore rispetto alle altre celle, a causa di una maggiore resistenza interna o di una velocità di scarica più rapida che risulta dalla capacità inferiore.Ciò significa che se una qualsiasi delle celle deboli raggiunge il limite di protezione da sottotensione della cella mentre la tensione del pacco è ancora sufficiente per alimentare il sistema, la piena capacità della batteria non verrà mai utilizzata poiché il protettore del pacco eviterà una scarica eccessiva (che danneggerebbe la cella) interrompendo la scarica dell'intero pacco quando la tensione di una cella scende al di sotto della soglia di sottotensione della cella (solitamente intorno a 2,7 V).

Tecniche di bilanciamento cellulare
La soluzione fondamentale del bilanciamento delle celle equalizza la tensione e lo stato di carica tra le celle quando sono completamente cariche.Il bilanciamento cellulare è generalmente classificato in due tipi:

  1. Passivo
  2. Attivo

Bilanciamento cellulare passivo
Il metodo di bilanciamento delle cellule passive è piuttosto semplice e diretto.Scaricare le celle attraverso un percorso di bypass dissipativo.Questo bypass può essere integrato o esterno al circuito integrato (IC).Tale approccio è favorevole nell'applicazione di sistemi a basso costo.Il fatto che il 100% dell'energia in eccesso da una cella di energia superiore venga dissipata sotto forma di calore rende il metodo passivo meno preferibile da utilizzare durante la scarica a causa dell'evidente impatto sul tempo di funzionamento della batteria.

Bilanciamento cellulare attivo
Il bilanciamento attivo delle celle, che utilizza lo scambio di carica capacitivo o induttivo per trasferire la carica tra le celle della batteria, è significativamente più efficiente perché l'energia viene trasferita dove è necessaria invece di essere scaricata.Naturalmente il compromesso per questa maggiore efficienza è la necessità di componenti aggiuntivi a costi più elevati.

Sommario
Il bilanciamento delle celle non è solo importante per migliorare le prestazioni e i cicli di vita della batteria, ma aggiunge un elemento di sicurezza alla batteria.Una delle tecnologie emergenti per migliorare la sicurezza della batteria e prolungarne la durata è il bilanciamento avanzato delle celle.Poiché le nuove tecnologie di bilanciamento delle celle tengono traccia della quantità di bilanciamento necessaria per le singole celle, la vita utile dei pacchi batteria è aumentata e la sicurezza generale della batteria è migliorata.

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