리튬 전원 배터리 균등화의 필요성 및 수동 균등화 충전 회로의 특성
1. 균등화 충전의 정의와 균등화의 필요성
1. 균등 전하의 정의:
이퀄라이징 충전은 이퀄라이징 충전으로 줄여서 배터리 특성을 이퀄라이징하는 충전입니다. 배터리 사용 중 배터리의 개인차, 온도차 및 기타 이유로 인해 배터리 단자의 전압 불균형을 말합니다. 이러한 불균형 추세의 악화를 피하기 위해 배터리 팩의 충전 전압을 높이고 균형 잡힌 방식으로 배터리를 충전하여 배터리 팩의 각 배터리 셀 특성의 균형을 유지하고 수명을 연장해야 합니다. 배터리의 수명.
이퀄라이제이션 충전은 전원 배터리 충전 프로세스의 중간 및 후기 단계입니다. 전원 배터리 셀 전압이 차단 전압에 도달하거나 초과하면 밸런싱 회로는 전원 배터리 셀 전압이 충전 차단 전압보다 높지 않도록 제한하기 위해 전원 배터리 셀 전류를 줄이기 위해 작동하기 시작합니다. 균등 충전의 유일한 기능은 과충전을 방지하는 것이며 방전 사용 중에 부정적인 영향을 미칩니다.
이퀄라이저 충전을 사용할 때 소용량 파워 배터리 셀이 과충전되지 않고, 방출할 수 있는 전력량이 가벼운 과충전에 이퀄라이저를 사용하지 않을 때 방출할 수 있는 전력보다 적어서 파워 배터리 셀이 방전됩니다. 시간이 더 짧고 과방전 가능성이 훨씬 더 큽니다.
2. 균등 충전의 필요성:
리튬 배터리 제조의 현재 수준과 기술로 리튬 배터리 셀의 생산 과정에서 각 리튬 배터리 셀 사이에 미묘한 차이가 있으며 일관성 문제가 있습니다. 불일치는 주로 리튬 배터리 셀에서 나타납니다. 용량, 내부저항, 자기방전율, 충방전효율 등 리튬전지 셀의 불일치가 리튬전지팩에 전달되어 필연적으로 리튬전지팩의 손실을 초래하게 된다& #39;용량, 차례로 수명 감소로 이어집니다.
조립된 리튬 전원 배터리를 사용하는 과정에서 자체 방전 정도와 부품의 온도로 인해 단량체의 불일치도 나타납니다. 리튬 전원 배터리 단량체의 불일치는 리튬 전원 배터리 팩의 충전 및 방전에 영향을 미칩니다. 특성. 연구에 따르면 리튬 전원 배터리 셀의 용량이 20% 차이가 나면 리튬 전원 배터리 팩 용량 손실의 약 40%가 발생합니다.
리튬 전원 배터리 균형의 의미는 전력 전자 기술을 사용하여 리튬 이온 리튬 전원 배터리 셀의 전압 편차 또는 리튬 전원 배터리 팩 전압을 예상 범위 내로 유지하여 각 단일 리튬 전원 배터리가 유지되도록하는 것입니다 정상적인 사용 중. 과충전 및 과방전의 발생을 피하기 위해 동일한 상태. 균형 제어가 수행되지 않으면 충전 및 방전 주기가 증가함에 따라 각 단일 리튬 전원 배터리의 전압이 점차적으로 차별화되고 수명이 크게 단축됩니다.
리튬 전원 배터리 셀의 불일치는 온도와 같은 임의적 요인의 영향으로 시간이 지남에 따라 더욱 악화됩니다. 정상적인 상황에서 리튬 배터리의 작동 환경 온도가 최적 온도보다 10°C 높으면 리튬 배터리의 수명이 절반으로 줄어듭니다. 많은 수의 차량용 리튬 배터리 시스템이 직렬로 연결되어 있기 때문에 일반적으로 88~100 시리즈이며 용량은 일반적으로 20~60kWh이며 리튬 배터리의 각 스트링의 위치가 다르기 때문에 온도 차이가 발생합니다.
