סוללות ליתיום הן כמו מנועים חסרי תחזוקה;מערכת ניהול מערכות (BMS)ללא פונקציית איזון, מדובר אך ורק באוסף נתונים ואינו יכול להיחשב כמערכת ניהול. גם איזון אקטיבי וגם איזון פסיבי נועדו לבטל חוסר עקביות בתוך חבילת סוללות, אך עקרונות היישום שלהם שונים באופן מהותי.
לשם הבהירות, מאמר זה מגדיר איזון שיזם מערכת ניהול מערכות (BMS) באמצעות אלגוריתמים כאיזון אקטיבי, בעוד איזון המשתמש בנגדים לפיזור אנרגיה נקרא איזון פסיבי. איזון אקטיבי כרוך בהעברת אנרגיה, בעוד איזון פסיבי כרוך בפיזור אנרגיה.
עקרונות בסיסיים לתכנון חבילות סוללות
- הטעינה חייבת להפסיק כאשר התא הראשון טעון במלואה.
- הפריקה חייבת להסתיים כאשר התא הראשון מתרוקן.
- תאים חלשים מזדקנים מהר יותר מתאים חזקים יותר.
- התא עם הטעינה החלשה ביותר יגביל בסופו של דבר את חבילת הסוללה'הקיבולת השמישה של (החוליה החלשה ביותר).
- מפל הטמפרטורה של המערכת בתוך חבילת הסוללות גורם לתאים לפעול בטמפרטורות ממוצעות גבוהות יותר להיות חלשים יותר.
- ללא איזון, הפרש המתח בין התאים החלשים ביותר לחזקים ביותר עולה עם כל מחזור טעינה ופריקה. בסופו של דבר, תא אחד יתקרב למתח המקסימלי בעוד שאחר יתקרב למתח המינימלי, מה שיפגע ביכולות הטעינה והפריקה של הסוללה.
עקב חוסר התאמה בין תאים לאורך זמן ותנאי טמפרטורה משתנים מההתקנה, איזון תאים הוא חיוני.
סוללות ליתיום-יון מתמודדות בעיקר עם שני סוגים של אי-התאמה: אי-התאמה בטעינה ואי-התאמה בקיבולת. אי-התאמה בטעינה מתרחשת כאשר תאים בעלי קיבולת זהה משתנים בהדרגה בטעינה. אי-התאמה בקיבולת מתרחשת כאשר משתמשים יחד בתאים בעלי קיבולות התחלתיות שונות. למרות שתאים בדרך כלל מתאימים היטב אם הם מיוצרים בערך באותו זמן עם תהליכי ייצור דומים, אי-התאמה יכולה לנבוע מתאים ממקורות לא ידועים או מהבדלים משמעותיים בייצור.
איזון אקטיבי לעומת איזון פסיבי
1. מטרה
חבילות סוללות מורכבות מתאים רבים המחוברים בטור, שסביר להניח שלא יהיו זהים. איזון מבטיח שסטיות מתח התאים יישמרו בטווחים הצפויים, תוך שמירה על השימושיות והבקרה הכוללת, ובכך מונע נזק ומאריך את חיי הסוללה.
2. השוואת עיצובים
- איזון פסיבי: בדרך כלל פורק תאים בעלי מתח גבוה יותר באמצעות נגדים, וממיר אנרגיה עודפת לחום. שיטה זו מאריכה את זמן הטעינה של תאים אחרים אך בעלת יעילות נמוכה יותר.
- איזון אקטיבי: טכניקה מורכבת המפזרת מחדש את המטען בתוך התאים במהלך מחזורי טעינה ופריקה, מקצרת את זמן הטעינה ומאריכה את משך הפריקה. היא משתמשת בדרך כלל באסטרטגיות איזון תחתון במהלך פריקה ואסטרטגיות איזון עליון במהלך טעינה.
- השוואה בין יתרונות וחסרונות: איזון פסיבי הוא פשוט וזול יותר אך פחות יעיל, מכיוון שהוא מבזבז אנרגיה כחום ויש לו השפעות איזון איטיות יותר. איזון אקטיבי יעיל יותר, מעביר אנרגיה בין תאים, מה שמשפר את יעילות השימוש הכוללת ומשיג איזון מהר יותר. עם זאת, הוא כרוך במבנים מורכבים ובעלויות גבוהות יותר, עם אתגרים בשילוב מערכות אלו במעגלים משולבים ייעודיים.
מַסְקָנָה
הקונספט של BMS פותח בתחילה בחו"ל, כאשר עיצובים מוקדמים של מעגלים משולבים התמקדו בגילוי מתח וטמפרטורה. מאוחר יותר הוצג הקונספט של איזון, בתחילה באמצעות שיטות פריקה התנגדותיות המשולבות במעגלים משולבים. גישה זו נפוצה כיום, כאשר חברות כמו TI, MAXIM ו-LINEAR מייצרות שבבים כאלה, חלקן משלבות דרייברים של מתגים בשבבים.
מעקרונות ודיאגרמות של איזון פסיבי, אם משווים חבילת סוללות לחבית, התאים דומים למוטות. תאים עם אנרגיה גבוהה יותר הם קרשים ארוכים, ואלו עם אנרגיה נמוכה יותר הם קרשים קצרים. איזון פסיבי רק "מקצר" את הקרשים הארוכים, וכתוצאה מכך בזבוז אנרגיה וחוסר יעילות. לשיטה זו יש מגבלות, כולל פיזור חום משמעותי ואפקטים של איזון איטי במארזי קיבולת גדולים.
איזון אקטיבי, לעומת זאת, "ממלא את הקרשים הקצרים", ומעביר אנרגיה מתאים בעלי אנרגיה גבוהה יותר לתאים בעלי אנרגיה נמוכה יותר, וכתוצאה מכך יעילות גבוהה יותר והשגת איזון מהירה יותר. עם זאת, הוא מציג בעיות מורכבות ועלויות, עם אתגרים בתכנון מטריצות מתג ובקרת כוננים.
בהתחשב בפשרות, איזון פסיבי עשוי להתאים לתאים בעלי עקביות טובה, בעוד שאיזון אקטיבי עדיף עבור תאים עם פערים גדולים יותר.
זמן פרסום: 27 באוגוסט 2024
