Как консистенция литиевых элементов влияет на аккумулятор?

Количество воды, которое может вместить деревянная бочка, определяется ее самой короткой клепкой. Это известно как «принцип бочки».

Если сравнить аккумуляторную батарею на основе литий-ионных элементов с бочкой для воды, то отдельные литиевые элементы, из которых состоит аккумуляторная батарея, являются деревянными клепками. Производительность худшего отдельного элемента определяет общую производительность всей аккумуляторной батареи.

При сборке аккумуляторной батареи на основе литий-ионных элементов (PACK) согласованность элементов имеет решающее значение. Аккумуляторная батарея с плохой согласованностью элементов увидит снижение своей производительности, включая емкость, срок службы и характеристики заряда/разряда. По мере увеличения количества циклов заряда/разряда это влияние усиливается. Но насколько значителен эффект этого «принципа бочки»?

Аккумуляторная батарея на основе литий-ионных элементов (PACK) следует «принципу бочки»

Важной причиной этого является управление и контроль со стороны системы управления батареями (BMS). BMS литиевой аккумуляторной батареи включает защиту от перезаряда и переразряда отдельных элементов. Это гарантирует, что литий-ионные элементы работают в безопасном и надежном диапазоне напряжений во время заряда и разряда, предотвращая ухудшение производительности, сокращение срока службы или даже угрозы безопасности, вызванные перезарядом или переразрядом.

Влияние согласованности во время разряда аккумуляторной батареи

Возьмем в качестве примера тройной литиевый (NMC/NCA) элемент. Его напряжение отсечки при разряде одного элемента обычно составляет 2,5 В, а BMS обычно устанавливает защиту от переразряда одного элемента на уровне 2,8 В. Логика защиты BMS такова, что когда напряжение любого элемента в батарее достигает 2,8 В, срабатывает защита от переразряда. Открываются полевые транзисторы или реле разряда, и вся батарея прекращает разряд.

Рассмотрим тройную литиевую аккумуляторную батарею 10-series, 1-parallel (10S1P). Предположим, что среди 10 элементов элемент с наименьшей емкостью имеет емкость 2000 мАч, а остальные 9 элементов имеют емкость 2500 мАч. Когда батарея разряжается, все 10 элементов разряжаются одновременно. Напряжение элемента падает по мере уменьшения его емкости. Когда элемент с меньшей емкостью 2000 мАч полностью разрядится, его напряжение достигнет 2,8 В. В этот момент у остальных 9 элементов (2500 мАч) еще осталась емкость, напряжение которой превышает 3,0 В. Однако, поскольку BMS обнаружила, что напряжение одной цепочки элементов достигло 2,8 В, она запускает защиту от переразряда батареи и останавливает разряд всей батареи. Следовательно, полезная емкость разряда всей батареи ограничена 2000 мАч.

Влияние согласованности во время зарядки аналогично сценарию разряда.

Тройной литиевый элемент полностью заряжается при напряжении 4,2 В. BMS обычно устанавливает защиту от перезаряда одного элемента на уровне 4,25 В. По мере зарядки элементов их напряжение повышается с увеличением емкости. Когда элемент с меньшей емкостью 2000 мАч полностью зарядится и его напряжение достигнет 4,25 В, остальные 9 элементов еще не будут полностью заряжены (вероятно, ниже 4,1 В). Тем не менее, BMS обнаруживает, что одна цепочка элементов превышает 4,25 В, и запускает защиту от перезаряда батареи, останавливая заряд всей батареи. В результате батарея принимает только заряд 2000 мАч.

Вот как проявляется «эффект бочки»: элемент с наименьшей емкостью определяет как емкость заряда, так и емкость разряда всей аккумуляторной батареи.

Влияние согласованности на срок службы батареи и характеристики заряда/разряда также следует «принципу бочки». Общая производительность батареи определяется одним элементом с наихудшим сроком службы и характеристиками заряда/разряда.

Как можно контролировать согласованность аккумуляторной батареи?

Согласованность аккумуляторной батареи включает такие параметры, как напряжение разомкнутой цепи, емкость и внутреннее сопротивление. На более глубоком уровне он также включает такие факторы, как K-value (скорость саморазряда), срок службы и характеристики кривой заряда/разряда.

Перед сборкой PACK элементы проходят сортировку и подбор. Общие критерии соответствия:

• Отклонение емкости: контролируется в пределах 1%

• Разница напряжений: в пределах 3 мВ

• Разница внутреннего сопротивления (IR): в пределах 2 мΩ

Что касается таких факторов, как K-value, срок службы и характеристики заряда/разряда, согласованность необходимо контролировать на источнике производства элементов. Это включает в себя:

• Использование идентичных систем материалов для элементов в одной производственной партии.

• Контроль частоты дефектов в массовом производстве.

• Стандартизация и автоматизация процесса массового производства элементов.

В итоге:

Строго контролируя согласованность элементов в литиевой аккумуляторной батарее, мы можем оптимизировать производительность батареи в полной мере, даже под влиянием «принципа бочки».