동일한 전원 배터리 상자에서도 리튬 전원 배터리의 위치 및 가열로 인해 온도 차가 발생하며 이 온도 차이는 리튬 전원 배터리의 수명에 큰 부정적인 영향을 미치므로 리튬 전원 배터리가 발생합니다. 균형이 맞지 않아 순항 범위가 감소합니다. , 사이클 수명이 단축됩니다. 바로 이러한 문제 때문에 전체 배터리 시스템의 용량을 완전히 사용할 수 없어 배터리 시스템 손실이 발생하고 이러한 시스템 손실을 완화하면 배터리 시스템의 서비스 수명도 크게 연장됩니다.
리튬 전원 배터리 셀 간의 일관성은 리튬 전원 배터리 용량에 가장 직접적이고 가장 중요한 영향을 미칩니다. 리튬 전원 배터리 용량은 짧은 시간에 직접 측정할 수 없는 매개 변수이지만 리튬 전원 배터리 셀 용량은 개방 회로 전압 사이에는 일대일 대응이 있습니다. 리튬 배터리 셀의 전압은 온라인에서 실시간으로 측정할 수 있어 리튬 배터리 셀의 일관성 수준을 측정하기에 유리한 조건입니다. 배터리 관리 시스템의 관리 전략에는 방전 종료 조건, 충전 종료 조건 등이 있으며 리튬 전원 배터리 셀의 전압 값을 트리거 조건으로 사용합니다.
이 위치의 매개변수에 대해, 리튬 전원 배터리 셀의 전압 일관성의 과도한 차이는 리튬 전원 배터리 팩의 충전 및 방전 전력을 직접적으로 제한합니다. 이를 바탕으로 이미 작동 중인 리튬 배터리 팩의 과도한 전압차 문제를 해결하기 위해 리튬 배터리 균등화 방법을 사용하는 것은 리튬 배터리 팩의 용량을 늘리고 수명을 연장하기 위한 효과적인 조치입니다. 리튬 전원 배터리.
둘째, 수동적 평형의 장점과 단점
리튬 전원 배터리 팩의 균등화 관리에서 직렬 병렬 리튬 전원 배터리 팩의 현재 전압 균등화 방법은 수동 균등화와 능동 균등화로 구분됩니다. 일반적으로 에너지 소비형 균형은 수동적 균형으로 정의된다. 패시브 밸런스는 저항을 사용하여 고전압 또는 고충전 배터리의 에너지를 소비하여 서로 다른 배터리 간의 간격을 줄이는 목적을 달성합니다. 에너지 소모형입니다. 균형이 잡힌. 현재 시장에는 수동 균형을 채택한 많은 배터리 관리 시스템이 있습니다. 패시브 밸런스 기술은 액티브 밸런스 이전에 리튬 전원 배터리 시장에 적용되기 때문에 기술이 상대적으로 성숙하고 패시브 밸런스 구조가 더 간단하고 널리 사용됩니다.
리튬 전원 배터리 팩의 균형 관리에는 전압 균형, 전류 균형 및 온도 균형이 포함됩니다. 그 중 리튬 전원 배터리 팩의 전압 균형은 가장 기본적인 것, 즉 직렬 리튬 전원 배터리 팩에서 리튬 전원 배터리 셀의 전압 균형입니다. 마찬가지로, 전류 균형은 병렬로 리튬 전원 배터리 팩에 있는 각 리튬 전원 배터리 셀의 전류 균형을 나타냅니다.
리튬 전원 배터리 팩에서 리튬 전원 배터리 셀의 성능이 너무 빨리 저하되는 이유는 전류가 일정하지 않고 개별 셀이 과전압 상태에서 작동하여 과도한 성능 저하가 발생하기 때문입니다. 리튬 배터리 셀의 온도차는 일정하지 않은 발열과 일정하지 않은 방열로 인해 발생합니다. 현재 리튬 전원 배터리 팩의 온도 균형은 일반적으로 자연 공랭식, 강제 공랭식 및 액체 냉각과 같은 물리적 방법으로 해결됩니다.
패시브 이퀄라이제이션은 저항을 사용하여 에너지를 소비하기 때문에 열이 발생하고 이퀄라이제이션 전류가 작아 전체 시스템의 효율이 저하됩니다. 열 관리 요구 사항에 따라 수동 이퀄라이제이션은 섹션별로만 이퀄라이제이션할 수 있습니다. 리튬 배터리는 열에 매우 민감하므로 외부 온도의 상승을 절대적으로 피해야 합니다. 패시브 이퀄라이제이션은 리튬 전원 배터리 팩의 국부적 가열을 유발하고 고온은 구성 요소의 고장률을 증가시킵니다. 이러한 이유로 수동 평형에 의해 발생하는 열을 고려하여 리튬 전원 배터리의 안전 및 구조 설계에 대한 특별한 요구 사항이 제시됩니다.
3. 수동적 평형의 작동 원리
패시브 이퀄라이제이션은 일반적으로 저항 방전을 통해 더 높은 전압으로 리튬 전원 배터리를 방전하고 열의 형태로 전기를 방출하여 다른 리튬 전원 배터리에 더 많은 충전 시간을 얻습니다. 충전 과정에서 리튬 전원 배터리는 일반적으로 충전 상한 보호 전압 값을 갖습니다. 충전 중 전압이 일반적으로&"과충전 &"으로 알려진 이 값을 초과하면 리튬 전원 배터리가 타거나 폭발할 수 있습니다.
따라서 리튬 전원 배터리 보호 보드에는 일반적으로 리튬 전원 배터리가 과충전되는 것을 방지하는 과충전 보호 기능이 있습니다. 즉, 리튬 전원 배터리 스트링이 이 전압 값에 도달하면 리튬 전원 배터리 보호 보드가 충전 회로를 차단하고 충전을 중지합니다.
충전 균등화는 전원 배터리 충전 프로세스의 중간 및 후기 단계에 있으며 전원 배터리 셀 전압이 차단 전압에 도달하거나 초과하면 균등화 회로가 전원 배터리 셀 전류를 줄이기 위해 작동하기 시작하여 제한합니다. 전원 배터리 셀 전압은 충전 차단 전압보다 높지 않아야 합니다. 충전 균등화의 유일한 기능은 과충전을 방지하는 것이며 방전 사용 중에 부정적인 영향을 미칩니다. 충전 균등화를 사용할 때 소용량 전원 배터리 셀이 과충전되지 않고 방출할 수 있는 전력량이 가벼운 과충전에 이퀄라이저를 사용하지 않을 때 방출할 수 있는 전력보다 적어 전원 배터리 셀이 방전됩니다 시간이 더 짧고 과방전 가능성이 훨씬 더 큽니다.
충전 중 리튬 전원 배터리 팩의 용량 손실에 대한 개략도가 그림 1에 나와 있습니다. 그림 1에서 2# 리튬 전원 배터리의 단자 전압이 먼저 설정된 보호 전압 값으로 충전되어 보호 메커니즘을 트리거합니다. 리튬 전원 배터리 보호 회로의 차단 및 리튬 정지 전원 배터리 팩의 충전은 직접적으로 1#, 3## 및 4 리튬 전원 배터리를 완전히 충전할 수 없도록 합니다. 전체 리튬 전원 배터리 팩의 전체 충전 용량은 2# 리튬 전원 배터리로 제한되므로 리튬 전원 배터리 팩이 완전히 충전되지 않습니다. 리튬 전원 배터리 팩을 완전히 충전하려면 충전 시 이퀄라이징 충전 회로를 사용해야 합니다.
리튬 전원 배터리의 충전 과정에서 각 리튬 전원 배터리에는 그림 2와 같은 균등화 회로가 장착되어 있으며(각 리튬 전원 배터리는 병렬 전압 안정화 균등화 회로와 연결됨), 각 리튬 전원 배터리는 충전 중 이퀄라이제이션 회로. 리튬 전원 배터리의 전압은 리튬 전원 배터리의 각 스트링을 동일한 상태로 유지하여 리튬 전원 배터리의 성능과 수명을 보장합니다.
리튬 전원 배터리 균등화 회로에서 설정한 전압이 4.2V인 경우 리튬 전원 배터리가 4.2V에 도달하지 않으면 병렬 전압 조정기 회로가 작동하지 않고 각 리튬 전원 배터리가 계속 충전되고 충전 전류가 계속 리튬 전원 배터리를 통과합니다. 그림 3과 같이.
2# 리튬 전원 배터리 단자 전압이 4.2V에 도달하면 균등화 회로가 작동하기 시작하고 전압을 4.2V로 안정화합니다. 즉, 충전 전류는 그림과 같이 더 이상 2# 리튬 전원 배터리를 통과하지 않습니다. 이러한 방식으로 1#, 3# 및 4# 리튬 전원 배터리의 충전 시간이 그에 따라 연장되어 전체 리튬 전원 배터리 팩의 전력이 증가합니다. 그러나 2호 리튬전지의 방전된 전력은 100% 열방출로 전환되어 많은 낭비를 초래한다(2호 리튬전지의 방열은 시스템 손실과 전력낭비 ).
그림 2에 표시된 션트 조정기 회로의 작동 원리는 다음과 같습니다. TL431은 기준 전압이고 전압은 가변 저항을 조정하여 4.2V로 조정됩니다. 리튬 전원 배터리의 두 끝이 4.2V 미만인 경우 TL431은 전류를 흡수하지 않습니다. 즉, Ib=0 이하이므로 Ic=0, 트랜지스터가 차단되고 충전 전류가 여전히 리튬을 통과합니다. 전원 배터리. 리튬 전원 배터리의 양 끝이 4.2V에 도달하면 TL431은 전류 Ib>0을 흡수하기 시작하고 충전 전류(즉, Ic)는 3극관을 통과하고 리튬 전원 배터리를 통과하지 않습니다. 즉, , 리튬 전원 배터리가 더 이상 충전되지 않습니다.
회로에서 직렬로 연결된 3개의 다이오드 IN4001은 전압 분배기 역할을 하여 트랜지스터 TIP42에서 소비되는 전력을 줄일 수 있습니다. 이 3개의 다이오드 IN4001이 연결되지 않으면 트랜지스터 TIP42에서 소비되는 전력: P=4.2V×충전 전류, 다이오드 IN4001을 추가한 후, P=(4.2V-3×0.7V)×충전 전류. 맨 오른쪽의 발광 다이오드에는 표시 기능이 있습니다. 표시등이 켜져 전압이 4.2V에 도달했음을 나타냅니다. 즉, 이 균등화 회로에 해당하는 배터리가 완전히 충전되었음을 나타냅니다.
넷째, 션트 저항을 기반으로 충전 회로를 균등화하는 특성
가장 간단한 균형 회로는 부하 소모 균형, 즉 각 리튬 배터리에 저항을 병렬로 연결하고 스위치를 직렬로 연결하여 제어하는 것입니다. 리튬 배터리의 전압이 너무 높으면 스위치가 켜지고 충전 전류는 저항을 통해 분류됩니다. 이와 같이 고전압 리튬 전원 배터리는 충전 전류가 작고 저전압 리튬 전원 배터리는 충전 전류가 큽니다. 이러한 방식으로 리튬 전원 배터리의 전압 균형을 맞출 수 있지만 이 방법은 소용량 리튬 전원 배터리에만 적용할 수 있습니다. 용량의 리튬 전원 배터리에는 비현실적입니다.
리튬 배터리 셀의 양쪽 끝에 저항을 병렬로 연결하여 저항이 리튬 배터리 에너지의 일부를 소모할 수 있도록 합니다. 병렬 저항에는 두 가지 형태가 있습니다. 하나는 고정 연결입니다. 저항은 리튬 전원 배터리의 양단에 장시간 병렬로 연결됩니다. 리튬 전원 배터리 셀의 전압이 높으면 저항을 통과하는 전류가 커지고 더 많은 전력을 소비합니다. 리튬 전원 배터리의 전압이 낮을 때 저항은 더 적은 전력을 소비합니다. 저항의 감압 특성을 통해 리튬 전원 배터리 단자의 전압 균형이 실현됩니다. 이것은 이론적으로 실현 가능한 방법이며 실제로는 거의 사용되지 않습니다.
리튬 전원 배터리 균등화의 필요성 및 수동 균등화 충전 회로의 특성 분석
저항을 병렬로 연결하는 또 다른 방법은 스위치 루프를 통해 셀 양단에 저항을 병렬로 연결하는 것이다. 스위치는 관리 시스템의 신호에 의해 트리거됩니다. 시스템이 높은 셀 전압 또는 SOC를 결정하면 병렬 저항을 연결하여 에너지를 소비합니다.
션트 저항에 기반한 균형 충전의 원리는 그림 5에 나와 있습니다. 즉, 각 리튬 전원 배터리 셀은 션트 저항과 병렬로 연결됩니다. 그림 5의 회로에서 저항의 션트 전류가 리튬 배터리보다 훨씬 커야 함을 알 수 있습니다. 자체 방전 전류는 균형 충전의 효과를 얻을 수 있습니다. 일반적으로 리튬 배터리의 자가 방전 전류는 C/20000 정도이므로 션트 저항에 흐르는 전류는 C/200이 더 적합합니다. 또한 각 션트 저항의 편차도 등화 효과에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 일정 횟수의 충전 및 방전 사이클 후에 리튬 전원 배터리 셀의 편차는 다음 공식으로 결정할 수 있습니다.
리튬 전원 배터리 균등화의 필요성 및 수동 균등화 충전 회로의 특성 분석
여기서: VC는 리튬 전원 배터리의 전압 편차입니다. R은 션트 저항입니다. I는 리튬 전원 배터리의 자체 방전 전류입니다. VD는 리튬 전원 배터리 셀의 전압입니다. K는 저항 편차입니다.
션트 저항이 20Ω±0.05%이면 리튬 전원 배터리의 전압 편차를 50mV 범위 내에서 제어할 수 있습니다. 각 저항의 평균 전력은 0.72W이지만 션트 저항은 리튬 배터리의 충전 과정이나 방전 과정에 관계없이 항상 전력을 소비합니다.
온-오프 스위치가 추가된 션트 저항 기반 균형 충전의 원리는 그림 6에 나와 있습니다. 온-오프 션트 저항 균형 충전과 저항 션트 균형 충전의 차이점은 온-오프 스위치가 추가된 것입니다. 제어 시스템 소프트웨어로 제어할 수 있으며 간단한 논리 회로로도 실현할 수 있습니다. 이 제어 모드를 채택한 균등화 회로는 리튬 전원 배터리 충전의 정전압 충전 섹션에서만 작동하며 다른 시간에는 온-오프 스위치가 항상 꺼져 있으므로 리튬 전원 배터리 팩이 방전되면 션트 저항기가 작동하지 않습니다. 에너지를 소비합니다. 그러나 이 회로의 가장 큰 단점은 온-오프 스위치의 고장률이 상대적으로 높고 중복 수단이 필요하다는 것입니다.
